[發(fā)明專利]基于滲透壓力模擬的巖體抗剪強(qiáng)度測試裝置及其方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810982350.0
• 申請日: 2018-08-27
• 公開（公告）號(hào): CN109342230B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊忠年;張亮;時(shí)偉;李克先;王勇;凌賢長;管曉明
• 申請（專利權(quán)）人: 青島理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/38
• 分類號(hào): G01N3/38;G01N3/02
• 代理公司: 青島匯智海納知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37335
• 代理人: 王丹丹

1.基于滲透壓力模擬的巖體抗剪強(qiáng)度測試裝置，其特征在于，包括剪切單元、滲透壓力控制單元、巖石結(jié)構(gòu)面損傷監(jiān)測單元、結(jié)構(gòu)面位移監(jiān)測單元以及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測單元；

所述剪切單元包括底座(21)、剪切盒(23)和鋼制框架(12)，剪切盒(23)和鋼制框架(12)均設(shè)置在底座(21)上，鋼制框架(12)的頂部設(shè)置有一軸壓加載板(22)，軸壓加載板(22)通過軸壓螺栓(1)與鋼制框架(12)相連，剪切盒(23)的頂端通過一彈簧組件(3)與軸壓加載板(22)相連；所述剪切盒(23)內(nèi)設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)試件，所述標(biāo)準(zhǔn)試件是由將巖石依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面尺寸與粗糙度進(jìn)行切割打磨獲得，標(biāo)準(zhǔn)試件包括上部巖石結(jié)構(gòu)面試件(5)和下部巖石結(jié)構(gòu)面試件(8)，標(biāo)準(zhǔn)試件通過固定螺栓(14)固定在剪切盒(23)內(nèi)；所述剪切盒(23)為圓柱形，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒的側(cè)面設(shè)置有剛性觸手(15)，剛性觸手(15)與鋼制框架(12)固定連接，下剪切盒與一變頻電機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)往返剪切運(yùn)動(dòng)；

所述滲透壓力控制單元包括進(jìn)水管(17)、出水管(7)以及水壓力泵(11)，所述下部巖石結(jié)構(gòu)面試件(8)內(nèi)部設(shè)置有豎向透水孔，所述透水孔通過進(jìn)水管(17)與水壓力泵(11)相連，沿上部巖石結(jié)構(gòu)面試件(5)和下部巖石結(jié)構(gòu)面試件(8)的接觸面處的圓周方向設(shè)置有一滲流出水口(6)，所述滲流出水口(6)與水壓力泵(11)相連；

所述巖石結(jié)構(gòu)面損傷監(jiān)測單元包括聲波發(fā)射探頭(4)、聲波接收探頭(9)以及聲波解調(diào)儀(10)，所述聲波發(fā)射探頭(4)設(shè)置在上部巖石結(jié)構(gòu)面試件(5)的頂端，所述聲波接收探頭(9)設(shè)置在下部巖石結(jié)構(gòu)面試件(8)的底端，聲波發(fā)射探頭(4)和聲波接收探頭(9)均與聲波解調(diào)儀(10)相連；

所述結(jié)構(gòu)面位移監(jiān)測單元包括相機(jī)(16)，上剪切盒和下剪切盒之間的剪切面處還設(shè)置有透明窗口，透明窗口采用亞克力材質(zhì)，相機(jī)(16)設(shè)置在上剪切盒外部的透明窗口外側(cè)；

所述應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測單元包括第一壓力傳感器(13)、第二壓力傳感器以及壓力數(shù)顯裝置(18)，第一壓力傳感器(13)設(shè)置在彈簧組件(3)與剪切盒(23)之間，第二壓力傳感器設(shè)置在剛性觸手(15)和鋼制框架(12)之間，第一壓力傳感器(13)和第二壓力傳感器均與壓力數(shù)顯裝置(18)相連。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滲透壓力模擬的巖體抗剪強(qiáng)度測試裝置，其特征在于：所述變頻電機(jī)(19)與一電機(jī)數(shù)控顯示系統(tǒng)(20)相連，變頻電機(jī)(19)的輸出軸與一齒輪相連，沿下剪切盒的側(cè)壁圓周方向設(shè)置有齒紋圈，所述齒紋圈與齒輪嚙合，通過變頻電機(jī)(19)帶動(dòng)下剪切盒進(jìn)行不同速率的往返剪切運(yùn)動(dòng)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滲透壓力模擬的巖體抗剪強(qiáng)度測試裝置，其特征在于：所述下剪切盒的底部設(shè)置有滾珠(24)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滲透壓力模擬的巖體抗剪強(qiáng)度測試裝置，其特征在于：所述軸壓加載板(22)的下表面上還設(shè)置有位移傳感器(2)，所述位移傳感器(2)采用激光位移傳感器，以實(shí)時(shí)檢測軸向位移。

5.一種基于權(quán)利要求4所述的基于滲透壓力模擬的巖體抗剪強(qiáng)度測試裝置的測試方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將巖石按設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面尺寸與粗糙度進(jìn)行切割打磨，制成標(biāo)準(zhǔn)試件，一組標(biāo)準(zhǔn)試件由上部巖石結(jié)構(gòu)面試件(5)和下部巖石結(jié)構(gòu)面試件(8)組成，通過固定螺栓(14)將標(biāo)準(zhǔn)試件固定在剪切盒內(nèi)；

(2)旋緊軸壓螺栓(1)，觀察第一壓力傳感器(13)的測試數(shù)值，當(dāng)?shù)谝粔毫鞲衅?13)的讀數(shù)達(dá)到設(shè)定軸向壓力時(shí)停止，確保整個(gè)測試過程均在常法向剛度下完成；

(3)在上部巖石結(jié)構(gòu)面試件(5)頂部設(shè)計(jì)有聲波發(fā)射探頭(4)，在下部巖石結(jié)構(gòu)面試件(8)底部設(shè)計(jì)有聲波接收探頭(9)，試驗(yàn)開始時(shí)，聲波發(fā)射探頭(4)發(fā)射高壓脈沖，同時(shí)聲波接收探頭(9)接收聲波信號(hào)；在發(fā)射高壓脈沖的同時(shí)，聲波解調(diào)儀(10)將輸出同步信號(hào)，對巖石內(nèi)部各類型裂隙進(jìn)行無損檢測；

(4)設(shè)定進(jìn)水端水壓力，待結(jié)構(gòu)面滲流出水口(6)處有水滲出時(shí)，打開水壓力泵(11)，實(shí)時(shí)監(jiān)測出水量和出水端壓力；待出水端壓力穩(wěn)定后，通過設(shè)定變頻電機(jī)(19)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)幅度和轉(zhuǎn)動(dòng)周期來對標(biāo)準(zhǔn)試件施加剪切力，標(biāo)準(zhǔn)試件受到的剪切力T的大小由第二壓力傳感器測得，則試件受到的剪應(yīng)力為：τ＝T÷πr²；

(5)試件在剪切過程中軸向力變化由第一壓力傳感器(13)測得，軸向位移由位移傳感器(2)測得，結(jié)合剪切過程中剪切位移、剪應(yīng)力繪制之間的剪切位移曲線，測得試樣的粘聚力與阻尼比，得到試樣在循環(huán)剪切下的滯回曲線，進(jìn)而計(jì)算試樣的動(dòng)模量與阻尼比；

而且，試件在剪切過程中，通過透明窗口觀察剪切面宏觀變化情況，并將相機(jī)(16)安裝于上剪切盒外部，對剪切面進(jìn)行拍攝，并對所得圖像進(jìn)行處理；通過拍攝獲取目標(biāo)物變形過程中的連續(xù)散斑圖像，在灰度匹配算法的基礎(chǔ)上，采用相關(guān)性指標(biāo)來衡量參考子區(qū)和目標(biāo)子區(qū)的相似程度，從而求得被測目標(biāo)的位移和變形。