本發(fā)明屬于巖心結(jié)構(gòu)面測試，特別是涉及一種多角度巖心結(jié)構(gòu)面快速剪切裝置及試驗方法。

背景技術：

1、巖石（體）結(jié)構(gòu)面是指巖石（體）在構(gòu)造應力作用下形成和不斷發(fā)育的各種構(gòu)造遺跡（包括斷層、節(jié)理、層理和破碎帶等）具有一定方向、延展較大、厚度較小的兩維面狀地質(zhì)界面。巖石（體）抗剪強度是指巖石（體）在剪切載荷作用下破壞時所能承受的最大剪應力，抗剪強度參數(shù)是影響邊坡開挖、隧道施工和地下硐室等巖土工程穩(wěn)定性分析和設計的重要參數(shù)之一，主要通過將巖石原樣切割特定尺寸的立方體或者圓柱狀試樣后開展直剪試驗和巖石三軸等室內(nèi)常規(guī)試驗獲取。巖石抗剪強度試驗通常有抗剪斷強度、抗切強度和抗剪強度三種。巖體結(jié)構(gòu)面實質(zhì)上是兩塊巖石試件在法向荷載作用下施加水平荷載使其沿密合面產(chǎn)生水平位移的試驗，剪切位移面為既有面，沒有內(nèi)聚力作用，其剪切強度只是與法向荷載和內(nèi)摩擦角（系數(shù)）有關的摩擦力。

2、由于結(jié)構(gòu)面和水平面存在一定的夾角（結(jié)構(gòu)面傾角），傳統(tǒng)的常規(guī)巖石力學試驗方法需要在制樣前根據(jù)傾角的大小制作合適的試樣，確保施加的豎向荷載與結(jié)構(gòu)面垂直、剪應力與結(jié)構(gòu)面平行。因此存在制樣和試驗耗時耗力、制樣容易受到操作人員技術水平的影響，以及無法面對大量巖石試樣進行快速剪切測試的需求等問題。尤其是在需要頻繁進行巖石力學性質(zhì)評估的巖土工程建設項目中，常規(guī)的剪切試驗存在一定的局限性。

3、現(xiàn)有技術中的巖心剪切裝置需要在現(xiàn)場挖取新鮮且具有結(jié)構(gòu)面的巖石，經(jīng)過切割初步形成滿足試驗尺寸要求的試樣。用混凝土將巖石澆筑于特定剪切盒（立方體或者圓柱狀）內(nèi)形成標準試件，待混凝土養(yǎng)護結(jié)束后，沿結(jié)構(gòu)面方向進行剪切試驗。而混凝土養(yǎng)護所需時間較長，從而導致剪切試樣的試驗周期長。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述背景技術中的不足，本發(fā)明旨在提供一種多角度巖心結(jié)構(gòu)面快速剪切裝置及試驗方法，解決了現(xiàn)有的巖心剪切裝置需要先澆筑混凝土成特定形態(tài)試樣后再開展剪切試驗，存在工作效率低、制樣耗時耗力且受制樣人水平影響較大的問題。

2、為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

3、提供了一種多角度巖心結(jié)構(gòu)面快速剪切裝置，其包括底座和數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括相互電性連接的壓力傳感器、位移傳感器和顯示器；

4、所述底座的上端面設置有橫向剪切模塊和縱向剪切模塊；所述橫向剪切模塊包括兩根橫向間隔設置在底座上端面的兩根第一導軌，兩根所述第一導軌之間滑動設置有橫向滑板，所述橫向滑板的一側(cè)設置有第一驅(qū)動源，所述第一驅(qū)動源驅(qū)動所述橫向滑板沿兩根第一導軌的長度方向滑動，橫向滑板上轉(zhuǎn)動設置有位置角度可調(diào)的第一巖心盒；

5、所述縱向剪切模塊包括兩根縱向間隔設置在底座上端面的兩根第二導軌，兩根所述第二導軌之間滑動設置有縱向滑板，所述縱向滑板的一側(cè)設置有第二驅(qū)動源，所述第二驅(qū)動源驅(qū)動所述縱向滑板沿兩根第二導軌的長度方向滑動，縱向滑板上轉(zhuǎn)動設置有位置角度可調(diào)的第二巖心盒；

6、所述壓力傳感器和位移傳感器分別用于實時采集第一驅(qū)動源和第二驅(qū)動源的壓力和位移，所述顯示器用于實時顯示第一驅(qū)動源和第二驅(qū)動源的壓力和位移。

7、本發(fā)明中的多角度巖心結(jié)構(gòu)面快速剪切裝置的基本原理為：通過在底座上設置有位置角度可調(diào)的橫向剪切模塊和縱向剪切模塊，能夠調(diào)整橫向剪切模塊和縱向剪切模塊巖心盒內(nèi)巖心試樣的角度，能夠精確匹配巖心試樣結(jié)構(gòu)面的傾角，能夠根據(jù)預設參數(shù)對現(xiàn)場鉆孔獲取到的巖心樣品結(jié)構(gòu)面進行精準剪切，提高巖心試樣的制作效率，同時數(shù)據(jù)采集模塊能夠?qū)崟r記錄剪切過程匯總的力學參數(shù)，如抗剪強度、剪切位移和剪應力等，提高了巖心結(jié)構(gòu)面剪切試驗效率和減少了巖心試樣的制作時間。

8、進一步地，作為第一巖心盒的一種具體設置方式，所述第一巖心盒內(nèi)設置有第一巖心試樣，第一巖心盒包括底部與所述底座上端面轉(zhuǎn)動連接的盒體，所述盒體的內(nèi)部設置有滑槽和安裝槽，所述滑槽和安裝槽均朝向盒體一側(cè)側(cè)壁的方向設置，所述滑槽的橫截面呈t型結(jié)構(gòu)，滑槽沿盒體長度方向設置且貫穿盒體的兩端端面，滑槽內(nèi)滑動設置有橫截面呈類t型結(jié)構(gòu)的壓條，所述壓條的長度大于盒體的長度，壓條的外側(cè)側(cè)面與第一壓條固定裝置接觸，壓條的內(nèi)側(cè)側(cè)面與所述第一巖心試樣外壁接觸；滑槽的開口與所述安裝槽底部相接，安裝槽的開口與盒體一側(cè)側(cè)壁相接，安裝槽的開口處設置有夾持塊，第一巖心試樣的四周外壁分別與安裝槽的底部、壓條的內(nèi)側(cè)側(cè)面和夾持塊的內(nèi)側(cè)面抵緊接觸。

9、在上述技術方案中，滑槽的作用是用于滑動安裝壓條，壓條的一端可以滑動至第一巖心試樣結(jié)構(gòu)面附近，對第一巖心試樣結(jié)構(gòu)面起到抵擋作用；安裝槽和夾持塊的作用是用于將整個第一巖心試樣固定安裝在盒體的內(nèi)部，起到固定安裝的作用。

10、進一步地，作為第一巖心盒位置角度可調(diào)的一種具體設置方式，所述盒體的下端面間隔設置有轉(zhuǎn)軸和鎖止桿，所述轉(zhuǎn)軸與所述底座的上端面轉(zhuǎn)動連接；底座的上端面設置有弧形槽，所述弧形槽的圓心與轉(zhuǎn)軸的軸線重合，所述鎖止桿與弧形槽配合。

11、在上述技術方案中，可以通過設置弧形槽的長度，使得第一巖心盒以及其內(nèi)部的第一巖心試樣可在20~90°范圍內(nèi)進行位置角度的調(diào)整。

12、進一步地，所述第二巖心盒的結(jié)構(gòu)與所述第一巖心盒的結(jié)構(gòu)相同；第二巖心盒內(nèi)設置有第二巖心試樣，第二巖心盒中的所述壓條的外側(cè)側(cè)面與第二壓條固定裝置接觸。

13、進一步地，所述第一壓條固定裝置和第二壓條固定裝置均包括豎直設置的固定桿，所述固定桿上轉(zhuǎn)動設置有一個固定塊，所述固定塊的一側(cè)側(cè)面與壓條的外側(cè)側(cè)面之間設置有墊塊。在上述技術方案中，通過設置固定塊和墊塊，頂住壓條避免剪切過程中壓條出現(xiàn)位移。

14、進一步地，所述底座內(nèi)設置有油泵，所述第一驅(qū)動源和第二驅(qū)動源均為油缸，所述油泵通過液壓管和分流閥分別與第一驅(qū)動源和第二驅(qū)動源連接。

15、進一步地，所述安裝槽的底部、壓條的內(nèi)側(cè)側(cè)面和夾持塊的內(nèi)側(cè)面為直面或圓弧曲面結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)巖心試樣的形狀進行靈活選擇，巖心試樣為圓柱狀結(jié)構(gòu)時，安裝槽的底部、壓條的內(nèi)側(cè)側(cè)面和夾持塊的內(nèi)側(cè)面為圓弧曲面結(jié)構(gòu)；而為方柱狀結(jié)構(gòu)時，安裝槽的底部、壓條的內(nèi)側(cè)側(cè)面和夾持塊的內(nèi)側(cè)面為直面結(jié)構(gòu)。

16、進一步地，所述底座的頂部設置有防護罩。在對巖心試樣進行剪切試驗時，防護罩可以避免巖心試樣飛濺，起到保護試驗人員的作用。

17、進一步地，本發(fā)明還提供一種多角度巖心結(jié)構(gòu)面快速剪切裝置的試驗方法，其包括：

18、步驟1、將第二巖心試樣放在第二巖心盒內(nèi)，調(diào)整第二巖心盒相對于縱向滑板的位置角度，使第二巖心試樣的結(jié)構(gòu)面與豎直面平行后，鎖止第二巖心盒的當前位置，并將壓條的一端端部滑動至第二巖心試樣的結(jié)構(gòu)面附近；

19、步驟2、將第一巖心試樣放在第一巖心盒內(nèi)，調(diào)整第一巖心盒相對于橫向滑板的位置角度，使第一巖心試樣的結(jié)構(gòu)面與第二巖心試樣的結(jié)構(gòu)面對齊后，鎖止第一巖心盒的當前位置，并將壓條的一端端部滑動至第一巖心試樣的結(jié)構(gòu)面附近；

20、步驟3、啟動第一驅(qū)動源和第二驅(qū)動源，并按照預設的壓力大小和剪切速率對第一巖心試樣和第二巖心試樣開展剪切試驗；

21、步驟4、剪切試驗過程中，壓力傳感器和位移傳感器分別用于實時采集第一驅(qū)動源和第二驅(qū)動源的壓力和位移，并將采集上傳至后臺系統(tǒng)保存；

22、步驟5、將第二驅(qū)動源的壓力記作法向應力f1，第一驅(qū)動源的壓力記作剪應力f2；第二驅(qū)動源的縱向方向位移記作法向位移s1，第一驅(qū)動源的橫向方向位移記作剪切位移s2；根據(jù)法向應力f1、剪應力f2和剪切位移s2繪制在不同法向應力作用下剪應力-剪切位移關系曲線，完成巖心結(jié)構(gòu)面的剪切試驗。

23、本發(fā)明的有益效果為：

24、1、本發(fā)明中的一種多角度巖心結(jié)構(gòu)面快速剪切裝置及試驗方法，通過在底座上設置有位置角度可調(diào)的橫向剪切模塊和縱向剪切模塊，能夠調(diào)整橫向剪切模塊和縱向剪切模塊巖心盒內(nèi)巖心試樣的角度，能夠精確匹配巖心試樣結(jié)構(gòu)面的傾角，可以直接使用工程勘察現(xiàn)場鉆孔取出來的巖心開展結(jié)構(gòu)面剪切試驗，無需澆筑混凝土制樣，提高了巖心結(jié)構(gòu)面剪切試驗效率和減少了巖心試樣的制作時間。

25、2、本發(fā)明中的一種多角度巖心結(jié)構(gòu)面快速剪切裝置及試驗方法，數(shù)據(jù)采集模塊能夠?qū)崟r記錄并展示剪切過程匯總的力學參數(shù)，如抗剪強度、剪切位移和剪應力等，提高試驗效率。