巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置及其試驗方法
【專利摘要】本發明涉及巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置及其試驗方法，裝置包括：底座，用于放置試件；加載框架，與底座固定連接；剪切加載系統，設于底座上，用于對試件施加剪切力；法向加載系統，與加載框架的頂端固定連接，用于對試件施加法向壓力；法向位移監測系統，用于實時測量試件法向位移的大小；計算機控制系統，與法向加載系統和法向位移監測系統連接，并實時接收試件的法向位移的數據，根據試件法向剛度不變的原則，即公式σ＝σ0+Δd*K，不斷調整加載系統對試件施加的法向壓力，從而達到巖體剪切試驗過程中的法向剛度恒定。
【專利說明】
巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置及其試驗方法
技術領域
[0001]本發明涉及地下工程技術領域，特別涉及一種巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置及其試驗方法。
【背景技術】
[0002]隨著國民經濟現代化水平的提高和城市人口的增加，人類因居住和從事各種活動而爭占土地的矛盾日趨激化。從宏觀上看，人口的增加和生活需求的增長與土地等自然條件的日益惡化和資源的逐漸枯竭引起的人類生存空間問題，已達到了危機的程度。在這種情況下，地下空間資源的開發與綜合利用，為人類生存空間的擴展提供了具有很大潛力的自然資源。
[0003]然而在地下空間的開發利用中，需要對工程所處的圍巖類別進行分級，并根據圍巖分級等相關情況對開挖巖體進行支護。如果支護不當則會發生類似圍巖坍塌的工程事故，造成了巨大的經濟損失，而且給施工人員的生命安全造成威脅。因此，圍巖分級的準確性、以及巖土工程支護設計的合理性對確保工程的施工安全、節省工程經濟成本都具有重大的意義。而在圍巖分級和支護設計的過程中，巖體剪切參數的準確選取起著至關重要的作用。
[0004]在地下工程中，巖體在不連續面的剪切過程中會產生剪脹現象，由于周圍巖體的存在，會對這種剪脹產生約束作用。所謂不連續面，又可稱為結構面，包括節理、裂隙、斷層等情況。由于不連續面是粗糙不平的，隨著剪切位移不斷增大，剪脹程度不斷變化、周圍巖體對不連續面的法向荷載也會隨之不斷變化。在此過程中，只有周圍巖體的剛度保持恒定不變。
[0005]現有的剪切試驗機只能實現恒定荷載邊界，此種邊界條件只能模擬作用于不連續面法向荷載不變的工程問題，如未支護的邊坡。地下工程巖體和錨固條件下巖體均處于恒定法向剛度邊界條件下，因此，恒定荷載邊界條件不再適合此類工程問題。使用現有的剪切試驗機，不能很好的模擬這類工程情況。
[0006]另外，現有的剪切試驗裝置只考慮法向應力狀態，不能在實現模擬巖體原巖應力的條件下，再施加需要的剪切荷載。
[0007]現有試驗剪切儀的上述缺點會造成模擬環境失真，導致所獲得的力學參數與實際情況差異較大，甚至會造成圍巖分級的錯誤確定、進而誤導開挖工法和支護設計的合理選擇，對施工安全造成嚴重隱患、或造成工程經濟成本的不必要浪費。

【發明內容】

[0008]本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種可以使試件處于類似工程現場的應力狀態，并在恒定法向剛度邊界條件下測試巖體不連續面剪切力學參數的巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置及其試驗方法。
[0009]為了達成上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0010]巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置，包括:
[0011]底座，用于放置試件；
[0012]加載框架，與所述底座固定連接；
[0013]剪切加載系統，設于所述底座上，用于對所述試件施加剪切力；
[0014]法向加載系統，與所述加載框架的頂端固定連接，用于對所述試件施加法向壓力；
[0015]法向位移監測系統，用于實時測量所述試件法向位移的大小；
[0016]計算機控制系統，與所述法向加載系統和所述法向位移監測系統連接，并實時接收所述試件的法向位移的數據，根據所述試件法向剛度不變的原則，即公式σ = σο+Λ(1*Κ，不斷調整所述法向加載系統對所述試件施加的法向壓力，從而達到巖體剪切試驗過程中的法向剛度恒定；
[0017]式中，0為某時刻需要對所述試件施加的法向應力，σο為所述試件的初始圍壓，Ad為所述試件在該時刻所發生的累計的法向位移，K為所述試件的法向剛度，K為定值。
[0018]控制系統利用法向位移監測系統對法向位移的實時反饋，隨時調節對試件施加的法向壓力大小，技術先進，突破了傳統試驗機只能實現恒荷載邊界的技術難題，進而可以根據圍巖在實際工程中的真實情況，能夠模擬巖體在不連續面處法向荷載不斷變化、和周圍巖體剛度恒定不變的情況，實現了恒定法向剛度邊界條件下的巖體不連續面剪切試驗。利用恒定法向剛度剪切試驗裝置所獲得的巖石剪切力學參數更加符合實際情況，使圍巖分級的確定、開挖工法和支護設計的選擇更加科學準確，對工程施工安全和經濟成本的合理控制有重要的意義。
[0019]巖體恒定法向剛度剪切試驗裝置還包括水平加載系統，用以對所述試件施加垂直于剪切方向的水平壓力。
[0020]工程現場中，巖體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壓力兩個方向的受力。理想的試驗裝備應首先使試件滿足工程現場的法向和兩個水平向的應力狀態，然后施加需要的剪切荷載。傳統的試驗機忽略了對水平壓力的模擬，模擬環境失真。通過采用水平加載系統，可以在進行剪切試驗之前實現水平壓力的模擬，使得試驗的模擬環境與巖體在圍巖中的真實受力環境一致，確保測試結果的準確性。
[0021]所述底座上設有用以固定試件的試件固定部件，所述固定部件由彼此分離的上部固定件和下部固定件組成，所述固定部件內部構成用于容納所述試件的空間；所述水平加載系統包括液壓囊，所述液壓囊設在所述固定部件的側壁內側，并與伺服油源連接;所述伺服油源與所述計算機控制系統連接。
[0022]計算機控制系統控制所述伺服油源對所述液壓囊加壓，使液壓囊膨脹，通過液壓囊與側壁的緊密擠壓，來施加對試件的水平壓力。
[0023]采用液壓囊而不是傳統的油缸來施加水平壓力，使得試驗機的結構更加緊湊，合理利用空間，布局合理，減小儀器的占地面積，成本低廉。液壓囊由計算機控制系統控制加壓，方便準確。
[0024]所述法向加載系統包括用以對所述試件施加法向壓力的兩個平行設置的加載油缸。布置兩個相互平行的加載油缸，可以使試件的法向受力更加均勻。
[0025]所述剪切加載系統包括用以對所述試件施加剪力的設于所述試件兩側的第一剪切加載組件和第二剪切加載組件。
[0026]所述第一和第二剪切加載組件在所述試件沿剪切方向的兩側相互對置，所述第一剪切加載組件包括位于下方的第一剪切加載油缸和位于上方的第三剪切加載油缸，所述第二剪切加載組件包括位于下方的第二剪切加載油缸和位于上方的第四剪切加載油缸。
[0027]所述剪切加載系統與所述計算機控制系統連接，各個所述剪切加載油缸均獨立受控于所述計算機控制系統。
[0028]巖體在圍巖中的受力情況十分復雜，當巖體在結構面受到剪切作用時，是在原巖應力的基礎上繼續發生的剪切作用。傳統的剪切試驗儀的結構形式多為在試件的兩側設置錯開的加載部件，無法將巖體沿剪切方向的原巖應力考慮在內。將剪切加載系統設置為四個加載油缸，每個加載油缸都受計算機控制系統的獨立控制，方便靈活，可以根據圍巖的實際情況，模擬巖體在結構面附近的實際受力，在模擬剪切力的同時，可以將沿剪切方向的原巖應力考慮在內，使得剪切模擬過程更加符合實際地質中的圍巖受力情況，使實現巖體受力環境的真實模擬成為可能。
[0029]所述剪切加載系統還包括第一缸體固定件和第二缸體固定件，所述第一剪切加載油缸的缸體和所述第三剪切加載油缸的缸體均固定在所述第一缸體固定件內，所述第二剪切加載油缸的缸體和所述第四剪切加載油缸的缸體均固定在所述第二缸體固定件內。
[0030]所述第一和第二缸體固定件上分別設有沿前后方向布置的第一傳力軸和第二傳力軸，所述傳力軸延伸至所述缸體固定件的前后表面外側形成突出部;所述第一和第二傳力軸的突出部通過傳力桿連接。第一和第二剪切加載組件通過傳力軸和傳力桿來提供反力，結構簡單，成本低廉，空間利用率高。
[0031]所述傳力桿為兩個，布置在所述第一和第二缸體固定件的前后兩側。
[0032]所述剪切加載系統還包括用以承載所述第一或第二剪切加載組件的剪切支撐裝置，所述剪切支撐裝置沿所述第一或第二剪切加載組件運動延伸的方向布置，所述剪切支撐裝置的表面與所述底座的表面平行。
[0033]所述第一缸體固定件和所述第二缸體固定件均與所述底座固定連接。
[0034]所述第一、第二、第三和/或第四剪切加載油缸的活塞桿的端頭設有用以與所述試件表面直接接觸的墊板。
[0035]所述試件固定部件與所述底座之間設有滾珠板，可以減小試件固定部件與底座的摩擦力，保證所模擬的巖體受力與實際情況更加相符。
[0036]巖體恒定法向剛度剪切試驗裝置還包括監測系統，所述監測系統包括所述法向位移監測系統，并且還包括法向壓力監測系統、剪力監測系統、剪切位移監測系統、水平力監測系統中的一種或幾種。
[0037]所述的法向位移監測系統，包括用以測量試件法向位移大小的位移計和位移數據米集儀。
[0038]所述的法向壓力監測系統，包括用以測量試件所承受軸向壓力大小的壓力傳感器和法向壓力數據采集儀。
[0039]所述剪力監測系統包括分別監測四個所述剪切加載油缸相應壓力的四個壓力監測系統。在四個不同的剪切加載油缸上均設有壓力監測儀，可以方便的監測并調整相應的原巖應力和剪切力的數值，為實現巖體受力環境的真實模擬提供便利。
[0040]所述剪切位移監測系統，包括用以分別測量所述第一和第二剪切加載組件中各個所述加載油缸位移值的若干位移計和剪切位移數據采集儀。
[0041]所述水平力監測系統，包括用以測量垂直于剪切方向水平力大小的液壓傳感器和水平力圍壓數據采集儀。
[0042]巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗方法，包括以下步驟:
[0043]步驟1:向試件施加模擬巖體在圍巖中原始受力情況的原始水平剪力、原始水平壓力和原始法向壓力，所述原始水平剪力的施加方法為:第一、第二、第三和第四剪切加載油缸對所述試件的施力值等于圍巖的原始剪力值；
[0044]步驟2:保持所述第二和第三剪切加載油缸的壓力不變，保持所述第四剪切加載油缸位移不變，控制所述第一剪切加載油缸以恒定的速度朝向所述試件移動來施加剪切力，在此過程中，實時獲取所述試件的法向位移數據，并根據所述試件法向剛度不變的原則，不斷調整對所述試件所施加的法向壓力，以實現巖體剪切試驗過程中的法向剛度恒定條件。
[0045]巖體在不連續面的剪切性能，因受力環境的不同會產生很大的差異。通過四個獨立的油缸，既可以在試驗開始時模擬巖體的原始受力情況，又可以在發生剪力時，持續模擬圍巖受力環境。在整個試驗過程中，施加剪切力的油缸以恒定速度朝向試件來施加剪切力，更符合巖體在實際工程中的剪切受力情況;對于與試件直接受力區域相鄰的部分，受力大小仍然為原巖應力狀態，因此第二和第三剪切加載油缸的壓力保持不變;第四剪切加載油缸對試件施力的部位與直接受力區域呈對角線，通過控制其位移保持不變來為剪切力提供反力。通過對上述四個油缸的控制，可以實現整個試驗過程中對巖體受力環境的持續模擬，可以真實的模擬巖體不連續面的剪力受力過程，所獲得的力學參數更加準確，大大提高了正確判斷圍巖分級和合理選擇支護設計的準確性。
[0046]所述水平剪力平行于剪切方向，所述水平壓力垂直于剪切方向，所述法向壓力的方向為豎直方向。
[0047]此處的剪切力，是指在原始水平剪力的基礎上，繼續向試件施加的剪力的增值。
[0048]進一步的，步驟2中，當所述試件的剪切位移達到設定值后，將所述剪切力卸載，使所述試件再次達到原巖應力水平，保持所述第一和第四剪切加載油缸的壓力不變，保持所述第三剪切加載油缸位移不變，控制所述第二剪切油缸一恒定移動速度朝向所述試件來施加反向剪切力，當所述試件的剪切位移達到設定值后卸載所述反向剪切力，完成一個循環剪切;在此過程中，滿足所述試件法向剛度恒定的條件。
[0049]重復步驟2中的操作，實現多次循環剪切。
[0050]巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗方法，包括以下步驟:
[0051 ]步驟1:向試件施加模擬巖體在圍巖中原始受力情況的水平剪力、水平壓力和法向壓力，所述水平剪力平行于剪切方向，所述水平壓力垂直于剪切方向，所述法向壓力的方向為豎直方向；
[0052]步驟2:向所述試件進一步施加所述水平剪力，在此過程中，實時獲取所述試件的法向位移數據，并根據所述試件法向剛度不變的原則，不斷調整對所述試件所施加的法向壓力，以實現巖體剪切試驗過程中的法向剛度恒定條件。
[0053]傳統的試驗方法無法實現剪切試件法向剛度恒定的試驗過程。通過獲取試件的法向位移數據，根據法相剛度不變的原則，調整法向壓力，通過計算機控制系統的循環反饋，實現法向剛度恒定條件，突破了傳統試驗機只能實現恒荷載邊界的技術難題，實現了恒定法向剛度邊界條件下的巖體不連續面剪切的試驗過程。利用恒定法向剛度剪切試驗方法所獲得的巖石剪切力學參數更加符合實際情況，使圍巖分級的確定、開挖工法和支護設計的選擇更加科學準確，對工程施工安全和經濟成本的合理控制有重要的意義。
[0054]進一步的，步驟2中，當所述試件的剪切位移達到設定值后，反向加載所述水平剪力，直到反向剪切位移達到位移設定值時，完成剪切試件的一次循環剪切；
[0055]重復步驟2中操作，實現多次循環剪切;整個過程中，滿足所述試件法向剛度恒定的條件。
[0056]通過反向加載水平剪力，實現一次循環剪切，進而實現多次循環剪切，為多次循環剪切下剪切力學參數的理論研究，提供試驗依據。
[0057]本發明的有益效果是:
[0058]能夠使巖體首先達到工程現場的實際應力狀態、并實現了恒定法向剛度邊界條件下的巖體不連續面剪切試驗，可以方便的進行循環剪切試驗，更真實的再現和測試巖石在工程現場的物理力學性質。巖體不連續面恒定法向剛度邊界條件下的剪切試驗對于確定合理的巖石剪切力學參數，進而進行合理的圍巖分級，采取合適的開挖工法和進行合理的支護設計具有重要意義。
[0059]剪切加載系統和水平加載系統可以實現巖體在水平方向的原巖應力的模擬，結合法向加載系統可以實現剪切試件在三個維度全方位受力狀況的模擬，使得測試結果更加準確。
【附圖說明】
[0060]圖1是本發明的結構示意圖；
[0061 ]圖2是剪切加載系統的結構示意圖；
[0062]圖3是試件固定部件的結構示意圖；
[0063]圖4是試件的受力圖；
[0064]圖中，1.底座，2.加載框架，3.框架頂板，4.法向液壓油缸，5.剪切加載裝置，6.試件固定部件，7.第一剪切加載油缸，8.第二剪切加載油缸，9.第三剪切加載油缸，10.第四剪切加載油缸，11.滾珠板，12.上部固定件，13.下部固定件，14.傳力桿，15.支撐裝置，16.第一缸體固定件，17.第二缸體固定件，18.第一傳力軸，19.第二傳力軸。
【具體實施方式】
[0065]下面將結合附圖對本發明進行詳細說明。
[0066]實施例1:
[0067]—種巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置，如圖1所示，包括底座1、加載框架2和法向加載系統。
[0068]其中法向加載系統包括兩個豎直平行設置的法向液壓油缸4和第一伺服油源，用于給試件施加法向壓力；第一伺服油源用于驅動法向液壓油缸4來給巖石試件施加法向壓力;液壓油缸固定在框架頂板3上。
[0069]巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置還包括剪切加載系統，如圖2所示。剪切加載裝置5包括支撐裝置15、剪切加載框架、第一剪切加載油缸7及墊板、第二剪切加載油缸8及墊板、第三剪切加載油缸9及墊板、第四剪切加載油缸10及墊板、第二伺服油源、滾珠板11，用于給試樣加載剪切方向的水平原巖應力和剪切力；滾珠板位于下側U型加載框的下方，用于減小試件固定部件6與底座I之間的摩擦力。
[0070]剪切加載系統還包括第一缸體固定件16和第二缸體固定件17，第一剪切加載油缸7的缸體和第三剪切加載油缸9的缸體均固定在第一缸體固定件16內，第二剪切加載油缸的缸體和第四剪切加載油缸的缸體均固定在第二缸體固定件17內，第一缸體固定件16和第二缸體固定件17之間設有用以給第一和第二剪切加載組件提供反力的傳力軸14。
[0071]第一和第二缸體固定件上分別設有沿前后方向布置的第一傳力軸18和第二傳力軸19，傳力軸18、19延伸至缸體固定件16、17的前后表面外側形成突出部;第一傳力軸18和第二傳力軸19的突出部通過傳力桿14連接。第一和第二剪切加載組件通過傳力軸和傳力桿來提供反力，結構簡單，成本低廉，空間利用率高。
[0072]傳力桿14為兩個，布置在第一和第二缸體固定件的前后兩側。
[0073]支撐裝置15用以承載第一剪切油缸7和第三剪切油缸9，剪切支撐裝置15沿第一剪切油缸7和第三剪切油缸9運動延伸的方向布置，剪切支撐裝置的表面與底座的表面平行。
[0074]巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置還包括水平加載系統。水平加載系統包括第三伺服油源、試件固定部件6和液壓囊，用于給試件施加垂直于剪切方向的水平原巖應力;試件固定部件6為U型加載框，如圖3所示，共有上下兩個，包括將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型加載框內側預制兩個聯通的腔體，這兩個腔體共同構成用以容納試件的空間。液壓囊設在U型框架的側壁內側，在第三伺服油源的驅動下，對試件施加水平壓力；
[0075]巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置還包括監測系統。監測系統包括法向壓力監測系統、法向位移監測系統、剪切力監測系統、剪切位移監測系統、剪切方向水平力監測系統、垂直于剪切方向水平力監測系統；
[0076]法向壓力監測系統，包括壓力傳感器和法向壓力數據采集儀，用于測量試件所承受軸向壓力的大小，并將其傳遞至計算機控制系統；
[0077]法向位移監測系統，包括位移計和位移數據采集儀，用于測量試件法向位移的大小，并將其傳遞至計算機控制系統；
[0078]剪切力監測系統，包括四個壓力傳感器和剪切力數據采集儀，四個壓力傳感器分別位于第一剪切加載油缸及墊板之間、第二剪切加載油缸及墊板之間、第三剪切加載油缸及墊板之間、第四剪切加載油缸及墊板之間，用于測量巖石試件所承受剪切力和剪切方向的水平原巖應力的大小，并將其傳遞至計算機控制系統。
[0079]剪切位移監測系統，包括位移計和剪切位移數據采集儀，分別監測三個剪切加載油缸的位移的大小，并將其傳遞至計算機控制系統；
[0080]垂直于剪切方向水平力監測系統，包括液壓傳感器和水平力圍壓數據采集儀。
[0081]計算機控制系統，包括計算機、控制軟件、數據總線和控制器，用于提供人機交互界面，輸入實驗數據，收集各監測數據，控制加載過程，實現恒定法向剛度邊界控制，以及顯示和輸出實驗結果;數據總線用于在計算機和控制器之間進行數據格式轉換和傳輸，以及向計算機傳輸各監測數據;控制器通過數據總線接收計算機指令，根據指令控制各個加載系統按照特定的路徑進行加載，從而實現恒定法向剛度邊界控制;恒定法向剛度邊界控制是指:剪切過程中，巖石試件會產生剪脹現象，由于不連續面是粗糙不平的，隨著剪切位移不斷增大，剪脹程度不斷變化，根據監測得到的試件法向位移計算為了保持恒定法向剛度所需要的法向壓力，進而通過計算機控制系統發出指令適時修正法向壓力的大小，形成控制循環，在剪切加載的整個過程中，該控制循環不斷進行。試件的受力圖如圖4所示。
[0082]巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置的一種試驗方法是:
[0083]首先將巖石試件安裝在U型加載框中，然后安裝到試驗機相應位置;通過剪切加載系統的四個油缸施加剪切方向的水平原巖應力;通過水平加載系統施加垂直于剪切方向的水平原巖應力;通過法向加載系統施加法向應力;通過剪切加載系統第一剪切加載油缸以恒定移動速度控制對試件施加向右的剪切力，同時保持第二剪切加載油缸和第三剪切加載油缸壓力不變，第四剪切加載油缸位移不變。
[0084]隨著剪切力不斷增大，試件的下半部分逐漸向右滑移，在此過程中實時測量試件的法向位移，計算機控制系統根據法向位移計算為了保持恒定法向剛度邊界所需要的法向應力，計算公式為:o = OQ+Ad*K，式中，σ為某時刻需要對試件施加的法向應力其中0Q為初始圍壓，Ad為巖石試件在某一個階段發生的法向位移，K為巖石試件的法向剛度;進而發出指令不斷修正法向應力的大小，直至實驗結束;實驗過程中記錄和輸出巖石試件的圍壓、軸壓、側向變形和軸向變形數據。
[0085]在上述試驗中，剪切位移達到預設目的之后，還可以方便的進行循環剪切試驗，具體方法為:將剪切力卸載，試件再次達到原巖應力水平;通過剪切加載系統第二剪切加載油缸以恒定移動速度控制對試件施加向左的剪切力，同時保持第一剪切加載油缸和第四剪切加載油缸壓力不變，第三剪切加載油缸位移不變;待剪切位移達到預設目的之后卸載剪切力，完成一個循環剪切;根據需要重復上述步驟，可以實現多次循環剪切。
[0086]實施例2:
[0087]剪切加載系統也可以用普通的剪切加載機構代替，比如在試件的兩側設置錯開的加載部件，以此實現對試件的剪切試驗。
[0088]水平加載系統，可以用沿垂直于剪切方向的水平液壓油缸代替，以此模擬試件的水平壓力。
[0089]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現，未予以詳細說明的部分，為現有技術，在此不進行贅述。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和特點相一致的最寬的范圍。
【主權項】
1.巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置，其特征在于:包括: 底座，用于放置試件； 加載框架，與所述底座固定連接； 剪切加載系統，設于所述底座上，用于對所述試件施加剪切力； 法向加載系統，與所述加載框架的頂端固定連接，用于對所述試件施加法向壓力； 法向位移監測系統，用于實時測量所述試件法向位移的大小； 計算機控制系統，與所述法向加載系統和所述法向位移監測系統連接，并實時接收所述試件的法向位移的數據，根據所述試件法向剛度不變的原則，即公式o = 0()+Ad*K，不斷調整所述法向加載系統對所述試件施加的法向壓力，從而達到巖體剪切試驗過程中的法向剛度恒定； 式中，σ為某時刻需要對所述試件施加的法向應力，OO為所述試件的初始圍壓，Ad為所述試件在該時刻所發生的累計的法向位移，K為所述試件的法向剛度，K為定值。2.根據權利要求1所述的巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置，其特征在于:所述法向加載系統包括用以對所述試件施加法向壓力的兩個平行設置的加載油缸。3.根據權利要求1所述的巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置，其特征在于:巖體恒定法向剛度剪切試驗裝置還包括水平加載系統，用以對所述試件施加垂直于剪切方向的水平壓力。4.根據權利要求3所述的巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置，其特征在于:所述底座上設有用以固定試件的試件固定部件，所述固定部件由彼此分離的上部固定件和下部固定件組成，所述固定部件內部構成用于容納所述試件的空間；所述水平加載系統包括液壓囊，所述液壓囊設在所述固定部件的側壁內側，并與伺服油源連接;所述伺服油源與所述計算機控制系統連接。5.根據權利要求1所述的巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置，其特征在于:所述剪切加載系統包括用以對所述試件施加剪力的設于所述試件兩側的第一剪切加載組件和第二剪切加載組件； 所述第一和第二剪切加載組件在所述試件沿剪切方向的兩側相互對置，所述第一剪切加載組件包括位于下方的第一剪切加載油缸和位于上方的第三剪切加載油缸，所述第二剪切加載組件包括位于下方的第二剪切加載油缸和位于上方的第四剪切加載油缸； 所述剪切加載系統與所述計算機控制系統連接，各個所述剪切加載油缸均獨立受控于所述計算機控制系統。6.根據權利要求1-5任一所述的巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟: 步驟1:向試件施加模擬巖體在圍巖中原始受力情況的原始水平剪力、原始水平壓力和原始法向壓力，所述原始水平剪力的施加方法為:第一、第二、第三和第四剪切加載油缸對所述試件的施力值等于圍巖的原始剪力值； 步驟2:保持所述第二和第三剪切加載油缸的壓力不變，保持所述第四剪切加載油缸位移不變，控制所述第一剪切加載油缸以恒定速度朝向所述試件移動來施加剪切力，在此過程中，實時獲取所述試件的法向位移數據，并根據所述試件法向剛度不變的原則，不斷調整對所述試件所施加的法向壓力，以實現巖體剪切試驗過程中的法向剛度恒定條件。7.根據權利要求6所述的巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗方法，其特征在于:步驟2中，當所述試件的剪切位移達到設定值后，將所述剪切力卸載，使所述試件再次達到原巖應力水平，保持所述第一和第四剪切加載油缸的壓力不變，保持所述第三剪切加載油缸位移不變，控制所述第二剪切油缸一恒定移動速度朝向所述試件來施加反向剪切力，當所述試件的剪切位移達到設定值后卸載所述反向剪切力，完成一個循環剪切;在此過程中，滿足所述試件法向剛度恒定的條件。8.巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:向試件施加模擬巖體在圍巖中原始受力情況的水平剪力、水平壓力和法向壓力，所述水平剪力平行于剪切方向，所述水平壓力垂直于剪切方向，所述法向壓力的方向為豎直方向； 步驟2:向所述試件施加剪切力，在此過程中，實時獲取所述試件的法向位移數據，并根據所述試件法向剛度不變的原則，不斷調整對所述試件所施加的法向壓力，以實現巖體剪切試驗過程中的法向剛度恒定條件。9.根據權利要求8所述的巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗方法，其特征在于;進一步的，步驟2中，當所述試件的剪切位移達到設定值后，卸載所述剪切力，并加載反向剪切力，直到反向剪切位移達到位移設定值時，完成剪切試件的一次循環剪切;整個過程中，滿足所述試件法向剛度恒定的條件。10.根據權利要求9所述的巖體不連續面恒定法向剛度剪切試驗方法，其特征在于；重復所述步驟2中操作，實現多次循環剪切。
【文檔編號】G01N3/24GK105973722SQ201610591608
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月26日
【發明人】蔣宇靜, 吳學震, 王剛
【申請人】山東科技大學