CN105043900A - 湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湿干交替作用环境下岩石抗剪强度测试装置及测试方法，装置包括框架、上剪切盒、下剪切盒；下剪切盒内增设了进水孔、进气孔、排水孔、排气孔，上剪切盒与下剪切盒叠合形成封闭的剪切腔。测试方法是将岩石试样放入剪切腔内，通过移动上剪切盒中的螺旋推板，为模拟岩石所处的“湿干”交替作用环境提供有效的容器。通过打开剪切腔内的辐射灯，可以模拟太阳辐射的作用；通过进水口往剪切腔内注入一定压力的水，模拟岩石在水压作用下的湿化过程；抽干水之后，通过进气口注入一定温度的空气，模拟岩石在一定环境温度作用下的干燥过程；根据试验需要，完成上述若干个湿化和干燥过程后，进行直剪试验。

Description

湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及岩石抗剪测试领域，具体是一种湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置及测试方法。

背景技术

由于已有的岩石直剪试验装置的设计没有考虑岩石所处环境条件的模拟和试验方法没有涉及岩石试样的环境作用过程，不能模拟水位变动引起的“湿干”变化环境，导致其不能准确的测得水位变动带（如水库消落带、天然河流岸坡水位变动带、海岸水位变动带、水工隧洞水位变动带等）内岩石的抗剪强度。而水位变动带内岩石的抗剪强度，作为评价涉水工程岩体力学性质的重要强度参数，在进行涉水边坡、隧洞等岩体工程破坏机制研究和稳定性评价方面均有重要的应用价值。

发明内容本发明的目的是提供一种湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置及测试方法，以解决现有技术岩石直剪试验中不能考虑岩石所处环境条件的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：包括有框架，框架内底部固定安装有下剪切盒，下剪切盒顶部叠放有上剪切盒，所述上剪切盒中具有竖向贯通上剪切盒的台阶状通腔，下剪切盒中具有竖向贯通下剪切盒的直腔状的通腔，上、下剪切盒叠放后，上剪切盒中台阶状通腔与下剪切盒中通腔共中心轴竖向连通，且上剪切盒台阶状通腔的上部直径与下剪切盒中通腔直径相同，上剪切盒台阶状通腔的下部通腔直径大于下剪切盒中通腔直径，由上剪切盒中台阶状通腔与下剪切盒中通腔连通组成剪切腔；所述下剪切盒的通腔内底部设置有传力铁块，传力铁块上设置有透水石，上剪切盒的台阶状通腔上部亦设置有传力铁块，上剪切盒中传力铁块顶面从上剪切盒顶部伸出，上剪切盒中传力铁块底面与上剪切盒内台阶面齐平，且上剪切盒中传力铁块底面亦设置有透水石，剪切腔内两透水石之间放置有试样，所述上剪切盒中传力铁块顶面上从下至上依次放置有刚性垫片、滚珠盘，所述框架顶部对应滚珠盘位置安装有垂直油缸，且垂直油缸活塞杆竖直向下正对滚珠盘，所述上剪切盒前侧面连接有水平推板，框架前侧对应水平推板位置安装有水平油缸，且水平油缸活塞水平正对水平推板，所述上剪切盒内台阶面与下剪切盒顶部之间左、右侧分别水平滑动安装有螺旋推板，上剪切盒内台阶状通腔下部左、右侧盒壁中分别螺合安装有中心轴线水平的螺栓，每侧螺栓一端分别伸入剪切腔中并转动连接在对应侧的螺旋推板上，位于上剪切盒盒壁外侧面的每侧螺栓上还分别螺合安装有螺母，所述下剪切盒盒体内右侧设置有进气孔、进水孔，所述下剪切盒盒体内左侧设置有排气孔、排水孔，进气孔、进水孔各自一端设置在下剪切盒盒体顶部右侧与剪切腔内连通，进气孔、进水孔各自另一端设置在下剪切盒盒体右侧壁上，排气孔、排水孔各自一端设置在下剪切盒盒体顶部左侧与剪切腔内连通，排气孔、排水孔各自另一端设置在下剪切盒盒体左侧壁上，所述框架外设置有风机、自带蓄能器的水泵、真空泵，所述风机通过管路在下剪切盒盒体右侧壁上与进气孔连通，水泵通过管路在从下剪切盒盒体右侧壁上与进水孔连通，真空泵通过管路在下剪切盒盒体左侧壁上与排水孔连通。

所述的湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：所述框架后侧还设置有剪切位移百分表，剪切位移百分表通过磁性表座吸附于框架后侧上，剪切位移百分表中两固定销分别穿过上剪切盒顶部左、右侧，再分别穿过对应侧的螺柱后***下剪切盒顶部对应侧。

所述的湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：所述上剪切盒与传力铁块接触处设置有密封圈。

所述的湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：所述上剪切盒内台阶面上还左右对称设置有一对辐射灯。

所述的湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：所述螺旋推板与上剪切盒内台阶面、下剪切盒顶部接触处还分别设置有密封圈。

一种湿干交替作用下岩石抗剪强度测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、在下剪切盒中放入传力铁块和透水石，在透水石上放置试样，试样与下剪切盒四个接触面分别放一片滤纸，使试样中心刚好在剪切缝位置，盖上上剪切盒，打开剪切腔内的辐射灯，依次在试件顶部放上透水石、传力铁块、刚性垫片和滚珠盘；

（2）、将上剪切盒两侧的螺旋推板移至最外侧，通过拧紧螺母来固定螺旋推板；

（3）、关闭排水孔，将具有稳压功能的水泵与进水孔连接，通过水泵向剪切腔内注满水；根据试验要求的水压和湿化时间，调节水泵的水压力，并在试验要求的湿化时间内维持该水压力，岩石试样湿化结束后，卸除水泵的水压，关闭水泵的出水孔，打开下剪切盒排水孔，连接真空泵，通过真空泵将剪切腔内的水抽干，湿化过程模拟结束；

（4）、将具有温度调节功能的风机与进气孔连接，根据试验要求的环境气温，调节风机吹出气体的温度与环境温度一致，并在试验要求的风干时间内由风机向剪切腔内持续吹入空气，干燥过程模拟结束；

（5）、湿干变化环境模拟结束后，将螺母松开，移动螺旋推板至贴近试样，拧紧螺母，将两根固定销分别***上剪切盒的孔中，固定销通过螺栓上的孔落入上剪切盒底部中心的孔中，固定螺旋推板，摇动垂直油缸的油泵手柄，使垂直油缸活塞缓缓下降，接触滚珠盘，读出垂直油缸压力表初值；

（6）、启动垂向荷载***，施加试验预定正应力，即垂向油缸的压力表达到预定值；。

（7）、在上剪切盒与水平推板相对的位置安装磁性表座与剪切位移百分表；

（8）、将水平油缸的油泵换向把推向加载端，摇动水平油缸的油泵手柄，使水平油缸的活塞缓缓伸出，接触水平推板，读出水平油缸压力表初值；

（9）、试验采用快剪法，垂向荷载保持不变，分级施加剪切荷载直至试样破坏，记录破坏时的剪切压力表最大值。

本发明可以考虑不同水压力变化的湿化条件、不同温度变化的干燥条件及不同湿干循环条件（含太阳辐射）对岩石抗剪强度的影响，可实现不同的湿干交替作用（含太阳辐射）环境下岩石抗剪强度测试。

附图说明

图1为本发明测试装置结构俯视图。

图2为本发明测试装置结构侧剖视图。

图3为本发明测试装置结构正剖视图。

图4为本发明测试装置中剪切腔部分原理图。

具体实施方式

如图1-图4所示，湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置，：包括有框架1，框架1内底部固定安装有下剪切盒4，下剪切盒4顶部叠放有上剪切盒3，上剪切盒3中具有竖向贯通上剪切盒的台阶状通腔，下剪切盒4中具有竖向贯通下剪切盒的直腔状的通腔，上、下剪切盒3、4叠放后，上剪切盒3中台阶状通腔与下剪切盒4中通腔共中心轴竖向连通，且上剪切盒3台阶状通腔的上部直径与下剪切盒4中通腔直径相同，上剪切盒3台阶状通腔的下部通腔直径大于下剪切盒4中通腔直径，由上剪切盒3中台阶状通腔与下剪切盒4中通腔连通组成剪切腔17；下剪切盒4的通腔内底部设置有传力铁块81，传力铁块81上设置有透水石91，上剪切盒3的台阶状通腔上部亦设置有传力铁块82，上剪切盒3中传力铁块82顶面从上剪切盒3顶部伸出，上剪切盒3中传力铁块82底面与上剪切盒3内台阶面齐平，且上剪切盒3中传力铁块82底面亦设置有透水石92，剪切腔17内两透水石91、92之间放置有试样5，上剪切盒3中传力铁块82顶面上从下至上依次放置有刚性垫片、滚珠盘7，框架1顶部对应滚珠盘7位置安装有垂直油缸2，且垂直油缸2活塞杆竖直向下正对滚珠盘7，上剪切盒3前侧面连接有水平推板18，框架1前侧对应水平推板18位置安装有水平油缸19，且水平油缸19活塞水平正对水平推板18，上剪切盒3内台阶面与下剪切盒4顶部之间左、右侧分别水平滑动安装有螺旋推板10，上剪切盒3内台阶状通腔下部左、右侧盒壁中分别螺合安装有中心轴线水平的螺栓25，每侧螺栓25一端分别伸入剪切腔17中并转动连接在对应侧的螺旋推板10上，位于上剪切盒3盒壁外侧面的每侧螺栓上还分别螺合安装有螺母26，下剪切盒4盒体内右侧设置有进气孔21、进水孔22，下剪切盒4盒体内左侧设置有排气孔24、排水孔23，进气孔21、进水孔22各自一端设置在下剪切盒4盒体顶部右侧与剪切腔17内连通，进气孔21、进水孔22各自另一端设置在下剪切盒4盒体右侧壁上，排气孔24、排水孔23各自一端设置在下剪切盒4盒体顶部左侧与剪切腔17内连通，排气孔24、排水孔23各自另一端设置在下剪切盒4盒体左侧壁上，框架1外设置有风机12、自带蓄能器16的水泵14、真空泵11，风机12通过管路在下剪切盒4盒体右侧壁上与进气孔21连通，水泵14通过管路在从下剪切盒4盒体右侧壁上与进水孔22连通，真空泵11通过管路在下剪切盒4盒体左侧壁上与排水孔23连通。

框架1后侧还设置有剪切位移百分表13，剪切位移百分表13通过磁性表座15吸附于框架1后侧上，剪切位移百分表13中两固定销20分别穿过上剪切盒3顶部左、右侧，再分别穿过对应侧的螺柱25后***下剪切盒4顶部对应侧。

上剪切盒3与传力铁块82接触处设置有密封圈。

上剪切盒3内台阶面上还左右对称设置有一对辐射灯6。

螺旋推板10与上剪切盒3内台阶面、下剪切盒4顶部接触处还分别设置有密封圈。

一种湿干交替作用下岩石抗剪强度测试方法，包括以下步骤：

（1）、在下剪切盒中放入传力铁块和透水石，在透水石上放置试样，试样与下剪切盒四个接触面分别放一片滤纸，使试样中心刚好在剪切缝位置，盖上上剪切盒，打开剪切腔内的辐射灯，依次在试件顶部放上透水石、传力铁块、刚性垫片和滚珠盘；

（2）、将上剪切盒两侧的螺旋推板移至最外侧，通过拧紧螺母来固定螺旋推板；

（3）、关闭排水孔，将具有稳压功能的水泵与进水孔连接，通过水泵向剪切腔内注满水；根据试验要求的水压和湿化时间，调节水泵的水压力，并在试验要求的湿化时间内维持该水压力，岩石试样湿化结束后，卸除水泵的水压，关闭水泵的出水孔，打开下剪切盒排水孔，连接真空泵，通过真空泵将剪切腔内的水抽干，湿化过程模拟结束；

（4）、将具有温度调节功能的风机与进气孔连接，根据试验要求的环境气温，调节风机吹出气体的温度与环境温度一致，并在试验要求的风干时间内由风机向剪切腔内持续吹入空气，干燥过程模拟结束；

（5）、湿干变化环境模拟结束后，将螺母松开，移动螺旋推板至贴近试样，拧紧螺母，将两根固定销分别***上剪切盒的孔中，固定销通过螺栓上的孔落入上剪切盒底部中心的孔中，固定螺旋推板，摇动垂直油缸的油泵手柄，使垂直油缸活塞缓缓下降，接触滚珠盘，读出垂直油缸压力表初值；

（6）、启动垂向荷载***，施加试验预定正应力，即垂向油缸的压力表达到预定值；。

（7）、在上剪切盒与水平推板相对的位置安装磁性表座与剪切位移百分表；

（8）、将水平油缸的油泵换向把推向加载端，摇动水平油缸的油泵手柄，使水平油缸的活塞缓缓伸出，接触水平推板，读出水平油缸压力表初值；

（9）、试验采用快剪法，垂向荷载保持不变，分级施加剪切荷载直至试样破坏，记录破坏时的剪切压力表最大值。

本发明装置包括框架1、上剪切盒3、下剪切盒4、磁性表座15和位移百分表13；下剪切盒4上设有进水孔22、进气孔21、排水孔23、排气孔24、传力铁块8及透水石9，上剪切盒3内还开挖了两个孔，分别装上辐射灯6，上剪切盒3与下剪切盒4盖合形成与外界可以进行水气交换的空间，为模拟岩石所处的“湿干”交替作用环境提供有效的容器；同时，打开辐射灯6，使模拟的内部环境更接近天然环境。

下剪切盒4上的进水孔22与具有稳压功能的水泵14连接，由水泵14通过进水孔22向剪切腔17内注满水，调节水泵14的压力，可以模拟岩石试样5在不同水压下的湿化过程；下剪切盒4上的排水孔23与真空泵12连接，由真空泵12通过排水孔23可以将剪切腔17内的水抽出。

下剪切盒4上的进气孔21与具有温度调节功能的风机13连接，由风机13通过进气孔21向剪切腔17内吹进预定温度的空气，气体经过岩石试样5，从排气孔24排出，可以模拟岩石试样5在辐射和不同气温条件下的干燥过程。

本发明装置中，上剪切盒3上的滚珠盘7与垂直油缸2的活塞相对，水平推板18与剪切油缸19活塞相对。螺旋推板10与上下剪切盒接触面设有密封圈。上剪切盒3与传力铁块8接触面上设有密封圈。

本发明测试方法由以下步骤构成：

步骤1、在下剪切盒中放入传力铁块和透水石，放上试样，试样与下剪切盒四个接触面分别放一片滤纸，使试样中心刚好在剪切缝位置，盖上上剪切盒，打开剪切腔内的辐射灯，依次在试样顶部放上透水石、传力铁块、刚性垫片和滚珠盘。

步骤2、将上剪切盒两侧的推板移至最外侧，通过拧紧螺母来固定螺旋推板。

步骤3、关闭排水孔，将具有稳压功能的水泵与进水孔连接，通过水泵向剪切腔内注满水；根据试验要求的水压和湿化时间，调节水泵的水压力，并在试验要求的湿化时间内维持该水压力，岩石试样湿化结束后，卸除水泵的水压，关闭水泵的出水孔，打开下剪切盒排水孔，连接真空泵，通过真空泵将剪切腔内的水抽干，湿化过程模拟结束。

步骤4、将具有温度调节功能的风机与进气孔连接，根据试验要求的环境气温，调节风机吹出气体的温度与环境温度一致，并在试验要求的风干时间内由风机向剪切腔内持续吹入空气，干燥过程模拟结束。

步骤5、湿干变化环境模拟结束后，将螺母松开，移动推板至贴近试样，拧紧螺母，将2根固定销分别***上剪切盒顶部中心的孔中，固定销通过螺栓上的孔落入上剪切盒底部中心的孔中，固定螺旋推板。摇动油泵手柄，使垂直油缸活塞缓缓下降，接触滚珠盘，读出垂直油缸压力表初值。

步骤6、启动垂向荷载***，施加预定正应力（即垂向油缸的压力表达到预定值）。

步骤7、在上剪切盒与水平推板相对的位置安装磁性表座与剪切位移百分表。

步骤8、将剪切油缸的油泵换向把推向加载端，摇动油泵手柄，使剪切油缸的活塞缓缓伸出，接触上水平推板，读出剪切油缸压力表初值。

步骤9、试验采用快剪法。垂向荷载保持不变，分级施加剪切荷载，直至试样破坏，记录破坏时的剪切压力表最大值。

Claims (6)

1.湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：包括有框架，框架内底部固定安装有下剪切盒，下剪切盒顶部叠放有上剪切盒，所述上剪切盒中具有竖向贯通上剪切盒的台阶状通腔，下剪切盒中具有竖向贯通下剪切盒的直腔状的通腔，上、下剪切盒叠放后，上剪切盒中台阶状通腔与下剪切盒中通腔共中心轴竖向连通，且上剪切盒台阶状通腔的上部直径与下剪切盒中通腔直径相同，上剪切盒台阶状通腔的下部通腔直径大于下剪切盒中通腔直径，由上剪切盒中台阶状通腔与下剪切盒中通腔连通组成剪切腔；所述下剪切盒的通腔内底部设置有传力铁块，传力铁块上设置有透水石，上剪切盒的台阶状通腔上部亦设置有传力铁块，上剪切盒中传力铁块顶面从上剪切盒顶部伸出，上剪切盒中传力铁块底面与上剪切盒内台阶面齐平，且上剪切盒中传力铁块底面亦设置有透水石，剪切腔内两透水石之间放置有试样，所述上剪切盒中传力铁块顶面上从下至上依次放置有刚性垫片、滚珠盘，所述框架顶部对应滚珠盘位置安装有垂直油缸，且垂直油缸活塞杆竖直向下正对滚珠盘，所述上剪切盒前侧面连接有水平推板，框架前侧对应水平推板位置安装有水平油缸，且水平油缸活塞水平正对水平推板，所述上剪切盒内台阶面与下剪切盒顶部之间左、右侧分别水平滑动安装有螺旋推板，上剪切盒内台阶状通腔下部左、右侧盒壁中分别螺合安装有中心轴线水平的螺栓，每侧螺栓一端分别伸入剪切腔中并转动连接在对应侧的螺旋推板上，位于上剪切盒盒壁外侧面的每侧螺栓上还分别螺合安装有螺母，所述下剪切盒盒体内右侧设置有进气孔、进水孔，所述下剪切盒盒体内左侧设置有排气孔、排水孔，进气孔、进水孔各自一端设置在下剪切盒盒体顶部右侧与剪切腔内连通，进气孔、进水孔各自另一端设置在下剪切盒盒体右侧壁上，排气孔、排水孔各自一端设置在下剪切盒盒体顶部左侧与剪切腔内连通，排气孔、排水孔各自另一端设置在下剪切盒盒体左侧壁上，所述框架外设置有风机、自带蓄能器的水泵、真空泵，所述风机通过管路在下剪切盒盒体右侧壁上与进气孔连通，水泵通过管路在从下剪切盒盒体右侧壁上与进水孔连通，真空泵通过管路在下剪切盒盒体左侧壁上与排水孔连通。

2.根据权利要求1所述的湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：所述框架后侧还设置有剪切位移百分表，剪切位移百分表通过磁性表座吸附于框架后侧上，剪切位移百分表中两固定销分别穿过上剪切盒顶部左、右侧，再分别穿过对应侧的螺柱后***下剪切盒顶部对应侧。

3.根据权利要求1所述的湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：所述上剪切盒与传力铁块接触处设置有密封圈。

4.根据权利要求1所述的湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：所述上剪切盒内台阶面上还左右对称设置有一对辐射灯。

5.根据权利要求1所述的湿干交替作用下岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：所述螺旋推板与上剪切盒内台阶面、下剪切盒顶部接触处还分别设置有密封圈。

6.一种基于权利要求1所述装置的湿干交替作用下岩石抗剪强度测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、在下剪切盒中放入传力铁块和透水石，在透水石上放置试样，试样与下剪切盒四个接触面分别放一片滤纸，使试样中心刚好在剪切缝位置，盖上上剪切盒，打开剪切腔内的辐射灯，依次在试件顶部放上透水石、传力铁块、刚性垫片和滚珠盘；

（2）、将上剪切盒两侧的螺旋推板移至最外侧，通过拧紧螺母来固定螺旋推板；

（3）、关闭排水孔，将具有稳压功能的水泵与进水孔连接，通过水泵向剪切腔内注满水；根据试验要求的水压和湿化时间，调节水泵的水压力，并在试验要求的湿化时间内维持该水压力，岩石试样湿化结束后，卸除水泵的水压，关闭水泵的出水孔，打开下剪切盒排水孔，连接真空泵，通过真空泵将剪切腔内的水抽干，湿化过程模拟结束；

（4）、将具有温度调节功能的风机与进气孔连接，根据试验要求的环境气温，调节风机吹出气体的温度与环境温度一致，并在试验要求的风干时间内由风机向剪切腔内持续吹入空气，干燥过程模拟结束；

（5）、湿干变化环境模拟结束后，将螺母松开，移动螺旋推板至贴近试样，拧紧螺母，将两根固定销分别***上剪切盒的孔中，固定销通过螺栓上的孔落入上剪切盒底部中心的孔中，固定螺旋推板，摇动垂直油缸的油泵手柄，使垂直油缸活塞缓缓下降，接触滚珠盘，读出垂直油缸压力表初值；

（6）、启动垂向荷载***，施加试验预定正应力，即垂向油缸的压力表达到预定值；

（7）、在上剪切盒与水平推板相对的位置安装磁性表座与剪切位移百分表；

（8）、将水平油缸的油泵换向把推向加载端，摇动水平油缸的油泵手柄，使水平油缸的活塞缓缓伸出，接触水平推板，读出水平油缸压力表初值；

（9）、试验采用快剪法，垂向荷载保持不变，分级施加剪切荷载直至试样破坏，记录破坏时的剪切压力表最大值。