CN105181437A - 含裂隙岩体拉剪断裂的模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明为含裂隙岩体拉剪断裂的模拟试验装置，底座的凹槽内装有外低内高的台阶，底座凹槽的两侧凸起部及背面凸起部装有互相平行的第一、第二、第三、第四导向固定螺柱，各导向固定螺柱上分别装有螺母，上盖装在第一、第二、第三、第四导向固定螺柱上并能沿第一、第二、第三、第四导向固定螺柱上、下移动，上盖前部为与底座凹槽上的台阶平齐的棱而两侧及背面下部有围墙式挡板，轴载面形状为楔形的下小上大的加载轴装在加载设备上。本发明装置可以实现不同应力状态下对带预制裂纹的岩石试样的断裂试验。

Description

含裂隙岩体拉剪断裂的模拟试验装置

技术领域：

本发明涉及一种模拟岩体受力破坏的室内试验装置，特别是在带有预制裂纹的岩样中模拟脆性岩体拉剪断裂破坏过程的含裂隙岩体拉剪断裂的模拟试验装置。属岩土工程技术领域。

背景技术：

断裂力学分析方法是将危岩体中的主控结构面模拟为裂纹，认为各种外界荷载作用下岩体内主控结构面尖端应力场在具有奇异性，当裂纹尖端应力强度因子大于岩体的断裂韧性，裂纹即开始扩展。裂纹的扩展形式主要有Ⅰ型（张开型）、Ⅱ型（滑移型）、Ⅲ型（撕裂型），拉剪复合断裂属于Ⅰ型断裂。目前，国内外测定岩石Ⅰ型断裂韧度的室内试验有很多，其中V型切口弯曲试件测定断裂韧度的试验应用最广，被国际岩石力学学会测试委员会推举为建议采用的岩石断裂韧度测定方法。这种装置在试验时使裂纹两侧均受到荷载的作用而使裂纹横向扩展，仅简单用于测量岩石的Ⅰ型断裂韧度。

在危岩体受力破坏的过程中，影响其失稳破坏的因素较多，其破坏形式也是复杂多变的。不同的裂纹情况（裂纹的长度、宽度以及倾角）和岩体重心位置主要控制着岩体尖端应力分布和最终断裂扩展形式，此外，岩桥长度、临空面的长度以及岩层间的相互影响也是影响危岩体倾倒变形的重要因素。因此，本装置在模拟试验中既可以研究岩体拉剪断裂破坏过程中不同因子对断裂扩展形式的影响，还可据此测量其Ⅰ型断裂韧度。

发明内容：

本发明的目的是为了提供一种利用断裂力学理论、考虑岩体拉剪断裂破坏特征，在V型切口弯曲试验的基础上，考虑不同的影响因子，试验中可以考虑裂纹的长度、宽度以及倾角，裂纹与荷载点的相对位置，临空面长度以及岩样间的相互影响等对岩样受力破坏试验结果的影响，可以实现不同应力状态下对带预制裂纹的岩石试样的断裂试验的含裂隙岩体拉剪断裂的模拟试验装置。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明含裂隙岩体拉剪断裂的模拟试验装置，底座的凹槽内装有外低内高的台阶，底座凹槽的两侧凸起部及背面凸起部装有互相平行的第一导向固定螺柱、第二导向固定螺柱、第三导向固定螺柱、第四导向固定螺栓，各导向固定螺柱上分别装有螺母，上盖装在第一、第二、第三、第四导向固定螺柱上并能沿第一、第二、第三、第四导向固定螺柱上、下移动，上盖前部为与底座凹槽上的台阶平齐的棱而两侧及背面下部有围墙式挡板，轴载面形状为楔形的下小上大的加载轴装在加载设备上。

上述的台阶活动位于底座凹槽内。

上述的上盖顶部向上凸起，增加强度。

本发明在V型切口弯曲试验基础上，结合断裂力学理论和岩体拉剪断裂破坏特征，设计了岩样固定部分，岩样高度调节部分，控制裂纹与荷载点距离部分，岩体临空面模拟部分。岩样固定部分：通过底座、固定柱、上盖和固定螺母四个部分来实现，可以固定不同预制裂纹的岩样。岩样高度调节部分：将预制好的岩样在底座凹槽内部放置好以后，通过调节上盖与岩样的位置，来适应试验中岩样的不同高度。其余两个部分的设计均在底座：一是通过底座凹槽内部台阶状较低一侧部分来实现荷载点在岩样中的位置变化（控制裂纹与荷载点距离部分）；二是底座凹槽内部台阶存在一定的高度差且台阶可活动，可模拟岩体受力破坏时的临空面，并研究临空面长度对其拉剪破坏的影响（岩体临空面模拟部分）。

本发明具有以下优点：

1本装置的岩样固定部分，可以实现对不同裂纹的岩样进行加载试验，试验中可得到不同的裂纹情况对裂纹扩展形式的影响。

2本装置中的底座可以实现对岩样中裂纹一侧的不同位置进行加载，可得到距裂纹不同位置的加载条件下，荷载对裂纹扩展形式的影响。

3本装置采用导向固定螺柱控制岩样高度，螺母固定的方式，可对不同高度的岩样进行加载试验，适应试验中不同的岩样高度。

4本装置中的活动台阶可模拟岩体破坏的临空面，探究临空面长度对裂纹尖端区域的应力分布和裂纹扩展形式的影响。

5本装置可以真实反映岩体拉剪破坏的影响因子，以及岩体的破坏形态和拉剪应力状态，是进一步研究其破坏机理的基础。

6本发明装置设计合理，操作使用方便，适用于模拟各类试样的断裂试验。

附图说明：

图1为本发明装置立体图。

图2为本发明结构示意图。

图3为图2的左视图。

图4为图2的右视图。

图5为图2的俯视图。

具体实施方式：

参见图1～图5，本实施例含裂隙岩体拉剪断裂的模拟试验装置，底座1的凹槽2内有外低内高的活动台阶3。底座凹槽的两侧凸起部及背面凸起部装有互相平行的第一导向固定螺柱4、第二导向固定螺柱5、第三导向固定螺柱6、第四导向固定螺7。各导向固定螺柱上分别装有螺母8。顶部向上凸起的上盖9装在第一、第二、第三、第四导向固定螺柱上并能沿第一、第二、第三、第四导向固定螺柱上、下移动。上盖前部为与底座凹槽上的台阶平齐的棱10而两侧及背面下部有围墙式挡板11。轴载面形状为楔形的下小上大的加载轴12装在加载设备上。

底座凹槽内台阶一是为了更好的放置和固定岩样，二是实现荷载点在岩样中的位置变化，三是研究临空面长度对岩体受力破坏的影响；第一、第二导向固定螺柱是为了保证试验过程中装置的稳定性；第三、第四导向固定柱是主要受力柱，是为了保证岩样裂纹一侧部分受力均匀；上盖前部凸起为棱，下部为围墙式挡板，主要是为了增加试验过程中装置的稳定性；采用楔形加载轴与岩样接触一边较短，近似于线荷载。

具体试验过程的实施：（1）预制岩样：岩样的制备主要分为两种，一是制备贯通裂纹试样，分为不同的裂纹长度、宽度及倾角；二是制备未贯通裂纹岩样，岩样中岩桥长度不同；（2）装加载轴：将楔形加载轴与加载设备结合在一起，加载头设计的结合方式能与设备很好的结合；（3）放置岩样：松开螺母，取下上盖，将预制好的岩样放置于底座凹槽内部台阶高的一侧；（4）调整岩样位置：将上盖穿过际刉固定螺柱与岩样接触，调整岩样与上盖的位置，使岩样裂纹一侧部分固定于上盖里面，另一侧部分露出；（5）固定岩样：给固定柱栓螺母，拧紧，使其将岩样完全固定于装置之中；（6）加载：岩样固定于装置之后，将装置放置于加载设备的平台之上，利用设计的楔形加载轴进行加载；（7）变换加载位置：重新放置相同尺寸的岩样，重复前面的步骤，通过底座凹槽内部台阶状较低一侧移动装置的位置，实现对岩样裂纹一侧加载点位置的变化。

本发明在岩石力学试验中的应用：

本发明的应用主要有两方面：一是研究不同影响因子对岩体拉剪破坏裂纹扩展形式的影响；二是计算其Ⅰ型断裂韧度。

试验过程与步骤如前述，岩样的加工精度、平直度和垂直度均控制在《水利水电工程岩石试验规程》（SL264—2001），试验前对裂纹进行预处理。

对裂纹的预处理，将试样预制为多组贯通和不贯通裂纹两种类型，贯通裂纹中设置裂纹不同长度、倾角和宽度；不贯通裂纹中设置不同的岩桥长度。

采用控制变量的方法，试验中唯一变量裂纹的试样在装置中其他试验条件相同的情况下，得到试样中裂纹的不同扩展形态。在裂纹处粘贴电阻应变片，并安装测试导线，在试样不受力的位置黏贴温度补偿片，得到裂纹尖端区域的应变变化特性。

不同岩桥长度的试样在装置中其他试验条件相同的情况下，得到拉张破裂产生的新裂纹的扩展结果。

相同尺寸的试样置于装置中，调节装置底座的可活动台阶使试样处于不同的临空面，相同加载条件下得到不同临空面长度下岩体中裂纹尖端应力分布和裂纹的扩展形式。

固定装置底座中的活动台阶，将相同尺寸的试样置于装置中，通过底座中的活动台阶和楔形加载头改变试样中加载点的位置，此荷载模型可简化为岩体重心，得到不同重心位置的情况下，岩体中裂纹的扩展形式。

在装置中重叠放置多个相同尺寸的试样，固定装置底座中的活动台阶，其他试验条件相同的情况下，得到各个试样不同的破坏情况，可简化此模型为岩层间的相互影响对岩体中裂纹扩展的影响。

在单一危岩块中，拉剪复合裂纹的断裂属于Ⅰ型断裂，试验中利用预制裂纹与加载点的距离和荷载大小值可计算单一危岩块主控结构面端部的等效弯矩，再根据岩样高度和裂纹长度，通过断裂力学的方法可获得其Ⅰ型断裂韧度。

危岩体主控结构面类比为Ⅰ型裂纹，其端部应力强度因子计算式为：

式中：为应力强度因子(Ⅰ型断裂韧度)；为危岩等效弯矩；为危岩高度；α为危岩主控面裂纹长度。

本装置在可模拟岩体拉剪破坏的试验过程，并通过装置中的分改变模拟条件，得到不同影响因子对岩体裂纹尖端应力分布和裂纹扩展形式的影响。除此之外，本装置还可模拟其他脆性材料的拉剪破坏过程，以及分析影响其破坏过程的因素。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的额范围。

Claims (3)

1.含裂隙岩体拉剪断裂的模拟试验装置，其特征在于底座的凹槽内装有外低内高的台阶，底座凹槽的两侧凸起部及背面凸起部装有互相平行的第一导向固定螺柱、第二导向固定螺柱、第三导向固定螺柱，第四导向固定螺柱，各导向固定螺柱上分别装有螺母，上盖装在第一、第二、第三、第四导向固定螺柱上并能沿第一、第二、第三、第四导向固定螺柱上、下移动，上盖前部为与底座凹槽上的台阶平齐的棱而两侧及背面下部有围墙式挡板，轴载面形状为楔形的下小上大的加载轴装在加载设备上。

2.如权利要求1所述的含裂隙岩体拉剪断裂的模拟试验装置，其特征在于台阶活动位于底座凹槽内。

3.如权利要求1或2所述的含裂隙岩体拉剪断裂的模拟试验装置，其特征在于上盖顶部向上凸起。