一种含软弱夹层的结构面制作及直剪测试方法与流程

本发明涉及直剪试验的结构面制作模具及测试的技术领域，尤其是一种含软弱夹层的结构面制作及直剪测试方法。

背景技术：

结构面对工程中岩体稳定性有着控制性的影响，尤其是含有软弱夹层的软弱结构面。软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带，与相邻两侧的岩体相比具有高压缩、低强度等特征，其通常控制着岩体的变形及稳定性。在实际的工程项目中，往往是由于软弱夹层的存在导致事故频发，造成了严重的生命财产损失，因此，通过直剪试验获得含软弱夹层结构面力学特性研究就显得尤为重要。

获取含软弱夹层的岩体结构面试样通常有野外现场取样和室内制作两种手段。野外现场获取含有软弱夹层的原岩结构面试样时存在如下不足：1)软弱夹层易扰动，难以获得与现场所处状态相一致的含有软弱夹层的原岩体结构面试样；2)现场难以获取与含软弱夹层的原岩结构面性质近似一致的多组试样，无法通过多组试样的直剪试验获得结构面力学指标；3)现场取样存在难度大、费用高、取样周期长、风险高等不足。因此，室内制作成为获取含软弱夹层岩体结构面试样的重要方法。

为了获得软弱结构面力学参数，通常需要二个步骤：1)采用含有软弱夹层的结构面制作模具制作含有软弱夹层的结构面试样；2)拆除结构面制作模具，把制作好的含有软弱夹层的结构面试样放入相应的剪切盒进行直剪试验测试。由于上述二个步骤分别需要结构面制作模具和直剪试验配套的剪切盒二套装置才能获得含软弱夹层结构面力学参数，不但工序复杂，而且成本高、测试周期长。

技术实现要素：

为了能够满足含有软弱夹层的结构面制作及直剪试验测试的要求，本发明提供了一种含软弱夹层结构面的制作及直剪测试方法，不但能解决软弱夹层的制作问题，而且还能解决软弱夹层结构面的制作模具和直剪试验测试所采用剪切盒不一致的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种含软弱夹层的结构面制作及直剪测试方法，包括如下步骤：

(1)选择结构面面板形态，根据试验测试要求，选择相应结构面面板形貌；

(2)底部l型板的放置，将两块底部l型板放置在找平的地面上；

(3)前部l型板和后部l型板的安装，将两块前部l型板和两块后部l型板通过前后部l型板固定螺栓固定在已放置好的两块底部l型板上；

(4)前部凸型板和后部凸型板的安装，将前部凸型板和后部凸型板通过前后部凸型板固定螺栓固定在前部l型板和后部l型板上；

(5)底部凸型板的安装，将底部凸型板通过底部凸型板固定螺栓固定在前部和后部凸型板上；

(6)左右侧板的安装，将左右两块侧板通过左右侧板固定螺栓固定在前部和后部l型板上；

(7)左右两块结构面面板的安装，将左右两块结构面面板通过结构面面板固定螺栓固定在前部和后部凸型板上；

(8)涂脱模剂，在组装好的一体化装置的内表面涂一层涂膜剂，方便装置的拆除；

(9)浇筑试样材料，向组装好的一体化装置中浇筑相应的岩石模拟材料；

(10)试样振捣密实及抹平处理，将浇筑好岩石模拟材料的一体化装置进行振动密实，振动结束后进行表面抹平处理；

(11)拆除结构面面板，将浇筑好的试样连同一体化装置一起养护至初凝强度，将左右两块结构面面板拆除；

(12)浇筑软弱夹层材料，将配制好的软弱夹层材料浇筑到结构面面板之间的空隙中，

(13)软弱夹层振捣密实及抹平处理，将浇筑好软弱夹层材料的一体化装置进行振动密实，振动结束后进行表面抹平处理；

(14)养护，将带有一体化装置且含有软弱夹层的结构面试样放入专用养护室内进行养护；

(15)顶部l型板的安装，将顶部l型板通过顶部l型板固定螺栓固定在前部和后部l型板上；

(16)顶部凸型板的安装，将顶部凸型板通过顶部凸型板固定螺栓固定在前部和后部凸型板上；

(17)竖向加载过程的实现：将含有软弱夹层的结构面试样的一体化装置竖立起来，且左侧板作为上部加载面要放置在上面，然后将整个装置放到直剪试验机上，接着将左侧板的固定螺栓拆除，然后根据现场结构面的竖向应力大小进行法向加载，直至法向变形稳定，记录相应的法向荷载和法向变形。

进一步，所述方法还包括以下步骤：

(18)剪切过程的实现：剪切之前，将顶部和底部凸型板、前部和后部凸型板拆除，露出软弱夹层的剪切面，然后进行上盘结构面的固定，接着对下盘结构面施加水平荷载，直至发生剪切面破坏，测试过程终止，并记录相应的水平向荷载和切向变形。

再进一步，所述方法还包括以下步骤：

(19)更换步骤(1)中的结构面形态，重复步骤(2)-(18)实现不同类型的含有软弱夹层结构面试样的制作以及直剪测试。

本发明的技术构思为：本发明给出了一种含软弱夹层的结构面制作及直剪测试方法，能够方便快速完成对含有软弱夹层结构面试样的制作和直剪试验的测试，具有操作方便、效果好、造价低、高效快捷等优点。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)能够针对不同的结构面选择所需要的结构面形态来完成结构面模型的制作；

(2)能解决与软弱夹层的结构面试样的一体化制作；

(3)解决软弱夹层结构面的制作模具和直剪试验测试所采用剪切盒不一致的问题，实现含有软弱夹层结构面试样的制作与直剪测试的一体化。

(4)本发明所采用结构面试样制作和测试的一体化模具可实现在竖向压缩过程中完全刚性约束，防止软弱夹层挤出；在剪切过程中，试样在剪切方向能够完全自由剪切，且另外两侧无约束；

附图说明

图1为本发明的俯视图。

图2为本发明的正视图。

图3为本发明的左视图。

图4为图1中1-1剖面图。

图5为本发明在制样与制作软弱夹层时的俯视图。

图6为本发明在制样与制作软弱夹层时的正视图。

图7为本发明在制样与制作软弱夹层时的左视图。

图8为图5中2-2剖面图。

图9为本发明在压缩过程中的俯视图。

图10为本发明在压缩过程中的正视图(图中箭头表示压缩方向)。

图11为本发明在压缩过程中的左视图(图中箭头表示压缩方向)。

图12为本发明在剪切过程中的俯视图。

图13为本发明在剪切过程中的正视图(图中箭头表示剪切方向)。

图14为本发明在剪切过程中的左视图。

图15为结构面面板的示意图。

图16为本发明中顶部l型板的俯视图。

图17为本发明中顶部l型板的正视图。

图18为本发明中顶部l型板的左视图。

图19为本发明中底部l型板的俯视图。

图20为本发明中底部l型板的正视图。

图21为本发明中底部l型板的左视图。

图22为本发明中前部l型板的俯视图。

图23为本发明中前部l型板的正视图。

图24为本发明中前部l型板的左视图。

图25为本发明中后部l型板的俯视图。

图26为本发明中后部l型板的正视图。

图27为本发明中后部l型板的左视图。

图28为本发明中顶部凸型板的俯视图。

图29为本发明中顶部凸型板的正视图。

图30为本发明中顶部凸型板的左视图。

图31为本发明中底部凸型板的俯视图。

图32为本发明中底部凸型板的正视图。

图33为本发明中底部凸型板的左视图。

图34为本发明中前部凸型板的俯视图。

图35为本发明中前部凸型板的正视图。

图36为本发明中前部凸型板的左视图。

图37为本发明中后部凸型板的俯视图。

图38为本发明中后部凸型板的正视图。

图39为本发明中后部凸型板的左视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图39，一种含软弱夹层的结构面制作及直剪测试方法，包括如下步骤：

(1)选择结构面面板形态，根据试验测试要求，选择相应结构面面板形貌；

(2)底部l型板的放置，将两块底部l型板放置在找平的地面上；

(3)前部l型板和后部l型板的安装，将两块前部l型板和两块后部l型板通过前后部l型板固定螺栓固定在已放置好的两块底部l型板上；

(4)前部凸型板和后部凸型板的安装，将前部凸型板和后部凸型板通过前后部凸型板固定螺栓固定在前部l型板和后部l型板上；

(5)底部凸型板的安装，将底部凸型板通过底部凸型板固定螺栓固定在前部和后部凸型板上；

(6)左右侧板的安装，将左右两块侧板通过左右侧板固定螺栓固定在前部和后部l型板上；

(7)左右两块结构面面板的安装，将左右两块结构面面板通过结构面面板固定螺栓固定在前部和后部凸型板上；

(8)涂脱模剂，在组装好的一体化装置的内表面涂一层涂膜剂，方便装置的拆除；

(9)浇筑试样材料，向组装好的一体化装置中浇筑相应的岩石模拟材料；

(10)试样振捣密实及抹平处理，将浇筑好岩石模拟材料的一体化装置进行振动密实，振动结束后进行表面抹平处理；

(11)拆除结构面面板，将浇筑好的试样连同一体化装置一起养护至初凝强度，将左右两块结构面面板拆除；

(12)浇筑软弱夹层材料，将配制好的软弱夹层材料浇筑到结构面面板之间的空隙中，

(13)软弱夹层振捣密实及抹平处理，将浇筑好软弱夹层材料的一体化装置进行振动密实，振动结束后进行表面抹平处理；

(14)养护，将带有一体化装置且含有软弱夹层的结构面试样放入专用养护室内进行养护；

(15)顶部l型板的安装，将顶部l型板通过顶部l型板固定螺栓固定在前部和后部l型板上；

(16)顶部凸型板的安装，将顶部凸型板通过顶部凸型板固定螺栓固定在前部和后部凸型板上；

(17)竖向加载过程的实现：将含有软弱夹层的结构面试样的一体化装置竖立起来，且左侧板作为上部加载面要放置在上面，然后将整个装置放到直剪试验机上，接着将左侧板的固定螺栓拆除，然后根据现场结构面的竖向应力大小进行法向加载，直至法向变形稳定，记录相应的法向荷载和法向变形。

进一步，所述方法还包括以下步骤：

(18)剪切过程的实现：剪切之前，将顶部和底部凸型板、前部和后部凸型板拆除，露出软弱夹层的剪切面，然后进行上盘结构面的固定，接着对下盘结构面施加水平荷载，直至发生剪切面破坏，测试过程终止，并记录相应的水平向荷载和切向变形。

再进一步，所述方法还包括以下步骤：

(19)更换步骤(1)中的结构面形态，重复步骤(2)-(18)实现不同类型的含有软弱夹层结构面试样的制作以及直剪测试。

本实施例的含软弱夹层结构面制作及直剪测试的一体化装置，所述一体化装置包括顶部l型板11、底部l型板1、前部l型板2、后部l型板3、顶部凸型板12、底部凸型板6、前部凸型板4、后部凸型板5、左侧板兼加载板7、右侧板8、左侧结构面面板9、右侧结构面面板10、前后部l型板固定螺栓13、前后部凸型板固定螺栓14、底部凸型板固定螺栓15、左右侧板固定螺栓16、结构面面板固定螺栓17、顶部l型板固定螺栓21、顶部凸型板固定螺栓22。

所述的顶部l型板11是形状为“l”字型的约束板，有两块，尺寸相同，对称放置。顶部l型板11侧面有顶部l型板固定孔位1101，通过顶部l型板固定螺栓21将两块顶部l型板11固定在前部l型板2和后部l型板3上。顶部l型板11是作为一体化装置中顶部的两端侧板。

所述的底部l型板1是形状为“l”字型的约束板，有两块，尺寸相同，对称放置。底部l型板1侧面有前后部l型板固定孔位101，通过前后部l型板固定螺栓13将两块前部l型板2和两块后部l型板3固定在底部l型板1上。底部l型板1是作为一体化装置中底部的两端侧板。

所述的前部l型板2是形状为“l”字型的约束板，有两块，尺寸相同，对称放置。前部l型板2正面有前部l型板固定孔位201，通过前后部l型板固定螺栓13将两块尺寸相同的前部l型板2固定在底部l型板1上；前部l型板2正面还有前部凸型板固定孔位202，利用前后部凸型板固定螺栓14将前部凸型板4固定在前部l型板2上；前部l型板2上还有左右侧板固定孔位203和顶部l型板固定孔位204，分别利用左右侧板固定螺栓16和顶部l型板固定螺栓21将左右侧板7、8和顶部l型板11固定在前部l型板2上。前部l型板2是作为一体化装置中前部的两端侧板。

所述的后部l型板3是形状为“l”字型的约束板，有两块，尺寸相同，对称放置。后部l型板3正面有后部l型板固定孔位301，通过前后部l型板固定螺栓13将两块尺寸相同的后部l型板3固定在底部l型板1上；后部l型板3正面还有后部凸型板固定孔位302，利用前后部凸型板固定螺栓14将后部凸型板5固定在后部l型板3上；后部l型板3上还有左右侧板固定孔位303和顶部l型板固定孔位304，分别利用左右侧板固定螺栓16和顶部l型板固定螺栓21将左右侧板7、8和顶部l型板11固定在后部l型板3上。后部l型板3是作为一体化装置中后部的两端侧板。

所述的顶部凸型板12是形状为“凸”字型的约束板。顶部凸型板12侧面有顶部凸型板固定孔位1201，通过顶部凸型板固定螺栓22将顶部凸型板12固定在前部和后部凸型板4和5上。顶部凸型板12是作为一体化装置中顶部的中间侧板。

所述的底部凸型板6是形状为“凸”字型的约束板，与顶部凸型板12尺寸相同，对称放置。底部凸型板6侧面有底部凸型板固定孔位601，通过底部凸型板固定螺栓15将底部凸型板6固定在前部和后部凸型板4和5上。底部凸型板6是作为一体化装置中底部的中间侧板。

所述的前部凸型板4是形状为“凸”字型的约束板。前部凸型板4正面有前部凸型板固定孔位401，通过前后部凸型板固定螺栓14将前部凸型板4固定在前部l型板2和后部l型板3上；前部凸型板4正面还有底部凸型板固定孔位402，利用底部凸型板固定螺栓15将底部凸型板6固定在前部凸型板4上；前部凸型板4上还有结构面面板固定孔位403和顶部凸型板固定孔位404，分别利用结构面面板固定螺栓17和顶部凸型板固定螺栓22将左右两侧结构面面板7、8和顶部凸型板12固定在前部凸型板4上。前部凸型板4是作为一体化装置中前部的中间侧板。

所述的后部凸型板5是形状为“凸”字型的约束板，与前部凸型板4尺寸相同，对称放置。后部凸型板5正面有后部凸型板固定孔位501，通过前后部凸型板固定螺栓14将后部凸型板5固定在前部l型板2和后部l型板3上；后部凸型板5正面还有底部凸型板固定孔位502，利用底部凸型板固定螺栓15将底部凸型板6固定在后部凸型板5上；后部凸型板5上还有结构面面板固定孔位503和顶部凸型板固定孔位504，分别利用结构面面板固定螺栓17和顶部凸型板固定螺栓22将左右两侧结构面面板7、8和顶部凸型板12固定在后部凸型板5上。后部凸型板5是作为一体化装置中后部的中间侧板。

所述的左侧板兼加载板7为一体化装置中位于左侧的约束板，利用左右侧板固定螺栓16将其固定在前后部l型板2和3上。左侧板7在前期装置组装过程以及制样、填入软弱夹层时作为左侧的约束板，在压缩机剪切的过程中，充当加载板的作用。

所述的右侧板8为一体化装置中位于右侧的约束板，利用左右侧板固定螺栓16将其固定在前后部l型板2和3上。

所述的左侧结构面面板9和右侧结构面面板10为制样过程中的结构面面板，其两块结构面面板上部带有“l”型的伸出部分，方便结构面面板的拆除。

现在以制作含有软弱夹层的结构面为例，其尺寸大小为100mm×100mm×210mm的试样，软弱夹层厚度为10mm，结合附图详细说明本发明的实施方案：

(1)选择结构面面板形态。根据试验测试要求，选择相应结构面面板形貌。

(2)底部l型板1的放置。将两块底部l型板1放置在找平的地面上。

(3)前部l型板2和后部l型板3的安装。将两块前部l型板2和两块后部l型板3通过前后部l型板固定螺栓13固定在已放置好的两块底部l型板1上。

(4)前部凸型板4和后部凸型板5的安装。将前部凸型板4和后部凸型板5通过前后部凸型板固定螺栓14固定在前部l型板2和后部l型板3上。

(5)底部凸型板6的安装。将底部凸型板6通过底部凸型板固定螺栓15固定在前部和后部凸型板4和5上。

(6)左右侧板7和8的安装。将左右两块侧板7和8通过左右侧板固定螺栓16固定在前部和后部l型板2和3上。

(7)左右两块结构面面板9和10的安装。将左右两块结构面面板9和10通过结构面面板固定螺栓17固定在前部和后部凸型板4和5上。

(8)涂脱模剂。在组装好的一体化装置的内表面涂一层涂膜剂，方便装置的拆除。

(9)浇筑试样材料。向组装好的一体化装置中浇筑相应的岩石模拟材料。

(10)试样振捣密实及抹平处理。将浇筑好岩石模拟材料的一体化装置进行振动密实，振动结束后进行表面抹平处理。

(11)拆除结构面面板。将浇筑好的试样连同一体化装置一起养护至初凝强度，将左右两块结构面面板拆除。

(12)浇筑软弱夹层材料19。将配制好的软弱夹层材料19浇筑到结构面面板之间的空隙中。

(13)软弱夹层19振捣密实及抹平处理。将浇筑好软弱夹层材料19的一体化装置进行振动密实，振动结束后进行表面抹平处理。

(14)养护。将带有一体化装置且含有软弱夹层的结构面试样放入专用养护室内进行养护。

(15)顶部l型板11的安装。将顶部l型板11通过顶部l型板固定螺栓21固定在前部和后部l型板2和3上。

(16)顶部凸型板12的安装。将顶部凸型板12通过顶部凸型板固定螺栓22固定在前部和后部凸型板4和5上。

(17)竖向加载过程的实现。将含有软弱夹层的结构面试样的一体化装置竖立起来，且左侧板7作为上部加载面要放置在上面，然后将整个装置放到直剪试验机上，接着将左侧板7的固定螺栓拆除，然后根据现场结构面的竖向应力大小进行竖向加载，直至竖向变形稳定，记录相应的竖向荷载和竖向变形。

(18)剪切过程的实现。剪切之前，将顶部和底部凸型板6和12、前部和后部凸型板4和5拆除，露出软弱夹层19的剪切面，然后进行上盘结构面18的固定，接着对下盘结构面20施加水平荷载，直至发生剪切面破坏，测试过程终止，并记录相应的水平向荷载和切向变形。

(19)更换步骤(1)中的结构面形态，重复步骤(2)-(18)可实现不同类型的含有软弱夹层结构面试样的制作以及直剪测试。