CN105158087B - 一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的改进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的改进方法，所采用的岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具包括千斤顶压头（1）、压力室（2）、一对刚性台阶式圆柱形垫板（5）、一对柔性半圆柱垫板（6）。本发明采用的专用组合模具传承了岩石三轴压缩实验的优点，通过压力室（2）向岩石试样（3）提供了稳定的围压，根据岩石试样破坏时轴力大小，结合刚性台阶式圆柱形垫板的弹性模量E1、柔性半圆柱垫板弹性模量E2，计算出两块刚性台阶式圆柱形垫板对岩石试样施加的压力F1、F4及两块柔性半圆柱垫板对岩石试样施加的压力F2、F3，进而确定岩石剪切面上的剪力△F大小，根据剪切面上剪力与剪切面积的关系得到岩石的抗剪强度τ，使三轴试验仪可以直接测量岩石的抗剪强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验方法和设备，尤其是涉及岩石三维应力状态下的抗剪强度、强度参数的试验方法和试验设备改进，适用于矿山、水利、资源与环境等领域中岩石室内剪切试验。
背景技术
我国深部矿产资源开采、高陡边坡稳定性分析、水利水电资源开发以及核废料处置，均普遍涉及复杂环境下围岩变形稳定问题，岩石抗剪强度、抗剪强度参数是进行围岩变形数值模拟和稳定性分析的前提和基础。岩石室内剪切试验是获取抗剪强度及其相关参数的重要手段，目前对于岩石抗剪强度的试验方法有直剪试验、倾斜压模剪切法和三轴压缩试验等。
岩石直剪试验装置和试验方法比较简单，能得到岩石在单向围压作用下抗剪强度，然后根据摩尔理论可以得到岩石的内摩擦角和内聚力。但是在直剪试验过程中存在很多难以克服的不足，严重影响了试验结果的真实性与准确性。例如，在直剪试验过程中，随着剪切荷载的增加，试样上的法向应力很难稳定，试样的实际试验环境与模型存在一定的差距；试样在直剪仪中只能沿着既定的滑面发生破坏，而真正决定岩石破坏面位置和破坏强度大小的是试样内部的缺陷，因此直剪试验限制了岩石的自由破坏；当直剪试验法向应力较大时，容易出现磨框现象，使得试验值较真实值偏大。
倾斜压模剪切法是通过改变加载力与试件之间的夹角，改变岩石试样的正应力和剪应力大小，从而得到岩石的剪切破坏强度和强度参数，该方法可以克服直剪试验中磨框现象和法向应力不稳的问题，然而由于岩石试样与倾斜压模之间的刚度不同，导致在试验过程中，试样与压模之间产生了较大的摩擦力，改变了试样内部的应力状态，影响了测试结果的可靠性。
三轴压缩试验通过改变围压条件得到岩石的三维抗压强度，然后根据摩尔库伦准则绘制岩石破坏包络线，对包络线进行线性回归得到试样的抗剪强度参数，该试验方法克服了诸多不利因素，因此得到的数据相对可靠。但是该方法属于间接测量方法，也并未考虑压头的变形情况。
《岩土工程界》2003年第11期发表的“浅淡影响三轴压缩试验结果的因素”论文中也指出：“作为提供土的力学参数的三轴压缩试验, 其试验结果的准确与否尤为重要。然而由于岩土自身的不均匀性以及三轴试验对取样和试验过程要求较高,在实际操作中又难免会出现这样那样的问题,往往导致试验结果的离散性较大，所以分析导致试验离散性的原因,总结和改善试验过程中的不妥之处,从而保证抗剪强度指标的准确性是土试人员的重要职责”。
发明内容
本发明的目的，就是为了针对现有岩石三轴压缩仪及三轴压缩试验存在的上述问题，通过对三轴压缩试验机压头垫板进行改进，直接求解不同围压作用下岩石的抗剪强度，从而提出一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的改进方法，使三轴试验仪可以直接测量岩石的抗剪强度。
为实现本发明的上述目的，本发明一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的改进方法采用以下技术方案：
本发明一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的第一种改进方法为：
所采用的岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具包括千斤顶压头、用于安装岩石试样的压力室，所述的千斤顶压头的下部形状、尺寸与压力室的圆柱型内腔相匹配。该组合模具还包括一对刚性台阶式圆柱形垫板、一对柔性半圆柱垫板，所述的柔性半圆柱垫板的形状、尺寸与刚性台阶式圆柱形垫板的台阶部分相匹配；所述的刚性台阶式圆柱形垫板、柔性半圆柱垫板的直径与岩石试样的直径、压力室的内径相等。
该组合模具及岩石试样的安装方法为：
1）先后将一块刚性台阶式圆柱形垫板、一块柔性半圆柱垫板安放到压力室的底部，二者形成下部圆柱型配合体；
2）将岩石试样安放在下部圆柱型配合体的上面；
3）再将另一块柔性半圆柱垫板、另一块刚性台阶式圆柱形垫板构成的上部圆柱型配合体安放到岩石试样的上面；
所述的一块柔性半圆柱垫板位于岩石试样的左下面，所述的另一块柔性半圆柱垫板位于岩石试样的右上面；
4）然后将千斤顶压头的下部安放到上部圆柱型配合体上面的压力室内。
上述刚性台阶式圆柱形垫板可选择弹性模量210MPa的合金钢，上述柔性半圆柱垫板可选择弹性模量105MPa的铝青铜。当然，也可以选择其他弹性模量不同的其他金属材料。
对岩石试样抗剪强度进行测定的试验方法为：
1）分别测试刚性台阶式圆柱形垫板的弹性模量E1、柔性半圆柱垫板弹性模量E2；利用千斤顶压头、压力室，给岩石试样施加预定的围压值，并使之稳定；
2）逐步施加轴压，并观察应变仪数值变化，确定破坏点和破坏时轴力大小，并记录破坏力大小F；
3）根据岩石试样破坏时轴力大小，结合刚性台阶式圆柱形垫板的弹性模量E1、柔性半圆柱垫板弹性模量E2，计算出两块刚性台阶式圆柱形垫板对岩石试样施加的压力F1、F4及两块柔性半圆柱垫板对岩石试样施加的压力F2、F3，进而确定岩石剪切面上的剪力△F大小；
4）根据剪切面上剪力与剪切面积的关系得到岩石的抗剪强度τ。
所述的刚性台阶式圆柱形垫板的高度是柔性半圆柱垫板高度的2倍为佳。
本发明一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的第二种改进方法为：
所采用的岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具包括千斤顶压头、一对圆柱形垫板、用于安装岩石试样的压力室，所述的千斤顶压头的下部形状、尺寸与压力室的圆柱型内腔相匹配，所述的一对圆柱形垫板的形状、尺寸也与压力室的圆柱型内腔相匹配。该组合模具还包括一对刚性半圆柱垫板、一对柔性半圆柱垫板，所述的一对刚性半圆柱垫板、一对柔性半圆柱垫板的高度、直径相等。
上述圆柱形垫板可选择弹性模量210MPa的合金钢，上述柔性半圆柱垫板可选择弹性模量105MPa的铝青铜。当然，也可以选择其他弹性模量不同的其他金属材料，只要二者的弹性模量不同就可。
该组合模具及岩石试样的安装方法为：
1）将一块圆柱形垫板安放到到压力室的底部；
2）将一块刚性半圆柱垫板、一块柔性半圆柱垫板组合成下部圆柱型配合体安放到1）步骤所述圆柱形垫板的上面
3）将岩石试样安放到2）步奏所述下部圆柱型配合体的上面；
4）再将另一块刚性半圆柱垫板、另一块柔性半圆柱垫板构成的上部圆柱型配合体安放到岩石试样的上面，接着将另一块圆柱形垫板安放到所述上部圆柱型配合体的上面；
所述的一块刚性半圆柱垫板位于岩石试样的左上面，另一块刚性半圆柱垫板位于岩石试样的右下面；所述的一块柔性半圆柱垫板位于岩石试样的右上面，所述的另一块柔性半圆柱垫板位于岩石试样的左下面；
5）然后将千斤顶压头的下部安放到步奏4）之另一块圆柱形垫板上面的压力室内。
对岩石试样抗剪强度进行测定的试验方法为：
1）分别测试刚性半圆柱垫板的弹性模量E1＇、柔性半圆柱垫板的弹性模量E2＇；利用千斤顶压头、压力室，给岩石试样施加预定的围压值，并使之稳定；
2）逐步施加轴压，并观察应变仪数值变化，确定破坏点和破坏时轴力大小，并记录破坏力大小F＇；
3）根据岩石试样（3）破坏时轴力大小，结合刚性半圆柱垫板的弹性模量E1＇、柔性半圆柱垫板的弹性模量E2＇，分别计算出刚性半圆柱垫板对岩石试样施加的压力F1＇、F4＇及柔性半圆柱垫板对岩石试样施加的压力F2＇、F3＇，进而确定岩石剪切面上的剪力△F＇大小；
4）根据剪切面上剪力与剪切面积的关系得到岩石的抗剪强度τ＇。
所述的一对刚性半圆柱垫板、一对柔性半圆柱垫板的高度、直径与所述的一对圆柱形垫板的高度、直径相等为佳。
本发明一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的改进方法，由于两种模块（垫板）的刚度不同，根据材料的变形量与所受外力、自身刚度、尺寸规格之间的关系，结合试验过程中岩石与模块（垫板）的变形协调，反算岩石试样受到来自不同模块（垫板）的作用力大小，得到剪切面两侧的剪力差值，进而得到岩石的三维抗剪强度，通过绘制抗剪强度与围压的关系曲线，得到岩石的强度参数。
本发明一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的改进方法，在具体试验过程中，只需要增加一套压头垫板装置，即可完成岩石三轴仪对岩石的三轴抗压试验和抗剪试验的集成，丰富了试验仪器的功能，有效提高了装置的性价比。
采用三轴仪进行剪切实验，获得的数据更加准确、可靠。相比于直剪仪和倾斜压膜机，本发明方法避免了岩石试样与实验装置的摩擦，减小了实验装置带来的系统误差；本发明方法采用的专用组合模具传承了岩石三轴压缩实验的优点，通过压力室向岩石试样提供了一个稳定的围压，轴压加载速率由电脑控制，因此可以更加稳定，数据采集也更为精细；通过三轴仪的伺服加载系统，可以获取岩石剪切破坏后的剪切破坏曲线。
附图说明
图1为现有的岩石三轴压缩试验图；
图2为本发明第一种改进组合模具下的三轴剪切试验图；
图3为本发明第一种改进组合模具下三轴剪切试验采用的组合模块图；
图4是本发明第一种改进组合模具下的三轴剪切试验岩石试样受力示意图；
图5为本发明第二种改进组合模具下的三轴剪切试验图；
图6为本发明第二种改进组合模具下三轴剪切试验采用的组合模块图；
图7是本发明第二种改进组合模具下的三轴剪切试验岩石试样受力示意图。
附图标记为：1-千斤顶压头，2-压力室，3-岩石试样,4-圆柱形垫板（改进前使用的），5-刚性台阶式圆柱形垫板（第一种改进方法），6-柔性半圆柱垫板（第一种改进方法）,5＇-刚性半圆柱垫板（第二种改进方法）, 6＇-柔性半圆柱垫板（第二种改进方法）。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合附图对本发明一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的改进方法作进一步详细描述。
由图1所示的现有的岩石三轴压缩试验图看出，将第一块圆柱形垫板4、岩石试样3、第二块圆柱形垫板4自下而上放入压力室2中，将千斤顶压头1的下部安放到第二块圆柱形垫板4的上面之压力室2内进行施压。
由图2所示的本发明第一种改进组合模具下的三轴剪切试验图并结合图3、图4看出，本发明一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的第一种改进方法为：
所采用的岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具包括千斤顶压头1、用于安装岩石试样3的压力室2，所述的千斤顶压头1的下部形状、尺寸与压力室2的圆柱型内腔相匹配。该组合模具还包括一对刚性台阶式圆柱形垫板5、一对柔性半圆柱垫板6，所述的柔性半圆柱垫板6的形状、尺寸与刚性台阶式圆柱形垫板5的台阶部分相匹配；所述的刚性台阶式圆柱形垫板5、柔性半圆柱垫板6的直径与岩石试样3的直径、压力室2的内径相等；所述的刚性台阶式圆柱形垫板5的高度是柔性半圆柱垫板6高度的2倍。
该组合模具及岩石试样3的安装方法为：
1）先后将一块刚性台阶式圆柱形垫板5、一块柔性半圆柱垫板6安放到压力室2的底部，二者形成下部圆柱型配合体；
2）将岩石试样3安放在下部圆柱型配合体的上面；
3）再将另一块柔性半圆柱垫板6、另一块刚性台阶式圆柱形垫板5构成的上部圆柱型配合体安放到岩石试样3的上面；
所述的一块柔性半圆柱垫板6位于岩石试样3左下面，所述的另一块柔性半圆柱垫板6位于岩石试样3右上面；
4）然后将千斤顶压头1的下部安放到上部圆柱型配合体上面的压力室2内。
对岩石试样抗剪强度进行测定的试验方法为：
1）分别测试刚性台阶式圆柱形垫板的弹性模量E1、柔性半圆柱垫板弹性模量E2；利用千斤顶压头1、压力室2，给岩石试样3施加预定的围压值，并使之稳定；
2）逐步施加轴压，并观察应变仪数值变化，确定破坏点和破坏时轴力大小，并记录破坏力大小F；
3）根据岩石试样3破坏时轴力大小，结合刚性台阶式圆柱形垫板5的弹性模量E1、柔性半圆柱垫板6的弹性模量E2，分别计算出两块刚性台阶式圆柱形垫板5对岩石试样3施加的压力F1、F4及两块柔性半圆柱垫板6对岩石试样3施加的压力F2、F3，进而确定岩石剪切面上的剪力△F大小；
其中：
；
；
；
式中：——上部刚性台阶式圆柱形垫板5与岩石试样3之间的作用力大小，单位N；
——右上部柔性半圆柱垫板6与岩石试样3之间的作用力大小，单位N；
——左下部柔性半圆柱垫板6与岩石试样3之间的作用力大小，单位N；
——下部刚性台阶式圆柱形垫板5与岩石试样3之间的作用力大小，单位N；
——千斤顶压头1所施加的压力大小，单位N；
——刚性台阶式圆柱形垫板5的弹性模量大小，单位GPa；
——柔性半圆柱垫板6的弹性模量大小，单位GPa；
——剪切面上剪力大小，单位N；
4）根据剪切面上剪力与剪切面积的关系得到岩石的抗剪强度τ，其中：
式中：——抗剪强度大小，单位Pa；
——圆柱试样的直径大小，单位m；
——圆柱试样的高度大小，单位m。
由图5所示的本发明第二种改进组合模具下的三轴剪切试验图并结合图6、图7看出，本发明一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的第二种改进方法为：
所采用的岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具包括千斤顶压头1、一对圆柱形垫板4、用于安装岩石试样3的压力室2，所述的千斤顶压头1的下部形状、尺寸与压力室2的圆柱型内腔相匹配，所述的一对圆柱形垫板4的形状、尺寸也与压力室2的圆柱型内腔相匹配，其特征在于：该组合模具还包括一对刚性半圆柱垫板5＇、一对柔性半圆柱垫板6＇，所述的一对刚性半圆柱垫板5＇、一对柔性半圆柱垫板6＇的高度、直径相等；所述的一对刚性半圆柱垫板5＇、一对柔性半圆柱垫板6＇的高度、直径与所述的一对圆柱形垫板4的高度、直径相等。
该组合模具及岩石试样3的安装方法为：
1）将一块圆柱形垫板4安放到到压力室2的底部；
2）将一块刚性半圆柱垫板5＇、一块柔性半圆柱垫板6＇组合成下部圆柱型配合体安放到1）步骤所述圆柱形垫板4的上面；
3）将岩石试样3安放到2）步奏所述下部圆柱型配合体的上面；
4）再将另一块刚性半圆柱垫板5＇、另一块柔性半圆柱垫板6＇构成的上部圆柱型配合体安放到岩石试样3的上面，接着将另一块圆柱形垫板4安放到所述上部圆柱型配合体的上面；
所述的一块刚性半圆柱垫板5＇位于岩石试样3的左上面，另一块刚性半圆柱垫板5＇位于岩石试样3的右下面；所述的一块柔性半圆柱垫板6＇位于岩石试样3的右上面，所述的另一块柔性半圆柱垫板6＇位于岩石试样3的左下面；
5）然后将千斤顶压头1的下部安放到步奏4）之另一块圆柱形垫板4上面的压力室2内；
对岩石试样抗剪强度进行测定的试验方法为：
1）分别测试刚性半圆柱垫板5＇的弹性模量E1＇、柔性半圆柱垫板6＇的弹性模量E2＇；利用千斤顶压头1、压力室2，给岩石试样3施加预定的围压值，并使之稳定；
2）逐步施加轴压，并观察应变仪数值变化，确定破坏点和破坏时轴力大小，并记录破坏力大小F＇；
3）根据岩石试样3破坏时轴力大小，结合刚性半圆柱垫板5＇的弹性模量E1＇、柔性半圆柱垫板6＇的弹性模量E2＇，分别计算出刚性半圆柱垫板5＇对岩石试样3施加的压力F1＇、F4＇及柔性半圆柱垫板6＇对岩石试样3施加的压力F2＇、F3＇，进而确定岩石剪切面上的剪力△F＇大小，其计算方法与第一种改进方法第3）步相同；
4）根据剪切面上剪力与剪切面积的关系得到岩石的抗剪强度τ＇，其计算方法与第一种改进方法第4）步相同。
Claims (2)
1.一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的改进方法，所采用的岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具包括千斤顶压头(1)、用于安装岩石试样(3)的压力室(2)，所述的千斤顶压头(1)的下部形状、尺寸与压力室(2)的圆柱型内腔相匹配，其特征在于：该组合模具还包括一对刚性台阶式圆柱形垫板(5)、一对柔性半圆柱垫板(6)，所述的柔性半圆柱垫板(6)的形状、尺寸与刚性台阶式圆柱形垫板(5)的台阶部分相匹配；所述的刚性台阶式圆柱形垫板(5)、柔性半圆柱垫板(6)的直径与岩石试样(3)的直径、压力室(2)的内径相等；
该组合模具及岩石试样(3)的安装方法为：
1)先后将一块刚性台阶式圆柱形垫板(5)、一块柔性半圆柱垫板(6)安放到压力室(2)的底部，二者形成下部圆柱型配合体；
2)将岩石试样(3)安放在下部圆柱型配合体的上面；
3)再将另一块柔性半圆柱垫板(6)、另一块刚性台阶式圆柱形垫板(5)构成的上部圆柱型配合体安放到岩石试样(3)的上面；
所述的一块柔性半圆柱垫板(6)位于岩石试样(3)左下面，所述的另一块柔性半圆柱垫板(6)位于岩石试样(3)右上面；
4)然后将千斤顶压头(1)的下部安放到上部圆柱型配合体上面的压力室(2)内；
对岩石试样抗剪强度进行测定的试验方法为：
1)分别测试刚性台阶式圆柱形垫板的弹性模量E1、柔性半圆柱垫板弹性模量E2；利用千斤顶压头(1)、压力室(2)，给岩石试样(3)施加预定的围压值，并使之稳定；
2)逐步施加轴压，并观察应变仪数值变化，确定破坏点和破坏时轴力大小，并记录破坏力大小F；
3)根据岩石试样(3)破坏时轴力大小，结合刚性台阶式圆柱形垫板(5)的弹性模量E1、柔性半圆柱垫板(6)的弹性模量E2，分别计算出两块刚性台阶式圆柱形垫板(5)对岩石试样(3)施加的压力F1、F4及两块柔性半圆柱垫板(6)对岩石试样(3)施加的压力F2、F3，进而确定岩石剪切面上的剪力△F大小；
其中：
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<mn>1</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>F</mi>
<mo>;</mo>
</mrow>
式中：F1——上部刚性台阶式圆柱形垫板5与岩石试样3之间的作用力大小，单位N；
F2——右上部柔性半圆柱垫板6与岩石试样3之间的作用力大小，单位N；
F3——左下部柔性半圆柱垫板6与岩石试样3之间的作用力大小，单位N；
F4——下部刚性台阶式圆柱形垫板5与岩石试样3之间的作用力大小，单位N；
F——千斤顶压头1所施加的压力大小，单位N；
E1——刚性台阶式圆柱形垫板5的弹性模量大小，单位GPa；
E2——柔性半圆柱垫板6的弹性模量大小，单位GPa；
ΔF——剪切面上剪力大小，单位N；
4)根据剪切面上剪力与剪切面积的关系得到岩石的抗剪强度τ，其中：
<mrow>
<mi>&tau;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>E</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>D</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>h</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>F</mi>
</mrow>
式中：τ——抗剪强度大小，单位Pa；
D——圆柱试样的直径大小，单位m；
h——圆柱试样的高度大小，单位m。
2.如权利要求1所述的一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的改进方法，其特征在于：所述的刚性台阶式圆柱形垫板(5)的高度是柔性半圆柱垫板(6)高度的2倍。
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