(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211139037.3 (22)申请日 2022.09.19 (71)申请人 中铁第四勘察设计院集团有限公司 地址 430063 湖北省武汉市武昌杨园和平 大道745号 (72)发明人 张占荣　张涛　黄水亮　黄国良　 孙红林　李时亮　赵晋乾　胡志新　 李炜　洪平　张星甫　孔红豆　 (74)专利代理 机构 北京汇泽知识产权代理有限 公司 11228 专利代理师 吴静 (51)Int.Cl. G01N 3/24(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种现场岩石结构面剪切试验系统及试验 方法 (57)摘要 本发明涉及现场岩体结构面力学试验技术 领域， 具体涉及一种现场岩石结构面剪切试验系 统及试验方法， 包括水平设置的试验平台、 包裹 于岩体试样上的混凝土包封外壳、 用于对混凝土 包封外壳的顶面施加法向载荷的法向荷载加载 系统、 用于对混凝土包封外壳的侧面施加剪切荷 载的剪切荷载加载系统以及用于测量法向压力、 法向位移和切向位移的数据测试采集系统， 法向 荷载加载系统和剪切荷载加载系统均设置于试 验平台上。 本发明通过法向荷载加载系统、 剪切 荷载加载系统分别施加法向压力和切向压力， 并 通过精度更高的数据测试采集系统获取相关位 移参数， 对结构面的强度特征进行定量评价分 析， 解决了传统试验方法存在的占地大、 可靠性 低的问题。 权利要求书2页 说明书9页 附图2页 CN 115524234 A 2022.12.27 CN 115524234 A 1.一种现场岩石结构面剪切试验系统， 其特征在于： 包括水平设置的试验平台、 包裹于 岩体试样上的混凝土包封外壳、 用于对所述混凝土包封外壳的顶面施加法向载荷的法向荷 载加载系统、 用于对所述混凝土包封外壳的侧面施加剪切荷载的剪切荷载加载系统以及用 于测量法向压力、 法向位移和切向位移的数据测试采集系统， 所述法向荷载加载系统和所 述剪切荷载加载系统均设置 于所述试验平台上。 2.如权利要求1所述的现场岩石结构面剪切试验系统， 其特征在于： 所述岩体试样的顶 面与所述岩 体试样的待测岩 体结构面近似平行， 所述混凝土包封外壳的顶面与所述待测岩 体结构面平行， 所述混凝 土包封外壳的底面与所述待测岩体结构面平行且有一定的距离 。 3.如权利要求1所述的现场岩石结构面剪切试验系统， 其特征在于： 所述法 向荷载加载 系统包括滚轴排、 法向荷载传力钢板以及用于对所述法向荷载传力钢板施加法向载荷的反 力加载装置， 所述滚轴排固定于所述法向荷载传力钢板的底面上且与所述混凝土包封外壳 的顶面接触。 4.如权利要求3所述的现场岩石结构面剪切试验系统， 其特征在于： 所述反力加载装置 包括设置于所述混凝土包封外壳四周的若干钻孔灌注桩， 所述钻孔灌注桩的底部嵌入所述 试验平台 以下， 所述钻孔灌注桩的顶部安装有传力柱； 所述法向荷载传力钢板上对应所述 传力柱的位置处均预留有固定孔， 所述传力柱贯穿对应的所述固定孔并通过螺栓与所述法 向荷载传力钢板固定 。 5.如权利要求3所述的现场岩石结构面剪切试验系统， 其特征在于： 所述反力加载装置 包括设置于所述混凝土包封外壳四周的若干锚杆， 所述锚杆的底部嵌入所述试验平台以 下， 所述法向荷载传力钢板上对应所述锚杆 的位置处均预留有固定孔， 所述锚杆的顶部贯 穿对应的所述固定孔并通过锚具与所述法向荷载传力钢板固定 。 6.如权利要求5所述的现场岩石结构面剪切试验系统， 其特征在于： 所述法 向荷载加载 系统的两侧设置有支挡系统， 所述支挡系统包括侧向支撑钢板、 支挡主梁和支挡次梁， 所述 侧向支撑钢板顶部的一侧与所述法向荷载传力钢板紧密贴合， 所述侧向支撑钢板顶部的另 一侧与所述支挡主梁的顶部连接， 所述支挡主梁倾斜设置且所述支挡主梁与所述侧向支撑 钢板之间通过若干道支挡次梁连接， 所述支挡主梁的底部和所述侧向支撑钢板的底部 分别 嵌入所述试验平台以下。 7.如权利要求1所述的现场岩石结构面剪切试验系统， 其特征在于： 所述剪切荷载加载 系统包括剪切荷载液压千斤顶、 切向荷载传力刚板、 千斤顶支 座以及千斤顶侧向支撑装置； 所述千斤顶支座设置于所述试验平台上， 所述剪切荷载液压千斤顶的固定端与所述千斤顶 侧向支撑装置连接且支撑于所述千斤顶支座上， 所述剪切荷载液压千斤顶的活动端通过所 述切向荷载传力刚板 抵在所述混凝 土包封外壳的侧面上。 8.如权利要求1所述的现场岩石结构面剪切试验系统， 其特征在于： 所述数据测试采集 系统包括数据 处理终端、 用于测量法向位移的法向测距装置、 用于测量切向位移的切向测 距装置以及用于测量法向压力的法向压力测量装置； 所述法向测距装置、 所述切向测距装 置以及所述法向压力测量装置分别通过 数据传输导线与所述数据处 理终端连接 。 9.一种现场岩石结构面剪切试验方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1、 选择岩体试样并确定待测岩体结构面及涉及的岩体试样范围， 平整待测岩体试样 周围的场地， 清除待测岩体试样表层的松动岩石， 将待测岩体试样周围的岩体切除分开并权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115524234 A 2清除浮渣； S2、 施工如权利要求1 ‑8任一项所述的剪切试验系统； S3、 分级施加法向荷载， 并在每一级法向荷载加载后立即通过数据测试采集系统测读 法向位移， 并在5分钟 后再次测读法向位移， 以连续两次测读法向位移的差小于0.01mm为法 向荷载稳定标准， 在法向荷载 稳定后再施加剪切荷载； S4、 施加剪切荷载时， 每5分钟加载一次剪切荷载， 施加剪切荷载前后均应通过数据测 试采集系统测读切向位移及剪切力数据， 峰值前应加密测 量切向位移及剪切力； 岩石结构 面被剪断后可继续施载， 直至 剪切荷载值趋 于稳定； S5、 根据公式计算作用在岩体结构面上的法向应力σ 和剪切力 τ， 绘制不同法向应力σ 下 剪切力 τ与切向位移及法向位移之 间的关系曲线， 并计算不同法向应力σ 下的峰值剪应力和 残余剪应力； S6、 绘制法向应力σ与其对应的峰值剪应力及残余剪应力之间的关系曲线， 按照摩尔 ‑ 库伦表达式计算相应的抗剪强度参数c、 φ。 10.如权利要求9所述的现场岩石结构面剪切试验方法， 其特征在于： 步骤S5中法向应 力σ 和剪切力 τ 的计算公式如下： 当岩体结构面水平时， N总＝4Nσ+Nα    (1‑1) Q＝Q推力‑Q摩 擦    (1‑4) 式中， σ —作用在岩体结构面上的法向应力(MPa)； τ —作用在岩体结构面上的剪应力(MPa)； N总—作用在岩体结构面上总法向荷载(N)； Nσ—法向荷载加载系统提供的锚固力(N)； Nα—法向上的其 他荷载(N)； Q—作用在岩体结构面上总剪切荷载(N)； Q推力—剪切荷载加载系统提供的推力(N)； Q摩 擦—法向应力为σ 时， 法向荷载加载系统与混凝 土包封外壳之间的摩擦力(N)； A—岩体结构面的面积(m2)； 当岩体结构面 位于缓坡时， N总′＝4Nσ+Nαcosα    (1‑5) 式中， α—岩石结构面与水平面之间的夹角( °)； 岩体结构面收到的剪切力τ采用式1 ‑3 计算。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115524234 A 3