[发明专利]一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置及方法

权利要求书

1.一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置，其特征其在于：它包括需要进行剪切试验的围岩（1），所述围岩（1）所在区域切割出一个试验平台，在围岩（1）上设置有剪切岩样（2）、平整围岩面（3）和上部围岩（15）；所述平整围岩面（3）的顶部并位于剪切岩样（2）的侧边设置有水平剪切盒（4）；所述水平剪切盒（4）和剪切岩样（2）的侧壁之间设置有水平剪切装置；所述上部围岩（15）的下端面设置有竖向荷载加载盒（16），所述竖向荷载加载盒（16）的下端面和剪切岩样（2）之间设置有垂直剪切装置；所述水平剪切装置和垂直剪切装置采用相同的结构，其动力源都采用膨胀水泥浆（13）。

2.根据权利要求1所述的一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置，其特征在于：所述围岩（1）选用野外岩体，并采用切割设备切割出一超挖试验平台，其形状为凹进去的规则空心立方体结构。

3.根据权利要求1所述的一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置，其特征在于：所述剪切岩样（2）的剪切面积不小于2500cm²，高度不小于边长的2/3。

4.根据权利要求1所述的一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置，其特征在于：所述水平剪切盒（4）的两边固定有开孔钢板（5），所述开孔钢板（5）通过带螺纹地锚（8）固定安装在平整围岩面（3）的顶部，在带螺纹地锚（8）的顶部锁紧固定有螺母（9）。

5.根据权利要求1或4所述的一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置，其特征在于：所述水平剪切盒（4）采用无顶盖的长方体结构。

6.根据权利要求1所述的一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置，其特征在于：所述水平剪切装置包括设置在水平剪切盒（4）侧壁上的传力板（12），所述传力板（12）的侧壁上连接有传力杆（11），所述传力杆（11）的另一端连接有可调蝶形弹簧（6），所述可调蝶形弹簧（6）的另一端连接哑铃状剪切杆（7），所述哑铃状剪切杆（7）的另一端通过加载探头（10）与剪切岩样（2）的侧壁接触。

7.根据权利要求1所述的一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置，其特征在于：所述垂直剪切装置包括设置在竖向荷载加载盒（16）下端面的传力板，所述传力板的侧壁上连接有传力杆，所述传力杆的另一端连接有可调蝶形弹簧，所述可调蝶形弹簧的另一端连接竖向哑铃状剪切杆（14），所述竖向哑铃状剪切杆（14）的另一端通过加载探头与剪切岩样（2）的顶端接触。

8.根据权利要求1所述的一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置，其特征在于：所述膨胀水泥浆（13）采用较大掺量的膨胀水泥浆材料，所述膨胀水泥浆材料填充在水平剪切盒（4）和竖向荷载加载盒（16）的内部。

9.根据权利要求1所述的一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置，其特征在于：所述水平剪切盒（4）和水平剪切装置的传力板（12）内壁铺设一层石棉（17），传力板（12）与膨胀水泥浆（13）之间布设一层橡胶垫圈（18）；

所述竖向荷载加载盒（16）和垂直剪切装置的传力板（12）内壁铺设一层石棉（17），传力板（12）与膨胀水泥浆（13）之间布设一层橡胶垫圈（18）；

所述传力板（12）内壁中心位置上安装有压力传感器（19），各压力传感器与压力采集处理装置连接；在剪切岩样（2）的三个轴向方向安装有剪切位移百分表（20），在剪切岩样（2）的顶部竖直方向安装有竖直位移百分表（21）。

10.采用权利要求1-9任意一项所述测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置的试验方法，其特征包括以下步骤：

Step1：清理围岩：选取岩性较好的围岩面，将待切割围岩（1）上的杂草和碎石清理干净；

Step2：切割岩样及试验平台：利用切割设备切割磨取一超挖试验平台，其形状为凹进去的规则空心立方体，包括剪切岩样（2）、平整围岩面（3）和上部围岩（15）；

Step3：预制水平剪切盒（4）和竖向荷载加载盒（16）：根据合适的尺寸用较大强度的钢板焊接无顶盖的长方体，在一侧面钢板上焊接有伸出的中心开孔钢板，即为水平剪切盒和竖向荷载加载盒；

Step4：预制哑铃状剪切杆：根据水平剪切盒的尺寸切割预制与水平剪切盒（4）配合使用的传力板（12），传力板（12）通过无盖缺口伸入到水平剪切盒（4）内部，在传力板（12）正中心焊接一定长度的传力杆（11），在传力杆（11）另一端焊接可调蝶形弹簧（6），在弹簧的另一端焊接加载探头（10）；

Step5：准备石棉和橡胶：在水平剪切盒和竖向荷载加载盒内部表面铺设一层石棉；

Step6：粘贴压力传感器：在传力板正中心位置粘贴压力传感器，与压力采集系统连接；

Step7：浇筑膨胀水泥浆：配制膨胀剂含量为A%的膨胀水泥浆（13），在水平剪切盒内浇筑膨胀水泥浆；

Step8：安装竖向哑铃状剪切杆：浇筑完成后利用传力板压敷住膨胀水泥浆，并在传力板和膨胀水泥浆之间铺设一层橡胶垫圈；

Step9：安装竖向荷载加载盒：将竖向荷载加载盒安装与岩样和围岩之间，调整竖向加载探头使其受力均匀，对膨胀水泥浆养护一段时间后，调节可调蝶形弹簧对膨胀力进行调整，保证施加在岩样上的荷载为施加荷载的设计值，对待剪切岩样施加不同的法向荷载，利用位移百分表监测垂直变形值，当连续两个15min垂直变形累计不超过0.05mm时，即认为垂直变形已经稳定，可安装水平剪切盒；

Step10：浇筑膨胀水泥浆和安装水平剪切盒：配制膨胀剂含量为B%的膨胀水泥浆，在水平剪切盒内浇筑膨胀水泥浆，浇筑完成后利用传力板压敷住膨胀水泥浆，并在传力板和膨胀水泥浆之间铺设一层橡胶垫圈；将水平剪切盒放置在待剪切岩样侧面的平整围岩面上，将带螺纹地锚穿过开孔钢板插入围岩的孔洞中，用螺母固定水平剪切盒；

Step11：调整加载探头及荷载：调整水平加载探头使其作用在岩样上，按照试验水平荷载设计值，调节水平可调蝶形弹簧，每级剪切荷载施加完成后，应立即测记垂直变形量、剪切荷载和剪切变形量；

Step12：试验：当达到施加的剪应力峰值或剪切变形急剧增加或剪切变形大于试件直径或变长的1/10时，即认为已剪切破坏，终止试验；

Step13：处理数据：记录下岩样破坏时的剪切应力：

①绘制出剪应力与法向应力的关系曲线，从而可以得到岩体在特定破坏面上的抗剪强度参数即内摩擦角和粘聚力；

②绘制剪切应力与剪切位移关系曲线：抗剪强度与法向应力关系曲线；

③利用剪切应力与剪切位移关系曲线，可以确定一定法向应力条件下，剪切破坏面上的峰值抗剪强度和残余强度；

④利用抗剪强度和法向应力关系曲线可以确定剪切面上，岩体的内摩擦角和粘聚力；

⑤通过稳定的膨胀荷载测试岩样长期蠕变剪切变形，得出在荷载作用下岩体内摩擦角和粘聚力随时间的变化规律。