一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置及方法与流程

本发明涉及岩土工程中岩样在竖向荷载条件下岩石的原位剪切试验和直剪试验装置，具体是一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置及方法。

背景技术：

在压缩条件下岩石的剪切试验，是获得在不同法向压力下岩石的峰值抗剪强度和残余强度的基本方法，也是获取岩石的抗剪强度参数的一种重要手段。因此，在岩土工程中获得了广泛的应用，并开发了不同的压剪试验设备。常见的设备有应用于室内试验的大型直剪仪和应用于现场原位试验的小型便携式直剪仪。

现有室内进行压剪试验的设备较为复杂，其中包括岩石试件的粘接、法向剪切力的加载方式对侧向变形的限制等，剪切面上受力不均匀，影响试验结果的准确性；且由于水平方向的试验距离受到仪器尺寸限制，直剪仪在检测过程中，能够试验的剪切位移的尺寸范围受到较大限制，不能提供较大尺寸的抗剪切试验数据。

现场原位剪切试验是探求岩土体真实强度的一项必备试验，剪切试样尺寸大、扰动小，试验结果更具可靠性。常用的原位直剪仪主要由竖向压力系统、水平剪力系统以及数据采集系统所组成。由于现场试样尺寸大，维持试样所需的竖向载荷需要的加载量大(重达数吨)，并且随试样位置更换竖向荷载必须随之搬动，工作量大，费时费力。因此，如何方便快捷地为试验过程提供准确且稳定的竖向载荷成为现场直接剪切试验的关键问题。

上述两种方式，均难以为试验提供精确恒定的竖向压力，且剪切过程中稳定性差，剪切面上受力不均匀，影响试验结果的准确性；且不能长期监测现场岩样的长期剪切蠕变，最主要的就是进行监测过程中所需的成本过高，操作复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置及方法，创新性的利用膨胀剂的自膨胀性能提供荷载源进行现场原位剪切试验，利用膨胀水泥浆产生的膨胀力，将膨胀荷载通过哑铃状剪切杆的加载探头传递给现场岩样；在现场对待剪切岩样施加竖向荷载，待其稳定后再通过施加水平剪力使其破坏，同时记录下岩样破坏时的剪切应力，可测定岩体特定剪切面上的抗剪强度指标。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置，它包括需要进行剪切试验的围岩，所述围岩所在区域切割出一个试验平台，在围岩上设置有剪切岩样、平整围岩面和上部围岩；所述平整围岩面的顶部并位于剪切岩样的侧边设置有水平剪切盒；所述水平剪切盒和剪切岩样的侧壁之间设置有水平剪切装置；所述上部围岩的下端面设置有竖向荷载加载盒，所述竖向荷载加载盒的下端面和剪切岩样之间设置有垂直剪切装置；所述水平剪切装置和垂直剪切装置采用相同的结构，其动力源都采用膨胀水泥浆。

所述围岩选用野外岩体，并采用切割设备切割出一超挖试验平台，其形状为凹进去的规则空心立方体结构。

所述剪切岩样的剪切面积不小于2500cm，高度不小于边长的2/3。

所述水平剪切盒的两边固定有开孔钢板，所述开孔钢板通过带螺纹地锚固定安装在平整围岩面的顶部，在带螺纹地锚的顶部锁紧固定有螺母。

所述水平剪切盒采用无顶盖的长方体结构。

所述水平剪切装置包括设置在水平剪切盒侧壁上的传力板，所述传力板的侧壁上连接有传力杆，所述传力杆的另一端连接有可调蝶形弹簧，所述可调蝶形弹簧的另一端连接哑铃状剪切杆，所述哑铃状剪切杆的另一端通过加载探头与剪切岩样的侧壁接触。

所述垂直剪切装置包括设置在竖向荷载加载盒下端面的传力板，所述传力板的侧壁上连接有传力杆，所述传力杆的另一端连接有可调蝶形弹簧，所述可调蝶形弹簧的另一端连接竖向哑铃状剪切杆，所述竖向哑铃状剪切杆的另一端通过加载探头与剪切岩样的顶端接触。

所述膨胀水泥浆采用较大掺量的膨胀水泥浆材料，所述膨胀水泥浆材料填充在水平剪切盒和竖向荷载加载盒的内部。

所述水平剪切盒和水平剪切装置的传力板内壁铺设一层石棉，传力板与膨胀水泥浆之间布设一层橡胶垫圈。

所述竖向荷载加载盒和垂直剪切装置的传力板内壁铺设一层石棉，传力板与膨胀水泥浆之间布设一层橡胶垫圈。

所述传力板内壁中心位置上安装有压力传感器，各压力传感器与压力采集处理装置连接；在剪切岩样的三个轴向方向安装有剪切位移百分表，在剪切岩样的顶部竖直方向安装有竖直位移百分表。

任意一项所述测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置的试验方法，包括以下步骤：

step1：清理围岩：选取岩性较好的围岩面，将待切割围岩上的杂草和碎石清理干净；

step2：切割岩样及试验平台：利用切割设备切割磨取一超挖试验平台，其形状为凹进去的规则空心立方体，包括剪切岩样、平整围岩面和上部围岩；

step3：预制水平剪切盒和竖向荷载加载盒：根据合适的尺寸用较大强度的钢板焊接无顶盖的长方体，在一侧面钢板上焊接有伸出的中心开孔钢板，即为水平剪切盒和竖向荷载加载盒；

step4：预制哑铃状剪切杆：根据水平剪切盒的尺寸切割预制与水平剪切盒配合使用的传力板，传力板通过无盖缺口伸入到水平剪切盒内部，在传力板正中心焊接一定长度的传力杆，在传力杆另一端焊接可调蝶形弹簧，在弹簧的另一端焊接加载探头；

step5：准备石棉和橡胶：在水平剪切盒和竖向荷载加载盒内部表面铺设一层石棉；

step6：粘贴压力传感器：在传力板正中心位置粘贴压力传感器，与压力采集系统连接；

step7：浇筑膨胀水泥浆：配制膨胀剂含量为a%的膨胀水泥浆，在水平剪切盒内浇筑膨胀水泥浆；

step8：安装竖向哑铃状剪切杆：浇筑完成后利用传力板压敷住膨胀水泥浆，并在传力板和膨胀水泥浆之间铺设一层橡胶垫圈；

step9：安装竖向荷载加载盒：将竖向荷载加载盒安装与岩样和围岩之间，调整竖向加载探头使其受力均匀，对膨胀水泥浆养护一段时间后，调节可调蝶形弹簧对膨胀力进行调整，保证施加在岩样上的荷载为施加荷载的设计值，对待剪切岩样施加不同的法向荷载，利用位移百分表监测垂直变形值，当连续两个15min垂直变形累计不超过0.05mm时，即认为垂直变形已经稳定，可安装水平剪切盒；

step10：浇筑膨胀水泥浆和安装水平剪切盒：配制膨胀剂含量为b%的膨胀水泥浆，在水平剪切盒内浇筑膨胀水泥浆，浇筑完成后利用传力板压敷住膨胀水泥浆，并在传力板和膨胀水泥浆之间铺设一层橡胶垫圈；将水平剪切盒放置在待剪切岩样侧面的平整围岩面上，将带螺纹地锚穿过开孔钢板插入围岩的孔洞中，用螺母固定水平剪切盒；

step11：调整加载探头及荷载：调整水平加载探头使其作用在岩样上，按照试验水平荷载设计值，调节水平可调蝶形弹簧，每级剪切荷载施加完成后，应立即测记垂直变形量、剪切荷载和剪切变形量。

step12：试验：当达到施加的剪应力峰值或剪切变形急剧增加或剪切变形大于试件直径或变长的1/10时，即认为已剪切破坏，终止试验；

step13：处理数据：记录下岩样破坏时的剪切应力：

①绘制出剪应力与法向应力的关系曲线，从而可以得到岩体在特定破坏面上的抗剪强度参数即内摩擦角和粘聚力；

②绘制剪切应力与剪切位移关系曲线：抗剪强度与法向应力关系曲线；

③利用剪切应力与剪切位移关系曲线，可以确定一定法向应力条件下，剪切破坏面上的峰值抗剪强度和残余强度；

④利用抗剪强度和法向应力关系曲线可以确定剪切面上，岩体的内摩擦角和粘聚力；

⑤通过稳定的膨胀荷载测试岩样长期蠕变剪切变形，得出在荷载作用下岩体内摩擦角和粘聚力随时间的变化规律。

本发明有如下有益效果：

1、该发明创新性的利用膨胀剂水泥浆可产生较大的荷载，通过其自膨胀性能提供荷载源，进行现场原位剪切试验，简单高效，解决了现有现场设备的荷载施加动力问题。

2、该发明所提供的膨胀力具有长期稳定性，避免长期试验过程中施加的应力跌落和应力松弛，可对现场岩样进行长期的剪切蠕变，得出岩样强度参数随时间的变化规律，解决现有现场岩样长期剪切蠕变研究的不足。

3、本发明可测定岩体特定剪切面上的抗剪强度指标，绘制出剪应力与法向应力的关系曲线，从而可以得到岩体在特定破坏面上的抗剪强度参数即内摩擦角和粘聚力。

4、本发明膨胀水泥浆产生的荷载可通过可调蝶形弹簧进行调整，保证施加在岩样上的荷载为试验荷载的设计值，也保证施加荷载的精确性。

5、该方法对现场岩样扰动小，受剪面积比室内试验大得多，因此较室内试验更能符合天然状态，得出的结果更加符合实际工程的技术要求，且剪切过程中稳定性好，剪切面上受力均匀，试验结果更具可靠性，大幅降低现有设备的成本，操作简单。

6、该装置所述传压盒体之间可以有多种组合方式，例如横向并排排列，轴向竖直排列，可根据具体情况增加或减少承压盒的数量，调控所施加荷载的等级，装置可重复利用。

7、该装置及方法可进行多种剪切试验：①抗剪断试验，②抗剪试验，③抗切试验等，操作简易，成本低，测得数据精准度更高，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明涉及装置整体结构示意图。

图2为本发明所涉及水平剪切盒示意详图。

图3为本发明所涉及地锚开孔钢板示意详图。

图中：围岩1、剪切岩样2、平整围岩面3、水平剪切盒4、开孔钢板5、可调蝶形弹簧6、哑铃状剪切杆7、带螺纹地锚8、螺母9、加载探头10、传力杆11、传力板12、膨胀水泥浆13、竖向哑铃状剪切杆14、上部围岩15、竖向荷载加载盒16、石棉17、橡胶垫圈18、压力传感器19、剪切位移百分表20、竖直位移百分表21。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

请参阅图1-3，实施例1：

一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置，它包括围岩1和待剪切岩样2，通过带螺纹地锚8将水平剪切盒4固定在平整围岩面3，在水平剪切盒4和竖向荷载加载盒16浇筑大掺量膨胀剂的膨胀水泥浆13，产生的膨胀力通过哑铃状剪切杆7的传力板12、传力杆11、可调蝶形弹簧6、加载探头10施加竖向荷载和水平剪切荷载在待剪切岩样2上，通过压力传感器19和剪切位移百分表20监测试验过程中的数据，绘制出剪应力与法向应力的关系曲线，从而可以得到岩体在特定破坏面上的抗剪强度参数即内摩擦角和粘聚力。

进一步的，所述的装置可进行多种剪切试验，①抗剪断试验：现场试件在法向应力作用下沿剪切面剪切破坏的直剪试验；②抗剪试验摩擦试验：现场试件剪断后沿剪切面继续剪切的抗剪试验；③抗切试验：法向应力为0时对试体进行的直剪试验。

进一步的，所述在制备岩样时，若软弱结构面或软弱岩石受到扰动，则将严重影响测定成果。因此，在制备过程中应严格防止扰动试体，才能取得可信的试验结果。

进一步的，所述剪切面平整度对抗剪强度有重要影响，规定制备的剪切面，其起伏差不大于剪切方向边长的1%~2%。

进一步的，所述的平整围岩面保证水平剪切盒的安装。

进一步的，所述的可调蝶形弹簧可对膨胀力进行调整，保证施加在岩样上的荷载精确性。

进一步的，所述的传力杆采用高强杆件。

进一步的，所述的膨胀水泥浆为较大掺量的膨胀水泥浆材料，在水平剪切盒的五个面的侧限条件下，其体积向四周膨胀受限，膨胀力推动传力板水平移动，即为水平剪切荷载。

进一步的，所述的在水平剪切盒、竖向荷载加载盒和传力板内壁铺设一层石棉，因为膨胀水泥浆在发生反应的过程中会释放大量的热量，起到隔温效果。

进一步的，所述传力板与膨胀水泥浆之间布设一层橡胶垫圈，避免膨胀水泥浆释放的热量损坏压力传感器。

进一步的，所述的在传力板内壁中心位置上安装有压力传感器，可测得竖向和水平施加在岩样上的荷载。

进一步的，所述的在剪切岩样的三个轴向方向安装有剪切位移百分表，便于监测剪切面上的位移值。

进一步的，所述的装置传压盒体之间可以有多种组合方式，例如横向多个并排排列，轴向竖直多个排列，可根据具体情况增加或减少承压盒的数量，调控所施加荷载的等级。

进一步的，所述的装置可拆卸，多次重复利用。

本发明利用膨胀力的长期稳定性，避免长期试验过程中施加的应力跌落和应力松弛，可对现场岩样进行长期的剪切蠕变，得出岩样强度参数随时间的变化规律。

本发明每级剪切荷载施加完成后，应立即测记垂直变形量、剪切荷载和剪切变形量。

本发明指定当达到剪应力峰值或剪切变形急剧增加或剪切变形大于试件直径(或变长)的1/10时，即认为已剪切破坏，可终止试验。

本发明现场直接剪切试验的主要成果有：

①剪切应力与剪切位移关系曲线：抗剪强度与法向应力关系曲线。

②利用剪切应力与剪切位移关系曲线，可以确定一定法向应力条件下，剪切破坏面上的峰值抗剪强度和残余强度。

③利用抗剪强度和法向应力关系曲线可以确定剪切面上，岩体的内摩擦角和粘聚力。

实施案例2：

任意一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置及方法，其特征在于包括以下步骤：

step1：清理围岩：选取岩性较好的围岩面，将待切割围岩上的杂草和碎石清理干净；

step2：切割岩样及试验平台：利用切割设备切割磨取一超挖试验平台，其形状为凹进去的规则空心立方体，包括剪切岩样、平整围岩面和上部围岩，待剪切岩样尺寸为70cmx70cmx70cm；

step3：预制水平剪切盒和竖向荷载加载盒：根据合适的尺寸用较大强度的钢板焊接无顶盖的长方体，在一侧面钢板上焊接有伸出的中心开孔钢板，即为水平剪切盒和竖向荷载加载盒；

step4：预制哑铃状剪切杆：根据水平剪切盒的尺寸切割预制与水平剪切盒配合使用的传力板，传力板可通过无盖缺口伸入到水平剪切盒内部，在传力板正中心焊接一定长度的传力杆，在传力杆另一端焊接可调蝶形弹簧，在弹簧的另一端焊接加载探头；

step5：准备石棉和橡胶：在水平剪切盒和竖向荷载加载盒内部表面铺设一层石棉；

step6：粘贴压力传感器：在传力板正中心位置粘贴压力传感器，与压力采集系统连接；

step7：浇筑膨胀水泥浆：配制膨胀剂含量为a%的膨胀水泥浆，在水平剪切盒内浇筑膨胀水泥浆；

step8：安装竖向哑铃状剪切杆：浇筑完成后利用传力板压敷住膨胀水泥浆，并在传力板和膨胀水泥浆之间铺设一层橡胶垫圈；

step9：安装竖向荷载加载盒：将竖向荷载加载盒安装与岩样和围岩之间，调整竖向加载探头使其受力均匀，对膨胀水泥浆养护一段时间后，调节可调蝶形弹簧对膨胀力进行调整，保证施加在岩样上的荷载为施加荷载的设计值，对待剪切岩样施加不同的法向荷载，利用位移百分表监测垂直变形值，当连续两个15min垂直变形累计不超过0.05mm时，即认为垂直变形已经稳定，可安装水平剪切盒；

step10：浇筑膨胀水泥浆和安装水平剪切盒：：配制膨胀剂含量为b%的膨胀水泥浆，在水平剪切盒内浇筑膨胀水泥浆，浇筑完成后利用传力板压敷住膨胀水泥浆，并在传力板和膨胀水泥浆之间铺设一层橡胶垫圈。将水平剪切盒放置在待剪切岩样侧面的平整围岩面上，将带螺纹地锚穿过开孔钢板插入围岩的孔洞中，用螺母固定水平剪切盒；

step11：调整加载探头及荷载：调整水平加载探头使其作用在岩样上，按照试验水平荷载设计值，调节水平可调蝶形弹簧，每级剪切荷载施加完成后，应立即测记垂直变形量、剪切荷载和剪切变形量；

step12：试验：当达到施加的剪应力峰值或剪切变形急剧增加或剪切变形大于试件直径(或变长)的1/10时，即认为已剪切破坏，可终止试验；

step13：处理数据：记录下岩样破坏时的剪切应力：

①绘制出剪应力与法向应力的关系曲线，从而可以得到岩体在特定破坏面上的抗剪强度参数即内摩擦角和粘聚力。

②剪切应力与剪切位移关系曲线：抗剪强度与法向应力关系曲线。

③利用剪切应力与剪切位移关系曲线，可以确定一定法向应力条件下，剪切破坏面上的峰值抗剪强度和残余强度。

④利用抗剪强度和法向应力关系曲线可以确定剪切面上，岩体的内摩擦角和粘聚力。

⑤通过稳定的膨胀荷载测试岩样长期蠕变剪切变形，得出在荷载作用下岩体内摩擦角和粘聚力随时间的变化规律。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。