一種測試節(jié)理巖體壓剪性能的試驗方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于巖石類試驗領域，具體涉及一種測試節(jié)理巖體壓剪性能的試驗方法。
【背景技術】
[0002]巖土工程領域，巖石的破壞通常是剪切破壞。建筑物地基的承載能力，擋土墻、地下結構的土壓力，各類邊坡的穩(wěn)定性等均由巖體的抗剪強度控制，能否正確獲取巖體的抗剪強度，往往是工程成敗的關鍵。
[0003]多數(shù)學者認為，巖體中裂隙的產(chǎn)生和擴展是由于裂隙位置的應力狀態(tài)達到臨界值引起的，該應力可以是垂直于裂隙面的拉應力，也可以是平行于裂隙面的剪應力，裂隙產(chǎn)生和擴展的機理可以從斷裂力學的角度進行解釋。含裂隙巖體屬于非連續(xù)介質(zhì)，其破壞描述和準則應基于非連續(xù)介質(zhì)建立。在斷裂力學中，裂隙擴展按其受力狀態(tài)可分為三種基本類型，即:張開型(或拉伸型)、滑開型(或剪切型)和撕開型(扭剪型)。在巖體斷裂破壞中，主要考慮拉伸型和剪切型兩種。
[0004]試驗研究巖體的斷裂性狀，一直是巖體斷裂力學的主要研究內(nèi)容。目前，用于研究巖體I型斷裂破壞性狀的主要試驗方法是三點彎曲斷裂試驗和緊湊拉伸試驗，以及對這兩種方法的改進試驗方法；研究巖體II型斷裂破壞性狀的試驗方法主要是非對稱四點彎曲試驗；尚未見有關研究巖體III型斷裂破壞性狀研究方法的報道。
[0005]由于巖體的自身特性，在應用于實際的土工結構物中，巖體的斷裂往往不是由單一的拉、壓應力或純剪切應力引起，而是在復雜的應力狀態(tài)下由壓應力與剪切應力的共同作用引起的壓剪復合型斷裂破壞。
[0006]對于巖體在壓剪狀態(tài)下的應力變化及開裂狀態(tài)的試驗研究方法，其原理在于施加于巖體試樣的壓剪應力與巖體應變及臨界應力的關系結合一定規(guī)律，便可以研究巖體在不同壓剪應力狀態(tài)下的斷裂破壞問題。根據(jù)以上原理，在試驗操作中可以利用剪應力與壓應力對試樣的不同作用位置與數(shù)值組合形成對試樣有著不同的作用方向的合力，即壓剪合力。
[0007]目前國內(nèi)外的壓剪實驗通過同時分別施加壓應力與剪應力以間接得到的壓剪合力，這種試驗方法存在以下問題:
[0008]—、對于剪力的施加通常采用直剪方式，借助于固定剪切盒進行剪力的施加，由于巖體試件在切割過程中的尺寸和節(jié)理位置不易控制，且在試驗加載過程中試件容易受力不均，導致試件的剪切破壞先從試件邊緣開始，不符合巖體在自然條件下實際的破壞過程，而使得到的巖石力學參數(shù)與實際有偏差。
[0009]二、傳統(tǒng)的剪切試驗在加載過程中存在彎矩，同樣導致試驗測定數(shù)據(jù)不準確，并且隨著試件尺寸的增大所帶來的尺寸效應，使這一缺點更加明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為解決現(xiàn)有技術存在的上述不足，本發(fā)明提供一種測試節(jié)理巖體壓剪性能的試驗方法。
[0011]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0012]一種測試節(jié)理巖體壓剪性能的試驗方法，包括以下步驟:
[0013]制備具有一斜面的被測試件，將所述被測試件置于試件固定座上，對所述被測試件施加法向荷載，當法向應力達到預定值后，對所述被測試件施加垂直于所述斜面的斜向荷載；在逐漸增加所述斜向荷載的同時，減少法向荷載的加載值，使加載過程中所述法向應力不變，剪力不斷增大，直至所述被測試件破壞；
[0014]所述斜向荷載與所述法向荷載在所述被測試件的預定剪切面內(nèi)相交，從而避免加載過程中產(chǎn)生彎矩。
[0015]利用加載系統(tǒng)施加的斜向荷載，與法向加載系統(tǒng)施加的法向荷載，在預剪面內(nèi)相交，從而消除了施加的水平剪切力在試件上產(chǎn)生的額外外力，避免了力在加載過程中產(chǎn)生的彎矩，因此不會產(chǎn)生隨試件尺寸增大導致彎矩增大的弊端。保持預剪面上法向應力不變，也最大程度上保證了剪切面上的受力均勻。減少測試誤差，測試結果的準確性容易保證，適合各種土木工程建設場合使用。
[0016]傳統(tǒng)的剪切試驗，試件的剪切破壞先從邊緣開始。利用斜向剪切加載裝置和法向加載裝置對被測試件施加荷載的結構，在加載過程中預置裂隙在迎推力方向產(chǎn)生翼裂紋，隨后另一方向產(chǎn)生翼裂紋，巖橋形成菱形小方塊，最終完全貫通破壞，模擬的剪切過程更加符合實際情況。
[0017]所述被測試件被制成長方體，并沿所述長方體的一條棱邊切割形成所述斜面，所述斜面與所述棱邊平行。
[0018]被測試件切有與一條棱邊平行的斜面，使斜向加載系統(tǒng)與法向加載系統(tǒng)的軸線處于同一平面內(nèi)，確保所述斜向加載系統(tǒng)對所述巖體試件施加的垂直于斜面的斜向荷載，與法向加載裝置對被測試件施加的垂直于所述預剪切面的法向荷載相交，所述交點位于所述預剪切面內(nèi)。
[0019]所述斜面與豎直方向的夾角為12。-17 °。
[0020]采用12° -17°加載消除了彎矩影響，因此不會產(chǎn)生隨試件尺寸增大導致彎矩增大的弊端。
[0021]所述被測試件是現(xiàn)場巖樣試件，或是根據(jù)被研究巖體的巖性通過相似材料配比而成的實驗模型。
[0022]對于模擬的試件，在不同的所述被測試件中，預置不同角度、不同組合的多種排列的預置裂縫；所述裂縫包括貫穿試件前后表面的二維裂隙和/或內(nèi)置于所述被測試件內(nèi)部的三維裂隙。
[0023]不同角度、不同組合的預置節(jié)理會產(chǎn)生不同的裂紋擴展形式，同時必然會影響到節(jié)理巖體的抗剪強度。該設計解決了被測試件的節(jié)理定位問題，能夠快速準確得到巖體試件內(nèi)部節(jié)理分布對結構面剪切強度的影響。節(jié)理在法向及斜向加載機構共同作用下產(chǎn)生裂紋擴展并最終貫通破壞的全過程，能夠模擬現(xiàn)實中的巖體受力情況，試驗數(shù)據(jù)有較強的實用性，為正確評價節(jié)理巖體穩(wěn)定性起到關鍵作用。
[0024]所述二維裂隙可通過在澆鑄試件時預埋前后貫通的聚乙烯片，待初凝后抽出并自然凝固后形成。
[0025]所述三維裂隙可通過在澆鑄試件過程中將兩片形狀相同的云母片疊放，對邊緣進行粘接密封形成中空腔體，并用棉線固定于模具兩端。
[0026]在被測試件內(nèi)部設有預制裂隙，更真實的模擬巖石的自然狀態(tài)和壓剪的破壞過程，使試件的破壞先從裂隙處開始，模擬的剪切過程更加符合實際情況。
[0027]通過控制系統(tǒng)控制所述法向荷載和所述斜向荷載的施加，所述控制系統(tǒng)根據(jù)所述斜向荷載與所述法向荷載的傾角，算出所述斜向荷載的豎直分量，進而使所述法向荷載的減少值等于所述斜向荷載的豎直分量的增加值。
[0028]利用這種方式控制合力的豎向分量，原理簡單明確，易于實現(xiàn)。
[0029]保持預剪面上法向應力不變，也最大程度上保證了剪切面上的受力均勻。減少測試誤差，測試結果的準確性容易保證，適合各種土木工程建設場合使用。
[0030]在加載試驗過程中，利用監(jiān)測系統(tǒng)對所述被測試件進行監(jiān)測，獲取所述被測試件在壓剪試驗過程中的相關參數(shù)和信息。
[0031]利用監(jiān)測系統(tǒng)對被測試件進行監(jiān)測，可以多方位對被測試件進行全面觀測。
[0032]在所述加載過程中，實時監(jiān)測所述被測試件的外部裂隙擴展及破壞過程。
[0033]在所述被測試件一側設有CCD攝像機，在所述加載過程中，通過所述CCD攝像機對裂隙擴展及破壞過程進行監(jiān)測。利用CCD攝像機可以直接觀察巖體試件在壓剪試驗過程中外部形態(tài)的變化過程，并以視頻的形式保存下來，便于后期的分析研究。
[0034]在所述加載過程中，實時獲取所述被測試件內(nèi)部損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。
[0035]在所述被測試件的外表面設有聲發(fā)射傳感器，將聲發(fā)射傳感器貼在安置好的試件外表面上，并利用凡士林做耦合劑，使接觸良好；使聲發(fā)射傳感器接收試件內(nèi)部損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，對接收的試件內(nèi)部損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進行參數(shù)提取，得到各信號的能量、振鈴計數(shù)、持續(xù)時間、幅值等特征參數(shù)，用于分析試件破壞過程和裂紋擴展形態(tài)。
[0036]在所述加載過程中，實時獲取所述被測試件內(nèi)部裂隙的相對位移變化。
[0037]將光柵多點位移計埋設在試件內(nèi)部，當位移傳感器所在的測量位置發(fā)生相對位移時，通過