巖石多功能剪切試驗測試裝置及其測試方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于巖土工程技術中的巖土檢測領域，涉及一種巖石多功能剪切試驗測試裝置，本發明還涉及這種測試裝置的測試方法。
【背景技術】
[0002]在壓縮條件下巖石的剪切試驗，是獲得在不同法向壓力下巖石的峰值抗剪強度和殘余強度的基本方法，也是獲取巖石的抗剪強度參數的一種重要手段。因此，在巖土工程中獲得了廣泛的應用，并開發了不同的壓剪試驗設備。常見的設備有應用于室內試驗的大型直剪儀和應用于現場原位試驗的小型便攜式直剪儀。
[0003]而對于拉伸條件下的巖石的剪切試驗，在國內外文獻中均鮮有報道，也很少見到能進行巖石拉伸一一剪切試驗的儀器設備。因為一方面，巖石的拉剪破壞沒有引起人們的足夠重視。另一方面是進行拉剪試驗的設備較為復雜，其中包括巖石試件的粘接、法向拉力的加載方式、粘接可能對側向變形的限制、偏心對巖石拉伸強度的影響等各種需要考慮的地方。與應用廣泛的RMT單軸壓縮實驗、壓剪實驗和MTS常規三軸實驗相比，巖石的拉伸一一剪切實驗操作起來困難許多。
[0004]在深埋、高應力地下巖石工程中，隧洞邊墻部位，由于開挖卸荷作用法向應力為0，切向應力集中達最大，部分圍巖在豎直切應力作用下會產生法向的拉應力。當圍巖底部有一定空間時，巖體會在豎向的切應力和法向的拉應力作用下發生拉剪破壞。
[0005]對于傳統的莫爾庫倫強度準則，為方便應用一般會簡化為線性表達式，即巖石的抗剪強度是法向壓應力的線性函數，而法向應力變為拉應力(即應力位于橫軸的負半軸)時，通常做法是將正半軸上擬合的直線延伸交與負半軸，作為巖石在拉應力下的強度準則，而這一點是缺乏實驗數據支撐的。并且，實驗證明在不同的法向壓力下，巖石的抗剪強度包絡線并不完全是線性的，包絡線上每個實驗點對應的切線斜率逐漸減小，而對于負半軸上在不同拉應力作用下的強度包絡線到底是怎樣的也沒有統一的說法，主要原因就是缺乏實驗數據的支撐。
[0006]因此，急需開發一種能進行不同法向拉、壓力作用下的巖石剪切試驗裝置，為完善巖石本構模型、建立相應強度準則提供試驗數據。
【發明內容】
[0007]本發明的目的就是要提供一種巖石多功能剪切試驗測試裝置，第二目的是利用該測試裝置來檢測巖石試件在垂直和水平方向上同時受力時的情況。
[0008]為實現上述第一目的，本發明所設計的巖石多功能剪切試驗測試裝置，由底部的底座、上部的框架構成，所述的框架的頂部安裝有垂直千斤頂；框架一個側壁上安裝有水平千斤頂；框架的另一個側邊側壁內部依次設置有垂直支撐滑座和垂直導向滑軌；水平千斤頂和垂直支撐滑座分別設置在框架的兩個相對的側壁上；
[0009]底座的內部中央依次設置有水平支撐滑座和水平導向滑軌；水平支撐滑座上方依次安裝下粘接盒和上粘接盒；上、下粘接盒之間為標準巖樣；
[0010]水平千斤頂的水平活塞桿水平設置和下粘接盒等高；垂直千斤頂的垂直活塞桿的底部固定在垂直連接件的頂面；
[0011]下粘接盒的上方和上粘接盒的下方均有中空凹陷；標準巖樣安裝在下粘接盒和上粘接盒之間的中空凹陷處時，標準巖樣豎直方向的中軸線和垂直千斤頂的垂直活塞桿的中軸線重合，標準巖樣的水平方向的中軸線位于上、下粘接盒之間的剪切縫中心平面上；
[0012]水平千斤頂、垂直千斤頂和上、下粘接盒均連接伺服控制系統。
[0013]上述技術方案中，水平導向滑軌的底部固定安裝在底座上，水平支撐滑座安裝在水平導向滑軌上；水平支撐滑座的上方固定有水平滑座連接板，水平滑座連接板的頂部和下粘接盒的底部相互固定。
[0014]上述技術方案中，垂直導向滑軌的底部固定安裝在框架側壁上；垂直支撐滑座配合安裝在垂直導向滑軌上；垂直滑座連接體底端固定在連接垂直支撐滑座頂部，垂直滑座連接體的頂端固定在垂直連接件的側面；法蘭盤固定安裝在垂直活塞桿和垂直連接件頂面之間，垂直連接件連接垂直滑座連接體。
[0015]上述技術方案中，鉛垂方向上，水平活塞桿的頂端位于下粘接盒側面底端以上、且位于上粘接盒側面的下方；下粘接盒不接觸垂直連接件。
[0016]上述技術方案中，當標準巖樣安裝在上、下粘接盒之間時，標準巖樣的上、各/部分分別位于上粘接盒和下粘接盒內。
[0017]上述技術方案中，伺服控制系統的高精度剪切伺服控制器控制水平千斤頂，高精度軸向伺服控制器控制垂直千斤頂，LVDT位移傳感器分別連接上、下粘接盒。
[0018]本發明的第二目的就是要提供一種巖石多功能剪切試驗測試裝置，檢測巖石試件在垂直和水平方向上同時受力時的情況，通過以下步驟:
[0019]步驟一:將標準巖樣粘在上粘接盒中
[0020]將上粘接盒的中空凹陷的內壁涂抹膠水，然后將標準巖樣放入上粘接盒內，調整標準巖樣位置，保證標準巖樣和上粘接盒中軸線重合，同時保證標準巖樣各個側面分別與上粘接盒內壁間的縫隙充滿膠水；完成后靜置分鐘，等待膠水凝固；
[0021]步驟二:將標準巖樣粘在下粘接盒中
[0022]將下粘接盒的中空凹陷的內壁涂抹膠水，然后將已經粘有上粘接盒的標準巖樣扣在下粘接盒的中空凹陷處，調整標準巖樣位置，保證標準巖樣各個側面分別與下粘接盒內壁間的縫隙充滿膠水，保證標準巖樣和上、下粘接盒的中軸線在一條鉛垂線上，保證標準巖樣的水平中軸線在上、下粘接盒之間的剪切縫中心平面上；完成后靜置小時，等待膠水完全凝固。
[0023]步驟三:安裝標準巖樣
[0024]將上、下粘接盒連同標準巖樣一起安裝在水平滑座連接板上；通過水平支撐滑座在水平導向滑軌上移動，調整上、下粘接盒和水平滑座連接板，保證垂直活塞桿、上粘接盒、標準巖樣、和下粘接盒的中軸線在一條鉛垂線上；上粘接盒推入垂直連接件內部；
[0025]步驟四:加載測試
[0026]拉伸/壓縮剪切試驗時，開啟伺服控制系統，先通過垂直加載系統控制垂直千斤頂，向下施加法向拉/壓力P，記錄法向拉/壓力P的加載速率和時間tP，穩定至目標P。后，再通過水平加載系統按照一定速率施加水平推力T，直至標準巖樣破壞，同時記錄該過程中的水平推力T、加載速率、經過的時間tT和標準巖樣14的水平位移量L 和垂直位移量La
直；
[0027]步驟五:清潔上、下粘接盒
[0028]試驗完成后，取出上、下粘接盒并加熱，待膠水熔化變軟后，將標準巖樣從上、下粘接盒中分離后，清理上、下粘接盒內剩余的膠水；
[0029]步驟六:依據試驗結果進行數據分析。
[0030]本發明所設計的巖石多功能剪切試驗測試裝置具有以下優點:
[0031]1、通過兩個上、下粘接盒鑲嵌安裝標準巖樣14，保證施力傳遞給標準巖樣14時能夠達到預期效果。
[0032]2、水平千斤頂3配合水平支撐滑座8和水平導向滑軌9確保了對標準巖樣14的水平定位。
[0033]3、垂直千斤頂5配合垂直支撐滑座16和垂直導向滑軌17確保了對標準巖樣14的垂直定位。
[0034]4、具體的，水平支撐滑座8和垂直支撐滑座16采用了導向滑軌配合方式，有效的減少了試樣中水平/垂直施力加載過程中產生的摩擦力，降低了對試驗結果的誤差影響。
[0035]5、本實驗系統可以進行多種力學試驗，包括拉伸剪切試驗、壓縮剪切試驗、直接拉伸試驗、直接剪切試驗。
[0036]本發明設計的巖石多功能剪切試驗測試裝置及其測試方法能夠更加快捷有效的獲得更為精確、完善的巖石本構模型、建立相應的強度準則，具有重要意義。
【附圖說明】
[0037]圖1為本發明巖石多功能剪切試驗測試裝置的整體結構示意圖。
[0038]圖2為本發明巖石多功能剪切試驗測試裝置的俯視結構示意圖。
[0039]圖3為圖2中A-A處的剖面結構示意圖。
[0040]圖中:底座1、框架2、水平千斤頂3、水平活塞桿4、垂直千斤頂5、垂直活塞桿6