一種用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法，包括設(shè)有加載框架和基座的主框架，豎向加載裝置、剪切盒、水平加載裝置、實(shí)時(shí)控制試驗(yàn)加載過程的液壓控制裝置和數(shù)字控制裝置；豎向加載裝置包括圓柱形液壓伺服油缸和高強(qiáng)度彈簧，液壓伺服油缸固定部通過固定墊板和螺栓連接方式固定于加載框架，動(dòng)作部通過U形壓力板連接剪切盒；U形壓力板上部安裝高強(qiáng)度彈簧，并可拆卸連接于剛性定位板和U形壓力板之間。水平加載裝置包括兩個(gè)施加動(dòng)態(tài)剪切載荷于剪切盒的液壓伺服作動(dòng)器；該巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)面定法向應(yīng)力和定法向剛度條件下的剪切過程，從而獲得巖體結(jié)構(gòu)面在動(dòng)態(tài)剪切作用下的響應(yīng)規(guī)律。
【專利說明】一種用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]巖土工程為經(jīng)濟(jì)建設(shè)中重要的一部分，例如邊坡、隧道工程以及城市地下空間工程等，并且隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，巖土工程也具有越來越重要的地位。
[0003]巖土工程研究的對(duì)象是巖體和土體。巖體在其形成和存在的整個(gè)地質(zhì)歷史過程中，經(jīng)受了各種復(fù)雜的地質(zhì)作用，因而有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境。而不同地區(qū)的不同類型的巖體，由于經(jīng)歷的地質(zhì)作用過程不同，其工程性質(zhì)往往具有很大的差別。
[0004]巖土工程如邊坡、隧道在地震等動(dòng)態(tài)荷載作用下的失穩(wěn)破壞過程常常與巖體結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度退化和失效有關(guān)，故研究巖體結(jié)構(gòu)面在動(dòng)力條件下的剪切強(qiáng)度特性具有重要意義。
[0005]巖石和土的強(qiáng)度特性、變形特性和滲透特性都是通過試驗(yàn)測(cè)定。巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力剪切強(qiáng)度特性及變形機(jī)制的室內(nèi)試驗(yàn)研究是認(rèn)識(shí)巖土工程動(dòng)力演化過程的重要途徑，但是目前由于室內(nèi)試驗(yàn)條件模擬的局限性，無法在室內(nèi)模擬巖體在實(shí)際工程中受力情況，故室內(nèi)試驗(yàn)條件與巖土的實(shí)際狀態(tài)差異性較大，導(dǎo)致對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面在不同剪切速率下的強(qiáng)度退化和破壞機(jī)理缺乏足夠的科學(xué)認(rèn)識(shí)，故室內(nèi)模擬的意義不是很大。
[0006]因此，如何提供一種試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠模擬巖體結(jié)構(gòu)面在不同受力條件下的剪切強(qiáng)度性能，是本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為提供一種用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠比較精確的獲得動(dòng)態(tài)剪切條件下的巖體結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括主框架，豎向加載裝置、剪切盒、水平加載裝置、液壓控制裝置和數(shù)字控制裝置；
[0009]所述主框架包括加載框架和基座，所述加載框架通過螺栓連接方式固定于所述基座之上，基座固定于地面之上；所述加載框架設(shè)有豎向?qū)Р酆退綄?dǎo)槽，導(dǎo)槽設(shè)有滾軸；
[0010]所述剪切盒包括上剪切盒和下剪切盒，巖體試件安置于上剪切盒與下剪切盒圍成的空間之中，且所述下剪切盒與所述水平導(dǎo)槽內(nèi)的所述滾軸滾動(dòng)連接；
[0011]所述豎向加載裝置包括圓柱形液壓伺服油缸、U形壓力板、高強(qiáng)度彈簧，所述液壓伺服油缸的固定部通過所述固定墊板和螺栓連接方式固定于加載框架，其動(dòng)作部通過所述U形壓力板連接所述上剪切盒；所述U形壓力板的兩個(gè)豎臂與所述豎向?qū)Р蹆?nèi)的所述滾軸滾動(dòng)連接；還包括與所述加載框架固定連接的剛性定位板，所述高強(qiáng)度彈簧可拆卸設(shè)于所述U形壓力板和所述剛性定位板之間；所述豎向加載裝置還包括豎向壓力傳感器，用于實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面的法向壓力值；[0012]所述水平加載裝置包括第一液壓伺服作動(dòng)器和第二液壓伺服作動(dòng)器，均用于提供作用于所述下剪切盒的動(dòng)態(tài)剪切荷載，所述第一液壓伺服作動(dòng)器和所述第二液壓伺服作動(dòng)器均通過反力后座和螺栓連接方式固定于基座；還包括用于實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面剪切位移值的水平位移傳感器；
[0013]所述數(shù)字控制裝置通過液壓控制裝置控制所述豎向加載裝置和所述水平加載裝置進(jìn)行動(dòng)作，并處理由所述壓力傳感器和位移傳感器采集的壓力值和位移值，獲得試驗(yàn)所需的應(yīng)力參數(shù)和位移參數(shù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0014]優(yōu)選地，所述液壓伺服油缸的動(dòng)作部通過豎向承壓墊塊與所述U形壓力板連接，所述豎向壓力傳感器安裝于所述液壓伺服油缸和所述豎向承壓墊塊之間。
[0015]優(yōu)選地，所述U形壓力板的兩個(gè)豎臂嵌入所述豎向?qū)Р蹆?nèi)部與所述滾軸滾動(dòng)連接。
[0016]優(yōu)選地，所述高強(qiáng)度彈簧固定于所述U形壓力板上，所述剛性定位板上設(shè)置有與螺栓裝置相配合的螺栓孔，所述螺栓孔的直徑大于所述高強(qiáng)度彈簧的最大直徑；所述高強(qiáng)度彈簧的上端部置于所述螺栓孔內(nèi)，且所述螺栓裝置置于所述高強(qiáng)度彈簧的正上端。
[0017]優(yōu)選地，所述剛性定位板通過兩個(gè)槽型裝置水平固定于所述加載框架的兩個(gè)內(nèi)側(cè)壁；所述剛性定位板中部設(shè)圓孔，且所述液壓伺服油缸的直徑小于圓孔直徑以便于其從圓孔中穿過。
[0018]優(yōu)選地，所述U形壓力板上部并所述高強(qiáng)度彈簧裝置外側(cè)安裝四個(gè)豎向位移傳感器，所述豎向位移傳感器通過桿件裝置和螺栓連接方式固定于所述槽型裝置，實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面法向位移值。
[0019]優(yōu)選地，所述第一液壓伺服作動(dòng)器和所述第二液壓伺服作動(dòng)器對(duì)稱分布于巖體試件的兩側(cè)；當(dāng)所述第一液壓伺服作動(dòng)器施加推力時(shí)，所述第二液壓伺服作動(dòng)器同時(shí)施加等值拉力。
[0020]優(yōu)選地，所述第一液壓伺服作動(dòng)器和所述第二液壓伺服作動(dòng)器的動(dòng)作端部分別與所述下剪切盒之間安裝水平承壓墊塊；所述兩個(gè)水平承壓墊塊分別與所述下剪切盒兩個(gè)側(cè)壁通過螺栓連接方式固定，該固定連接方式確保所述下剪切盒僅發(fā)生沿所述第一液壓伺服作動(dòng)器和所述第二液壓伺服作動(dòng)器施力方向的水平運(yùn)動(dòng)。
[0021]優(yōu)選地，所述加載框架采用矩形框結(jié)構(gòu)，通過螺栓固定于基座之上，所述加載框架的兩個(gè)側(cè)壁分別開設(shè)矩形孔，所述第一液壓伺服作動(dòng)器和所述第二液壓伺服作動(dòng)器分別穿過相應(yīng)側(cè)的矩形孔連接相應(yīng)所述水平承壓墊塊。
[0022]優(yōu)選地，所述第一液壓伺服作動(dòng)器和所述第二液壓伺服作動(dòng)器分別與所述兩個(gè)水平承壓墊塊之間安裝水平壓力傳感器，用于實(shí)時(shí)采集剪切荷載值；兩個(gè)水平承壓墊塊前后兩側(cè)分別對(duì)稱安裝兩個(gè)水平位移傳感器，所述水平位移傳感器通過所述桿件裝置和螺栓連接方式固定于所述加載框架外側(cè)壁，實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面剪切位移值。
[0023]優(yōu)選地，所述液壓控制裝置包括豎向加載控制器和水平加載控制器；所述數(shù)字控制裝置采用全數(shù)字伺服控制器，預(yù)存三角波、諧波、隨機(jī)波、強(qiáng)震的位移控制形式；在數(shù)字控制裝置和液壓控制裝置的控制下，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)剪切加載和動(dòng)態(tài)剪切加載。
[0024]優(yōu)選地，所述數(shù)字控制裝置中預(yù)設(shè)有一定試驗(yàn)要求條件下的法向應(yīng)力值、法向剛度值和剪切位移值，試驗(yàn)過程中通過所述液壓控制裝置控制所述豎向加載裝置和所述水平加載裝置施加荷載達(dá)到預(yù)定狀態(tài)，分別通過所述壓力傳感器和位移傳感器采集荷載數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)字控制裝置處理荷載數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)，獲得滿足試驗(yàn)要求的應(yīng)力參數(shù)和位移參數(shù)。
[0025]優(yōu)選地，所述壓力傳感器和位移傳感器與所述數(shù)字控制裝置通過電纜進(jìn)行連接；所述液壓伺服油缸和液壓伺服作動(dòng)器通過電纜與所述液壓控制裝置進(jìn)行連接；液壓控制裝置通過電纜與數(shù)字控制裝置進(jìn)行連接，整個(gè)伺服閉環(huán)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
[0026]在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明所提供的用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)的豎向加載裝置包括圓柱形液壓伺服油缸、U形壓力板、高強(qiáng)度彈簧，所述液壓伺服油缸通過固定墊板和螺栓連接方式固定于加載框架，豎向壓力通過U形壓力板均勻作用于上剪切盒；所述U形壓力板上部安裝高強(qiáng)度彈簧，所述高強(qiáng)度彈簧可拆卸、替換，并由剛性定位板的螺栓裝置固定高強(qiáng)度彈簧上端。所述水平加載裝置包括第一液壓伺服作動(dòng)器和第二液壓伺服作動(dòng)器，所述第一液壓伺服作動(dòng)器和所述第二液壓伺服作動(dòng)器均通過反力后座和螺栓連接方式固定于基座，可提供動(dòng)態(tài)剪切荷載，并作用于下剪切盒；所述加載框架設(shè)有豎向?qū)Р酆退綄?dǎo)槽，導(dǎo)槽設(shè)有滾軸，這樣可分別降低U形壓力板和下剪切盒的摩擦力；所述數(shù)字控制裝置和液壓控制裝置控制試驗(yàn)加載過程，所述數(shù)字控制裝置處理由壓力傳感器和位移傳感器采集的壓力值和位移值。
[0027]通過全數(shù)字伺服控制器、所述液壓伺服油缸和所述第一液壓伺服作動(dòng)器、所述第二液壓伺服作動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)面在不同法向應(yīng)力值的定法向應(yīng)力條件下的靜態(tài)剪切或動(dòng)態(tài)剪切加載，其中，動(dòng)態(tài)剪切加載包括三角波、諧波、隨機(jī)波、強(qiáng)震的位移控制形式；同時(shí)可實(shí)現(xiàn)單向(前向或后向)剪切、單向(前向或后向)循環(huán)剪切或雙向(前向和后向)循環(huán)剪切過程；通過調(diào)節(jié)高強(qiáng)度彈簧上方的螺栓裝置數(shù)量以實(shí)現(xiàn)不同法向剛度值的定法向剛度剪切加載。
[0028]綜上所述，本發(fā)明提供用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)能夠精確的測(cè)定不同法向應(yīng)力、不同法向剛度、不同剪切速率、不同剪切頻率下的巖體結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度。
[0029]另外，本發(fā)明還提供了一種用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)方法的具體步驟如下:
[0030]S1、安裝巖體試件于所述剪切盒內(nèi)，安裝所述高強(qiáng)度彈簧，調(diào)整所述螺栓裝置數(shù)量以滿足試驗(yàn)要求；
[0031]S2、啟動(dòng)所述數(shù)字控制裝置和所述液壓控制裝置；在所述數(shù)字控制裝置中輸入初始法向應(yīng)力參數(shù)、法向剛度參數(shù)、剪切位移參數(shù)和剪切加載方式；
[0032]S3、所述液壓伺服油缸施加初始法向荷載于巖體結(jié)構(gòu)面至預(yù)定狀態(tài)，并由系統(tǒng)控制初始法向應(yīng)力為定值，由所述高強(qiáng)度彈簧施加附加法向荷載；
[0033]S4、按照預(yù)定的剪切加載方式施加剪切荷載于巖體結(jié)構(gòu)面至預(yù)定的剪切位移值；
[0034]S5、實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面剪切荷載值、法向位移值和剪切位移值并反饋給所述數(shù)字控制裝置，由數(shù)字控制裝置處理壓力值和位移值以獲得試驗(yàn)所需的應(yīng)力參數(shù)和位移參數(shù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；
[0035]S6、試驗(yàn)結(jié)束，卸載并卸除巖體試件。
[0036]因上述試驗(yàn)方法的實(shí)施依賴于上述試驗(yàn)系統(tǒng)，故所述試驗(yàn)方法也具有上述試驗(yàn)系統(tǒng)的上述有益效果?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0037]圖1為本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施例中用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理圖；
[0038]圖2為本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施例中巖體結(jié)構(gòu)面定法向剛度剪切試驗(yàn)的工作原理圖；
[0039]圖3為本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施例中用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖4為本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施例中用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)的主視圖；
[0041]圖5為圖4的俯視圖；
[0042]圖6為圖4的側(cè)視圖；
[0043]圖7為圖4的A-A’剖面局部圖；
[0044]圖8為圖7的B-B’剖面圖。
[0045]其中，圖3-8中附圖標(biāo)記與部件名稱之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:
[0046]I加載框架；2固定墊板；3液壓伺服油缸；4豎向壓力傳感器；5豎向承壓墊塊；6承壓墊板；7U形壓力板；8高強(qiáng)度彈簧；9螺栓裝置；10剛性定位板；11槽型裝置；12豎向位移傳感器；13桿件裝置；14豎向?qū)Р郏?5滾軸；16水平導(dǎo)槽；17上剪切盒；18下剪切盒；19巖體試件；20反力后座；21第一液壓伺服作動(dòng)器；22第二液壓伺服作動(dòng)器；23水平壓力傳感器；24水平承壓墊塊；25水平位移傳感器；26基座；27液壓控制裝置；28數(shù)字控制裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0047]本發(fā)明的核心為提供一種用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠精確的測(cè)定不同法向應(yīng)力、不同法向剛度、不同剪切速率、不同剪切頻率下的巖體結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度。
[0048]為使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0049]請(qǐng)參考圖1一圖8，圖3為本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施例中用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施例中用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)的主視圖；圖5為圖4的俯視圖；圖6為圖4的側(cè)視圖；圖7為圖4的A-A’剖面局部圖；圖8為圖7的B-B’剖面圖。其中圖3中的虛線表示控制線路。
[0050]在一種實(shí)施例中，如圖3—圖8所示，本發(fā)明所提供的用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括主框架，豎向加載裝置、剪切盒、水平加載裝置、液壓控制裝置27和數(shù)字控制裝置28。主框架包括加載框架I和基座26，加載框架I通過螺栓連接方式固定于基座26之上，基座26固定于地面之上；剪切盒包括上剪切盒17和下剪切盒18，巖體試件19安置于上剪切盒17與下剪切盒18圍成的空間之中。豎向加載裝置包括圓柱形液壓伺服油缸3、U形壓力板7、高強(qiáng)度彈簧8，液壓伺服油缸3的固定部通過固定墊板2和螺栓連接方式固定于加載框架I，其動(dòng)作部通過U形壓力板7連接上剪切盒17，豎向壓力通過U形壓力板7均勻作用于上剪切盒17并進(jìn)而作用于巖體結(jié)構(gòu)面，且U形壓力板7的兩個(gè)豎臂與豎向?qū)Р?4內(nèi)的滾軸15滾動(dòng)連接；還包括與加載框架I固定連接的剛性定位板10，U形壓力板7上部安裝高強(qiáng)度彈簧8，高強(qiáng)度彈簧8可拆卸設(shè)于U形壓力板7和剛性定位板10之間，以便替換不同剛度彈簧以及提高維護(hù)設(shè)備效率。豎向加載裝置還包括豎向壓力傳感器4，用于實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面的法向壓力值。
[0051]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，水平加載裝置包括第一液壓伺服作動(dòng)器21和第二液壓伺服作動(dòng)器22，第一液壓伺服作動(dòng)器21和第二液壓伺服作動(dòng)器22均通過反力后座20和螺栓連接方式固定于基座26，可提供動(dòng)態(tài)剪切荷載，并作用于下剪切盒18。加載框架I設(shè)有豎向?qū)Р?4和水平導(dǎo)槽16，導(dǎo)槽設(shè)有滾軸15 ;豎向?qū)Р?4和水平導(dǎo)槽16可分別減小U形壓力板7和下剪切盒18運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力；數(shù)字控制裝置28通過液壓控制裝置27控制試驗(yàn)加載過程，并處理由壓力傳感器和位移傳感器采集的壓力值和位移值。
[0052]通過全數(shù)字伺服控制器、液壓伺服油缸3和第一液壓伺服作動(dòng)器21、第二液壓伺服作動(dòng)器22可實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)面在不同法向應(yīng)力值的定法向應(yīng)力條件下的靜態(tài)剪切或動(dòng)態(tài)剪切加載，其中，動(dòng)態(tài)剪切加載包括三角波、諧波、隨機(jī)波、強(qiáng)震的位移控制形式；同時(shí)可實(shí)現(xiàn)單向(前向或后向)剪切、單向(前向或后向)循環(huán)剪切或雙向(前向和后向)循環(huán)剪切過程；通過調(diào)節(jié)高強(qiáng)度彈簧8上方的螺栓裝置9數(shù)量以實(shí)現(xiàn)不同法向剛度值的定法向剛度加載。
[0053]在上述技術(shù)方案中，可以進(jìn)一步對(duì)主框架做出具體設(shè)計(jì)。
[0054]比如，如圖3所示，主框架包括加載框架I和基座26，加載框架I采用矩形框結(jié)構(gòu)，通過螺栓連接方式固定于基座26之上，加載框架I兩個(gè)側(cè)壁分別開設(shè)矩形孔。
[0055]在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，液壓伺服油缸3的固定部通過固定墊板2和螺栓連接方式固定于加載框架1，其動(dòng)作部與豎向承壓墊塊5連接，液壓伺服油缸3和豎向承壓墊塊5之間安裝豎向壓力傳感器4，實(shí)時(shí)采集法向壓力值；液壓伺服油缸3提供的豎向壓力依次經(jīng)豎向承壓墊塊5、承壓墊板6和U形壓力板7均勻作用于上剪切盒17并進(jìn)而作用于巖體結(jié)構(gòu)面；豎向承壓墊塊5、承壓墊板6、U形壓力板7和上剪切盒17之間通過螺栓連接，上剪切盒17固定于U形壓力板7下部；通過液壓伺服油缸3下部的豎向承壓墊塊5提升U形壓力板7和上剪切盒17以便于試驗(yàn)前后裝卸巖樣。
[0056]此外，如圖3所示，U形壓力板7的兩個(gè)豎臂分別嵌入加載框架I兩個(gè)內(nèi)側(cè)壁設(shè)置的豎向?qū)Р?4內(nèi)部與滾軸15滾動(dòng)連接，避免上剪切盒17運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)山形壓力板7上部和液壓伺服油缸3兩側(cè)安裝兩列或多列平行等間距的高強(qiáng)度彈簧8，剛性定位板10上設(shè)置有與螺栓裝置9相配合的螺栓孔，螺栓孔的直徑大于高強(qiáng)度彈簧8的最大直徑；高強(qiáng)度彈簧8的上端部置于螺栓孔內(nèi)，且螺栓裝置9置于高強(qiáng)度彈簧8的正上端；剛性定位板10通過兩個(gè)槽型裝置11水平固定于加載框架I的兩個(gè)內(nèi)側(cè)壁；剛性定位板10中部設(shè)圓孔，且液壓伺服油缸3的直徑小于圓孔直徑以便于其從圓孔中穿過；當(dāng)U形壓力板7向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，高強(qiáng)度彈簧8上端受到螺栓裝置9的約束，高強(qiáng)度彈簧8被壓縮產(chǎn)生彈力反作用于U形壓力板7并進(jìn)而作用于巖體結(jié)構(gòu)面，即巖體結(jié)構(gòu)面同時(shí)受到液壓伺服油缸3提供的初始法向壓力與高強(qiáng)度彈簧8提供的附加法向壓力；當(dāng)移除高強(qiáng)度彈簧8正上方的螺栓裝置9時(shí)，高強(qiáng)度彈簧8沿螺栓孔上升，即高強(qiáng)度彈簧8在剪切試驗(yàn)過程中不發(fā)揮作用；通過替換不同剛度的高強(qiáng)度彈簧8和改變?cè)囼?yàn)中發(fā)揮作用的高強(qiáng)度彈簧8數(shù)量，以達(dá)到定法向剛度剪切試驗(yàn)要求所需的法向剛度值;U形壓力板7上部并高強(qiáng)度彈簧8裝置外側(cè)安裝四個(gè)豎向位移傳感器12，豎向位移傳感器12通過桿件裝置13和螺栓連接方式固定于槽型裝置11，實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面法向位移值。[0057]再者，如圖3所示，第一液壓伺服作動(dòng)器21和第二液壓伺服作動(dòng)器22均通過反力后座20和螺栓連接方式固定于基座26之上,對(duì)稱分布于巖體試件19的兩側(cè)；第一液壓伺服作動(dòng)器21和第二液壓伺服作動(dòng)器22的動(dòng)作端部分別與下剪切盒18之間安裝水平承壓墊塊24，兩個(gè)水平承壓墊塊24分別與下剪切盒18兩個(gè)側(cè)壁通過螺栓連接方式固定，該螺栓固定連接方式確保下剪切盒18僅沿第一液壓伺服作動(dòng)器21和第二液壓伺服作動(dòng)器22施力方向運(yùn)動(dòng)；第一液壓伺服作動(dòng)器21和第二液壓伺服作動(dòng)器22分別穿過加載框架I上設(shè)置的矩形孔連接水平承壓墊塊24，通過水平承壓墊塊24將動(dòng)態(tài)剪切荷載均勻施加到下剪切盒18進(jìn)而作用于巖體結(jié)構(gòu)面，當(dāng)?shù)谝灰簤核欧鲃?dòng)器21施加推力時(shí)，第二液壓伺服作動(dòng)器22同時(shí)施加等值拉力；第一液壓伺服作動(dòng)器21和第二液壓伺服作動(dòng)器22分別與兩個(gè)水平承壓墊塊24之間安裝水平壓力傳感器23，實(shí)時(shí)采集剪切荷載值；兩個(gè)水平承壓墊塊24前后兩側(cè)分別對(duì)稱安裝兩個(gè)水平位移傳感器25，水平位移傳感器25通過桿件裝置13和螺栓連接方式固定于加載框架I外側(cè)壁，實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面剪切位移值。
[0058]再者，如圖3—圖8所示，液壓控制裝置27包括豎向加載控制器和水平加載控制器；在數(shù)字控制裝置28和液壓控制裝置27的控制下，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)剪切加載和動(dòng)態(tài)剪切加載；動(dòng)態(tài)剪切加載包括諧波、強(qiáng)震等位移控制形式，當(dāng)然，動(dòng)態(tài)剪切加載形式不局限于上述描述的幾種形式，其他能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)剪切的位移控制形式可在本文的保護(hù)范圍內(nèi)，在此不
列舉。
[0059]此外，如圖3—圖8所示，根據(jù)試驗(yàn)要求，通過數(shù)字控制裝置28設(shè)定法向應(yīng)力值、法向剛度值和剪切位移值，試驗(yàn)過程中通過液壓控制裝置27控制豎向加載裝置和水平加載裝置施加荷載，分別通過壓力傳感器和位移傳感器采集荷載數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)字控制裝置28記錄并處理荷載數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)，最終獲得滿足試驗(yàn)要求的應(yīng)力參數(shù)和位移參數(shù)。
[0060]再者，如圖3—圖8所示，壓力傳感器和位移傳感器與數(shù)字控制裝置28通過電纜進(jìn)行連接；液壓伺服油缸3、第一液壓伺服作動(dòng)器21和第二液壓伺服作動(dòng)器22均通過電纜與液壓控制裝置27進(jìn)行連接；液壓控制裝置27通過電纜與數(shù)字控制裝置28進(jìn)行連接，整個(gè)伺服閉環(huán)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
[0061]以下將對(duì)本發(fā)明的工作原理作出介紹:
[0062]1、對(duì)于定法向應(yīng)力剪切試驗(yàn):高強(qiáng)度彈簧8不發(fā)揮作用，剪切試驗(yàn)前移除螺栓裝置9 ;根據(jù)試驗(yàn)要求，數(shù)字控制裝置28設(shè)定法向應(yīng)力參數(shù)，液壓控制裝置27控制液壓伺服油缸3對(duì)巖體試件19施加法向荷載至預(yù)定狀態(tài)，并由豎向壓力傳感器4實(shí)時(shí)采集法向壓力值；根據(jù)試驗(yàn)要求，數(shù)字控制裝置28設(shè)定剪切位移參數(shù)和剪切加載方式，第一液壓伺服作動(dòng)器21和第二液壓伺服作動(dòng)器22對(duì)下剪切盒18加載至預(yù)定的剪切位移參數(shù)值，水平壓力傳感器23實(shí)時(shí)采集剪切荷載值，水平位移傳感器25實(shí)時(shí)采集剪切位移值；數(shù)字控制裝置28、液壓控制裝置27和液壓伺服油缸3實(shí)時(shí)控制法向應(yīng)力值在剪切試驗(yàn)過程中為定值；對(duì)于粗糙巖體結(jié)構(gòu)面，剪切過程中由于剪脹作用和磨損啃斷作用上剪切盒17發(fā)生豎向滑動(dòng)，且在U形壓力板7的作用下僅發(fā)生豎向滑動(dòng)，豎向位移傳感器12實(shí)時(shí)采集巖體試件19剪脹位移值，并反饋給數(shù)字控制裝置28 ;試驗(yàn)過程中由壓力傳感器和位移傳感器采集的壓力值和位移值通過數(shù)字控制裝置28進(jìn)行處理以獲得試驗(yàn)所需的應(yīng)力參數(shù)和位移參數(shù)；整個(gè)伺服閉環(huán)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，如圖1所示。[0063]2、對(duì)于定法向剛度剪切試驗(yàn):剪切試驗(yàn)前，通過調(diào)節(jié)剛性定位板10的螺栓裝置9來改變?cè)谠囼?yàn)過程中發(fā)揮作用的高強(qiáng)度彈簧8數(shù)量以達(dá)到試驗(yàn)要求所需的法向剛度值。根據(jù)試驗(yàn)要求，數(shù)字控制裝置28設(shè)定初始法向應(yīng)力參數(shù)和法向剛度參數(shù)，液壓控制裝置27控制液壓伺服油缸3對(duì)巖體試件19施加初始法向荷載至預(yù)定狀態(tài)，并由豎向壓力傳感器4實(shí)時(shí)采集初始法向壓力值；試驗(yàn)過程中由數(shù)字控制裝置28、液壓控制裝置27和液壓伺服油缸3實(shí)時(shí)控制初始法向應(yīng)力值在試驗(yàn)過程中為定值；根據(jù)試驗(yàn)要求，數(shù)字控制裝置28設(shè)定剪切位移參數(shù)和剪切加載方式，第一液壓伺服作動(dòng)器21和第二液壓伺服作動(dòng)器22對(duì)下剪切盒18加載至預(yù)定的剪切位移參數(shù)值，水平壓力傳感器23實(shí)時(shí)采集剪切荷載值，水平位移傳感器25實(shí)時(shí)采集剪切位移值；對(duì)于粗糙巖體結(jié)構(gòu)面，剪切過程中由于剪脹作用和磨損啃斷作用剪切盒上盒17發(fā)生豎向滑動(dòng)，且在U形壓力板7的作用下僅發(fā)生豎向滑動(dòng)，豎向位移傳感器12實(shí)時(shí)采集巖體試件19剪脹位移值，并反饋給數(shù)字控制裝置28 ;數(shù)字控制裝置28處理通過壓力傳感器和位移傳感器采集的壓力值和位移值以獲得試驗(yàn)所需的應(yīng)力參數(shù)和位移參數(shù)，其中由于高強(qiáng)度彈簧8作用產(chǎn)生的法向應(yīng)力增量通過豎向位移值與高強(qiáng)度彈簧8剛度的乘積進(jìn)行確定，巖體結(jié)構(gòu)面受到的總法向應(yīng)力為初始法向應(yīng)力與法向應(yīng)力增量之和,如圖2所示。
[0064]Δ Pn=kn* Ay(I)
[0065]Pn(t+Λ t) =Pn(t) +Λ Pn(2)
[0066]式中:kn為法向剛度，Ay為豎向位移增量，Λ Pn為法向應(yīng)力增量，At為時(shí)間間隔，Pn (t)為t時(shí)刻的法向應(yīng)力值，Pn (t+ Λ t)為t+ Λ t時(shí)刻的法向應(yīng)力值。
[0067]其中，剪切盒中巖體試件19為天然巖體試件或水泥砂漿模型試件；水平加載方式可分為靜態(tài)剪切和動(dòng)態(tài)剪切，通過數(shù)字控制裝置28和液壓控制裝置27，可調(diào)節(jié)剪切速率和剪切頻率；動(dòng)態(tài)剪切加載 包括諧波、強(qiáng)震等位移控制形式，即在數(shù)字控制裝置28和液壓控制裝置27的控制下，通過液壓伺服油缸3施加法向壓力，第一液壓伺服作動(dòng)器21和第二液壓伺服作動(dòng)器22控制水平承壓墊塊24連同下剪切盒18按照特定的振幅和頻率在水平方向做機(jī)械振動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面的動(dòng)態(tài)剪切過程。
[0068]另外，本發(fā)明提供了一種用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)方法的具體步驟如下:
[0069]S1、安裝巖體試件19于剪切盒內(nèi)，安裝高強(qiáng)度彈簧8，并調(diào)整螺栓裝置9數(shù)量以滿足試驗(yàn)要求；
[0070]S2、啟動(dòng)數(shù)字控制裝置28和液壓控制裝置27 ;在數(shù)字控制裝置28中輸入初始法向應(yīng)力參數(shù)、法向剛度參數(shù)、剪切位移參數(shù)和剪切加載方式；
[0071]S3、液壓伺服油缸3施加初始法向荷載于巖體結(jié)構(gòu)面至預(yù)定狀態(tài)，并由系統(tǒng)控制初始法向應(yīng)力為定值，由高強(qiáng)度彈簧8施加附加法向荷載；
[0072]S4、按照預(yù)定的剪切加載方式施加剪切荷載于巖體結(jié)構(gòu)面至預(yù)定的剪切位移值；
[0073]S5、實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面剪切荷載值、法向位移值和剪切位移值并反饋給數(shù)字控制裝置28，由數(shù)字控制裝置28處理壓力值和位移值以獲得試驗(yàn)所需的應(yīng)力參數(shù)和位移參數(shù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；
[0074]S6、試驗(yàn)結(jié)束，卸載并卸除巖體試件19。
[0075]因上述試驗(yàn)方法的實(shí)施依賴于上述試驗(yàn)系統(tǒng)，故所述試驗(yàn)方法也具有上述試驗(yàn)系統(tǒng)的上述有益效果。
[0076]以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括主框架，豎向加載裝置、剪切盒、水平加載裝置、液壓控制裝置(27)和數(shù)字控制裝置(28)； 所述主框架包括加載框架(1)和基座(26)，所述加載框架(1)通過螺栓連接方式固定于所述基座(26 )之上，基座(26 )固定于地面之上；所述加載框架(1)設(shè)有豎向?qū)Р?14 )和水平導(dǎo)槽(16)，導(dǎo)槽設(shè)有滾軸(15)； 所述剪切盒包括上剪切盒(17)和下剪切盒(18)，巖體試件(19)安置于上剪切盒(17)與下剪切盒(18)圍成的空間之中，且所述下剪切盒(18)與所述水平導(dǎo)槽(16)內(nèi)的所述滾軸(15)滾動(dòng)連接； 所述豎向加載裝置包括圓柱形液壓伺服油缸(3)、U形壓力板(7)、高強(qiáng)度彈簧(8)，所述液壓伺服油缸(3)的固定部通過固定墊板(2)和螺栓連接方式固定于加載框架(1)，其動(dòng)作部通過所述U形壓力板(7)連接所述上剪切盒(17);所述U形壓力板(7)的兩個(gè)豎臂與所述豎向?qū)Р?14)內(nèi)的所述(15)滾動(dòng)連接；還包括與所述加載框架(1)固定連接的剛性定位板(10)，所述高強(qiáng)度彈簧(8)可拆卸設(shè)于所述U形壓力板(7)和所述剛性定位板(10)之間；所述豎向加載裝置還包括豎向壓力傳感器(4)，用于實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面的法向壓力值； 所述水平加載裝置包括第一液壓伺服作動(dòng)器(21)和第二液壓伺服作動(dòng)器(22)，均用于提供作用于所述下剪切盒(18)的動(dòng)態(tài)剪切荷載，所述第一液壓伺服作動(dòng)器(21)和所述第二液壓伺服作動(dòng)器(22)均通過反力后座(20)和螺栓連接方式固定于基座(26);還包括用于實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面剪切位移值的水平位移傳感器(25)； 所述數(shù)字控制裝置(28)通過液壓控制裝置(27)控制所述豎向加載裝置和所述水平加載裝置進(jìn)行動(dòng)作，并處理由所述壓力傳感器和位移傳感器采集的壓力值和位移值，獲得試驗(yàn)所需的應(yīng)力參數(shù)和位移參數(shù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓伺服油缸(3)的動(dòng)作部通過豎向承壓墊塊(5)與所述U形壓力板(7)連接，所述豎向壓力傳感器(4)安裝于所述液壓伺服油缸(3)和所述豎向承壓墊塊(5)之間。
3.如權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述U形壓力板(7)的兩個(gè)豎臂嵌入所述豎向?qū)Р?14)內(nèi)部與所述滾軸(15)滾動(dòng)連接。
4.如權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述高強(qiáng)度彈簧(8)固定于所述U形壓力板(7)上，所述剛性定位板(10)上設(shè)置有與螺栓裝置(9)相配合的螺栓孔，所述螺栓孔的直徑大于所述高強(qiáng)度彈簧(8)的最大直徑；所述高強(qiáng)度彈簧(8)的上端部置于所述螺栓孔內(nèi)，且所述螺栓裝置(9)置于所述高強(qiáng)度彈簧(8)的正上端。
5.如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述剛性定位板(10)通過兩個(gè)槽型裝置(11)水平固定于所述加載框架(1)的兩個(gè)內(nèi)側(cè)壁；所述剛性定位板(10)中部設(shè)圓孔，且所述液壓伺服油缸(3)的直徑小于圓孔直徑以便于其從圓孔中穿過。
6.如權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述U形壓力板(7)上部并所述高強(qiáng)度彈簧(8)裝置外側(cè)安裝四個(gè)豎向位移傳感器(12)，所述豎向位移傳感器(12)通過桿件裝置(13)和螺栓連接方式固定于所述槽型裝置(11 )，實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面法向位移值。
7.如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一液壓伺服作動(dòng)器(21)和所述第二液壓 伺服作動(dòng)器(22)對(duì)稱分布于巖體試件(19)的兩側(cè)；當(dāng)所述第一液壓伺服作動(dòng)器(21)施加推力時(shí)，所述第二液壓伺服作動(dòng)器(22 )同時(shí)施加等值拉力。
8.如權(quán)利要求7所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一液壓伺服作動(dòng)器(21)和所述第二液壓伺服作動(dòng)器(22)的動(dòng)作端部分別與所述下剪切盒(18)之間安裝水平承壓墊塊(24);所述兩個(gè)水平承壓墊塊(24)分別與所述下剪切盒(18)兩個(gè)側(cè)壁通過螺栓連接方式固定，該固定連接方式確保所述下剪切盒(18)僅發(fā)生沿所述第一液壓伺服作動(dòng)器(21)和所述第二液壓伺服作動(dòng)器(22)施力方向的水平運(yùn)動(dòng)。
9.如權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述加載框架(1)采用矩形框結(jié)構(gòu)，通過螺栓固定于基座(26)之上，所述加載框架(1)的兩個(gè)側(cè)壁分別開設(shè)矩形孔，所述第一液壓伺服作動(dòng)器(21)和所述第二液壓伺服作動(dòng)器(22)分別穿過相應(yīng)側(cè)的矩形孔連接相應(yīng)所述水平承壓墊塊(24)。
10.如權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一液壓伺服作動(dòng)器(21)和所述第二液壓伺服作動(dòng)器(22)分別與所述兩個(gè)水平承壓墊塊(24)之間安裝水平壓力傳感器(23)，用于實(shí)時(shí)采集剪切荷載值；兩個(gè)水平承壓墊塊(24)前后兩側(cè)分別對(duì)稱安裝兩個(gè)水平位移傳感器(25)，所述水平位移傳感器(25)通過所述桿件裝置(13)和螺栓連接方式固定于所述加載框架(1)外側(cè)壁，實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面剪切位移值。
11.如權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓控制裝置(27)包括豎向加載控制器和水平加載控制器；所述數(shù)字控制裝置(28)采用全數(shù)字伺服控制器，預(yù)存三角波、諧波、隨機(jī)波、強(qiáng)震的位移控制形式；在數(shù)字控制裝置(28)和液壓控制裝置(27)的控制下，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)剪切加載和動(dòng)態(tài)剪切加載。
12.如權(quán)利要求2至6所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字控制裝置(28)中預(yù)設(shè)有一定試驗(yàn)要求條件下 的法向應(yīng)力值、法向剛度值和剪切位移值，試驗(yàn)過程中通過所述液壓控制裝置(27 )控制所述豎向加載裝置和所述水平加載裝置施加荷載達(dá)到預(yù)定狀態(tài)，分別通過所述壓力傳感器和位移傳感器采集荷載數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)字控制裝置(28 )處理荷載數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)，獲得滿足試驗(yàn)要求的應(yīng)力參數(shù)和位移參數(shù)。
13.如權(quán)利要求3至8所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器和位移傳感器與所述數(shù)字控制裝置(28)通過電纜進(jìn)行連接；所述液壓伺服油缸(3)和液壓伺服作動(dòng)器(21和22)通過電纜與所述液壓控制裝置(27)進(jìn)行連接；液壓控制裝置(27)通過電纜與數(shù)字控制裝置(28 )進(jìn)行連接，整個(gè)伺服閉環(huán)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
14.一種用于巖體結(jié)構(gòu)面性能測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，其特征在于，該試驗(yàn)方法的具體步驟如下: .51、安裝巖體試件(19)于所述剪切盒內(nèi)，安裝所述高強(qiáng)度彈簧(8)，調(diào)整所述螺栓裝置(9)數(shù)量以滿足試驗(yàn)要求； . 52、啟動(dòng)所述數(shù)字控制裝置(28)和所述液壓控制裝置(27);在所述數(shù)字控制裝置(28)中輸入初始法向應(yīng)力參數(shù)、法向剛度參數(shù)、剪切位移參數(shù)和剪切加載方式； .53、所述液壓伺服油缸(3)施加初始法向荷載于巖體結(jié)構(gòu)面至預(yù)定狀態(tài)，并由系統(tǒng)控制初始法向應(yīng)力為定值，由所述高強(qiáng)度彈簧(8)施加附加法向荷載； .54、按照預(yù)定的剪切加載方式施加剪切荷載于巖體結(jié)構(gòu)面至預(yù)定的剪切位移值； . 55、實(shí)時(shí)采集巖體結(jié)構(gòu)面剪切荷載值、法向位移值和剪切位移值并反饋給所述數(shù)字控制裝置(28)，由數(shù)字控制裝置(28)處理壓力值和位移值以獲得試驗(yàn)所需的應(yīng)力參數(shù)和位移參數(shù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；S6、試驗(yàn)結(jié)束，卸載并卸除 巖體試件(19)。
【文檔編號(hào)】G01N3/00GK103792133SQ201410078860
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】祁生文, 鄭博文, 伍法權(quán), 黃曉林, 詹志發(fā), 鄒宇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所