岩体循环剪切试验装置及试验方法与流程

本发明涉及地下工程试验和测试技术领域，特别涉及一种岩体循环剪切试验装置及试验方法。

背景技术：

随着国民经济现代化水平的提高和城市人口的增加，人类因居住和从事各种活动而争占土地的矛盾日趋激化。从宏观上看，人口的增加和生活需求的增长与土地等自然条件的日益恶化和资源的逐渐枯竭引起的人类生存空间问题，已达到了危机的程度。在这种情况下，地下空间资源的开发与综合利用，为人类生存空间的扩展提供了具有很大潜力的自然资源。

然而在地下空间的开发利用中，需要对工程所处的围岩类别进行分级，并根据围岩分级等相关情况对开挖岩体进行支护。如果支护不当则会发生类似围岩坍塌的工程事故，造成了巨大的经济损失，而且给施工人员的生命安全造成威胁。因此，围岩分级的准确性、以及岩土工程支护设计的合理性对确保工程的施工安全、节省工程经济成本都具有重大的意义。而在围岩分级和支护设计的过程中，岩体剪切参数的准确选取起着至关重要的作用。

在地下硐室开挖以及矿山开采过程中，围岩应力和变形极其复杂，岩体不连续面之间的剪切错动并不一定沿特定方向进行，而可能产生循环反复的错动，因此需要研究岩体在循环剪切作用下的力学和变形性能。在地震发生的情况下，由于地震波是一段循环波形，因此也会在岩体中引发强烈的循环剪切作用，细致研究岩体的循环剪切特性对于减少地震造成的灾害也具有重要意义。

当岩体所在的原岩应力水平不同时，岩体的循环剪切参数会存在差异。然而目前的剪切试验装置无法在模拟岩体原岩应力的条件下，进行相应的循环剪切试验，使剪切试验的模拟环境失真，导致所获得的力学参数与实际情况差异较大，甚至会造成围岩分级的错误确定、进而误导开挖工法和支护设计的合理选择，对施工安全造成严重隐患、或造成工程经济成本的不必要浪费。

此外，地下工程岩体和锚固条件下岩体均处于恒定法向刚度边界条件下，使用现有的剪切试验机，不能很好的模拟这类工程情况，因此无法获得准确的循环剪切参数。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可以使试件处于类似工程现场的应力状态下来对试件进行循环剪切试验的岩体循环剪切试验装置及试验方法。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

岩体循环剪切试验装置，包括：用于放置试件的底座和设于底座上用以对所述试件施加剪切力的剪切加载系统；

所述剪切加载系统包括用以对所述试件施加剪力的设于所述试件两侧的第一剪切加载组件和第二剪切加载组件；

所述第一和第二剪切加载组件在所述试件沿剪切方向的两侧相互对置，所述第一剪切加载组件包括位于下方的第一剪切加载油缸和位于上方的第三剪切加载油缸，所述第二剪切加载组件包括位于下方的第二剪切加载油缸和位于上方的第四剪切加载油缸。

岩体在围岩中的受力情况十分复杂，当岩体在结构面受到剪切作用时，是在原岩应力的基础上继续发生的剪切作用。传统的剪切试验仪的结构形式多为在试件的两侧设置错开的加载部件，无法将岩体沿剪切方向的原岩应力考虑在内。将剪切加载系统设置为四个加载油缸，每个加载油缸都受计算机控制系统的独立控制，方便灵活，可以根据围岩的实际情况，模拟岩体在结构面附近的实际受力，在模拟剪切力的同时，可以将沿剪切方向的原岩应力考虑在内，使得剪切模拟过程更加符合实际地质中的围岩受力情况，使实现岩体受力环境的真实模拟成为可能。

所述剪切加载系统还包括第一缸体固定件和第二缸体固定件，所述第一剪切加载油缸的缸体和所述第三剪切加载油缸的缸体均固定在所述第一缸体固定件内，所述第二剪切加载油缸的缸体和所述第四剪切加载油缸的缸体均固定在所述第二缸体固定件内。这种设置方式可以使装置的结构设计更加紧凑，节约空间，而且增加了施力部件的稳定性，进而增加施力过程的稳定性。

所述第一和第二缸体固定件上分别设有沿前后方向布置的第一传力轴和第二传力轴，所述传力轴延伸至所述缸体固定件的前后表面外侧形成突出部；所述第一和第二传力轴的突出部通过传力杆连接。第一和第二剪切加载组件通过传力轴和传力杆来提供反力，结构简单，成本低廉，空间利用率高。

所述传力杆为两个，布置在所述第一和第二缸体固定件的前后两侧。传力杆前后对称布置，保证装置的结构稳定性。

所述剪切加载系统还包括用以承载所述第一或第二剪切加载组件的剪切支撑装置，所述剪切支撑装置沿所述第一或第二剪切加载组件运动延伸的方向布置，所述剪切支撑装置的表面与所述底座的表面平行。

所述第一缸体固定件和所述第二缸体固定件与反力架固定连接。通过反力架来为剪切试验提供反力，布置方式常规成熟。

所述第一、第二、第三和/或第四剪切加载油缸的活塞杆的端头设有用以与所述试件表面直接接触的垫板，可以使试件在受力时更加均匀。

所述剪切加载系统与计算机控制系统连接，各个所述剪切加载油缸均独立受控于所述计算机控制系统。

岩体循环剪切试验装置还包括与所述计算机控制系统连接的用以对所述试件施加法向压力的法向加载系统，所述法向加载系统与加载框架的顶端固定连接，所述加载框架与所述底座固定连接。

岩体循环剪切试验装置还包括与所述计算机控制系统连接的用以实时测量所述试件法向位移的法向位移监测系统，所述计算机控制系统实时接收所述试件的法向位移的数据，根据所述试件法向刚度不变的原则，即公式σ＝σ₀+△d*Κ，不断调整所述法向加载系统对所述试件施加的法向压力，从而达到岩体剪切试验过程中的法向刚度恒定；

式中，σ为某时刻需要对所述试件施加的法向应力，σ₀为所述试件的初始围压，△d为所述试件在该时刻所发生的累计的法向位移，K为所述试件的法向刚度，K为定值。

控制系统利用法向位移监测系统对法向位移的实时反馈，随时调节对试件施加的法向压力大小，技术先进，突破了传统试验机只能实现恒荷载边界的技术难题，进而可以根据围岩在实际工程中的真实情况，能够模拟岩体在不连续面处法向荷载不断变化、和周围岩体刚度恒定不变的情况，实现了恒定法向刚度边界条件下的岩体不连续面剪切试验。利用恒定法向刚度剪切试验装置所获得的岩石剪切力学参数更加符合实际情况，使围岩分级的确定、开挖工法和支护设计的选择更加科学准确，对工程施工安全和经济成本的合理控制有重要的意义。

岩体循环剪切试验装置还包括水平加载系统，用以对所述试件施加垂直于剪切方向的水平压力。

工程现场中，岩体在水平方向受到平行于剪切方向的水平剪力和垂直于剪切方向的水平压力两个方向的受力。理想的试验装备应首先使试件满足工程现场的法向和两个水平向的应力状态，然后施加需要的剪切荷载。传统的试验机忽略了对水平压力的模拟，模拟环境失真。通过采用水平加载系统，可以在进行剪切试验之前实现水平压力的模拟，使得试验的模拟环境与岩体在围岩中的真实受力环境一致，确保测试结果的准确性。

所述底座上设有用以固定试件的试件固定部件，所述固定部件由彼此分离的上部固定件和下部固定件组成，所述固定部件内部构成用于容纳所述试件的空间；所述水平加载系统包括液压囊，所述液压囊设在所述固定部件的侧壁内侧，并与伺服油源连接；所述伺服油源与所述计算机控制系统连接。

计算机控制系统控制所述伺服油源对所述液压囊加压，使液压囊膨胀，通过液压囊与侧壁的紧密挤压，来施加对试件的水平压力。

采用液压囊而不是传统的油缸来施加水平压力，使得试验机的结构更加紧凑，合理利用空间，布局合理，减小仪器的占地面积，成本低廉。液压囊由计算机控制系统控制加压，方便准确。

所述试件固定部件与所述底座之间设有滚珠板，可以减小试件固定部件与底座的摩擦力，保证所模拟的岩体受力与实际情况更加相符。

岩体循环剪切试验装置还包括剪力监测系统和剪切位移监测系统，所述剪力监测系统包括分别监测四个所述剪切加载油缸相应压力的压力监测系统；所述剪切位移监测系统包括用以分别测量所述第一和第二剪切加载组件中各个所述加载油缸位移值的若干位移计和剪切位移数据采集仪。

所述剪力监测系统包括分别监测四个所述剪切加载油缸相应压力的四个压力监测系统。在四个不同的剪切加载油缸上均设有压力监测仪，可以方便的监测并调整相应的原岩应力和剪切力的数值，为实现岩体受力环境的真实模拟提供便利。

所述剪切位移监测系统，包括用以分别测量所述第一和第二剪切加载组件中各个所述加载油缸位移值的若干位移计和剪切位移数据采集仪。

岩体循环剪切试验装置还包括监测系统，所述监测系统包括所述法向位移监测系统，并且还包括法向压力监测系统、水平力监测系统中的一种或几种。

所述的法向位移监测系统，包括用以测量试件法向位移大小的位移计和位移数据采集仪。

所述的法向压力监测系统，包括用以测量试件所承受轴向压力大小的压力传感器和法向压力数据采集仪。

所述水平力监测系统，包括用以测量垂直于剪切方向水平力大小的液压传感器和水平力围压数据采集仪。

循环剪切试验方法，包括以下步骤：

步骤1：向试件施加模拟岩体在围岩中原始受力情况的原始水平剪力，所述原始水平剪力的施加方法为：第一、第二、第三和第四剪切加载油缸对所述试件的施力值等于围岩的原始剪力值；

步骤2：保持所述第二和第三剪切加载油缸的压力不变，保持所述第四剪切加载油缸位移不变，控制所述第一剪切加载油缸以恒定的速度朝向所述试件移动来施加剪切力；

步骤3：当所述试件的剪切位移达到第一设定值后，将所述剪切力卸载，是所述试件再次达到原岩应力水平，保持所述第一和第四剪切加载油缸的压力不变，保持所述第三剪切加载油缸位移不变，控制所述第二剪切油缸一恒定移动速度朝向所述试件来施加反向剪切力，当所述试件的剪切位移达到第二设定值后卸载所述反向剪切力，完成一个循环剪切；

步骤4：重复步骤2和步骤3的操作，实现多次循环剪切试验。

岩体在不连续面的剪切性能，因受力环境的不同会产生很大的差异。通过四个独立的油缸，既可以在试验开始时模拟岩体的原始受力情况，又可以在发生剪力时，持续模拟围岩受力环境。在整个试验过程中，施加剪切力的油缸以恒定速度朝向试件来施加剪切力，更符合岩体在实际工程中的剪切受力情况；对于与试件直接受力区域相邻的部分，受力大小仍然为原岩应力状态，因此第二和第三剪切加载油缸的压力保持不变；第四剪切加载油缸对试件施力的部位与直接受力区域呈对角线，通过控制其位移保持不变来为剪切力提供反力。通过对上述四个油缸的控制，可以实现整个试验过程中对岩体受力环境的持续模拟，可以真实的模拟岩体不连续面的剪力受力过程，所获得的力学参数更加准确，大大提高了正确判断围岩分级和合理选择支护设计的准确性。

此处的剪切力，是指在原始水平剪力的基础上，继续向试件施加的剪力的增值。

本发明的有益效果是：

能够使岩体首先达到工程现场的实际应力状态，实现了在原岩应力条件下的岩体循环剪切试验，更真实的再现和测试岩石在工程现场的物理力学性质。循环剪切试验对于确定合理的岩石剪切力学参数，进而进行合理的围岩分级，采取合适的开挖工法和进行合理的支护设计具有重要意义。

附图说明

图1是剪切加载系统的结构示意图；

图2是具有法向加载系统的循环剪切装置示意图；

图3是试件固定部件的结构示意图；

图4是试件的受力图；

图中，1.底座，2.加载框架，3.框架顶板，4.法向液压油缸，5.剪切加载装置，6.试件固定部件，7.第一剪切加载油缸，8.第二剪切加载油缸，9.第三剪切加载油缸，10.第四剪切加载油缸，11.滚珠板，12.上部固定件，13.下部固定件，14.传力杆，15.支撑装置，16.第一缸体固定件，17.第二缸体固定件，18.第一传力轴，19.第二传力轴。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1：

一种岩体循环剪切试验装置，如图1所示，包括底座1和剪切加载装置。剪切加载装置5包括支撑装置15、剪切加载框架、第一剪切加载油缸7及垫板、第二剪切加载油缸8及垫板、第三剪切加载油缸9及垫板、第四剪切加载油缸10及垫板、第二伺服油源、滚珠板11，用于给试样加载剪切方向的水平原岩应力和剪切力；滚珠板位于下侧U型加载框的下方，用于减小试件固定部件6与底座1之间的摩擦力。

剪切加载系统还包括第一缸体固定件16和第二缸体固定件17，第一剪切加载油缸7的缸体和第三剪切加载油缸9的缸体均固定在第一缸体固定件16内，第二剪切加载油缸的缸体和第四剪切加载油缸的缸体均固定在第二缸体固定件17内，第一缸体固定件16和第二缸体固定件17之间设有用以给第一和第二剪切加载组件提供反力的传力轴14(图1中未画出)。

第一和第二缸体固定件上分别设有沿前后方向布置的第一传力轴18和第二传力轴19，传力轴18、19延伸至第一缸体固定件16、第二缸体固定件17的前后表面外侧形成突出部；第一传力轴18和第二传力轴19的突出部通过传力杆14连接，如图2所示。第一和第二剪切加载组件通过传力轴和传力杆来提供反力，结构简单，成本低廉，空间利用率高。

传力杆14为两个，布置在第一和第二缸体固定件的前后两侧。

支撑装置15用以承载第一剪切油缸7和第三剪切油缸9，剪切支撑装置15沿第一剪切油缸7和第三剪切油缸9运动延伸的方向布置，剪切支撑装置的表面与底座的表面平行。

岩体循环剪切试验装置还可以包括加载框架2和法向加载系统，如图2所示。其中法向加载系统包括两个竖直平行设置的法向液压油缸4和第一伺服油源，用于给试件施加法向压力；第一伺服油源用于驱动法向液压油缸4来给岩石试件施加法向压力；液压油缸固定在框架顶板3上。

岩体循环剪切试验装置还包括水平加载系统。水平加载系统包括第三伺服油源、试件固定部件6和液压囊，用于给试件施加垂直于剪切方向的水平原岩应力；试件固定部件6为U型加载框，如图3所示，共有上下两个，包括将U型框架倒置的上部固定件12和U型框架正置的下部固定件13，U型加载框内侧预制两个联通的腔体，这两个腔体共同构成用以容纳试件的空间。液压囊设在U型框架的侧壁内侧，在第三伺服油源的驱动下，对试件施加水平压力。

岩体循环剪切试验装置还包括监测系统。监测系统包括法向压力监测系统、法向位移监测系统、剪切力监测系统、剪切位移监测系统、剪切方向水平力监测系统、垂直于剪切方向水平力监测系统；

法向压力监测系统，包括压力传感器和法向压力数据采集仪，用于测量试件所承受轴向压力的大小，并将其传递至计算机控制系统；

法向位移监测系统，包括位移计和位移数据采集仪，用于测量试件法向位移的大小，并将其传递至计算机控制系统；

剪切力监测系统，包括四个压力传感器和剪切力数据采集仪，四个压力传感器分别位于第一剪切加载油缸及垫板之间、第二剪切加载油缸及垫板之间、第三剪切加载油缸及垫板之间、第四剪切加载油缸及垫板之间，用于测量岩石试件所承受剪切力和剪切方向的水平原岩应力的大小，并将其传递至计算机控制系统。

剪切位移监测系统，包括位移计和剪切位移数据采集仪，分别监测三个剪切加载油缸的位移的大小，并将其传递至计算机控制系统；

垂直于剪切方向水平力监测系统，包括液压传感器和水平力围压数据采集仪。

计算机控制系统，包括计算机、控制软件、数据总线和控制器，用于提供人机交互界面，输入实验数据，收集各监测数据，控制加载过程，实现恒定法向刚度边界控制，以及显示和输出实验结果；数据总线用于在计算机和控制器之间进行数据格式转换和传输，以及向计算机传输各监测数据；控制器通过数据总线接收计算机指令，根据指令控制各个加载系统按照特定的路径进行加载，从而实现恒定法向刚度边界控制；恒定法向刚度边界控制是指：剪切过程中，岩石试件会产生剪胀现象，由于不连续面是粗糙不平的，随着剪切位移不断增大，剪胀程度不断变化，根据监测得到的试件法向位移计算为了保持恒定法向刚度所需要的法向压力，进而通过计算机控制系统发出指令适时修正法向压力的大小，形成控制循环，在剪切加载的整个过程中，该控制循环不断进行。试件的受力图如图4所示。

岩体循环剪切试验装置的一种试验方法是：

首先将岩石试件安装在U型加载框中，然后安装到试验机相应位置；通过剪切加载系统的四个油缸施加剪切方向的水平原岩应力；通过水平加载系统施加垂直于剪切方向的水平原岩应力；通过法向加载系统施加法向应力；通过剪切加载系统第一剪切加载油缸以恒定移动速度控制对试件施加向右的剪切力，同时保持第二剪切加载油缸和第三剪切加载油缸压力不变，第四剪切加载油缸位移不变。

剪切位移达到预设目的之后，将剪切力卸载，试件再次达到原岩应力水平；通过剪切加载系统第二剪切加载油缸以恒定移动速度控制对试件施加向左的剪切力，同时保持第一剪切加载油缸和第四剪切加载油缸压力不变，第三剪切加载油缸位移不变；待剪切位移达到预设目的之后卸载剪切力，完成一个循环剪切；根据需要重复上述步骤，可以实现多次循环剪切。

在上述试验的整个过程中，计算机控制系统实时测量试件的法向位移，计算机控制系统根据法向位移计算为了保持恒定法向刚度边界所需要的法向应力，计算公式为：σ＝σ₀+△d*Κ，式中，σ为某时刻需要对试件施加的法向应力其中σ₀为初始围压，△d为岩石试件在某一个阶段发生的法向位移，K为岩石试件的法向刚度；进而发出指令不断修正法向应力的大小，直至实验结束；实验过程中记录和输出岩石试件的围压、轴压、侧向变形和轴向变形数据。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。