岩体结构面现场水力耦合直剪试验结构装置及构建方法与流程

本发明涉及现场岩体结构面力学试验技术领域，具体涉及一种岩体结构面现场水力耦合直剪试验结构装置及构建方法。

背景技术：

现场岩体结构面直剪试验是通过一种在现场加工试样进行法向和切向加载获得岩体结构面抗剪强度参数方法，所获得的岩体结构面抗剪强度参数指标对工程设计具有指导作用。在我国西部水利水电工程建设过程中，形成了众多的高坝大库，这些水库在运行期间，库水以下岩体通常处于一定的水压作用条件下，如果岩体中存在裂隙、软弱夹层等结构面，往往会成为库水或地下水的渗流通道。与无水条件相比，水压力与渗流作用对结构面的抗剪强度特性产生显著影响。特别是高山峡谷区的高坝大库坝基岩体以及库坡岩体中存在的结构面在长期运行过程中，将承受库水压力与地下水渗流的长期作用，而水下岩体结构面抗剪强度特性的劣化会引起峡谷较明显的谷幅变形，严重影响高坝的工作性态和长期安全运行。

目前的现场岩体结构面直剪试验方法均在无水压无渗流条件下进行，所获得的抗剪强度参数无法与工程运行期间岩体结构面具有一定水压条件或一定渗流条件下的抗剪强度参数相匹配。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种岩体结构面现场水力耦合直剪试验结构装置及构建方法，该装置和方法能实现有水压有渗流条件下的岩体结构面直剪试验，获得真实反映水下岩体结构面抗剪强度参数指标，可为工程岩体结构面水力耦合变形强度特性研究提供有效、可靠手段。

为解决上述技术问题，本发明公开的一种岩体结构面现场水力耦合直剪试验结构装置，其特征在于，它包括筒式钢结构高水压试验舱、传力钢板、扁平千斤顶、用于安装试验岩体的剪切盒、位于剪切盒两侧且固定在筒式钢结构高水压试验舱底部的两个反力支撑钢板、固定在筒式钢结构高水压试验舱顶部内侧上的第一传立柱、设置在第一传立柱底部与剪切盒顶部之间的试验舱内竖向千斤顶、顶端与试验室顶面连接的第二传立柱、设置在筒式钢结构高水压试验舱顶部外侧与第二传立柱底端之间的舱外反力千斤顶；所述筒式钢结构高水压试验舱外还设有法向荷载控制系统、差异式油压倍增器、剪切荷载控制系统；

所述两个反力支撑钢板与剪切盒的下部侧面之间均设置有传力钢板，所述剪切盒的上部侧面与一个反力支撑钢板之间设置有扁平千斤顶，所述法向荷载控制系统的液压接口连接差异式油压倍增器的第一液压接口，试验舱内竖向千斤顶的进油口通过舱内试验竖向加压系统管路的进油管连接差异式油压倍增器的第二液压接口，试验舱内竖向千斤顶的出油口通过舱内试验竖向加压系统管路的出油管接出筒式钢结构高水压试验舱外，扁平千斤顶的进油口通过舱内试验切向加压系统管路的进油管连接剪切荷载控制系统的液压接口，扁平千斤顶的出油口通过舱内试验切向加压系统管路的出油管接出筒式钢结构高水压试验舱外，舱外反力千斤顶的进油口通过舱外竖向荷载加压管路的进油管连接差异式油压倍增器的第三液压接口，舱外反力千斤顶的出油口连接舱外竖向荷载加压管路的出油管，筒式钢结构高水压试验舱内设有试验舱充水管和数据采集通讯总成，所述筒式钢结构高水压试验舱的顶部还设有试验舱排气管，试验舱充水管和试验舱排气管接出筒式钢结构高水压试验舱外；

所述剪切盒的顶面设有滚轴排，滚轴排上设有钢垫板，滚轴排上的钢垫板能与试验舱内竖向千斤顶的底部贴合；

所述滚轴排上的钢垫板上设有水下位移传感器，剪切盒顶部侧面也设有水下位移传感器，水下位移传感器的信号输出端连接数据采集通讯总成的信号输入端。

一种上述岩体结构面现场水力耦合直剪试验结构的构建方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：选定构建筒式钢结构高水压试验舱的隧洞部位，对隧洞的顶板和底板松动围岩进行清理，然后在隧洞的底板浇筑混凝土底板；

步骤2：在混凝土底板上安装钢底板，并在钢底板上安装试验舱充水管、数据采集通讯总成、舱内试验竖向加压系统管路和舱内试验切向加压系统管路的安装接口，将两个反力支撑钢板固定于钢底板上；

步骤3：将放置有岩体结构面试样的剪切盒放置于钢底板上，并采用传力钢板将剪切盒固定于两个反力支撑钢板之间；

步骤4：在剪切盒的上部侧面与一个反力支撑钢板之间安装扁平千斤顶，在剪切盒的顶部与试验舱内竖向千斤顶底部的钢垫板之间设置滚轴排，在试验舱内竖向千斤顶顶部依次设置钢垫板和第一传立柱，在筒式钢结构高水压试验舱顶部内侧上固定舱内千斤顶定位钢板，第一传立柱的顶部与舱内千斤顶定位钢板贴合，在步骤2安装的各个接口上对应安装试验舱充水管、数据采集通讯总成、舱内试验竖向加压系统管路和舱内试验切向加压系统管路；

步骤5：分层安装多个环形钢构件，相邻两个环形钢构件之间通过定位螺栓固定连接，相邻两个环形钢构件之间设有止水密封条；最顶部的环形钢构件通过定位螺栓与钢盖板固定连接，最顶部的环形钢构件与钢盖板之间设有止水密封条，最底部的环形钢构件通过定位螺栓与钢底板固定连接，最底部的环形钢构件与钢底板之间设有止水密封条；

步骤6：在所述筒式钢结构高水压试验舱顶部外侧固定舱外千斤顶定位钢板，在舱外千斤顶定位钢板顶部安装舱外反力千斤顶，在舱外反力千斤顶顶部与试验室顶面之间依次设置钢垫板、第二传立柱和另一个钢垫板；

步骤7：将法向荷载控制系统的液压接口连接差异式油压倍增器的第一液压接口，将试验舱内竖向千斤顶的进油口通过舱内试验竖向加压系统管路的进油管连接差异式油压倍增器的第二液压接口，将试验舱内竖向千斤顶的出油口通过舱内试验竖向加压系统管路的出油管接出筒式钢结构高水压试验舱外，将扁平千斤顶的进油口通过舱内试验切向加压系统管路的进油管连接剪切荷载控制系统的液压接口，将扁平千斤顶的出油口通过舱内试验切向加压系统管路的出油管接出筒式钢结构高水压试验舱外，将舱外反力千斤顶的进油口通过舱外竖向荷载加压管路的进油管连接差异式油压倍增器的第三液压接口，将舱外反力千斤顶的出油口连接舱外竖向荷载加压管路的出油管，在所述筒式钢结构高水压试验舱的顶部设置试验舱排气管；

步骤8：通过试验舱充水管对筒式钢结构高水压试验舱进行充水，使得筒式钢结构高水压试验舱中的水压力达到指定压力，并进行稳压；

步骤9：启动法向荷载控制系统和剪切荷载控制系统进行具有预设水压条件下的岩体结构面直剪试验。

本发明通过与现场岩体结构面直剪试验相配合，解决了具有一定水压条件下的岩体结构面直剪试验问题；突破传统现场岩体结构面直剪试验在有水压条件下无法进行试验的局限，不受试验部位与时间的限制，能够保证准确真实地测定水下岩体结构面抗剪强度参数指标，为高坝坝基、涉水边坡和地下洞室设计与稳定评价提供基础数据。并为工程岩体结构面水力耦合变形强度特性研究提供有效、可靠手段。

本发明突破传统现场岩体结构面直剪试验在有水压条件下无法进行试验的局限，不受试验部位与时间的限制，能够保证准确真实地测定水下岩体结构面抗剪强度参数指标。同时该装置具有拆卸、重复使用的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为筒式钢结构高水压试验舱内除去钢盖板后的俯视结构示意图；

其中，1—混凝土底板、2—钢底板、3—传力钢板、4—剪切盒、5—第一传立柱、5.1—第二传立柱、6—反力支撑钢板、7—固定螺栓、8—扁平千斤顶、9—滚轴排、10—钢垫板、11—试验舱内竖向千斤顶、12—舱内千斤顶定位钢板、13—水下位移传感器、14—环形钢构件、15—定位螺栓、16—钢盖板、17—舱内试验竖向加压系统管路、18—舱内试验切向加压系统管路、19—舱外竖向荷载加压管路、20—试验舱排气管、21—舱外千斤顶定位钢板、22—止水密封条、24—试验舱充水管、25—数据采集通讯总成、26—差异式油压倍增器、27—法向荷载控制系统、28—剪切荷载控制系统、29—试验室顶面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明岩体结构面现场水力耦合直剪试验结构装置，它包括筒式钢结构高水压试验舱、传力钢板3、扁平千斤顶8、用于安装试验岩体的剪切盒4、位于剪切盒4两侧且固定在筒式钢结构高水压试验舱底部的两个反力支撑钢板6(两个反力支撑钢板6均通过固定螺栓7固定在筒式钢结构高水压试验舱底部)、固定在筒式钢结构高水压试验舱顶部内侧上的第一传立柱5、设置在第一传立柱5底部与剪切盒4顶部之间的试验舱内竖向千斤顶11、顶端与试验室顶面29连接的第二传立柱5.1、设置在筒式钢结构高水压试验舱顶部外侧与第二传立柱5.1底端之间的舱外反力千斤顶23(舱外反力千斤顶23和第二传立柱5.1均有两个)；所述筒式钢结构高水压试验舱外还设有法向荷载控制系统27、差异式油压倍增器26、剪切荷载控制系统28；

所述两个反力支撑钢板6与剪切盒4的下部侧面之间均设置有传力钢板3，所述剪切盒4的上部侧面与一个反力支撑钢板6之间设置有扁平千斤顶8，所述法向荷载控制系统27的液压接口连接差异式油压倍增器26的第一液压接口，试验舱内竖向千斤顶11的进油口通过舱内试验竖向加压系统管路17的进油管连接差异式油压倍增器26的第二液压接口，试验舱内竖向千斤顶11的出油口通过舱内试验竖向加压系统管路17的出油管接出筒式钢结构高水压试验舱外，扁平千斤顶8的进油口通过舱内试验切向加压系统管路18的进油管连接剪切荷载控制系统28的液压接口，扁平千斤顶8的出油口通过舱内试验切向加压系统管路18的出油管接出筒式钢结构高水压试验舱外，舱外反力千斤顶23的进油口通过舱外竖向荷载加压管路19的进油管连接差异式油压倍增器26的第三液压接口，舱外反力千斤顶23的出油口连接舱外竖向荷载加压管路19的出油管，筒式钢结构高水压试验舱内设有试验舱充水管24和数据采集通讯总成25，所述筒式钢结构高水压试验舱的顶部还设有试验舱排气管20，试验舱充水管24和试验舱排气管20接出筒式钢结构高水压试验舱外；

所述剪切盒4的顶面设有滚轴排9，滚轴排9上设有钢垫板10，滚轴排9上的钢垫板10能与试验舱内竖向千斤顶11的底部贴合；滚轴排9用于降低试样顶部摩阻力，保证施加剪切荷载时，试样沿水平方向自由变形；

所述滚轴排9上的钢垫板10上设有水下位移传感器13，剪切盒4顶部侧面也设有水下位移传感器13，水下位移传感器13的信号输出端连接数据采集通讯总成25的信号输入端。

数据采集通讯总成25的信号输出端用于连接电脑，电脑软件控制数据采集。所述扁平千斤顶8位于传力钢板3的上方。差异式油压倍增器26用于保证试验加卸载过程中，试验舱外反力千斤顶23与舱内竖向荷载千斤顶11压力之间保持一定的压力差，从而保证试验舱系统的稳定。

上述技术方案中，由于试验时实验舱内存在较高水压力，筒式钢结构可使构件受力均匀，此外，圆形也便于止水。

上述技术方案中，数据采集通讯总成25用于采集法向变形量和剪切变形量。试验舱排气管20用于在试密封验舱内充水时，顺利排出空气。

上述技术方案中，水下位移传感器13用于测量试验的法向变形量和剪切变形量，并将其通过数据采集通讯总成25传输给电脑。

上述技术方案中，所述试验室顶面29与第二传立柱5.1顶部之间设有钢垫板10，第二传立柱5.1底部与舱外反力千斤顶23之间也设有钢垫板10，第一传立柱5的底部与试验舱内竖向千斤顶11之间也设有钢垫板10。传立柱为壁厚2cm的中空钢筒，千斤顶推头需要钢垫板与传立柱接触传力。

上述技术方案中，所述筒式钢结构高水压试验舱顶部外侧固定有舱外千斤顶定位钢板21，所述舱外反力千斤顶23的底部安装在舱外千斤顶定位钢板21上。

上述技术方案中，所述筒式钢结构高水压试验舱顶部内侧上固定有舱内千斤顶定位钢板12，第一传立柱5的顶部安装在舱内千斤顶定位钢板12上。

上述技术方案中，所述筒式钢结构高水压试验舱的底部设置在混凝土底板1上。试验平洞洞底为开挖裸露岩石，凹凸不平，混凝土底板起到找平作用。

上述技术方案中，所述筒式钢结构高水压试验舱包括钢盖板16、钢底板2和多个环形钢构件14(采用Q345钢)，所述多个环形钢构件14同轴搭建形成筒式钢结构高水压试验舱的侧壁，相邻两个环形钢构件14之间通过定位螺栓15固定连接，相邻两个环形钢构件14之间设有止水密封条22(U型密封条)；最顶部的环形钢构件14通过定位螺栓15与钢盖板16固定连接，最顶部的环形钢构件14与钢盖板16之间设有止水密封条22，最底部的环形钢构件14通过定位螺栓15与钢底板2固定连接，最底部的环形钢构件14与钢底板2之间设有止水密封条22。

筒式钢结构高水压试验舱采用上述结构具有如下效果：

1、每组试验需完成6个试样，采用多个环形钢构件同轴搭建，方便试验设备重复安装拆卸；

2、采用定位螺栓，以便在安装过程中快速准确定位；

3、钢构件之间采用微向内倾斜的U型止水槽内塞止水密封条的止水方式，可使钢构件所受荷载越大时止水密封条被压越紧密，止水效果越好。

一种上述岩体结构面现场水力耦合直剪试验结构的构建方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：选定构建筒式钢结构高水压试验舱的隧洞部位，对隧洞的顶板和底板松动围岩进行清理，然后在隧洞的底板采用C30混凝土浇筑混凝土底板1；

步骤2：在混凝土底板1上安装钢底板2，并在钢底板2上安装试验舱充水管24、数据采集通讯总成25、舱内试验竖向加压系统管路17和舱内试验切向加压系统管路18的安装接口，将两个反力支撑钢板6固定于钢底板2上；

步骤3：将放置有岩体结构面试样的剪切盒4放置于钢底板2上，并采用传力钢板3将剪切盒4固定于两个反力支撑钢板6之间；

步骤4：在剪切盒4的上部侧面与一个反力支撑钢板6之间安装扁平千斤顶8(即为水平方向千斤顶)，在剪切盒4的顶部与试验舱内竖向千斤顶11底部的钢垫板10之间设置滚轴排9，在试验舱内竖向千斤顶11顶部依次设置钢垫板10和第一传立柱5，在筒式钢结构高水压试验舱顶部内侧上固定舱内千斤顶定位钢板12，第一传立柱5的顶部与舱内千斤顶定位钢板12贴合，在步骤2安装的各个接口上对应安装试验舱充水管24、数据采集通讯总成25、舱内试验竖向加压系统管路17和舱内试验切向加压系统管路18；

步骤5：分层安装多个环形钢构件14，相邻两个环形钢构件14之间通过定位螺栓15固定连接，相邻两个环形钢构件14之间设有止水密封条22；最顶部的环形钢构件14通过定位螺栓15与钢盖板16固定连接，最顶部的环形钢构件14与钢盖板16之间设有止水密封条22，最底部的环形钢构件14通过定位螺栓15与钢底板2固定连接，最底部的环形钢构件14与钢底板2之间设有止水密封条22；

步骤6：在所述筒式钢结构高水压试验舱顶部外侧固定舱外千斤顶定位钢板21，在舱外千斤顶定位钢板21顶部安装舱外反力千斤顶23，在舱外反力千斤顶23顶部与试验室顶面29之间依次设置钢垫板10、第二传立柱5.1和另一个钢垫板10；

步骤7：将法向荷载控制系统27的液压接口连接差异式油压倍增器26的第一液压接口，将试验舱内竖向千斤顶11的进油口通过舱内试验竖向加压系统管路17的进油管连接差异式油压倍增器26的第二液压接口，将试验舱内竖向千斤顶11的出油口通过舱内试验竖向加压系统管路17的出油管接出筒式钢结构高水压试验舱外，将扁平千斤顶8的进油口通过舱内试验切向加压系统管路18的进油管连接剪切荷载控制系统28的液压接口，将扁平千斤顶8的出油口通过舱内试验切向加压系统管路18的出油管接出筒式钢结构高水压试验舱外，将舱外反力千斤顶23的进油口通过舱外竖向荷载加压管路19的进油管连接差异式油压倍增器26的第三液压接口，将舱外反力千斤顶23的出油口连接舱外竖向荷载加压管路19的出油管，在所述筒式钢结构高水压试验舱的顶部设置试验舱排气管20；

步骤8：通过试验舱充水管24对筒式钢结构高水压试验舱进行充水，使得筒式钢结构高水压试验舱中的水压力达到指定压力，并进行稳压；

步骤9：启动法向荷载控制系统27和剪切荷载控制系统28进行具有预设水压条件下的岩体结构面直剪试验。

岩体结构面直剪试验的试验过程为：在试验系统全部安装后，试验舱内注水并达到预定水压力值后，通过试验舱内竖向千斤顶11按预先设定的法向荷载，分2～3级施加，法向载荷每次施加完毕后通过水下位移传感器13立即测读法向位移，5min后再测读一次法向位移后施下一级法向载荷，按同样的方法施加法向荷载直至预定值，法向荷载施加完毕试样变形稳定后，通过扁平千斤顶8按预估最大剪切载荷分10～12级施加剪切荷载，每级载荷施加后通过水下位移传感器13立即测读剪切位移和法向位移，5min后再测读一次剪切位移和法向位移即可施加下一级剪切载荷，当剪切载荷加不上或无法稳定时，认为试样破坏，试验结束。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。