[發明專利]基于滲透壓力模擬的巖體抗剪強度測試裝置及其方法

有效

• 申請號: 201810982350.0
• 申請日: 2018-08-27
• 公開（公告）號: CN109342230B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 楊忠年;張亮;時偉;李克先;王勇;凌賢長;管曉明
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: G01N3/38
• 分類號: G01N3/38;G01N3/02
• 代理公司: 青島匯智海納知識產權代理有限公司 37335
• 代理人: 王丹丹

本發明公開一種基于滲透壓力模擬的巖體抗剪強度測試裝置及方法，所述測試裝置包括剪切單元、滲透壓力控制單元、巖石結構面損傷監測單元、結構面位移監測單元以及應力應變監測單元。通過設計特定的巖石結構面試件，可以實現在巖石節理上模擬不同滲透壓力的滲流情況；在滲流存在的條件下對巖石進行剪切，可研究巖石結構面在不同法向應力，不同滲透應力以及不同的結構面粗糙度的情況下剪切變形及抗剪強度變化情況，為研究巖石結構面在滲流的影響下結構面本身抗剪強度參數變化與巖體結構變化特性研究提供一種新型、有效的測試手段。

技術領域

本發明涉及土工試驗技術領域，具體涉及一種基于滲透壓力模擬的巖體抗剪強度測試裝置及其方法，通過室內試驗測試巖石結構面在滲流情況下的抗剪強度。

背景技術

巖體是由結構面和巖塊組成，結構面的存在造成了巖體介質的不連續性和各向異性，結構面的物理力學性質在一定程度上控制著巖體的力學性質，決定著巖體失穩破壞的規模和類型；同時結構面的存在也為水的滲流提供良好的通道。結構面的力學特性已成為巖體力學一個極為重要的理論研究課題。

巖石結構面的法向變形主要包括結構面面閉合和結構面剪脹，兩者共同改變和影響著結構面的滲透特性。剪脹是結構面沿著粗糙和起伏表面做切向滑動時產生的法向膨脹，它與結構面巖體的滲透特性關系緊密，因此，要對結構面的剪切-滲流耦合特性進行研究，而進行結構面巖石試件的室內剪切-滲流耦合試驗，是一種有效的技術手段。

巖石節理剪切滲流耦合試驗中的關鍵技術是試驗邊界條件的實現，即位移、荷載邊界條件和滲流邊界條件。在巖石節理的剪切過程中，當上、下節理面在剪切力作用下產生相對位移時，通過在剪切盒進水口和出水口之間設定一定的水壓差，即滲透水壓力，來實現巖石結構面內的水沿指定路徑流動，同時保證剪切盒在垂直水流方向邊界上不發生水流滲透，因此必須對剪切盒做良好的密封。

由于試驗條件的限制，特別是滲透密封手段，目前關于巖石節理剪切-滲流耦合試驗的試驗設備還比較缺乏，已有設備的剪切盒所能承受的滲透壓力也往往比較低。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對現有技術存在的上述缺陷，提出一種基于滲透壓力模擬的巖體抗剪強度測試裝置及其方法，為研究巖石結構面在滲流的影響下結構面本身抗剪強度參數變化與巖體結構變化特性研究提供一種新型、有效的測試手段。

本發明是采用以下的技術方案實現的：一種基于滲透壓力模擬的巖體抗剪強度測試裝置，包括剪切單元、滲透壓力控制單元、巖石結構面損傷監測單元、結構面位移監測單元以及應力應變監測單元；

所述剪切單元包括底座、剪切盒和鋼制框架，剪切盒和鋼制框架均設置在底座上，鋼制框架的頂部設置有一軸壓加載板，軸壓加載板通過軸壓螺栓與鋼制框架相連，剪切盒的頂端通過一彈簧組件與軸壓加載板相連，通過調節軸壓螺栓，實現彈簧組件提供法向恒剛度加載，所述剪切盒內設置有標準試件，所述標準試件是由將巖石依據設計結構面尺寸與粗糙度進行切割打磨獲得，標準試件包括上部巖石結構面試件和下部巖石結構面試件，標準試件通過固定螺栓固定在剪切盒內；所述剪切盒為圓柱形，包括上剪切盒和下剪切盒，分別上剪切盒的側面設置有剛性觸手，剛性觸手與鋼制框架固定連接，下剪切盒與一變頻電機相連，實現往返剪切運動，在剪切過程中，上剪切盒固定，變頻電機通過齒輪與下剪切盒連接，并帶動下剪切盒進行不同速率的往返剪切運動；

所述滲透壓力控制單元包括進水管、出水管以及水壓力泵，所述下部巖石結構面試件內部設置有豎向透水孔，所述透水孔通過進水管與水壓力泵相連，在試驗過程中，可以保證巖石結構面進水壓力恒定。沿上部巖石結構面試件和下部巖石結構面試件的接觸面處的圓周方向設置有一滲流出水口，所述滲流出水口與水壓力泵相連，可以實時對巖石結構面的滲流量與出水端壓力進行測定；