桶状结构面试样制作方法及外切内阻式桶状剪切仪与流程
本发明涉及一种桶状结构面试样制作方法及外切内阻式桶状剪切仪。适用于岩体结构面力学行为试验仪。
背景技术：
直剪仪是岩土体抗剪特性研究的常用试验仪器，既适用于土体剪切，亦常被用于岩体结构面剪切和土岩接触面剪切。直剪仪的优点：(1)剪切面形态条件明晰；(2)加载条件直接明快；(3)试验步骤较为简捷。但其亦存在如下缺点：(1)只能实现单向短距离剪切，用于获取峰值强度，却较难获得残余强度；(2)试验过程中有效剪切面积持续减小，试验数据需修正。
近年来，山区地质灾害频发，出现了较多大型顺层岩质滑坡。该类滑坡通常沿着既有岩层面(或大型岩体结构面)发生大位移剪切破坏，并最终发展为特大型岩体高速远程滑坡或高速远距离运移的碎屑流，严重威胁了山区人民的生命财产安全。显然，该动力学过程与结构面(层面)的强度特性息息相关，而该过程中结构面的剪切破坏亦会直接影响其力学强度，力学强度的改变又能反向影响岩体滑坡的动力特征，因此结构面(层面)在长距离剪切过程中的强度变化特性(尤其是残余强度)研究具有现实意义。
然而目前为止，尚无合适的试验仪器来研究结构面在长距离单方向剪切过程中的强度力学特性。尽管环剪仪能够实现单方向长距离剪切，且已在土力学中得到广泛应用。但对于坚硬的岩体结构面而言，其特点是：(1)表面粗糙形态为既定，难以像土体一样配置重塑样；(2)一旦沿单向发生错动，则剪切方向(该方向上的形貌特征)已既定，不可能发生环绕式剪切。显然，普通环剪仪的平面环形构造制约了结构面在既定方向上的准确制样，因而不能如土体一样采用环剪仪对结构面进行长距离、全过程的剪切力学研究。此外，由于常规环剪仪的结构特征，其剪切面沿径向分布的剪应力随径长的增大而增大，因此设计者通常将环形剪切面尺寸进行限制，以取得剪切面上剪应力近似相等的效果，但其导致了该类环剪仪难以开展大尺寸的剪切试验。
得益于现代科技发展，高新技术不断涌现。诸如在几何形态数据获取和形态重现方面，三维激光扫描和3d打印等技术已成熟，在多个领域得到了应用。岩体力学研究领域，已有学者采用三维激光扫描技术获取岩体结构面的形态数据，并将其导入计算机软件进行精准建模。但是，目前仍较少采用三维激光扫描技术和3d打印技术联合的方法，对岩体结构面进行实体塑形，以及应用于实体试验。且当前尚未出现基于平面态结构面的点云数据，对天然结构面进行等比例桶状3d塑形的理念。
因此，基于当前的实际研究述求，结合现有的高新技术，联合开发出相应的研究试验仪器对岩体结构面的长距离剪切力学特性开展研究是有意义的、具有创新性的项目。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种桶状结构面试样制作方法及外切内阻式桶状剪切仪。
本发明所采用的技术方案是：一种桶状结构面试样制作方法，包括制作桶状内试样外侧结构面和与之相适配的环状外试样内侧结构面，其特征在于：
获取天然岩体结构面上、下盘的的点云数据；
基于天然岩体结构面上、下盘的的点云数据构建桶状内试样和环状外试样的三维模型，其中桶状内试样外侧结构面由上盘点云数据等比例构型而成，环状外试样内侧结构面由下盘点云数据等比例构型而成；
结合3d打印技术将桶状内试样和环状外试样的三维模型打印形成桶状内试样和环状外试样的实体模型。
首先采用不同的材料或不同的材料配比进行圆柱试样打印，通过三轴压缩试验，获取打印试样和原岩样的三轴力学特征曲线，通过对比可选取出与原岩力学特性最为相近的试样所对应的原材料，再将与原岩样最为相近的材料进行3d打印构建出的桶状结构面试样，可保证与天然岩体具有相同的力学指标。
所述环状外试样由多段弧状外试样模块拼合形成。
一种外切内阻式桶状剪切仪，其特征在于：用于对利用所述桶状结构面试样制作方法所制作的桶状内试样和环状外试样进行剪切力学测试，包括：
框架；
剪切盒，具有对应所述桶状内试样底面设置的内桶底板，以及对应所述环状外试样底面和外侧面分别设置的外罩底板和剪切盒外侧壁，剪切盒外侧壁与外罩底板连成一体形成剪切盒外罩；所述内桶底板和外罩底板均可绕其轴线转动的安装于所述框架上；
轴向加压机构ⅰ，位于所述桶状内试样上方，用于对桶状内试样施加轴向压力；
轴向加压机构ⅱ，位于所述环状外试样上方，用于对环状外试样施加轴向压力；
旋转驱动机构，接于所述剪切盒外罩上，用于经剪切盒外罩带动环状外试样绕其轴线转动；
剪切监测机构，用于采集桶状内试样外侧结构面和环状外试样内侧结构面之间的剪切参数。
所述轴向加压机构ⅰ具有置于所述桶状内试样顶面的内桶压板，内桶压板上方设有加压机构；
所述加压机构具有安装于所述框架上的液压升降机，液压升降机的升降台上装有竖直布置且与下方内桶压板位置对应的内桶加压轴。
所述内桶加压轴下端制有锥形尖端，所述内桶压板上表面制有能与所述锥形尖端配合实现点状接触的压板受力槽。
所述轴向加压机构ⅱ具有可绕所述内桶加压轴轴线转动的套装与内桶加压轴上的空心竖轴，空心竖轴经外桶施压力臂连接置于所述环状外试样顶面的外桶压板。
所述内桶加压轴上制有位于所述空心竖轴上方的施压板，以及位于空心竖轴下方的抬升板。
所述剪切盒外罩由多个与所述弧状外试样模块一一对应的弧状外罩拼合而成。
所述弧状外罩一端制有公耳板，另一端制有能与另一弧状外罩上的公耳板配合实现连接的母耳板。
所述公耳板具有正极磁性，所述母耳板具有负极磁性。
所述旋转驱动机构包括制于所述剪切盒外罩外侧面上的一圈外罩齿轮和若干分布于外罩齿轮周围的电机，电机转动轴经电机齿轮与所述外罩齿轮啮合。
所述剪切监测机构包括量力环和位移传感器，其中量力环经量力杆抵住固定于所述内桶底板上的阻力杆；所述位移传感器用于采集所述桶状内试样和环状外试样之间的剪切错动位移。
所述内桶底板和外罩底板之间形成有一圈排水槽，对应排水槽设有排水管。
所述轴向加压机构ⅰ、ⅱ上设有轴向压力传感器。
本发明的有益效果是：本发明通过三维激光扫描天然岩体结构面获取天然岩体结构面上、下盘的的点云数据，并基于天然岩体结构面上、下盘的的点云数据构建桶状内试样外侧结构面和环状外试样内侧结构面的三维地质模型，解决了现有技术中桶状岩体结构面的准确制样问题，从而能如土体一样采用环剪仪对结构面进行长距离、全过程的剪切力学研究。
本发明提供了一种圆桶形剪切面模式，其剪切面的法向垂直于剪切角速度矢量方向。采用的桶状圆柱形剪切形式，不仅可实现大位移剪切，还可保持剪切面积不变，可确保剪切面上剪位移和剪应力处处相等。本发明提供的桶状剪切仪与以往的环剪仪不同，不受剪切面宽度限制，因此结构面的尺寸在理论上可无限大，从而避免尺寸效应。
本发明中计算机可通过接收量力环反馈的监测数据，及时对电机做出指令，实现力矩控制。本发明中计算机通过接收位移传感器反馈的监测数据，可对电机做出指令，实现位移控制。本发明中计算机可通过接收轴向压力传感器反馈的监测数据，结合结构面受压公式对结构面正向压力进行实时运算，可基于运算结果对升降台进行伺服控制以调节对试样的加卸载，保证剪切过程中结构面正向压力保持不变。
附图说明
图1为实施例的结构示意图。
图2为实施例中桶状结构面制样示意图。
图3为实施例中剪切盒的结构示意图。
图4为图1的aa向剖面图。
图5为图1的bb向剖面图。
图6为图1的cc向剖面图。
图7为图1的dd向剖面图。
图8为图1的ee向剖面图。
图9为图1的ff向剖面图。
图10为实施例中内桶加压轴的立体图。
其中，1、液压升降机；2、变频器；3、竖向轴承滚珠；4、空心竖轴；5、位移传感器；6、外桶施压力臂；7、压板滚珠；8、环状外试样；9、外罩齿轮；10、电机；10b、电机齿轮；11、桶状内试样；12、岩体结构面；12a、桶状内试样外侧结构面；12b、环状外试样内侧结构面；13、排水槽；14、外桶底盘滚珠；15、排水管；16、量力环；16b、量力杆；17、升降台；17b、轴向压力传感器；18、内桶加压轴；18b、锥形尖端；19、抬升板；20、压板受力槽；21、内桶压板；22、外桶压板；23、渗流孔；24、计算机；25、剪切盒外罩；25b、外罩底板；26、内桶底板；27、框架；27b、框架立柱；28、内桶底盘滚珠；29、内桶底盘；30、阻力杆；31、公耳板；31b、母耳板；32、内压板凸点；33、外底板凸条；34、内底板凸点。
具体实施方式
本实施例为一种外切内阻式桶状剪切仪，主要包括框架27、剪切盒、轴向加压机构ⅰ、轴向加压机构ⅱ、旋转驱动机构、剪切监测机构和计算机等，用于利用桶状内试样外侧结构面12a和环状外试样内侧结构面12b进行剪切力学测试。
为便于试验时桶状内试样11和环状外试样8之间岩体结构面12的精准对位和拼装，避免环状外试样8直接上套桶状内试样11等粗糙的操作方式，减少内、外试样结构面对位贴合过程中所造成的结构面原始形态破损，本例中将环状外试样8均匀分割成4块弧状外试样模块，4块弧状外试样模块拼合形成环状外试样8。
本例中剪切盒具有对应桶状内试样11底面设置的内桶底板26，以及对应环状外试样8底面和外侧面分别设置的外罩底板25b和剪切盒外侧壁，剪切盒外侧壁与外罩底板25b连成一体形成剪切盒外罩25。本实施例中内桶底板26下方经内桶底盘29和内桶底盘29滚珠28可绕其自身轴线转动的安装于框架27的底座上；剪切盒外罩25下方经外桶底盘滚珠14可绕其自身轴线转动的安装于框架27的底座上。
为便于弧状外试样模块的装载，本例中将剪切盒外罩25分割成4个与环状外试样8的4块弧状外试样模块一一对应的弧状外罩。弧状外罩具有与弧状外试样模块对应的外罩底板25b和剪切盒外侧壁，该弧状外罩两端分别制有公耳板31和母耳板31b，公耳板31和母耳板31b分别具有正极磁性和负极磁性，弧状外罩通过公耳板31与另一弧状外罩母耳板31b的磁性吸附实现两弧状外罩的拼接，该公耳板31和母耳板31b可在弧状外罩内弧状外试样模块精准对位后使各模块紧密贴合。
本实施例中轴向加压机构ⅰ用于对桶状内试样11施加轴向压力，具有置于桶状内试样11顶面上的内桶压板21，以及设置于内桶压板21上方的加压机构。本例中加压机构具有安装固定于框架27的框架立柱27b上的液压升降机1，液压升降机1的轴向压力传感器17b17上经轴向压力传感器安装竖直布置的、用于对内桶压板21施加轴向压力的内桶加压轴18，内桶加压轴18与内桶压板21、桶状内试样11和内桶底板26均同轴布置。
本实施例中内桶加压轴18的下端为锥形尖端18b，内桶压板21上表面中心位置设有锥形的压板受力槽20，内桶加压轴18的锥形尖端18b可插装于压板受力槽20内且与压板受力槽20经通过尖端点状接触，以尽可能避免内桶加压轴18与内桶压板21绕轴向相对转动时两者之间产生机械摩阻力，消除因机械摩阻力造成的量测误差。
本例中轴向加压机构ⅱ用于对环状外试样8施加轴向压力，具有空心竖轴4、外桶施压力臂6和外桶压板22，其中空心竖轴4经竖向轴承滚珠3可绕其轴线转动的套装与轴向加压机构ⅰ中的内桶加压轴18上，空心竖轴4经外桶施压力臂6连接对应环状外试样8顶面设置的外桶压板22。
本实施例中在内桶加压轴18上制有分别位于空心竖轴4上、下方的施压板和和抬升板19，施压板用于将液压升降机1生成的压力传递给空心竖轴4，并通过空心竖轴4经外桶施压力臂6和外桶压板22作用于环状外试样8顶面，空心竖轴4上端经上盘滚珠与施压板接触，避免在相对转动时两者之间产生机械摩擦力；抬升板19作用是当试验结束时，轴向压力传感器17b17带动加压轴上升时，可由抬升板19带起空心竖轴4、外桶施压力臂6以及外桶压板22，实现试样上部的卸载及仪器部件拆除工作。
本例中内桶压板21与外桶压板22之间由压板滚珠7相接触，避免两者之间产生机械摩擦阻力。
为避免在试验过程中桶状内试样11与内桶压板21和内桶底板26之间产生相对滑动，本例中在内桶压板21和内桶底板26与桶状内试样11的接触面上分别制有内压板凸点32和内底板凸点34。为避免在在试验过程中环状外内样与剪切盒外罩25之间产生相对滑动，增强整体性，本实施例在外罩底板25b上设有外底板凸条33。
本实施例中旋转驱动机构用于驱动剪切盒外罩25绕其轴线转动，具有制于剪切盒外罩25外壁上的一圈外罩齿轮9，外罩齿轮9由4段分别制于相应弧状外罩上的齿轮段拼合而成。本例中在外罩齿轮9周围均匀设有4台固定于框架27底座上的电机10，电机10的转动轴经电机10上设有与外罩齿轮9啮合的电机齿轮10b。
本实施例中剪切监测机构包括位移传感器5和量力环，其中位移传感器5安装于轴向加压机构ⅱ的外桶施压力臂6上，位移传感器5以内桶压板21为参照物，用于感应其自身在旋转剪切中的角位移，并通过信号传输电缆回馈给计算机进行剪位移换算；量力环具有两个，均固定于框架27底座上，且两量力环关于内桶压盘轴线中心对称布置，量力环经量力杆16b与内桶压盘上相应的阻力杆30抵接，阻止剪切盒内内桶压盘、内桶压板21等转动，同时量测该阻力(即结构面抗剪强度)，并由信号电缆反馈给计算机进行数据换算。
为使外切内阻式桶状剪切仪能进行含水条件下剪切试验，本实施例在外桶压板22上均匀开设有若干计算机2423，在内桶底板26与外罩底板25b之间设有形成环形的排水槽13，对应排水槽13设有量力环1615，量力环1615上端与排水槽13相连，下端从框架27底座内部导出，通过量测量力环1615的出水量和空隙水压力，可为试样体积应变及剪切面有效应力计算提供最直接的试验数据。
本实施例的试验方法包括以下步骤：
一、制样及装样
桶状结构面试样制作包括以下步骤：
(1)三维激光扫描技术获取天然岩体结构面12上、下盘的点云数据；
(2)在原始点云数据基础上，采用计算机技术进行坐标变换，将平面态结构面的点云数据等比例变换成桶状结构面的点云数据，实现等比例构形，生成桶状内试样外侧结构面12a和环状外试样内侧结构面12b的三维地质模型。该步中，可将结构面上盘对应桶状内试样外侧结构面12a，结构面下盘则对应于环状外试样内侧结构面12b，且保证结构面各项指标(如jrc)不变，即保证桶状结构面试样粗糙度(jrc)等指标与原结构面试样指标一致。
(3)结合3d打印技术将计算机建立的桶状内试样11和环状外试样8的三维地质模型进行打印，该步中桶状内试样11整体打印，其顶底面打印出与内桶压板21及底板相对应的球形凹点，并做好(a、b、c、d)点位标记。环状外试样8按照相应的a、b、c、d标记点为界，分四个等分模块进行实体打印，其外侧边缘应以剪切盒外罩25上耳板的形态为基准进行打印，底面打印出与外底板凸条33相对应的凹条。
制样选材时，首先采用不同的材料或不同的材料配比进行圆柱试样打印，通过三轴压缩试验，获取打印试样和原岩样的三轴力学特征曲线，通过对比可选取出与原岩力学特性最为相近的试样所对应的原材料。如此，将与原岩样最为相近的材料进行3d打印构建出的桶状结构面试样，可保证与天然岩体具有相同的力学指标。
制样完成后，开始装样。首先启动液压升降机1，将内桶加压轴18升起，并由抬升板19带起空心竖轴4、外桶施压力臂6以及外桶压板22，以腾出足够的装样空间。其次，将标记有(a、b、c、d)点位的桶状内试样11安装于内桶底板26上，并使试样底面球形凹点与内桶底板26上表面的凸点相嵌合，而后盖上内桶压板21，使压板底面的凸点嵌入试样顶面球形凹点。将环状外试样8分模块装入各个分模块对应的弧状外罩，使试样底面的凹条嵌入剪切盒外罩25底板上的凸条，后按照标记的(a、b、c、d)点位分模块地与桶状内试样11进行分步精准对位，使内、外试样的结构面相吻合。此时，剪切盒外罩25上的耳板正负极相吸，形成了较牢固的完整试样。参见附图2，其下方展示了几种理想的结构面剖面模型，可见对应于常规平面态结构面的上下盘，采用3d打印获得的内外桶状结构面可很好的展现平面态结构面的基本形貌，说明采用该项技术理念进行平面态结构面的桶状制样及开展结构面长距离旋转剪切是可行的。
二、试样加载
装样完成后，即可对试样进行加载。首先对试样的方案进行设计，设定好结构面正向需施加的目标压力值。而后通过计算机调节液压升降机1的变频器2，将液压升降机1下降，使轴向压力传感器17b17带动内桶加压轴18、空心竖轴4缓慢下降，直至外桶压板22触及环状外试样8顶面，以及内桶加压轴18点状底端触及内桶压板21上的受力槽。当接触时，轴向压力传感器将会测得初步的接触压力值，并实时反馈给计算机系统。计算机系统可根据传感器压力值以及力学计算公式(1)，实时换算结构面正向压力值。当该正向压力值未达到预设目标值时，则计算机继续调控变频器2，使液压升降机1继续下降对试样进行加载，直至结构面正向压力值达到目标值为止。
实际试验过程中，结构面正向压力会因剪切扰动受到影响，围绕目标值发生浮动，此时，计算机可根据实时监测的压力数据对液压升降机1进行伺服控制，调节升降系统的实时升降，以确保结构面正向压力在试验过程中保持在目标值。
该处结构面正向压力可通过弹性力学广义胡克定律，由轴向压力传感器测得的压力值f进行直接换算：
其中，εr为试样径向应变，εt为与径向垂直方向上的应变，因有剪切盒外罩25限制，因此εr＝0，εt＝0；
三、剪切试验
实施加载后，即可开展桶状结构面剪切试验。电机10的转动速率可由计算机进行调节。当速率设定后，即可开动电机10带动外桶试样进行旋转，使环状外试样8结构面剪切桶状内试样11结构面。该过程中，内试样因量力杆16b抵住内桶底盘29上的阻力杆30而保持不转动，因此实现了外桶转动而内桶阻转的剪切模式。外桶结构面剪切内桶结构面的剪切力(或称为剪切强度)可由量力杆16b、量力环测得，并实时传输给计算机进行数据保存，直至剪切到结构面完全破碎后的残余状态。
当装备进行含水条件下的剪切时，可同时监测排水槽13和量力环1615中的水压力，以实时修正结构面正向上的有效应力，确保试验受力条件分析的准确性。
如需进行剪切过程中不同阶段的结构面剪切破碎情况研究，可在任意剪切阶段停止试验，而后将试样取出，搜集结构面附近的破碎颗粒，进行颗粒筛分级配分析。如此可对结构面全剪切过程中的颗粒破碎规律进行揭示，并建立颗粒破碎规律和剪切强度演化之间的内在关系。
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