CN105181453B - 岩土介质拉剪强度测试分析方法 - Google Patents
岩土介质拉剪强度测试分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种岩土介质拉剪强度测试分析方法，涉及岩土介质拉剪技术。本装置的结构是：在试样夹持器（2）内安装试样（1）；轴压系统（3）和试样（1）连接，加载和记录轴压；内压系统（4）和试样（1）连接，加载和记录内压；拉剪点捕获装置（5）和试样（1）连接，实现拉剪点的捕获；本方法的主要步骤是：利用厚壁圆筒式致裂仪实现岩土拉剪破坏试验；拉剪强度计算方法及拉剪强度曲线绘制。本发明实验操作简单方便，自动化程度高，可重复性好；本发明还可几乎不加修改地应用于岩土介质压剪强度的测试，拓展了传统厚壁筒压裂实验技术的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及岩土介质拉剪技术，尤其涉及一种岩土介质拉剪强度测试分析方法。凡是岩土工程中可能出现拉剪组合应力状态的地方都是此技术的潜在应用领域，如井筒工程、锚锭工程、隧道工程、边坡工程和地下厂房等。
背景技术
许多岩土工程的实践日益表明，岩土所受到的应力路径和应力状态极其复杂，卸载和加载的不同路径可能导致岩土介质处于拉剪应力状态，从而发生拉剪破坏的场合越来越多。如在矿山开采、隧道和地下厂房等地下工程中，由于岩土的非均质非弹性，卸荷应力路径必定会在某些部位形成一种由差异变形而产生的拉应力。在桥梁工程中，一些桥梁(如丰都长江大桥、重庆鹅公岩长江大桥、重庆忠县长江大桥和万州长江二桥等)的设计方案采用了隧道式锚碇，而锚碇-围岩系统的破坏必定是锚体带动后部周边一定范围岩体一起发生整体拉剪破坏。危岩是三峡库区以及我国整个西部地区的主要地质灾害，危岩稳定性的评价和治理需求日益增多，拉剪破坏型危岩是其中的主要类型。此外，随着新型地下工程的日益涌现，如深部地热的致裂增渗开发，各种类型的开发井筒(水平井、大位移井等)，也面临着岩土拉剪行为研究的迫切需求。
目前，岩土的压剪力学行为的研究无论在数量上还是深度上均占压倒性优势，而对拉剪强度的研究则很少，但日益受到重视。研究岩土介质拉剪应力下的变形破坏行为一般采用直接拉剪实验，但有较多的局限，如许多岩石在拉力的直接控制上十分不便，难以实现复杂应力环境等。对岩土拉剪破坏的刻画一般是在压剪破坏准则的压剪破坏线延伸至拉应力区并作跌落或线性延伸处理。由于关于拉剪的试验数据非常稀少，理论模型和实验数据缺乏系统的校对，目前关于岩土介质拉剪强度的测试方法研究较少，而且已有的研究成果大多试验过程繁琐，不易操作，精度不高，亟待改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种岩土介质拉剪强度测试分析方法。
本发明的目的是这样实现的：
一、设计思路
在工作实践中，首次发现了传统的厚壁筒水力压裂方法可以在空心圆柱试样中实现拉剪应力状态，并且发现拉剪破坏先于纯拉破坏发生，因此可以考虑应用于测试岩土介质的拉剪强度。
由于在厚壁圆筒致裂仪上进行砂岩压裂的试验时发现，许多试样在压裂时出现了倾斜裂纹，并且意外地发现，随着轴压的变化，试样破裂面角度呈现出规律性的变化。单纯的拉破坏已经无法充分地解释这一现象的发生。再结合弹性力学的应力分析可以知道，任意斜截面上都存在应力，这样必然在有些界面上存在拉-剪组合应力状态。因此，只要调整好轴压、围压和内压的值就可以控制拉-剪应力状态的出现。当岩土介质破坏时，只要测量破坏面的产状(位置、角度)，然后根据斜截面的应力公式得到拉-剪破坏面的解析解。不同的外力组合得到不同的拉-剪破坏面，从而得到应力空间不同的破坏点。也就是加载的时候，试样的相当一部分斜截面为拉剪应力区，这为进行岩石拉剪破坏研究提供了可能。具体分析如下：
1、通过对厚壁圆筒形岩土试样在均匀轴压、围压、内压组合作用下应力状态的弹性力学分析，发现内压大于围压是产生拉-剪应力状态的必要条件，且轴压不利于产生拉应力，故可不施加围压，简化实验，且轴压值不宜过大。
2、利用厚壁圆筒式致裂仪，使空心圆柱体岩土试样在无围压，轴压恒定，内压加载系统恒流速施加内压直至压力读数突然降低发生破坏；改变轴压，重复试验；
3、利用拉剪点捕获装置(比如声发射等)，使不同轴压下岩土试件发生拉-剪破坏时的内压值得以捕获；
4、利用破坏面产状测量装置(如扫描、摄像等)，使不同轴压下岩土试件发生拉-剪破坏时的破裂面位置、角度得以测量；
5、通过拟合不同轴压下岩土试件发生拉-剪破坏时破裂面上的正应力和切应力组合，即可确定岩土介质的拉-剪强度。
二、技术方案
1、岩土介质拉剪强度测试分析装置——厚壁圆筒式致裂仪
本装置包括试样、试样夹持器、轴压系统、内压系统和拉剪点捕获装置；
在试样夹持器内安装试样；
轴压系统和试样连接，加载和记录轴压；
内压系统和试样连接，加载和记录内压；
拉剪点捕获装置和试样连接，实现拉剪点的捕获。
2、岩土介质拉剪强度测试分析方法
①利用厚壁圆筒式致裂仪实现岩土拉剪破坏试验
A、将试样安装在试样夹持器内，采用热收缩管包裹空心圆柱形岩土试样的内壁和外周；
B、连接管线并安装好试样夹持器，连接轴压系统和内压系统；
C、不施加外部围压(外部围压为零)，通过轴压系统加载轴压q至设定值，内压系统施加内压pi直至压力读数突然降低，试样破坏，试验结束；
D、试验过程中，通过拉剪点捕获装置捕获试样发生拉剪破坏的时机，同时读取此时的内压值和轴压值；
E、(利用扫描或摄像等技术)量测拉剪破坏面的位置和角度的几何信息；
F、对于一组内的其他试样，重复以上步骤，获取不同轴压下试样拉剪破坏的多组数据；
②拉剪强度计算方法及拉剪强度曲线绘制
将测得的破裂面角度转换为破坏面法线与直角坐标系中三个坐标轴x、y、z夹角的余弦值l′、m′、n′，捕捉不同轴压q下岩土试件发生拉剪破坏时的内压值pi，则计算出岩土介质发生拉剪破坏时破坏面上的正应力σ′n和切应力τ′n：
其中，γi为岩土试样的内半径ri与外半径ro之比的平方，即
其余符号与上述操作步骤中提及的一致；
将不同轴压下试样发生拉剪破坏时破坏面上的正应力切应力的多个组合(σ′n，τ′n)绘制在正应力-剪应力坐标系下，得到该类型岩土介质的拉剪强度曲线，通过拟合可得拉剪强度的模型和参数。
本发明具有以下特点和积极效果：
①发现厚壁筒水力压裂实验中，在一些条件下，拉剪破坏先于拉破坏发生，故可利用厚壁圆筒式致裂仪实现岩土介质的拉剪组合应力状态及拉剪破坏；
②采用厚壁圆筒式致裂仪可以方便地实现不同轴压和内压的加载；
③在拉剪破坏瞬间，还可认为材料处于弹性状态，因此，利用空间轴对称问题的弹性力学解析解获得介质破坏面上的拉剪强度,通过多组破坏点数据的拟合得出拉剪强度曲线和拉剪破坏准则参数；
④本发明所依据的理论基础和试验技术均成熟可靠，实验操作简单方便，自动化程度高，可重复性好；
⑤本发明还可几乎不加修改地应用于岩土介质压剪强度的测试，拓展了传统厚壁筒压裂实验技术的应用范围。
总之，本发明因其理论基础完备、实验操作简单、测量精度高、安全可靠，使其具有很好的理论价值和应用前景。
附图说明
图1是本装置的结构示意图；
图中：
1—试样；
2—试样夹持器；
3—轴压系统；
4—内压系统；
5—拉剪点捕获装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、装置
1、总体
如图1，本装置包括试样1、试样夹持器2、轴压系统3、内压系统4和拉剪点捕获装置5；
其连接关系是：
在试样夹持器2内安装试样1；
轴压系统3和试样1连接，加载和记录轴压；
内压系统4和试样1连接，加载和记录内压；
拉剪点捕获装置5和试样1连接，实现拉剪点的捕获。
2、功能部件
1)试样1
试样1是一种空心圆柱形岩土试样，是本发明测试和分析的客体。
2)试样夹持器2
试样夹持器2是一种用于固定空心圆柱形岩土试样1的通用装置。
3)轴压系统3
轴压系统3是一种通用的加载和记录轴压的设备，包含轴压传感器。
4)内压系统(包含内压数据采集装置)4
内压系统4是一种通用的加载和记录内压的设备，包含内压数据采集装置。
5)拉剪点捕获装置5
拉剪点捕获装置5是一种用于捕获岩土试样1发生拉剪破坏时机的设备，如选用声发射仪等。
3、工作机理
本发明主要利用厚壁圆筒式致裂仪，通过轴压系统3和内压系统4实现不同轴压和内压的加载及记录，使岩土试样出现拉剪组合应力状态及拉剪破坏，再测定拉剪破坏面的位置、几何、时机等信息，利用空间轴对称问题的弹性力学解析解获得试样破坏面上的拉-剪强度，通过多组破坏点数据的拟合得出拉剪强度曲线和参数。
二、应用
目前，岩土介质的压剪力学行为的研究无论在数量上还是深度上均占压倒性优势，而对拉剪强度的研究则很少，但日益受到重视。研究岩土介质拉剪应力下的变形破坏行为一般采用直接拉剪实验，但有较多的局限，如许多岩土介质在拉力的直接控制上十分不便，难以实现复杂应力环境等。由于关于拉剪的试验数据非常稀少，理论模型和实验数据缺乏系统的校对。已有的研究成果大多试验过程繁琐，不易操作，精度不高，亟待改进。
本发明首次发现了传统的厚壁筒水力压裂方法可以在空心圆柱试样中实现拉剪应力状态，并且发现拉剪破坏先于纯拉破坏发生，因此提出了一种基于空心圆柱形试样的压裂试验，来进行岩土介质拉剪强度的测试分析。本发明所依据的理论基础和试验技术均成熟可靠，实验操作简单方便，自动化程度高，而且拓展了传统厚壁筒压裂实验技术的应用范围，凡是岩土工程中可能碰到拉-剪破坏的地方都可以采用本方法进行测试分析，从而为岩土介质发生拉-剪破坏的测试、预测提供可靠的依据和参考。
Claims (1)
1.一种岩土介质拉剪强度测试分析方法，其特征在于：
其装置包括试样(1)、试样夹持器(2)、轴压系统(3)、内压系统(4)和拉剪点捕获装置(5)；
在试样夹持器(2)内安装试样(1)；轴压系统(3)和试样(1)连接，加载和记录轴压；内压系统(4)和试样(1)连接，加载和记录内压；拉剪点捕获装置(5)和试样(1)连接，实现拉剪点的捕获；
其方法包括下列步骤：
①利用厚壁圆筒式致裂仪实现岩土拉剪破坏试验
A、将试样(1)安装在试样夹持器(2)内，采用热收缩管包裹空心圆柱形岩土试样(1)的内壁和外周；
B、连接管线并安装好试样夹持器(2)，连接轴压系统(3)和内压系统(4)；
C、不施加外部围压，即外部围压为零，通过轴压系统(3)加载轴压q至设定值，内压系统(4)施加内压pi直至压力读数突然降低，试样破坏，试验结束；
D、试验过程中，通过拉剪点捕获装置(5)捕获试样(1)发生拉剪破坏的时机，同时读取此时的内压值和轴压值；
E、利用扫描或摄像等技术量测拉剪破坏面的位置和角度的几何信息；
F、对于一组内的其他试样，重复以上步骤，获取不同轴压下试样(1)拉剪破坏的多组数据；
②拉剪强度计算方法及拉剪强度曲线绘制
将测得的破裂面角度转换为破坏面法线与直角坐标系中三个坐标轴x、y、z夹角的余弦值l′、m′、n′，捕捉不同轴压q下岩土试件发生拉剪破坏时的内压值pi，则计算出岩土介质发生拉剪破坏时破坏面上的正应力σ′n和切应力τ′n：
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其中，γi为岩土试样的内半径ri与外半径ro之比的平方，即
其余符号与上述操作步骤中提及的一致；
将不同轴压下试样发生拉剪破坏时破坏面上的正应力切应力的多个组合(σ′n，τ′n)绘制在正应力-剪应力坐标系下，得到该类型岩土介质的拉剪强度曲线，通过拟合可得拉剪强度的模型和参数；
所述的试样(1)是一种空心圆柱形岩土试样。
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| Title |
|---|
| 《厚壁圆筒式两相流体致裂仪研制》;李小春等;《岩石力学与工程学报》;20120831;第31卷(第8期);第3部分第2段-第4部分第3段、附图3 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105181453A (zh) | 2015-12-23 |
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