CN105784505A - 自对中式双面剪切试验装置及ⅱ型断裂韧性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自对中式双面剪切试验装置，包括试样盒，试样盒内开有水平通孔和垂直通孔，水平通孔与垂直通孔正交，水平通孔两端分别设置第一法向压块和第二法向压块，第一法向压块与位置调节杆一端相抵，位置调节杆另一端通过螺纹与第一反力支架上的螺纹孔连接，第二法向压块与法向力加载装置相抵，法向力加载装置设置在第二反力支架上，第一反力支架和第二反力支架之间通过水平传力杆连接。本发明还公开了岩石试样抗剪强度参数测试方法以及Ⅱ型断裂韧性测试方法。本发明结构简单，易于制造，适用性广，具备自平衡功能，且易于与已有岩石力学试验系统相结合，能开展岩石Ⅱ型断裂韧性测试。

Description

自对中式双面剪切试验装置及Ⅱ型断裂韧性测试方法

技术领域

本发明涉及岩石力学试验领域，具体涉及自对中式双面剪切试验装置，还涉及Ⅱ型断裂韧性测试方法，主要用于进行室内岩石双面剪切及Ⅱ型断裂韧性测试试验。

背景技术

在岩土工程领域，通常是通过岩体力学实验手段，了解岩石和岩体的力学性能、变形、破坏规律，以及各种构筑物对岩体所引起的各种物理、力学效应，为工程设计、施工提供所需要的参数。目前岩石室内试验主要包括单轴试验、三轴试验、抗剪断试验等，通过这些试验获取岩石力学参数与强度指标。

目前开展单轴试验、三轴试验的设备较多，吨位一般也比较大，能够进行抗剪断试验的设备较少，抗剪断试验分为单面剪切试验和双面剪切试验，现有绝大多数设备都是开展单面剪切试验，用于岩体节理面滑移力学特性、混凝土强度等方面的研究，此类设备一般水平推力加载吨位较小，用于强度较低岩体的试验是合适的，但是对于较高强度的硬岩尤其是大尺寸硬岩试样而言，吨位往往不够，导致出现岩样剪不断的情况。少量可以开展双面剪切试验的设备也常常存在一个较大的缺陷：试验设备不具备施加法向力的功能，只能开展法向力为零的剪切试验，因此获得的强度参数有限，只能得到岩石的抗剪断强度，而不能给出岩石的粘聚力和内摩擦角。另外，岩石Ⅱ型断裂韧度是岩体工程中一个很重要的参数，表征岩石抵抗剪切断裂的能力，Ⅱ型断裂就是裂缝在外力作用下扩展方向仍然在裂缝平面内，裂缝尖端滑移位移平行于裂缝平面，裂缝尖端开口位移为零，目前有关岩石Ⅱ型断裂韧度测试的报道较少，且多数方法都不能避免试验中出现附加的不可忽略的裂纹张拉扩展。

因此本领域技术人员致力于开发一种能够施加法向力、且具备自对中功能、能够确保剪切面位置固定的双面剪切试验装置，同时提出一种岩石Ⅱ型断裂韧度测试方法。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种能够施加法向力的自对中式双面剪切试验装置。该装置配备法向伺服加载系统提供法向力，采用自平衡式水平加载框架，无需专门设置反力座，且能确保试验过程中试样中心面不发生移动，能够按照预先设定的剪切位置破坏，而且可以安装在岩石单、三轴试验机框架内，利用试验机的大吨位加载装置作为抗剪断试验的剪切力，便于开展大尺寸硬岩的抗剪断试验，本发明的目的还在于提供Ⅱ型断裂韧性测试方法，能进行岩石Ⅱ型断裂韧性测试。

为了实现本目的，其技术解决方案为：

自对中式双面剪切试验装置，包括试样盒，试样盒内开有水平通孔和垂直通孔，水平通孔与垂直通孔正交，试样盒一侧中部开有观察孔，水平通孔两端分别设置第一法向压块和第二法向压块，第一法向压块与位置调节杆一端相抵，位置调节杆另一端通过螺纹与第一反力支架上的螺纹孔连接，第二法向压块与法向力加载装置相抵，法向力加载装置设置在第二反力支架上，第一反力支架和第二反力支架之间通过水平传力杆连接，法向力加载装置安装在第二法向压块和第二反力支架之间，水平传力杆放置在试样盒侧部的支撑耳上。

岩石试样抗剪强度参数测试方法，包括以下步骤：

步骤1、将岩石试样安装在试样盒的水平通孔中央，岩石试样两端分别安装第一法向压块和第二法向压块，根据预先确定的剪切面位置，调整好法向力加载装置、第一法向压块、第二法向压块和岩石试样的位置后，固定位置调节杆，在岩石试样上方的垂直通孔安装剪切压块；

步骤2、开启法向力加载装置，先对岩石试样施加法向力至预定值，再通过剪切压块对岩石试样施加剪切力，测量在法向力加载装置作用下的剪切强度；

步骤3、改变法向力加载装置加载的法向力，重复步骤2，测量重新选取的岩石试样在不同法向载荷作用下的剪切强度；

步骤4、根据实验结果绘出τ-σ关系曲线，通过拟合得到一直线，确定试样粘聚力和内摩擦角。

Ⅱ型断裂韧性测试方法，包括以下步骤：

步骤1、首先在岩石试样上预制双切口，岩土试样为立方体，双切口之间的间隔为d，双切口的切口深度均为c，双切口的宽度与岩石试样同宽，岩石试样的宽度为B，岩石试样的高度为a，岩石试样长度为L，双切口之间的间隔d与剪切压块的长度相同，

步骤2、将岩石试样安装在试样盒的水平通孔中央，岩石试样两端分别安装第一法向压块和第二法向压块，根据预先确定的剪切面位置，调整好法向力加载装置、第一法向压块、第二法向压块和岩石试样的位置后，固定位置调节杆，在岩石试样上方的垂直通孔安装剪切压块；

步骤3、利用法向力加载装置约束好岩石试样两端，通过对剪切压块施加载荷，对岩石试样双切口之间施加载荷直至岩石试样产生纯剪破坏即发生Ⅱ型断裂，Ⅱ型断裂韧度K₁₁计算公式如下：

$K_{11}=\frac{2F\sqrt{c}}{Bd}$

F为通过法向力加载装置施加的破坏载荷，a为岩石试样高度，B为岩石试样的宽度，d为双切口之间的间距，c为双切口的切口深度。

由于采用了以上技术方案，本发明增设了法向力施加装置，改善了单纯双剪试验系统。本发明具有的优点和积极效果在于所述的自对中式双面剪切试验装置结构简单，易于制造，适用性广，具备自平衡功能，且易于与已有岩石力学试验系统相结合，利用普通的岩石单、三轴试验机进行剪切实验，扩充试验机的功能，同时还能开展岩石Ⅱ型断裂韧性测试。

附图说明：

图1为自对中式双面剪切试验装置的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为岩石试样τ-σ关系曲线；

图5为预制裂纹岩样。

其中：1－试样盒、2－剪切压块、301－第一法向压块、302-第二法向压块、4－支撑耳、501－第一反力支架、502-第二反力支架、6－水平传力杆、7－位置调节杆、8－法向力加载装置、9－岩石试样。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

实施例1：岩石试样抗剪断实验。

由图1、图2可知，岩石试样抗剪断试验利用到自对中式双面剪切试验装置，自对中式双面剪切试验装置包括剪切夹具、水平加载框架、法向力加载装置，剪切夹具包括试样盒1、剪切压块2、第一法向压块301和第二法向压块302，试样盒1采用高强度钢制造，两侧外缘上设置有支撑耳4，试样盒1内开有水平通孔和垂直通孔，水平通孔与垂直通孔正交，试样盒1一侧中部开有观察孔，水平通孔中央摆放岩石试样9，岩石试样9两端分别安装第一法向压块301和第二法向压块302，第一法向压块301与位置调节杆7一端相抵，位置调节杆7另一端通过螺纹与第一反力支架501连接，第二法向压块302与法向力加载装置8相抵，法向力加载装置8设置在第二反力支架502上，法向力加载装置8在第二反力支架502上的位置可调，第一反力支架501和第二反力支架502之间通过水平传力杆6连接，在岩石试样9上部的垂直通孔内安装剪切压块2，第一法向压块301、第二法向压块302和剪切压块2均由高强度钢制造，水平加载框架由不锈钢制造，水平加载框架包括第一反力支架501、第二反力支架502、水平传力杆6、位置调节杆7，水平传力杆6放置在试样盒1侧部的支撑耳4上，水平传力杆6的两端分别通过螺纹连接第一反力支架501和第二反力支架502，第一反力支架501中部开有螺纹孔，连接位置调节杆7，用于调整岩石试样9和第一法向压块301的位置，法向力加载装置8安装在第二法向压块302和第二反力支架502之间。

岩石抗剪断强度测试过程如下：

步骤1、将岩石试样9安装在试样盒1的水平通孔中央，岩石试样9两端分别安装第一法向压块301和第二法向压块302，根据预先确定的剪切面位置，调整好法向力加载装置8、第一法向压块301、第二法向压块302和岩石试样9的位置后，固定位置调节杆7，在岩石试样9上方的试样盒1垂直通孔安装剪切压块2，再将自对中式双面剪切试验装置安装到岩石力学试验机的加载框架内，

步骤2、然后开启岩石力学试验机，通过剪切压块2对岩石试样9施加剪切力直至试样9破坏，根据岩样破坏时的载荷计算岩石抗剪断强度。

实施例2：岩石试样抗剪强度参数测试。

采用与实施例1相同的自对中式双面剪切试验装置。

岩石试样抗剪强度参数测试的主要过程如下：

步骤1、将岩石试样9安装在试样盒1的水平通孔中央，岩石试样9两端分别安装第一法向压块301和第二法向压块302，根据预先确定的剪切面位置，调整好法向力加载装置8、第一法向压块301、第二法向压块302和岩石试样9的位置后，固定位置调节杆7，在岩石试样9上方的试样盒1垂直通孔安装剪切压块2，再将自对中式双面剪切试验装置安装到岩石力学试验机的加载框架内；

步骤2、开启法向力加载装置8，先对岩石试样9施加法向力至预定值，再开启岩石力学试验机，通过剪切压块2对岩石试样9施加剪切力，进行岩石试样9在法向力作用下的双面剪切试验，(双面是指有2个剪切面，都是从上向下剪切，剪切压块2向下运动，将试样中间部分剪断，剪断部分的左右2个侧面就是2个剪切面)测量在该法向力作用下的剪切强度；

步骤3、改变法向力，重复步骤2，测量重新选取的岩石试样9在不同法向载荷作用下的剪切强度；

步骤4、根据实验结果绘出τ-σ关系曲线，通过拟合得到一直线，确定试样粘聚力和内摩擦角。

在本方法中，利用位置调节杆7调整岩石试样9、第一法向压块301和第二法向压块302的位置，启动法向力加载装置8对岩石试样9一端施加预定的法向力，法向力加载装置8一端的第二反力支架502所承受的反力通过水平传力杆6和第二反力支架502的传递，施加到岩石试样9的另一端，使得法向力加载装置8能够同时对岩石试样9两端施加同样大小的法向力，岩石试样9两端同时向中间收缩，实现了试验装置的自我对中，确保试验过程中试样中心面不发生移动，能够按照预先设定的剪切位置破坏。剪切力利用岩石力学试验机的大吨位加载框架施加，确保大尺寸硬岩也能够剪断。开展不同法向力作用下岩石试样9的双面剪切试验，试验过程中实时采集法向力及剪切力数据，即可获得岩石试样的剪切试验曲线和抗剪强度参数。

岩石试样9的法向应力计算公式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{P}{A_1}---\left(1\right)$

岩石试样9的剪切应力计算公式如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{F}{2A_2}---\left(2\right)$

式中，σ为法向应力，P为施加的法向力，τ为剪切应力，F为施加的剪切力，A₁为岩石试样法向受力面积，A₂为岩石试样剪切面面积。根据实验结果绘出τ-σ关系曲线，如图4所示，通过拟合得到一直线，即可确定试样粘聚力和内摩擦角。

实施例3：岩石Ⅱ型断裂韧性测试。

采用与实施例1相同的自对中式双面剪切试验装置。

岩石Ⅱ型断裂韧性测试的主要过程如下：

步骤1、岩石Ⅱ型断裂韧性测试的主要过程如下：首先在岩石试样9上预制双切口裂纹，岩土试样9为立方体，双切口之间的间隔为d，双切口的切口深度均为c，双切口的宽度与岩石试样9同宽，岩石试样9的宽度为B，岩石试样(9)的高度为a，岩石试样9长度为L，双切口之间的间隔d与剪切压块2的长度相同， $0.3<\frac{c}{a}<0.7;$

步骤2、将岩石试样9安装在试样盒1的水平通孔中央，岩石试样9两端分别安装第一法向压块301和第二法向压块302，根据预先确定的剪切面位置，调整好法向力加载装置8、第一法向压块301、第二法向压块302和岩石试样9的位置后，固定位置调节杆7，在岩石试样9上方的试样盒1垂直通孔安装剪切压块2，再将自对中式双面剪切试验装置安装到岩石力学试验机的加载框架内；

步骤3、利用法向加载装置约束好试样两端，开启岩石力学试验机，通过对剪切压块2施加载荷，对岩石试样9双切口之间施加载荷直至岩石试样9破坏，根据破坏载荷计算Ⅱ型断裂韧度。根据断裂力学理论，两边约束产生压应力可以抵消裂纹尖端张应力，岩石试样产生纯剪破坏即发生Ⅱ型断裂时，Ⅱ型断裂韧度K₁₁计算公式如下：

$K_{11}=\frac{2F\sqrt{c}}{Bd}$

F为通过法向力加载装置(8)施加的破坏载荷，a为岩石试样高度，B为岩石试样的宽度，d为双切口之间的间距，c为双切口的切口深度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改、补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.自对中式双面剪切试验装置，包括试样盒(1)，其特征在于，试样盒(1)内开有水平通孔和垂直通孔，水平通孔与垂直通孔正交，试样盒(1)一侧中部开有观察孔，水平通孔两端分别设置第一法向压块(301)和第二法向压块(302)，第一法向压块(301)与位置调节杆(7)一端相抵，位置调节杆(7)另一端通过螺纹与第一反力支架(501)上的螺纹孔连接，第二法向压块(302)与法向力加载装置(8)相抵，法向力加载装置(8)设置在第二反力支架(502)上，第一反力支架(501)和第二反力支架(502)之间通过水平传力杆(6)连接，法向力加载装置(8)安装在第二法向压块(302)和第二反力支架(502)之间，水平传力杆(6)放置在试样盒(1)侧部的支撑耳(4)上。

2.利用权利要求1所述装置进行岩石试样抗剪强度参数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将岩石试样(9)安装在试样盒(1)的水平通孔中央，岩石试样(9)两端分别安装第一法向压块(301)和第二法向压块(302)，根据预先确定的剪切面位置，调整好法向力加载装置(8)、第一法向压块(301)、第二法向压块(302)和岩石试样(9)的位置后，固定位置调节杆(7)，在岩石试样(9)上方的垂直通孔安装剪切压块(2)；

步骤2、开启法向力加载装置(8)，先对岩石试样(9)施加法向力至预定值，再通过剪切压块(2)对岩石试样(9)施加剪切力，测量在法向力加载装置(8)作用下的剪切强度；

步骤3、改变法向力加载装置(8)加载的法向力，重复步骤2，测量重新选取的岩石试样(9)在不同法向载荷作用下的剪切强度；

步骤4、根据实验结果绘出τ-σ关系曲线，通过拟合得到一直线，确定试样粘聚力和内摩擦角。

3.利用权利要求1所述装置进行Ⅱ型断裂韧性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、首先在岩石试样(9)上预制双切口，岩土试样(9)为立方体，双切口之间的间隔为d，双切口的切口深度均为c，双切口的宽度与岩石试样(9)同宽，岩石试样(9)的宽度为B，岩石试样(9)的高度为a，岩石试样(9)长度为L，双切口之间的间隔d与剪切压块(2)的长度相同，

步骤2、将岩石试样(9)安装在试样盒(1)的水平通孔中央，岩石试样(9)两端分别安装第一法向压块(301)和第二法向压块(302)，根据预先确定的剪切面位置，调整好法向力加载装置(8)、第一法向压块(301)、第二法向压块(302)和岩石试样(9)的位置后，固定位置调节杆(7)，在岩石试样(9)上方的垂直通孔安装剪切压块(2)；

步骤3、利用法向力加载装置(8)约束好岩石试样(9)两端，通过对剪切压块(2)施加载荷，对岩石试样(9)双切口之间施加载荷直至岩石试样(9)产生纯剪破坏即发生Ⅱ型断裂，Ⅱ型断裂韧度K₁₁计算公式如下：

$K_{11}=\frac{2F\sqrt{c}}{Bd}$

F为通过法向力加载装置(8)施加的破坏载荷，a为岩石试样高度，B为岩石试样的宽度，d为双切口之间的间距，c为双切口的切口深度。