CN115032089A - 一种模拟消落带库水环境的消落带节理岩体动力剪切装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置及方法，主要包括试样固定机构、法向加载机构、切向加载机构、水压加载机构及进出水控制机构；所述试样固定机构安装在试验仪壳体中并对试样进行固定；所述法向加载机构用于对试样施加法向荷载；所述切向加载机构用于对试样施加切向的动荷载；所述水压加载机构用于对试验仪壳体内部充压；所述进出水控制机构用于对试验仪壳体内充水或抽水。本发明提供的一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置及方法，可真实模拟节理试样在水压力浸泡、“浸泡‑风干”循环等条件或组合条件下的动力剪切试验。

Description

一种模拟消落带库水环境的消落带节理岩体动力剪切装置及 方法

技术领域

本发明涉及剪切装置，尤其是一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置及方法。

背景技术

根据已有的研究表明，消落带节理的剪切力学性能在库水位周期性升降带来的水压力变化及“浸泡-风干”循环过程中会加速劣化，导致消落带岩体发生剪切滑移，进而影响库岸边坡的长期稳定性。而地震作为库区常发的地质灾害，其产生的振动荷载对边坡岩土体的损伤是不容忽视的，因此地震对于库岸边坡消落带节理岩体的危害性也是不言而喻的。

我国在西南地区兴建了许多水库，因此存在大量的消落带节理岩体。而西南地区同时又位于大陆板块交界处，属于地震高发区。已有研究表明：库区地震具有“震级较小，但发震频率较高”的特点，即地震荷载虽然不会使结构面产生明显滑移和错动，但是在恒定上部荷载条件下，结构面受地震带来的循环荷载作用会发生峰前循环剪切。而循环剪切荷载对消落带岩体节理面的累积损伤效应也会使节理面遭受周期性的磨损，导致抗剪强度参数的劣化，并最终使边坡的长期稳定性受到威胁。

因此在研究西南地区的岸坡消落带节理岩体的长期稳定性分析时，不仅需要考虑普通消落带节理岩体所受的环境因素影响，还需要考虑地震带来的动荷载对于消落带节理岩体的损伤劣化作用。

综上所述，关于处于地震多发带的库区消落带节理岩体剪切性能的模拟装置，需关注以下几个影响因素：

①库水位升降带来的水压力变化；

②浸泡-风干循环作用过程；

③地震等振动荷载使节理面受到的循环剪切作用。

申请号为“201610859819.2”的专利“一种考虑水-岩作用的岩土体剪切仪”，只重点模拟了浸泡-风干循环作用对岩土体剪切力学特性的影响。

申请号为“201720185828.8”的专利“一种新型土工动力直剪试验装置”，只重点模拟了动力因素对试样剪切力学特性的影响”。

申请号为“201420163644.8”的专利“一种岩石结构面双向剪切装置”可施加法向压力和剪切力。

将循环进水排水装置、动力剪切装置和有压浸泡装置结合起来的难点在于：1、在循环剪切过程中，如何保证切向荷载的作用线始终保持在一条直线上，避免产生附加弯矩；2、在有压浸泡、浸泡-风干循环作用下，进行循环剪切试验，如何保证装置整体密封性能，防止法向和切向加载柱与装置壳体间的缝隙在加载、卸载过程中发生漏水、漏气的现象；3、将浸泡作用与风干作用集中于同一个装置，避免试样在经历“浸泡-风干”循环过程中不断重复从浸泡容器中取出、放回的操作，也保证了浸泡-风干过程和应力的耦合作用；4、实现有压浸泡下的节理岩样循环剪切，以及浸泡-风干循环作用下的节理岩样循环剪切，真实的模拟了库岸边坡消落带节理岩体所处的库水和应力环境条件，这个耦合作用过程的模拟，是以往文件拼凑无法达到的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置及方法，可以获得西南地区地震多发区域的边坡消落带节理岩体在地震、水压力和浸泡-风干循环等环境因素共同作用下剪切力学性能劣化的规律。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置，包括试样固定机构、法向加载机构、切向加载机构、水压加载机构及进出水控制机构；

所述试样固定机构安装在试验仪壳体中并对试样进行固定；

所述法向加载机构用于对试样施加法向荷载；

所述切向加载机构用于对试样施加切向的动荷载；

所述水压加载机构用于对试验仪壳体内部充压；

所述进出水控制机构用于对试验仪壳体内充水或抽水。

所述试样固定机构包括上剪切盒、下剪切盒；所述上剪切盒内固定有节理试样上盘，上剪切盒外左右两侧通过固定销钉与试验仪壳体左右的固定插销的滑道滑动配合；所述下剪切盒内固定有节理试样下盘，下剪切盒一侧安装有矫正垫块，矫正垫块与切向加载机构的荷载的作用线正对。

所述节理试样上盘、节理试样下盘由完整的立方体试样劈裂而成。

所述上剪切盒、下剪切盒左右均设有固定螺丝，固定螺丝用于对节理试样上盘、节理试样下盘固定。

所述法向加载机构包括安装在试验仪壳体下部的试验台承重轴，安装在试验仪壳体上部并与试验台承重轴正对试验机压头，试验机压头通过法向加压杆向下施力；所述试验机压头、法向加压杆之间安装有法向位移传感器、法向荷载传感器，法向位移传感器、法向荷载传感器实时监测法向荷载和法向位移的大小。

所述试验台承重轴上放置有承样托盘，承样托盘底端并排设置有可转动的滚动轴。

所述切向加载机构包括动力剪切杆，动力剪切杆通过矫正垫块与下剪切盒连接为一体，动力剪切杆伸出试验仪壳体外一端安装有切向位移传感器、切向荷载传感器，切向位移传感器、切向荷载传感器实时监测切向荷载和切向位移的大小。

所述水压加载机构包括进气管、出气管，其中进气管一端与试验仪壳体内的压力气囊连接、另一端与氮气瓶连接。

一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切方法，包括以下步骤：

步骤1）、从储水箱中抽水，直至注满整个试验仪壳体的内腔，然后关闭进水阀与水泵；注水期间出气阀需打开，以便将试验装置内部气体排出；由此模拟消落带水位上升阶段；

步骤2）、将压力气囊与外部压力控制系统连接，打开氮气瓶的进气阀，向压力气囊充气，可从压力表读取实时的水压力数值，根据试验所需的水压力，调节气压调节阀门至规定气压值。此时，压力系统将试验所需的水压力存储于压力气囊中，然后传递给装置内部的水，由此模拟消落带水压力恒定阶段；

步骤3）、通过电脑对动力剪切控制系统进行操作，首先对节理岩样施加法向荷载，然后控制动力剪切杆对节理试样进行循环剪切；可通过法向位移传感器、法向荷载传感器测量和记录法向应力和位移，通过切向位移传感器、切向荷载传感器测量和记录切向应力和位移；由此模拟消落带岩体在上部荷载及地震作用下的动力剪切阶段；

步骤4）、在有压浸泡结束后，关闭进气阀，打开出气阀，排出压力气囊中的气体。然后打开水阀，通过水泵反转，将装置内的水泵入储水箱中。然后打开装置的门，让试样自然风干或可采用电热吹风加速风干，模拟消落带的水位下降及风干过程。

本发明一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置及方法，具有以下技术效果：

1）在恒定法向荷载作用下，对节理岩体进行循环剪切；

2）在可调节的水压力浸泡作用下，对节理岩体进行循环剪切；

3）可直接在该装置上进行“浸泡-风干”循环，不用取出试样放入另外的试验装置，在“浸泡-风干”循环过程中，对节理岩体进行循环剪切；

4）密封胶圈和缓冲密封袋能够保证整个装置的防水性和气密性；

5）模拟水压力升降变化的浸泡过程和温度可控的风干过程循环作用下，对节理岩体进行循环剪切；

6）保证切向荷载的作用线能够始终与节理面保持在同一条直线；

7）可通过试验仪壳体上的门实时观测试样节理面的损伤情况；

8）通过固定插销和固定销钉将节理试样上盘固定在试验仪壳体内壁上，使其只能上下自由活动，避免循环剪切过程中法向加载装置受到破坏；

9）通过该装置，实现了库水环境（水压力升降变化和浸泡-风干循环）与应力环境（静动力剪切）耦合作用过程的准确模拟，真实模拟了消落带岩体所处的环境条件。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中试样固定机构的结构示意图。

图3为本发明中固定插销与固定销钉连接示意图。

图4为本发明中上剪切盒的结构示意图。

图5为本发明中下剪切盒的结构示意图。

图6为本发明的局部结构示意图。

图7为本发明的局部结构示意图。

图8为本发明中切向加载机构的示意图。

图9为本发明的外观示意图。

图中：试样固定机构1，法向加载机构2，切向加载机构3，水压加载机构4，进出水控制机构5，试验仪壳体6，上剪切盒1.1，下剪切盒1.2，节理试样上盘1.3，固定销钉1.4，固定插销1.5，节理试样下盘1.6，矫正垫块1.7，固定螺丝1.8，试验台承重轴2.1，试验机压头2.2，法向加压杆2.3，法向位移传感器2.4，法向荷载传感器2.5，承样托盘2.6，滚动轴2.7，动力剪切杆3.1，切向位移传感器3.2，切向荷载传感器3.3，进气管4.1、出气管4.2，压力气囊4.3，氮气瓶4.4，进气阀4.5，出气阀4.6，气压调节阀4.7，储水箱5.1，水阀5.2，水泵5.3、。

具体实施方式

如图1所示，一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置，包括试验仪壳体6，试验仪壳体6上安装有试样固定机构1、法向加载机构2、切向加载机构3、水压加载机构4及进出水控制机构5。

如图9所示，所述试验仪壳体6正面设有带观察窗口6.1的门6.2，门6.2为取样放样的通道，其与试验仪壳体6间的缝隙需做密封防水处理，可沿缝隙贴密封胶条。另外，可通过门上的观察窗口6.1对试样的试验过程进行实时观察。

如图2所示，试样固定机构1包括上剪切盒1.1、下剪切盒1.2。

如图2、图4所示，所述上剪切盒1.1的尺寸可根据试验需要制作，其前后两侧有用于固定节理试样上盘1.3的固定螺丝1.8，其左右两侧有固定销钉1.4，固定销钉1.4用于将上剪切盒1.1与在试验仪壳体6左右两侧内壁的固定插销1.5连接，上剪切盒可通过固定插销1.5的滑道进行组装和拆卸。

如图3所示，所述固定插销1.5位于试验仪壳体6左右两侧内壁上，其内壁光滑且尺寸略大于固定销钉1.4头部，固定销钉1.4位于上剪切盒1.1左右两侧外壁。当法向加载机构2向下施加荷载时，上剪切盒1.1会发生位移，固定销钉1.4和固定插销1.5可保证上剪切盒1.1既能上下自由活动，又可保证在剪切过程中节理试样上盘1.3和上剪切盒1.1不会发生切向位移。

如图2、图5所示，所述下剪切盒1.2的尺寸可根据试验需要制作，其前后两面有用于固定节理试样下盘1.6的固定螺丝1.8，其右侧通过矫正垫块1.7连接动力剪切杆3.1，下剪切盒1.2、矫正垫块1.7和动力剪切杆3.1是一体且不可拆卸的。

所述矫正垫块1.7其作用为保证切向循环荷载的作用线与节理面方向一致，避免产生弯矩。

由于下剪切盒1.2、动力剪切杆3.1整体不可拆卸，因此先将节理试样下盘1.6放入下剪切盒1.2中并用固定螺丝1.8固定。然后拆下上剪切盒1.1，将节理试样上盘1.3放入上剪切盒1.1并用固定螺丝1.8固定，然后通过固定销钉1.4与固定插销1.5将上剪切盒1.1固定。

所述节理试样上盘1.3、节理试样下盘1.6可采用将完整的立方体试样劈裂的方法制成，理论上节理试样上盘1.3、节理试样下盘1.6的高度略高于上剪切盒1.1、下剪切盒1.2的深度。

如图6所示，所述法向加载机构2包括安装在试验仪壳体6下部的试验台承重轴2.1，安装在试验仪壳体6上部并与试验台承重轴2.1正对试验机压头2.2。所述试验机压头2.2、法向加压杆2.3之间安装有法向位移传感器2.4、法向荷载传感器2.5。通过动力剪切控制系统8对试样施加法向荷载，法向力通过法向加压杆2.3和试验机压头2.2传递到下部，模拟消落带节理岩体发生受上部岩样的荷载作用；同时可通过法向位移传感器2.4、法向荷载传感器2.5实时监测法向荷载和法向位移的大小。

所述试验台承重轴2.1上放置有承样托盘2.6，承样托盘2.6底端并排设置有可转动的滚动轴2.7。滚动轴2.7可以保证下剪切盒1.2及节理试样下盘1.6能够在剪切时发生滑移。

在试验机压头2.2与上剪切盒1.1之间设置有垫块2.8，所述垫块2.8采用硬度高，质量较轻的钛合金制成，一方面可避免采用其它材质导致其重量过重而损坏装置，另一方面防止其重量对试样法向荷载的取值产生干扰。垫块2.8的作用为将法向加载系统施加的荷载传递到下部。

如图8所示，所述切向加载机构3包括动力剪切杆3.1，动力剪切杆3.1通过矫正垫块1.7与下剪切盒1.2连接为一体，动力剪切杆3.1伸出试验仪壳体6外一端安装有切向位移传感器3.2、切向荷载传感器3.3。通过动力剪切控制系统8对试样施加切向的动荷载，切向荷载通过动力剪切杆3.1传递到与之连接的下剪切盒1.2上，模拟消落带节理岩体发生滑移时所受的循环剪切荷载。同时可通过切向位移传感器3.2、切向荷载传感器3.3实时监测切向荷载和切向位移的大小。

如图7所示，水压加载机构4包括进气管4.1、出气管4.2，其中，进气管4.1一端与试验仪壳体6内的压力气囊4.3连接、另一端与氮气瓶4.4连接。进气管4.1上还安装有气压调节阀4.7、压力表等。

如图7所示，进出水控制机构5包括储水箱5.1，水阀5.2，水泵5.3等，用于对试验仪壳体6充水或排水。

所述动力剪切控制系统8可采用WDAJ-600型岩石剪切流变试验机，法向加载机构2和切向加载机构3均通过动力剪切控制系统8进行操作，并最终在电脑9上进行数据统计和图像显示。

如图8所示，所述密封胶圈10置于试验仪壳体6上安装法向加压杆2.3和动力剪切杆3.1的孔间隙中，主要防止试验装置内腔的水溢出。密封胶圈10的尺寸需根据法向加压杆2.3和动力剪切杆3.1的尺寸制作。

如图8所示，所述缓冲密封袋7共2个，其形状为一端窄一端宽的环形带状，中间有一定的弧度。2个缓冲密封袋7的窄端分别固定并密封在法向加压杆2.3和动力剪切杆3.1上，宽端分别压入并密封在试验仪壳体6上部外壁、右侧外壁。缓冲密封袋7的材质采用橡胶，不透水且气密性良好，且具有极好的弹性，其作用一方面是防止试验装置漏气，导致水压力无法升到指定值；另一方面是利用其弹性保证密封袋不会在法向和切向加卸载时被拉断。

一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置方法，包括以下步骤：

步骤一、进水及加压阶段模拟消落带水位上升阶段及水压力恒定阶段：

打开水阀5.2与水泵5.3，从储水箱5.1中抽水，直至注满整个试验仪壳体6的内腔，然后关闭水阀5.2与水泵5.3；注水期间出气阀4.6需打开。

将压力气囊4.3与外部压力控制系统连接，打开氮气瓶4.4的进气阀4.5，向压力气囊4.3充气，可从压力表读取实时的水压力数值，根据试验所需的水压力，调节气压调节阀门4.7至规定气压值。此时，压力系统将试验所需的水压力存储于压力气囊4.3中，然后传递给装置内部的水，实现了库水压力的模拟。

步骤二、消落带岩体在上部荷载及地震作用下的动力剪切阶段模拟：

通过电脑9对动力剪切控制系统8进行操作，首先对节理岩样施加法向荷载，然后控制动力剪切杆3.1对节理试样进行循环剪切；可通过法向位移传感器2.4、法向荷载传感器2.5测量和记录法向应力和位移，通过切向位移传感器3.2、切向荷载传感器3.3测量和记录切向应力和位移。

步骤三、排水及减压阶段模拟消落带水位下降及风干阶段：

在有压浸泡结束后，关闭进气阀4.5，打开出气阀4.6，排出压力气囊4.3中的气体。然后打开水阀5.2和水泵5.3，将装置内的水泵入储水箱5.1中。然后打开装置的门，让试样自然风干或可采用电热吹风加速风干，模拟消落带的水位下降及风干过程。

试验中所需的法向应力和位移、切向应力和位移等数据，均可通过电脑9直接获取。

Claims (9)

1.一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置，其特征在于：包括试样固定机构（1）、法向加载机构（2）、切向加载机构（3）、水压加载机构（4）及进出水控制机构（5）；

所述试样固定机构（1）安装在试验仪壳体（6）中并对试样进行固定；

所述法向加载机构（2）用于对试样施加法向荷载；

所述切向加载机构（3）用于对试样施加切向的动荷载；

所述水压加载机构（4）用于对试验仪壳体（6）内部充压；

所述进出水控制机构（5）用于对试验仪壳体（6）内充水或抽水。

2.根据权利要求1所述的一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置，其特征在于：所述试样固定机构（1）包括上剪切盒（1.1）、下剪切盒（1.2）；所述上剪切盒（1.1）内固定有节理试样上盘（1.3），上剪切盒（1.1）外左右两侧通过固定销钉（1.4）与试验仪壳体（6）左右的固定插销（1.5）的滑道滑动配合；所述下剪切盒（1.2）内固定有节理试样下盘（1.6），下剪切盒（1.2）一侧安装有矫正垫块（1.7），矫正垫块（1.7）与切向加载机构（3）的荷载的作用线正对。

3.根据权利要求2所述的一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置，其特征在于：所述节理试样上盘（1.3）、节理试样下盘（1.6）由完整的立方体试样劈裂而成；或者切割制备的标准的立方块试样。

4.根据权利要求2所述的一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置，其特征在于：所述上剪切盒（1.1）、下剪切盒（1.2）左右均设有固定螺丝（1.8），固定螺丝（1.8）用于对节理试样上盘（1.3）、节理试样下盘（1.6）固定。

5.根据权利要求1所述的一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置，其特征在于：所述法向加载机构（2）包括安装在试验仪壳体（6）下部的试验台承重轴（2.1），安装在试验仪壳体（6）上部并与试验台承重轴（2.1）正对试验机压头（2.2），试验机压头（2.2）通过法向加压杆（2.3）向下施力；所述试验机压头（2.2）、法向加压杆（2.3）之间安装有法向位移传感器（2.4）、法向荷载传感器（2.5），法向位移传感器（2.4）、法向荷载传感器（2.5）实时监测法向荷载和法向位移的大小。

6.根据权利要求5所述的一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置，其特征在于：所述试验台承重轴（2.1）上放置有承样托盘（2.6），承样托盘（2.6）底端并排设置有可转动的滚动轴（2.7）。

7.根据权利要求2所述的一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置，其特征在于：所述切向加载机构（3）包括动力剪切杆（3.1），动力剪切杆（3.1）通过矫正垫块（1.7）与下剪切盒（1.2）连接为一体，动力剪切杆（3.1）伸出试验仪壳体（6）外一端安装有切向位移传感器（3.2）、切向荷载传感器（3.3），切向位移传感器（3.2）、切向荷载传感器（3.3）实时监测切向荷载和切向位移的大小。

8.根据权利要求1所述的一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置，其特征在于：所述水压加载机构（4）包括进气管（4.1）、出气管（4.2），其中进气管（4.1）一端与试验仪壳体（6）内的压力气囊（4.3）连接、另一端与氮气瓶（4.4）连接。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的一种模拟消落带库水环境的节理岩体动力剪切装置进行模拟试验的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1）、从储水箱（5.1）中抽水，直至注满整个试验仪壳体（6）的内腔，然后关闭进水阀与水泵；注水期间出气阀（4.6）需打开，以便将试验装置内部气体排出；由此模拟消落带水位上升阶段；

步骤2）、将压力气囊（4.3）与外部压力控制系统连接，打开氮气瓶（4.4）的进气阀（4.5），向压力气囊（4.3）充气，可从压力表读取实时的水压力数值，根据试验所需的水压力，调节气压调节阀门（4.7）至规定气压值；此时，压力系统将试验所需的水压力存储于压力气囊（4.3）中，然后传递给装置内部的水，由此模拟消落带水压力恒定阶段；

步骤3）、通过电脑（9）对动力剪切控制系统（8）进行操作，首先对节理岩样施加法向荷载，然后控制动力剪切杆（3.1）对节理试样进行循环剪切；可通过法向位移传感器（2.4）、法向荷载传感器（2.5）测量和记录法向应力和位移，通过切向位移传感器（3.2）、切向荷载传感器（3.3）测量和记录切向应力和位移；由此模拟消落带岩体在上部荷载及地震作用下的动力剪切阶段；

步骤4）、在有压浸泡结束后，关闭进气阀（4.5），打开出气阀（4.6），排出压力气囊（4.3）中的气体；然后打开水阀，通过水泵（5.3）反转，将装置内的水泵入储水箱中；然后打开装置的门，让试样自然风干或可采用电热吹风加速风干，模拟消落带的水位下降及风干过程。

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