本發(fā)明屬于土木工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，尤其是一種用于制作多尺度多形狀巖石裂隙的方法及設(shè)備。

背景技術(shù)：

天然巖體的形成需要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜而又漫長的過程，由于不同的地質(zhì)成因，巖體在經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造作用，發(fā)生了構(gòu)造變形與破裂，破壞了巖體的連續(xù)性和完整性。以上作用會在其內(nèi)部形成眾多節(jié)理、裂隙等不連續(xù)構(gòu)造，其裂隙巖體內(nèi)部富含各種缺陷，包括微裂紋、孔隙以及節(jié)理裂隙等宏觀非連續(xù)面，在地下復(fù)雜的環(huán)境下，這些巖體裂隙顯著的影響著巖體的力學(xué)特性和滲透特性。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，邊坡加固、地鐵、隧道、水利水電等巖土工程正在快速的建設(shè)中，而巖體內(nèi)部的裂隙對工程巖體的穩(wěn)定性有著十分重要的影響，國內(nèi)外很多巖土工程的事故都是由于裂隙造成的。因此，亟需開展、解決有關(guān)裂隙巖體力學(xué)性質(zhì)及其破壞機(jī)理的基礎(chǔ)研究工作，但由于現(xiàn)場試驗(yàn)的操作復(fù)雜，耗費(fèi)時(shí)間長，成本較高，試驗(yàn)效果不穩(wěn)定等因素限制，目前裂隙巖體的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究大多通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行。在室內(nèi)試驗(yàn)中人工制作裂隙時(shí)，一般基于巖石塊體采用改進(jìn)的巴西劈裂試驗(yàn)方法獲得裂隙試件，但該方法無法精確的控制生成裂隙的粗糙度，無法適用于除圓柱體試件以外的其他形狀的試件，效果不理想且失敗率高。

申請?zhí)枮?01521037781.8的中國發(fā)明專利《一種用于制作貫穿粗糙裂隙試件的夾持裝置》提供了一種基于改進(jìn)的巴西劈裂試驗(yàn)獲得貫通裂隙的裝置，該裝置由夾具、上承壓板和下承壓板組成，能較好的制作圓柱體巖石貫通裂隙，但其只能制作單一尺寸圓柱體試件的裂隙，且無法精確控制裂隙粗糙度，局限性較大。

申請?zhí)枮?01610043483.2的中國發(fā)明專利《標(biāo)準(zhǔn)巖石試件通透裂隙快速制作裝置及其操作方法》提供了一種通過轉(zhuǎn)動(dòng)穿透巖石的金剛砂鋸條來制作貫通裂隙的方法，其設(shè)備簡易、方便，制作效率高，但其制作好的裂隙面中間存在事先用電鋸打好的規(guī)則穿孔，破壞了裂隙面的完整性，會對后續(xù)試驗(yàn)產(chǎn)生影響。

申請?zhí)枮?01511009182.X的中國發(fā)明專利《一種帶有通透裂隙的真實(shí)巖石試件的制作方法》提供了一種將巖石試件安裝至模具內(nèi)，并將預(yù)制通孔切割為加工槽的形狀，以形成非填充通透裂隙。但此方法無法控制裂隙粗糙程度，制作的裂隙粗糙度較為單一。

申請?zhí)枮?01620075006.X的中國發(fā)明專利《一種用于制作不同貫穿裂隙傾角的巖樣切割設(shè)備》提供了一種通過固定住圓柱體試件，調(diào)節(jié)底盤的傾斜角度，然后通過切割設(shè)備垂直切割試件來得到不同角度的貫穿裂隙的方法。該方法形成的裂隙不是巖石試件通過外力作用形成的天然裂隙，其裂隙表面不具有代表性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有制作方式不能制作多尺度多形狀試件的裂隙、且生成的裂隙粗糙度不可控的不足，本發(fā)明提供了一種可以有效精確的控制裂隙的粗糙度、成功率高、效果理想、可針對多尺度多形狀試件的粗糙度可控的用于制作多尺度多形狀巖石裂隙的方法及設(shè)備。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種粗糙度可控的用于制作多尺度多形狀巖石裂隙的方法，所述方法包括如下步驟：

1)：首先根據(jù)試件尺寸選擇墊板以及邊長夾具；

2)：將墊板堆疊以保證試件中心線在橫向加載裝置中心線上。

3)：在試件兩側(cè)面的中心線處制作凹槽。

4)：在試件頂部堆疊并放置夾具，啟動(dòng)垂直加載裝置，根據(jù)需要的裂隙粗糙度選擇對試件施加法向應(yīng)力。

5)：待法向應(yīng)力穩(wěn)定之后，啟動(dòng)橫向推送裝置，將橫向加載裝置推送到靠近試件但不接觸試件處，停止推送；

6)：固定推送裝置，啟動(dòng)兩側(cè)橫向加載裝置加載，此時(shí)錐形加載頭被推入預(yù)制凹槽，根據(jù)需要加載至設(shè)定載荷；

7)：穩(wěn)定之后，卸載法向應(yīng)力，即得到粗糙裂隙面。

一種粗糙度可控的用于制作多尺度多形狀巖石裂隙的設(shè)備，所述設(shè)備包括夾具、垂直加載裝置、框架、橫向加載裝置、橫向推送裝置、橫向支座、支撐板、底部支座、錐形加載頭、墊板和工作平臺，所述的垂直加載裝置與框架連接，所述橫向加載裝置分為左加載部分和右加載部分，加載頭部為錐形加載頭；所述橫向加載裝置安裝在橫向推送裝置上，橫向推送裝置可平行滑動(dòng)和固定地安裝在橫向支座上；試件放置于工作平臺上，試件頂部與垂直加載裝置中間安放夾具。

進(jìn)一步，所述垂直加載裝置、橫向加載裝置由液壓伺服控制。

再進(jìn)一步，所述橫向加載裝置分為左右加載的橫向加載裝置，由一個(gè)伺服系統(tǒng)控制，加載時(shí)，須同步加載。

更進(jìn)一步，所述橫向推送裝置采用簡易手動(dòng)推送方式，工作時(shí)將橫向加載裝置推進(jìn)到試件前并固定，在加載時(shí)保持橫向加載裝置的穩(wěn)定。

墊板根據(jù)所選試件的形狀分為圓形、方形和弧形，夾具根據(jù)所選試件形狀分為圓形、方形和弧形。

進(jìn)一步的，所述圓形夾具和墊板的尺寸為直徑50mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm，其中直徑50mm的夾具厚度為25mm，其余厚度均為50mm；所述方形夾具和墊板的尺寸為邊長50mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm，其中邊長50mm的夾具厚度為25mm，其余厚度均為50mm；

進(jìn)一步的，所述弧形夾具和墊板尺寸為底部邊長分別為40mm、80mm、160mm、320mm、400mm，對應(yīng)的弧形直徑分別為50mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm。

進(jìn)一步的，所述墊板和夾具均為剛性材料，須配套使用。

進(jìn)一步的，試驗(yàn)過程中需要試件中心線與橫向加載裝置共線，因此墊板的厚度是根據(jù)試件中心線的位置確定的，且在使用過程中根據(jù)試件的尺寸疊加使用。

更進(jìn)一步的，可根據(jù)巖石試件的大小和形狀選擇合適的墊板和夾具。

更進(jìn)一步的，可根據(jù)巖石種類的不同選擇施加不同的應(yīng)力和卸載速率，從而控制生成的裂隙的粗糙度。

本發(fā)明構(gòu)思：常規(guī)的利用劈裂試驗(yàn)制作裂隙的方法無法制作多尺度的試件，且目前的方法多集中于圓柱體試件的制作，不能直接應(yīng)用于立方體試件；由于加壓時(shí)的荷載無法控制，導(dǎo)致裂隙的粗糙度不可控或者控制不精確。針對此提出了一種多尺度多形狀巖石試件的裂隙制作裝置，通過調(diào)節(jié)墊板夾具的尺寸，可制作直徑或者邊長為50mm-500mm的多尺度裂隙試件；通過伺服系統(tǒng)對法向加載和橫向加載的調(diào)節(jié)，可以精確的控制裂隙的粗糙度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果。

1)通過伺服系統(tǒng)，更為精確的控制劈裂時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，得到適用的裂隙的成功率大幅提高。

2)可以進(jìn)行多尺度裂隙的制作。本發(fā)明適用于對直徑或邊長為50mm-500mm的試件進(jìn)行貫通裂隙的制作。

3)可以進(jìn)行圓柱體試件和立方體試件的裂隙制作。在加壓時(shí)，只需根據(jù)試件形狀選擇不同的墊板和夾具，即可進(jìn)行裂隙制作。

4)裂隙的粗糙度可控。通過對法向加載和橫向加載以及卸載速率的控制，可以獲得不同粗糙度的裂隙。

附圖說明

圖1為裂隙制作設(shè)備主視圖。

圖2為裂隙制作設(shè)備主視圖Ⅰ-Ⅰ剖面圖。

圖3為裂隙制作設(shè)備主視圖Ⅱ-Ⅱ剖面圖，從左到右分別為(a)立方體、(b)豎放圓柱體、(c)橫放圓柱體試件。

圖4為裂隙制作設(shè)備俯視圖。

圖5為弧形夾具和墊板。

圖6為方形夾具和墊板。

圖7位圓形夾具和墊板。

其中，1、右加載裝置，2、右錐形加載頭，3、夾具，4、法向加載裝置，5、框架，6、左加載裝置，7、左推送裝置，8、左橫向支座，9、螺栓，10、支撐板，11、底部支座，12、工作平臺，13、左錐形加載頭，14、試件，15、墊板，16、預(yù)制凹槽，17、右推送裝置，18、右橫向支座，a為邊長，R為半徑。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖7，一種粗糙度可控的用于制作多尺度多形狀巖石裂隙的設(shè)備，包括右加載裝置1，右錐形加載頭2，夾具3，垂直加載裝置4，框架5，左加載裝置6，左推送裝置7，左橫向支座8，螺栓9，支撐板10，底部支座11，工作平臺12，左錐形加載頭13，試件14，墊板15，預(yù)制凹槽16，右推送裝置17，右橫向支座18；

所述的垂直加載裝置4與上部剛性框架5連接。所述橫向加載裝置分為左加載6和右加載1，加載頭部為右錐形加載頭2(左錐形加載頭13)。左橫向推送裝置7(右橫向推送裝置17)安裝在左橫向支座上8(右橫向支座18)，由四根導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)和固定。所述左橫向支座上8(右橫向支座18)固定在兩側(cè)的支撐板10上，用螺栓9固定。制作裂隙時(shí)試件放置于工作平臺12上，根據(jù)試件14尺寸選擇所需的墊板，墊板根據(jù)所選試件形狀分為圓形、方形和弧形。試件頂部與垂直加載裝置中間安放夾具，夾具根據(jù)所選試件形狀分為圓形、方形和弧形。

進(jìn)一步的，所述垂直加載裝置4、右橫向加載裝置1(左橫向加載裝置6)，由液壓伺服控制。

進(jìn)一步的，所述左橫向推送裝置7(右橫向推送裝置17)為簡易手搖推送，工作時(shí)將右橫向加載裝置1(左橫向加載裝置6)推進(jìn)試件前，工作時(shí)將橫向加載裝置推進(jìn)到試件前并固定，可以在加載時(shí)保持橫向加載裝置的穩(wěn)定。

進(jìn)一步的，所述圓形墊板15和夾具3尺寸為直徑50mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm，其中直徑50mm夾具厚度為25mm，其余厚度均為50mm；方形墊板15和夾具3尺寸為邊長50mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm，其中直徑50mm夾具厚度為25mm，其余厚度均為50mm。

進(jìn)一步的，所述弧形墊板15和夾具3尺寸為底部邊長分別為40mm、80mm、160mm、320mm、400mm，對應(yīng)的弧形直徑分別為50mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm。除弧形直徑50mm的厚度為25mm，其余厚度均為50mm。

更進(jìn)一步的，所述墊板15和夾具3均為剛性材料，須配套使用。

更進(jìn)一步的，所述的右橫向加載裝置1(左橫向加載裝置6)無法豎向移動(dòng)，通過墊板的堆疊，可以保證試件的中心線位于右橫向加載裝置1(左橫向加載裝置6)中心線上。

實(shí)例1：一種粗糙度可控的用于制作多尺度多形狀巖石裂隙的方法，以邊長400mm花崗巖立方體試件為例，包括如下步驟：

步驟101：首先根據(jù)試件尺寸選擇邊長400mm墊板15以及邊長400mm夾具3

步驟102：將墊板堆疊以保證試件中心線在橫向加載裝置中心線上。

步驟103：在試件兩側(cè)面的中心線處制作一個(gè)10mm×10mm×400mm的凹槽。

步驟104：在試件頂部堆疊并放置夾具3，啟動(dòng)垂直加載裝置4，以0.5MPa/min的速率加壓，根據(jù)需要的裂隙粗糙度選擇對試件施加20MPa的法向應(yīng)力。

步驟105：待法向應(yīng)力穩(wěn)定之后，啟動(dòng)橫向推送裝置，將橫向加載裝置推送到靠近試件但不接觸試件處，停止推送。

步驟106：固定推送裝置，啟動(dòng)右橫向加載裝置1和左橫向加載裝置6，同時(shí)以0.5MPa/min的速率加載，此時(shí)右錐形加載頭2和左錐形加載頭13被推入預(yù)制凹槽，根據(jù)需要加載至5MPa。

步驟107：穩(wěn)定之后，以1.0MPa/min的速率卸載法向應(yīng)力，即可得到正方體橫截面上正方形的粗糙裂隙面。

實(shí)例2：一種粗糙度可控的用于制作多尺度多形狀巖石裂隙的方法，以底面直徑200mm高400mm圓柱體砂巖豎向放置為例，包括如下步驟：

步驟201：首先根據(jù)試件尺寸選擇直徑200mm圓形墊板15以及直徑200mm圓形夾具3

步驟202：將墊板堆疊以保證試件中心線在橫向加載裝置中心線上。

步驟203：在試件兩側(cè)面的中心線處制作一個(gè)10mm×10mm×125mm的凹槽。

步驟204：在試件頂部堆疊并放置夾具3，啟動(dòng)垂直加載裝置4，以0.5MPa/min的速率加壓，根據(jù)需要的裂隙粗糙度選擇對試件施加15MPa的法向應(yīng)力。

步驟205：待法向應(yīng)力穩(wěn)定之后，啟動(dòng)橫向推送裝置，將橫向加載裝置推送到靠近試件但不接觸試件處，停止推送。

步驟206：固定推送裝置，啟動(dòng)右橫向加載裝置1和左橫向加載裝置6，同時(shí)以0.5MPa/min的速率加載，此時(shí)右錐形加載頭2和左錐形加載頭13被推入預(yù)制凹槽，根據(jù)需要加載至3MPa。

步驟207：穩(wěn)定之后，以0.5MPa/min的速率卸載法向應(yīng)力，即可得到圓柱體橫截面上圓形的粗糙裂隙面。

實(shí)例3：一種粗糙度可控的用于制作多尺度多形狀巖石裂隙的方法，以底面直徑200mm高400mm圓柱體砂巖橫向放置為例，包括如下步驟：

步驟301：首先根據(jù)試件尺寸選擇邊長160mm弧形直徑200mm墊板15以及同尺寸夾具3。

步驟302：將墊板堆疊以保證試件中心線在橫向加載裝置中心線上。

步驟303：在試件兩側(cè)面的中心處做一個(gè)10mm×10mm×400mm的凹槽。

步驟304：在試件頂部堆疊并放置夾具3，啟動(dòng)垂直加載裝置4，以0.5MPa/min速率加壓，根據(jù)需要的裂隙粗糙度選擇對試件施加15MPa的法向應(yīng)力。

步驟305：待法向應(yīng)力穩(wěn)定之后，啟動(dòng)橫向推送裝置，將橫向加載裝置推送到靠近試件但不接觸試件處，停止推送。

步驟306：固定推送裝置，啟動(dòng)右橫向加載裝置1和左橫向加載裝置6，同時(shí)以0.5MPa/min的速率加載，此時(shí)右錐形加載頭2和左錐形加載頭13被推入預(yù)制凹槽，根據(jù)需要加載至3MPa。

步驟307：穩(wěn)定之后，以0.2MPa/min的速率卸載法向應(yīng)力，即可得到圓柱體縱截面上長方形的粗糙裂隙面。