一种三维粗糙裂隙面卸荷诱发剪切滑移试验装置及方法与流程

1.本发明涉及岩体工程技术领域，特别是涉及一种三维粗糙裂隙面卸荷诱发剪切滑移试验装置及方法。


背景技术：

2.裂隙化岩体广泛存在于地表浅层，是主要的地下流体渗透介质之一。裂隙本身的几何(如长度、产状和岩桥等)性态、力学特性及位置关系影响着在外荷载下裂隙岩体的变形和强度特性。
3.地下工程开挖致使垂直于开挖面方向的应力卸载，岩体的应力状态由三向受压变为双向甚至单向受压状态，这种应力状态的变化必定会在一定深度范围内引起岩体向开挖区的差异回弹变形，由于岩体的非均质非弹性，必定会在其某些部位(地质不连续面)形成一种由差异变形而产生的拉应力集中现象，容易造成岩体三维裂隙网络在沿卸荷方向的强烈扩容，其破裂以张性破裂为主，持续卸荷使得土体产生剪切滑移现象。同时，在岩体开挖过程中，需要对岩体进行爆破，因此岩体存在瞬态卸荷的现象。
4.现有技术中虽然存在岩体开挖时的持续卸荷试验装置或者岩体爆破时的瞬态卸荷的试验装置，然而并未存在具有上述两种功能的试验装置，导致在进行不同的试验时需要使用不同的试验装置，提高了试验成本，且现有的试验装置并没有较好的模拟实际岩体所处的环境，导致试验岩体的温度和湿度与实际环境存在较大差异，进而影响了试验结果的精确性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种三维粗糙裂隙面卸荷诱发剪切滑移试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，本装置具有岩体开挖时的持续卸荷试验功能和岩体爆破时的瞬态卸荷试验功能，利用同一装置，根据实际试验需要选择进行不同的试验，降低了试验成本，且较为真实的模拟岩体试样的实际环境，进而提高了试验结构的精确性。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种三维粗糙裂隙面卸荷诱发剪切滑移试验装置，包括支撑台，所述支撑台顶端设置有围压部、轴压部、环境控制机构，所述环境控制机构内设置有岩体试样；
7.所述围压部与所述支撑台顶端固接，所述轴压部与所述环境控制机构顶端固接，所述围压部和所述轴压部均与所述岩体试样传动连接；
8.所述围压部包括周向设置在所述支撑台顶端的四个横向液泵，任一所述横向液泵活动端通过连接件可拆卸连接有第一连杆，所述第一连杆上固接有第一滑板，所述第一滑板上固接有第二连杆，所述第二连杆穿过所述环境控制机构，且所述第二连杆末端固接有横压板，所述横压板通过测量件与所述岩体试样抵接；
9.所述支撑台顶端还设置有使横压板瞬态卸荷的卸荷件，所述卸荷件位于所述第一滑板与所述环境控制机构之间，所述卸荷件与所述第一连杆可拆卸连接。
10.优选的，所述轴压部包括与所述环境控制机构顶端固接的轴向液泵，所述岩体试样底端与顶端分别设置有底座和轴压板，所述底座底端与所述支撑台顶端固接，所述轴向液泵活动端与所述轴压板顶端抵接。
11.优选的，所述连接件包括与所述横向液泵活动端固接的卡头，所述卡头靠近所述第一连杆的一侧开设有容纳槽，所述卡头顶端开设有容纳固定螺栓的贯穿孔，所述第一连杆的一端位于所述容纳槽内，所述第一连杆上开设有锁定孔，所述固定螺栓位于所述锁定孔内。
12.优选的，所述卸荷件包括支板，所述支板通过定位件与所述支撑台可拆卸连接，所述支板上开设有第一空腔和第二空腔，所述第一空腔位于所述第二空腔上方，所述第一空腔与所述第二空腔通过连通孔连通，所述连通孔内设置有锁定滚珠；所述第一空腔内滑动连接有锁定板，所述锁定板底端与所述锁定滚珠顶端抵接，且所述锁定板上开设有容纳所述锁定滚珠的存放槽，所述第二空腔内设置有压缩弹簧，所述压缩弹簧与所述第二空腔底部固接，所述第一连杆靠近所述支板的一端固接有锁定球头，所述锁定球头位于所述第二空腔内，且所述锁定球头与所述锁定滚珠和所述压缩弹簧抵接。
13.优选的，所述连通孔内设置有挡板，所述挡板上开设有限位孔，所述锁定滚珠位于所述限位孔内，且所述限位孔直径小于所述锁定滚珠直径。
14.优选的，所述环境控制机构包括与所述支撑台顶端固接的封闭箱，所述岩体试样位于所述封闭箱内，所述封闭箱内设置有喷雾器和加热板，所述封闭箱外设置有供水箱，所述供水箱与所述喷雾器连通。
15.优选的，所述测量件包括设置在所述岩体试样表面的压力传感器，所述横压板通过所述压力传感器与所述岩体试样抵接，所述封闭箱内设置有位移传感器，所述位移传感器与所述岩体试样对应设置，所述封闭箱外设置有数据收集装置，所述数据收集装置与所述压力传感器和所述位移传感器电性连接。
16.优选的，所述岩体试样包括第一试样和第二试样，所述第一试样与所述第二试样接触处形成有裂隙，所述第一试样与所述第二试样关于所述裂隙对称设置。
17.一种三维粗糙裂隙面卸荷诱发剪切滑移试验装置的使用方法，操作步骤包括：
18.a、制作岩体试样：预制第一试样和第二试样，并将第一试样与第二试样拼接；
19.b、施加围压和轴压：完成步骤a后，将拼接完毕的岩体试样放置在底座上，启动围压部和轴压部，施加围压和轴压至预定值；
20.c、模拟实际环境：完成步骤b后，启动喷雾器和加热板，封闭箱内温度和湿度至预定值；
21.d、持续卸荷试验：完成步骤c后，选取任意方向横向液泵活动端缓慢收缩，模拟持续卸荷。
22.优选的，所述步骤d中，瞬态卸荷试验：完成步骤c后，选取任意方向支板固定在支撑台上，取出固定螺栓，驱动该方向横向液泵收缩，移动锁定板，模拟瞬态卸荷。
23.本发明公开了以下技术效果：
24.1.通过设置围压部和轴压部，较好的模拟岩体试样外部压力，使得岩体试样与岩体实际受力情况较为接近，进而提高试验结果的精确性。
25.2.通过在支撑台顶端设置卸荷件，使得本装置具有两种试验模式，一种试验模式
是卸荷件不参与实际使用，横向液泵通过连接件带动横压板缓慢移动，以模拟岩体试样的持续卸荷，另一种试验模式是卸荷件参与实际使用，通过卸荷件带动横压板运动，使得横压板位置瞬间发生变化，以模拟岩体试样的瞬态卸荷，两种试验模式切换方便，实用性高。
26.3.通过在岩体试样外部设置环境控制机构，模拟岩体试样实际环境，进而提高试验结果的精确性。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为三维粗糙裂隙面卸荷诱发剪切滑移试验装置的立体图；
29.图2为围压部和轴压部的立体图；
30.图3为定位件的立体图；
31.图4为持续卸荷试验的结构示意图；
32.图5为图4中a处的局部放大图；
33.图6为图4中b处的局部放大图；
34.图7为瞬态卸荷试验的结构示意图；
35.图8为图7中c处的局部放大图；
36.图9为图7中d处的局部放大图；
37.图10为锁定滚珠的结构示意图；
38.其中，1、支撑台；2、横向液泵；3、第一连杆；4、第一滑板；5、第二连杆；6、横压板；7、轴向液泵；8、底座；9、轴压板；10、卡头；11、容纳槽；12、固定螺栓；13、锁定孔；14、支板；15、第一空腔；16、第二空腔；17、连通孔；18、锁定滚珠；19、锁定板；20、存放槽；21、压缩弹簧；22、锁定球头；23、挡板；24、封闭箱；25、喷雾器；26、加热板；27、供水箱；28、压力传感器；29、位移传感器；30、数据收集装置；31、第一试样；32、第二试样；33、裂隙；34、锁定轨；35、螺纹孔；36、锁定板；37、螺栓；38、温度测量器；39、湿度测量器。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
41.本发明提供一种三维粗糙裂隙面卸荷诱发剪切滑移试验装置，包括支撑台1，支撑台1顶端设置有围压部、轴压部、环境控制机构，环境控制机构内设置有岩体试样；围压部与支撑台1顶端固接，轴压部与环境控制机构顶端固接，围压部和轴压部均与岩体试样传动连接；围压部包括周向设置在支撑台1顶端的四个横向液泵2，任一横向液泵2活动端通过连接
件可拆卸连接有第一连杆3，第一连杆3上固接有第一滑板4，第一滑板4上固接有第二连杆5，第二连杆5穿过环境控制机构，且第二连杆5末端固接有横压板6，横压板6通过测量件与岩体试样抵接；支撑台1顶端还设置有使横压板6瞬态卸荷的卸荷件，卸荷件位于第一滑板4与环境控制机构之间，卸荷件与第一连杆3可拆卸连接。
42.在进行试验时，首先将岩体试样放置在环境控制机构内，随后启动围压部和轴压部，横向液泵2通过连接件推动横压板6，且横向液泵2为四个，以达到为岩土试样施加围压的目的，而轴压部提供轴向压力，对岩体试样施加轴压，以模拟岩体试样实际的受力情况，随后启动环境控制机构，改变岩体试样周围的温度和湿度，待温度和湿度达到预定值，并处于预定值一定时间后开始试验。
43.当进行持续卸荷试验时，选取待卸荷方向的横向液泵2并使其收缩，横向液泵2带动连接件进而带动横压板6移动，该方向的横压板6对岩体试样施加的压力逐渐变小，进而模拟持续卸荷过程，从而测量岩体试样的位置变化。
44.当进行瞬态卸荷试验时，待对岩体试样施加围压和轴压完毕后，选取待卸荷方向的横向液泵2，并将该横向液泵2对应设置的卸荷件固定在支撑台1上，随后解开连接件，使得横向液泵2不再与第一连杆3连接，随后收缩横向液泵2，使得横向液泵2与第一连杆3之间产生间隙，上述过程完毕后，启动卸荷件，使得横压板6在极短的时间内不在对岩体试样施加压力，进而模拟瞬态卸荷过程，从而测量岩体试样的位置变化。
45.需要明确的是，对于岩体试样施加轴压和围压属于现有技术，在此对于横压板6和轴压板9的形状不做限定，以实现对岩体试样施加正常围压和轴压即可。
46.进一步优化方案，轴压部包括与环境控制机构顶端固接的轴向液泵7，岩体试样底端与顶端分别设置有底座8和轴压板9，底座8底端与支撑台1顶端固接，轴向液泵7活动端与轴压板9顶端抵接。底座8的作用是用来放置岩体试样，待岩土试样放置在底座8上后，再将轴压板9放置在岩体试样顶端，在施加轴压的过程中，轴向液泵7的活动端抵接在轴压板9的顶端上，以施加预定的轴向压力。
47.进一步优化方案，连接件包括与横向液泵2活动端固接的卡头10，卡头10靠近第一连杆3的一侧开设有容纳槽11，卡头10顶端开设有容纳固定螺栓12的贯穿孔，第一连杆3的一端位于容纳槽11内，第一连杆3上开设有锁定孔13，固定螺栓12位于锁定孔13内。第一连杆3与卡头通过固定螺栓12连接，以使得横向液泵2可以带动第一连杆3运动，当进行瞬态卸荷试验时，仅需要将固定螺栓12取出，横向液泵2收缩即可实现横向液泵2与第一连杆3的分离。
48.进一步优化方案，卸荷件包括支板14，支板14通过定位件与支撑台1可拆卸连接，支板14上开设有第一空腔15和第二空腔16，第一空腔15位于第二空腔16上方，第一空腔15与第二空腔16通过连通孔17连通，连通孔17内设置有锁定滚珠18；第一空腔15内滑动连接有锁定板19，锁定板19底端与锁定滚珠18顶端抵接，且锁定板19上开设有容纳锁定滚珠18的存放槽20，第二空腔16内设置有压缩弹簧21，压缩弹簧21与第二空腔16底部固接，第一连杆3靠近支板14的一端固接有锁定球头22，锁定球头22位于第二空腔16内，且锁定球头22与锁定滚珠18和压缩弹簧21抵接。
49.在进行瞬态卸荷试验时，施加围压前应当将第一连杆3上的锁定球头22放入第二空腔16内，此时存放槽20与锁定滚珠18对应设置，由于锁定球头22的挤入，压迫锁定滚珠18
进入存放槽20内，继续锁定球头22的挤入，锁定球头22不再压迫锁定滚珠18，使得锁定滚珠18下落并与锁定球头22抵接，随后移动锁定板19，锁定存放槽20不再与锁定滚珠18对应设置，因此锁定滚珠18无法发生位移，进而达到对锁定球头22限位的作用，随后开始施加围压，在第一连杆3的作用下，支板14跟随横向液泵2的运动而位置发生变化，当施加围压至预定值后，将支板14通过定位件固定在支撑台1上，由于锁定球头22的位置不能发生变化，因此第一连杆3和第一滑板4的位置均不能发生变化，使得横压板6对岩体试样施加的横向压力保持在预定值，待进行瞬态卸荷试验时，通过移动锁定板19，将锁定滚珠18与存放槽20对应设置，在压缩弹簧21的作用下，锁定球头22挤压锁定滚珠18并在第二空腔16内弹出，锁定球头22带动第一连杆3进而带动横压板6在极短的时间内不对岩体试样施加横向压力，以模拟岩体瞬态卸荷过程。
50.锁定板19上可以设置有把手，把手位于支板14外，通过把手方便对锁定板19的位置调整。
51.定位件包括两相对设置的锁定轨34，第一滑板4底端和支板14底端均与锁定轨34顶端滑动连接，锁定轨34上开在有若干螺纹孔35，支板14底端固接有锁定板36，锁定板36通过螺栓37与螺纹孔35螺纹连接。当需要对支板14固定时，仅需要将锁定板36上的螺栓37插入螺纹孔35内即可完成对支板14的固定，其操作方便。
52.进一步优化方案，连通孔17内设置有挡板23，挡板23上开设有限位孔，锁定滚珠18位于限位孔内，且限位孔直径小于锁定滚珠18直径。锁定滚珠18需要对锁定球头22起到限位作用，且锁定滚珠18不能随意运动，因此通过挡板23和限位孔配合，使得锁定滚珠18不能落至第二空腔16内，而可以进入存放槽20内。
53.进一步优化方案，环境控制机构包括与支撑台1顶端固接的封闭箱24，岩体试样位于封闭箱24内，封闭箱24内设置有喷雾器25和加热板26，封闭箱24外设置有供水箱27，供水箱27与喷雾器25连通。由于岩土试样的温度和湿度均影响岩土卸荷试验结构的精确性，因此设置喷雾器25和加热板26，以使得岩体试样周边的温度和湿度与实际环境较为接近，待温度和湿度达到预制值后，应当等待一段时间再进行试验。
54.封闭箱24内设置有温度测量器38和湿度测量器39，以使得试验人员对封闭箱24内的温度和湿度精确把控，同时，封闭箱24可以选取顶端作为放置岩体试样的开口(图中未示出)，以使得岩体试样可以放置在封闭箱24内。
55.进一步优化方案，测量件包括设置在岩体试样表面的压力传感器28，横压板6通过压力传感器28与岩体试样抵接，封闭箱24内设置有位移传感器29，位移传感器29与岩体试样对应设置，封闭箱24外设置有数据收集装置30，数据收集装置30与压力传感器28和位移传感器29电性连接。压力传感器28用来测量横压板6对岩体试样施加的横向压力，同时，在岩体试样顶端应该也设置有压力传感器28，以测得轴压板9对岩体试样施加的轴向压力，位移传感器29的作用是测得岩体试样的位移，除此以外，封闭箱24内或者岩体试样上应设置有其他测量装置(图中未示出)，以测得岩体试样在试验过程中的位置变化和裂隙33的位置变化，对于其他测量装置，现有技术中对于岩体试验时岩体的位置变化已有较为成熟的测量方法，可以根据实际需要选择放置不同的测量装置，以达到测量不同数据的目的，在此不做过多赘述，在支撑台1上设置有数据收集装置30，数据收集装置30可以是计算机等，以收集试验所得数据并进行整理。
56.进一步优化方案，岩体试样包括第一试样31和第二试样32，第一试样31与第二试样32接触处形成有裂隙33，第一试样31与第二试样32关于裂隙33对称设置。在预制岩体试样时，选择石膏或者其他原料模拟岩体试样，岩体试样为圆柱形，根据试验需要，将岩土试样在一定角度分割为两个结构相似，方向相反的第一试样31和第二试样32，并根据实际岩体数据处理第一试样31和第二试样32的接触面的粗糙度，以得到符合实际情况的裂隙33，岩体试样的制作技术为现有技术，在此不做过多赘述。
57.一种三维粗糙裂隙面卸荷诱发剪切滑移试验装置的使用方法，操作步骤包括：
58.a、制作岩体试样：预制第一试样31和第二试样32，并将第一试样31与第二试样32拼接。在预制岩体试样时，选择石膏或者其他原料模拟岩体试样，岩体试样为圆柱形，根据试验需要，将岩土试样在一定角度分割为两个结构相似，方向相反的第一试样31和第二试样32，并根据实际岩体数据处理第一试样31和第二试样32的接触面的粗糙度，以得到符合实际情况的裂隙33。
59.b、施加围压和轴压：完成步骤a后，将拼接完毕的岩体试样放置在底座8上，启动围压部和轴压部，施加围压和轴压至预定值。施加围压和轴压过程应当为，首先测出岩石试样的峰值强度，启动横向液泵2对岩体试样施加围压，待压力传感器28测得施加围压达到预定值后，停止施加围压，启动轴向液泵7，对岩体试样施加轴压，待轴压施加到峰值强度的90％后停止施加轴压。
60.c、模拟实际环境：完成步骤b后，启动喷雾器25和加热板26，封闭箱24内温度和湿度至预定值。待岩土试样周围压力模拟完毕后，启动喷雾器25和加热板26，通过温度测量器38和湿度测量器39测得封闭箱24内的温度和湿度，待温度和湿度达到预定值后，等待一段时间后继续试验。
61.d、持续卸荷试验：完成步骤c后，选取任意方向横向液泵2活动端缓慢收缩，模拟持续卸荷。选取卸荷方向卸载横向压力，启动该卸荷方向的横向液泵2，横向液泵2通过第一连杆3带动横压板6缓慢降低对岩体试样的横向压力，随后继续施加轴压，因此第一试样31沿裂隙33发生剪切，以此测得所需试验数据。
62.进一步优化方案，步骤d中，瞬态卸荷试验：完成步骤c后，选取任意方向支板14固定在支撑台1上，取出固定螺栓12，驱动该方向横向液泵2收缩，移动锁定板19，模拟瞬态卸荷。该方向指的是固定了支板14方向上的横向液泵，。
63.在进行瞬态卸荷试验之前，移动锁定板19使得存放槽20与锁定滚珠18对应设置，将第一连杆3上的锁定球头22放入第二空腔16内，待锁定球头22完全进入第二空腔16内后，移动锁定板19使得存放槽20与锁定滚珠18不再对应设置，随后开始轴压和围压，在模拟温度和湿度后，将与支板14固定的锁定板36上的螺栓37插入螺纹孔35内对支板14完成固定，随后移动锁定板19，将锁定滚珠18与存放槽20对应设置，在压缩弹簧21的作用下，锁定球头22挤压锁定滚珠18并在第二空腔16内弹出，锁定球头22带动第一连杆3进而带动横压板6在极短的时间内不对岩体试样施加横向压力，以模拟岩体瞬态卸荷过程。
64.此外，在进行岩体持续卸荷试验时，卸荷件可以与第一连杆3连接，即卸荷件可以跟随第一连杆3运动，当需要进行岩土瞬态卸荷试验时，仅需要将卸荷件进行固定，连接件拆卸即可。
65.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、
“
左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
66.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。