CN105699213A - 用于岩石纯剪切试验的岩块试件及基于该试件的纯剪切试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的用于纯剪切试验的岩块试件，其构成由在长方体形试件本体下端面沿厚D度方向设置凹向试件本体内部垂直贯通试件本体两端面的长方体形凹槽，在上端面沿宽度方向设置垂直贯通试件本体两端面与长方形体凹槽相对应的长方体形凸台而形成，所述凹槽的两侧壁面和凸台的两侧壁面分别关于试件本体垂直于上下端面的同一中垂面对称，且凹槽的两侧壁面之间的宽度和凸台的两侧壁面之间的宽度相等，所述凹槽的底平面与凹槽两侧壁面体的端平面平行，所述凸台的顶平面与凸台两侧的台阶平面平行。本发明还提供了基于上述岩块试件在常规岩石力学试验机上进行岩石的纯剪切试验方法。本发明能实现真正的纯剪试验，获得岩石的纯剪切强度。

Description

用于岩石纯剪切试验的岩块试件及基于该试件的纯剪切试验方法

技术领域

本发明属于岩石类脆性材料剪切强度测试领域，特别涉及用于纯剪切试验的岩块试件及基于该试件的纯剪切试验方法。

背景技术

剪切破坏是岩体的主要破坏方式之一，岩石剪切强度代表了岩石自身抵抗剪切破坏的能力，是工程建设中的基础参数，开展岩石剪切强度测试方法研究是准确获取岩石剪切强度值的重要前提。目前用于测试岩石剪切强度的方法有直接剪切试验、三轴剪切试验、楔形剪切(或称为倾斜剪切)试验、单面剪切试验、双面剪切试验及冲孔剪切试验等。这些方法所用的岩石试验均为规则的圆柱形、正方体形或长方体形。直接剪切试验、三轴剪切试验、楔形剪切试验等方法是最常应用的，他们通过测得剪切破裂面上多组正应力下的极限剪应力研究岩石剪切强度，但均无法实现真正的纯剪切破坏(即剪切破裂面上不存在正应力，仅有剪应力的情况)。单面剪切和双面剪切对试验机要求高，需要带有专门夹具的剪切试验机才能进行该试验，且由于剪切面上存在较大弯矩，仍难以实现真正的纯剪试验。冲孔剪切试验是将扁平的圆盘状岩块试件固定在环状支座上，顶面垫一个直径等于制作内经的圆柱状压头，通过对圆柱塞施加冲击力，使岩块试件发生剪切破坏。该方法存在以下问题：在剪切过程中压头和环状支座与岩块试件的表面接触部位会存在较大的压缩应力集中区，从而导致剪切部位受压出现屈服破坏区，并且在冲剪过程中还易形成弯矩，整个应力状态复杂，也不能保证破坏沿预定剪切破裂面发展。因此该方法在岩石剪切试验中很难见到应用。可见，研究结构形式简单且可以便捷、有效地测试岩石纯剪切强度的试件构型及岩石纯剪切试验方法十分必要，也是目前试验测试和研究的难点。

发明内容

针对现有岩石剪切强度测试技术的不足，本发明的第一个目的是提供一种用于岩石纯剪切试验的新型岩块试件，以用于在现有常规岩石力学试验机上进行岩石的纯剪切试验；本发明的第二个目的是提供基于上述岩块试件在常规岩石力学试验机上进行岩石的纯剪切试验方法，以实现真正的纯剪试验，从而获得岩石的纯剪切强度。

针对本发明的第一个发明目的，本发明提供的用于纯剪切试验的岩块试件，其构成由在长方体形试件本体下端面沿厚D度方向设置凹向试件本体内部垂直贯通试件本体两端面的长方体形凹槽，在上端面沿宽度方向设置垂直贯通试件本体两端面与长方形体凹槽相对应的长方体形凸台而形成，所述凹槽的两侧壁面和凸台的两侧壁面分别关于试件本体垂直于上下端面的同一中垂面对称，且凹槽的两侧壁面之间的宽度和凸台的两侧壁面之间的宽度相等，所述凹槽的底平面与凹槽两侧壁面体的端平面平行，所述凸台的顶平面与凸台两侧的台阶平面平行。

在本发明的上述技术方案中，试件本体的高度H最好大于或等于岩石颗粒尺寸的10倍。

在本发明的上述技术方案中，试件本体的宽度W，优选0.9H≤W≤1.5H。

在本发明的上述技术方案中，试件本体的厚度D，优选1.1H≤D≤1.6H。

在本发明的上述技术方案中，所述凹槽的两侧壁面之间的宽度和凸台的两侧壁面之间的宽度W₁，即凸台和凹槽在上下端面上占据的宽度，优选0.4W≤W₁≤0.7W。

在本发明的上述技术方案中，所述凸台高度H₂，优选0.2H≤H₂≤0.5H；所述凹槽的深度H₃，优选0.3H≤H₃≤0.5H。

在本发明的上述技术方案中，试件本体任意相邻两个面的夹角最好控制在90°±0.5°的范围；试件本体任意方位的尺寸偏差最好不超过0.2mm。

针对本发明的第二个发明目的，本发明提供利用上述岩块试件进行岩石纯剪切试验的方法，步骤如下:

(1)将岩块试件凹槽向下放置在常规岩石力学试验机的试验台上，使岩块试件本体除去凹槽剩下的下端面与试验台接触；所述试件本体的宽度W方向最好面向试验台前方，以便于在加载过程中观察试件的剪切破坏过程。

(2)手动控制岩石力学试验机进行微小位移的调整，使试验机上端压头与岩块试件上端面凸台的顶面轻微接触，并对试件安放进行检查；

(3)操作岩石力学试验机，通过岩块试件凸台顶面和试件本体除去凹槽剩下的下端面对岩块试件施加压力，直至试件破坏完全失去承载能力。

本发明所述用于岩石纯剪切试验的岩块试件的制作方法：

将从工程现场或野外采集的岩块用岩石切割机加工成比所需尺寸略大的试件长方体形本体，然后用磨床，将长方体形本体的上下端面按《工程岩体试验方法标准》中的岩石压缩试验试件端面加工精度要求进行加工。加工完成后的试件本体任意相邻两个面的夹角范围应控制在90°±0.5°，本体任意位置的尺寸应该足够均匀，偏差不超过0.2mm。然后用金刚石砂轮加工长方体形本体的下端面凹槽以及上端面的凸台。若条件允许，推荐使用虎钳配合铣床进行上下端面加工。使用金刚石砂轮或铣床加工下端面凹槽及上端面凸台时，可以先快后慢，当接近所需尺寸时，每次进刀小于1mm，直到打磨到所需尺寸。最终形成本发明所述用于岩石纯剪切试验的岩块试件。

使用本发明所述岩块试件和试验方法对岩石进行纯剪切强度测试时，试件上端面凸台的两个侧面与下端面凹槽两个侧面之间的试件本体部分承受纯剪切力，岩块试件的纯剪切破坏便发生在此处(见图6)。

上述试验中，岩石剪切强度t需根据剪切试验中记录的峰值载荷P_cr及试件的几何尺寸(H、H₃、D)进行计算，具体的计算公式如下：

$t=\frac{P_{cr}}{2D(H-H_3)}$

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述用于纯剪切试验的岩块试件为新型试件，为岩石的剪切强度测试增加了试件类型。

2、本发明所述用于纯剪切试验的试件结构简单，易于加工制作。

3、使用本发明所述用于纯剪切试验的岩块试件及试验方法，在现有常规岩石力学试验机上可便捷、有效地进行岩石的剪切强度测试，获得岩石的纯剪切强度，解决了现有技术中的试验方法难以实现真正的纯剪切及对测试设备有特定要求等难题。

4、本发明所述用于纯剪切试验的岩块试件及试验方法跳出了传统直剪试验方法以改变加载装置为主的研究思路，提出了新的试件构型，在常规岩石力学试验机上即可实现岩石的纯剪切强度测试。

5、本发明所述用于纯剪切试验的试件还可用于其他脆性和准脆性材料(例如：混凝土，PMMA，陶瓷和玻璃等)的剪切强度测试。

附图说明

图1是本发明所述用于岩石纯剪切试验的岩块试件结构示意图；

图2是本发明所述用于岩石纯剪切试验的岩块试件的主视图；

图3是本发明所述用于岩石纯剪切试验的岩块试件的侧视图；

图4是本发明所述用于岩石纯剪切试验的岩块试件的俯视图；

图5是本发明所述用于岩石纯剪切试验的岩块试件在岩石力学试验机的试验台上的安装示意图和加载图；

图6是本发明所述用于岩石纯剪切试验的岩块试件发生纯剪切破坏的示意图。

图中，1—试件本体，2—凸台，3—凹槽，H—试件本体的高度，W—试件本体的宽度，D—试件本体的厚度，W₁—凸台与凹槽的宽度，H₂—凸台高度，H₃—凹槽深度。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明所述用于岩石纯剪切试验的新型岩块试件及基于该试件的纯剪切试验方法作进一步说明。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

下述各实施例中，岩石剪切强度测试所用试验设备为MTS815岩石力学试验机。

实施例1

本实施例所述用于岩石纯剪切试验的岩块试件，试验材料为砂岩，由在长方体形试件本体1下端面沿厚D度方向设置凹向试件本体内部垂直贯通试件本体两端面的长方体形凹槽3，在上端面沿宽度方向设置垂直贯通试件本体两端面与长方形体凹槽相对应的长方体形凸台2而形成，所述凹槽的两侧壁面和凸台的两侧壁面分别关于试件本体垂直于上下端面的同一中垂面对称，且凹槽的两侧壁面之间的宽度和凸台的两侧壁面之间的宽度相等，所述凹槽的底平面与凹槽两侧壁面体的端平面平行，所述凸台的顶平面与凸台两侧的台阶平面平行。

试件本体的高度H为80mm，宽度W为100mm，厚度D为90mm；试件上端面凸台与下端面凹槽的宽度W₁为50mm；试件上端面凸台高度H₂为20mm，试件下端面凹槽深度H₃为30mm。

用上述试件进行岩石纯剪切试验的方法如下：

(1)将岩块试件凹槽向下放置在常规岩石力学试验机的试验台上，使岩块试件本体除去凹槽剩下的下端面与试验台接触(见图5)；

(2)手动控制试验机进行微小位移的调整，以使试验机上端压头与试件上端面凸台2的上表面有轻微接触，对试件安放进行最后检查；

(3)操作岩石力学试验机，通过岩块试件凸台2顶面和试件本体除去凹槽3剩下的下端面对岩块试件施加压力(见图5)，直至试件破坏完全失去承载能力。加载速率为0.001mm/s，所加最大载荷为P_cr＝118.7kN。

根据试验中记录的峰值载荷P_cr及试件的几何尺寸(H、H₃、D)，被测岩石的纯剪切应力(强度)t的计算方法如下：

$t=\frac{P_{cr}}{2D(H-H_3)}=\frac{118.7*{10}^{3}N}{2*90*(80-30){\mathrm{mm}}^2}=13.19MPa$

实施例2

本实施例所述用于岩石纯剪切试验的岩块试件，试验材料为砂岩，与实施例1不同之处是试件各部分的尺寸。本实施例中，试件各部分的尺寸如下：试件本体的高度H为70mm，宽度W为80mm，厚度D为90mm；试件上端面凸台与下端面凹槽的宽度W₁为40mm；试件上端面凸台高度H₂为20mm，试件下端面凹槽的深度H₃为30mm。

用上述试件进行岩石纯剪切试验的方法与实施例1的不同之处在于：步骤(3)中加载速率为0.001mm/s，所加最大载荷为P_cr＝98.2kN。

根据试验中记录的峰值载荷P_cr及试件的几何尺寸(H、H₃、D)，被测岩石的纯剪切应力(强度)t的计算方法如下：

$t=\frac{P_{cr}}{2D(H-H_3)}=\frac{98.2*{10}^{3}N}{2*90*(70-30){\mathrm{mm}}^2}=13.64MPa$

Claims (10)

1.用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于由在长方体形试件本体(1)下端面沿厚D度方向设置凹向试件本体内部垂直贯通试件本体两端面的长方体形凹槽(3)，在上端面沿宽度方向设置垂直贯通试件本体两端面与长方形体凹槽相对应的长方体形凸台(2)而形成，所述凹槽的两侧壁面和凸台的两侧壁面分别关于试件本体垂直于上下端面的同一中垂面对称，且凹槽的两侧壁面之间的宽度和凸台的两侧壁面之间的宽度相等，所述凹槽的底平面与凹槽两侧壁面体的端平面平行，所述凸台的顶平面与凸台两侧的台阶平面平行。

2.根据权利要求1所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于试件本体的高度H大于或等于岩石颗粒尺寸的10倍。

3.根据权利要求1所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于试件本体的宽度W为0.9H≤W≤1.5H。

4.根据权利要求1所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于试件本体的厚度D为1.1H≤D≤1.6H。

5.根据权利要求1所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于所述凹槽的两侧壁面之间的宽度和凸台的两侧壁面之间的宽度W₁为0.4W≤W₁≤0.7W。

6.根据权利要求1所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于所述凸台高度H₂为0.2H≤H₂≤0.5H。

7.根据权利要求1所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于所述凹槽的深度H₃为0.3H≤H₃≤0.5H。

8.根据权利要求1至7之一所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于试件本体任意相邻两个面的夹角控制在90°±0.5°的范围。

9.根据权利要求1至7之一所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于试件本体任意位置的尺寸偏差不超过0.2mm。

10.利用权利要求1～9中任一权利要求所述岩块试件进行岩石纯剪切试验的方法，其特征在于步骤如下:

(1)将岩块试件凹槽向下放置在常规岩石力学试验机的试验台上，使岩块试件本体除去凹槽剩下的下端面与试验台接触；

(2)手动控制岩石力学试验机进行微小位移的调整，使试验机上端压头与岩块试件上端面凸台的顶面轻微接触，并对试件安放进行检查；

(3)操作岩石力学试验机，通过岩块试件凸台顶面和试件本体除去凹槽剩下的下端面对岩块试件施加压力，直至试件破坏完全失去承载能力。