CN107132132B - 用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置及其试验方法 - Google Patents

用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置及其试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置及其试验方法。本发明公开了用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置，包括主机、剪切试验机，还包括裂缝面积测量仪、岩石试样模具盒、岩石试样剪切盒，所述岩石试样模具盒与岩石试样剪切盒相匹配；本发明还公开了用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置的试验方法，包括岩石破裂面面积的测量步骤、剪切试样的制作步骤、岩石裂缝抗剪强度测量步骤；本发明提供了用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置及其试验方法，它能够很好的适用与各种破裂角度的岩石，还能适用于任意形状大小的岩石试块；可以克服以前制作试样时对原位岩石应力的扰动，避免了测试结果的不精确。

Description

用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置及其试验方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置及其试验方法。
背景技术
随着我国经济实力的稳步提升，和中央“一带一路”线路的提出，人们对石油、天然气、矿产资源和高铁的数量和质量要求也越来越高，而这些资源的开采和高铁等项目的建设都离不开对地下岩体稳定性和变形的研究。而关于岩石稳定性的一个重要因素就是岩石的抗剪强度，特别是岩石的峰值后抗剪强度，因此这些都需要研究岩石破裂面的抗剪强度。
道路交通、水利水电、能源、国防工程以及采矿工程等国家重点工程项目都离不开研究岩体，如地下工程围岩、边坡岩体、地基岩体等的变形破坏和稳定性，而这一切都与岩石或者岩体内存在的原始裂缝有关；因此研究已经断开的岩石或者裂缝延伸但没有断开的岩石的抗剪强度就显得十分重要。
地质活动，如地震、火山喷发、构造运动等都是具有方向上的不确定性的特点，同时，人类工程活动的开挖、爆破、掘进、钻井等也会有方向的不确定性，因而这会导致岩石破裂方向不尽相同，有水平的，有垂直的，有大倾斜的，也有小角度破裂的，并且形成的裂缝数量也或多或少不一样；而在现今技术条件下，人们在不知道原始裂缝分布方向时，大多选择垂直于地表钻探取样，因此取出的岩石试样中裂缝分布也千差万别。
过去研究岩石抗剪强度时，选择的方法多是先钻芯取样，然后将试样送去工程加工成需要的标准试样，然后再在剪切机上进行剪切。但是，在加工岩石试样时，会耗费大量的人力、物力和财力，而且制作岩石试样时或多或少会对原始裂缝产生破坏影响，对于没有断开的岩石试样一定会产生额外的应力，甚至是使原本没有断开的试样直接断开了，这会很大程度上影响实验的结果，甚至对于后一种情况，这样的实验结果直接是不能用的。
发明内容
针对现有背景技术存在的不足，本发明提供了用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置及其试验方法，它能够很好的适用与各种破裂角度的岩石，还能适用于任意形状大小的岩石试块；可以克服以前制作试样时对原位岩石应力的扰动，避免了测试结果的不精确。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置，包括主机、剪切试验机，还包括裂缝面积测量仪、岩石试样模具盒、岩石试样剪切盒，所述岩石试样模具盒与岩石试样剪切盒相匹配，所述主机与剪切试验机电连接，所述剪切试验机包括竖向轴力施加机构和水平剪切力施加机构；
所述裂缝面积测量仪包括木质支架，所述木质支架上设有测试平台和试样放置台，所述试样放置台位于测试平台的下方，所述测试平台的中心位置设有矩形通孔，所述矩形通孔的外围设有参照标尺，所述测试平台的上表面设有铁质支架，所述铁质支架上可拆卸连接有相机，所述相机与矩形通孔相对应；
所述岩石试样模具盒包括上盒和下盒，所述上盒与下盒可拆卸连接，所述上盒的上表面和下表面均设有开口，所述下盒的上表面设有开口；
所述的岩石试样剪切盒包括上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒和下剪切盒相对称，所述上剪切盒和下剪切盒的左右两侧面均设有支耳、前后两侧面均设有对中缺口。
进一步限定，所述上盒的下端设有凸条，所述下盒的上端设有与凸条相匹配的凹槽，这样的设计，在剪切试样的制作步骤中可以使上盒与下盒更好的配合使用。
进一步限定，所述岩石试样模具盒为木质材料或橡胶材料，这样的设计，可以使岩石试样模具盒重复利用，成本较低。
进一步限定，所述岩石试样剪切盒的长度尺寸*高度尺寸*宽度尺寸为240mm×230mm×110mm，这样的设计，可以使岩石试样剪切盒的体积适中，体积过大导致岩石试样过重，不宜检测，体积过小，对于相对较大的岩石，则不能检测。
进一步限定，所述岩石试样剪切盒的内部长度尺寸*高度尺寸*宽度尺寸为200mm×200mm×100mm，这样的设计，使岩石试样剪切盒能够更好的使用。
进一步限定，所述支耳上设有通孔，这样的设计，能够更加方便的搬运岩石试样剪切盒。
用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置的试验方法，包括岩石破裂面面积的测量步骤、剪切试样的制作步骤、岩石裂缝抗剪强度测量步骤；
所述岩石破裂面面积的测量步骤包括以下步骤，
步骤一：安装裂缝面积测量仪和相机，调整相机和测试平台水平，且使相机的镜头与矩形通孔相对应；
步骤二：将需要测量的岩石试件放在试样放置台上，并与矩形通孔相对应，调整好距离和角度，使裂缝面与测试平台面在一个平面上，然后进行拍照，拍照的同时应保证参照标尺全部都在镜头范围内；
步骤三：重复所述步骤二，直至将所有的岩石试件进行拍照记录；
步骤四：将所有岩石试件的图片导入CAD中，描绘其边界线，通过对比参照标尺上的刻度换算出试验试件的裂缝面面积；
所述剪切试样的制作步骤包括以下步骤：
步骤A：在岩石试样模具盒的下盒中放入一层塑料薄膜，将薄膜平铺均匀，倒入水泥砂浆至下模具盒半刻度线位置，放上岩石试样，并调整其角度和高度，使得破裂面刚好处于水平且距离下盒顶面和上盒各5mm处，同时夹住岩石试样，防止其下沉；
步骤B：继续向下模具盒添加水泥砂浆，待水泥砂浆表面于下盒处于同一水平面即可；
步骤C：将所述步骤B中下盒内的水泥砂浆初凝1h～3h，然后在稍凝固的水泥砂浆表面平铺一层塑料薄膜，平铺均匀，然后均匀放入橡皮泥，使橡皮泥填充砂浆顶面与下下盒顶面的空间，用手充分揉匀填实，并使表面平整；
步骤D：然后在橡皮泥表面铺上一层塑料薄膜，将上盒扣入下盒，使两模具盒贴合紧密，然后从上盒顶面的开口向上盒灌注水泥砂浆，使水泥砂浆液面与上盒的顶面齐平即可，并用铲子刮去岩石试样模具盒表面的砂浆；
步骤E：将制作好的模型放入标准温度和湿度环境进行养护，待水泥砂浆强度达到要求强度时，取出试样，用刀子掏去模型中间的橡皮泥；
步骤F：重复上述步骤A～步骤E，制作多个岩石试样；
所述岩石裂缝抗剪强度测量步骤包括以下步骤：
步骤a：将经过所述剪切试样的制作步骤制作好的岩石试样放入下剪切盒中，调整好角度和位置，再扣上上剪切盒，调整位置并对中；
步骤b：将岩石试样及岩石试样剪切盒整体搬到剪切试验机上，并放置在指定的剪切位置；
步骤c：打开剪切试验机，通过竖向轴力施加机构施加轴向压力，待轴向压力达到设计值时，通过水平剪切力施加机构施加水平剪切力，此时在主机5上可以绘出岩石剪切过程的应力应变曲线。
进一步限定，所述剪切试样的制作步骤中的步骤A使用的水泥砂浆的型号为M10，这样的设计，水泥砂浆的强度较强且成本较低。
进一步限定，所述剪切试样的制作步骤中步骤C的水泥砂浆初凝1.5h～2.5h，这样的设计，可以使水泥砂浆的初凝后的强度相对稳定，得到的岩石试样检测结果与真实值误差较小。
进一步限定，所述剪切试样的制作步骤中的步骤E的养护时间不少于一周，这样的设计，可以使岩石试样的强度稳定，得到的岩石试样检测结果与真实值误差较小。
本发明的的有益效果：
1、通过岩石试样模具盒可以对任意形状、任意破裂角度的岩石进行制样；
2、岩石试样模具盒制作简单，岩石试样可通过模具盒成型，一次可以成型大量的岩石试样，操作简单，节约时间；
3、岩石试样模具盒可以重复利用，节约成本；
4、本发明的试验方法利用相机对裂缝进行拍照，然后导入CAD中，利用标尺上的刻度进行换算，最后换算成实际面积，使得到的面积精确度高，使测量结果更准确；
5、与先前做剪切试验方法不同，先前做剪切试验时，会先交岩石试样交于工厂加工成标准尺寸的试样，这其中会对岩石裂缝本身产生很大影响，并成本很高，本发明的试验方法可以批量制作岩石试样，岩石试样成型后，取掉模具可直接用于压剪试验，然后批量进行剪切试验，工作简单，成本很低。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；
图1为本发明用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置实施例中剪切试验机的结构示意图；
图2为本发明用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置实施例中裂缝面积测量仪的立体结构示意图；
图3为本发明用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置实施例中岩石试样模具盒的立体结构示意图；
图4为本发明用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置实施例中岩石试样剪切盒的立体结构示意图；
主要元件符号说明如下：
木质支架11、测试平台12、试样放置台13、矩形通孔14、参照标尺15、铁质支架16、相机17、上盒21、下盒22、开口23、凸条24、凹槽25、上剪切盒31、下剪切盒32、支耳33、对中缺口34、通孔35、竖向轴力施加机构41、水平剪切力施加机构42、主机5。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明的用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置，包括主机5、剪切试验机，还包括裂缝面积测量仪、岩石试样模具盒、岩石试样剪切盒，岩石试样模具盒与岩石试样剪切盒相匹配，主机5与剪切试验机电连接，剪切试验机包括竖向轴力施加机构41和水平剪切力施加机构42；
裂缝面积测量仪包括木质支架11，木质支架11上设有测试平台12和试样放置台13，试样放置台13位于测试平台12的下方，测试平台12的中心位置设有矩形通孔14，矩形通孔14的外围设有参照标尺15，测试平台12的上表面设有铁质支架16，铁质支架16上可拆卸连接有相机17，相机17与矩形通孔14相对应；
岩石试样模具盒包括上盒21和下盒22，上盒21与下盒22可拆卸连接，上盒22的上表面和下表面均设有开口23，下盒22的上表面设有开口23；
岩石试样剪切盒包括上剪切盒31和下剪切盒32，上剪切盒31和下剪切盒32相对称，上剪切盒31和下剪切盒32的左右两侧面均设有支耳33、前后两侧面均设有对中缺口34。
作为本发明的优选方案，上盒21的下端设有凸条24，下盒22的上端设有与凸条24相匹配的凹槽25，这样的设计，在剪切试样的制作步骤中可以使上盒21与下盒22更好的配合使用。实际上，也可以根据具体情况考虑使上盒21与下盒22更好的配合使用的结构。
作为本发明的优选方案，岩石试样模具盒为木质材料或橡胶材料，这样的设计，可以使岩石试样模具盒重复利用，成本较低。实际上，也可以根据具体情况考虑岩石试样模具盒的材质。
作为本发明的优选方案，岩石试样剪切盒的长度尺寸*高度尺寸*宽度尺寸为240mm×230mm×110mm，这样的设计，可以使岩石试样剪切盒的体积适中，体积过大导致岩石试样过重，不宜检测，体积过小，对于相对较大的岩石，则不能检测。实际上，也可以根据具体情况考虑岩石试样剪切盒的长度尺寸、高度尺寸和宽度尺寸。
作为本发明的优选方案，岩石试样剪切盒的内部长度尺寸*高度尺寸*宽度尺寸为200mm×200mm×100mm，这样的设计，使岩石试样剪切盒能够更好的使用。实际上，也可以根据具体情况考虑，岩石试样剪切盒内部的长度尺寸、高度尺寸和宽度尺寸。
作为本发明的优选方案，支耳33上设有通孔35，这样的设计，能够更加方便的搬运岩石试样剪切盒。实际上，也可以根据具体情况考虑能够更加方便的搬运岩石试样剪切盒的结构。
用于任意角度岩石破裂面的剪切试验装置的试验方法，包括岩石破裂面面积的测量步骤、剪切试样的制作步骤、岩石裂缝抗剪强度测量步骤；
所述岩石破裂面面积的测量步骤包括以下步骤，
步骤一：安装裂缝面积测量仪和相机17，调整相机17和测试平台12水平，且使相机17的镜头与矩形通孔14相对应；
步骤二：将需要测量的岩石试件放在试样放置台13上，并与矩形通孔14相对应，调整好距离和角度，使裂缝面与测试平台12面在一个平面上，然后进行拍照，拍照的同时应保证参照标尺15全部都在镜头范围内；
步骤三：重复所述步骤二，直至将所有的岩石试件进行拍照记录；
步骤四：将所有岩石试件的图片导入CAD中，描绘其边界线，通过对比参照标尺15上的刻度换算出试验试件的裂缝面面积；
所述剪切试样的制作步骤包括以下步骤：
步骤A：在岩石试样模具盒的下盒22中放入一层塑料薄膜，将薄膜平铺均匀，倒入型号为M10的水泥砂浆至下模具盒半刻度线位置，放上岩石试样，并调整其角度和高度，使得破裂面刚好处于水平且距离下盒22顶面和上盒21各5mm处，同时夹住岩石试样，防止其下沉；
步骤B：继续向下模具盒添加水泥砂浆，待水泥砂浆表面于下盒22处于同一水平面即可；
步骤C：将所述步骤B中下盒22内的水泥砂浆初凝1.5h～2.5h，然后在稍凝固的水泥砂浆表面平铺一层塑料薄膜，平铺均匀，然后均匀放入橡皮泥，使橡皮泥填充砂浆顶面与下下盒22顶面的空间，用手充分揉匀填实，并使表面平整；
步骤D：然后在橡皮泥表面铺上一层塑料薄膜，将上盒21扣入下盒22，使两模具盒贴合紧密，然后从上盒21顶面的开口23向上盒21灌注水泥砂浆，使水泥砂浆液面与上盒21的顶面齐平即可，并用铲子刮去岩石试样模具盒表面的砂浆；
步骤E：将制作好的模型放入标准温度和湿度环境进行养护，养护时间不少于一周，待水泥砂浆强度达到要求强度时，取出试样，用刀子掏去模型中间的橡皮泥；
步骤F：重复上述步骤A～步骤E，制作多个岩石试样；
所述岩石裂缝抗剪强度测量步骤包括以下步骤：
步骤a：将经过所述剪切试样的制作步骤制作好的岩石试样放入下剪切盒32中，调整好角度和位置，再扣上上剪切盒31，调整位置并对中；
步骤b：将岩石试样及岩石试样剪切盒整体搬到剪切试验机上，并放置在指定的剪切位置；
步骤c：打开剪切试验机，通过竖向轴力施加机构41施加轴向压力，待轴向压力达到设计值时，通过水平剪切力施加机构42施加水平剪切力，此时在主机5上可以绘出岩石剪切过程的应力应变曲线。
岩石在剪切荷载作用下达到剪切破坏前所能承受的最大切应力成为岩石的抗剪强度，岩石抗剪强度的表征指标是c和内摩擦角
Figure BDA0001294253180000061
岩石剪切强度计算公式：
Figure BDA0001294253180000071
Figure BDA0001294253180000072
Figure BDA0001294253180000073
式中：
Figure BDA0001294253180000074
剪切面的正应力/MPa
τ：剪切面的剪切应力/MPa
N：试件预加的法向应力/N
A：剪切面面积/mm2
T：试件破坏时的水平剪力/kN
通过对不同法向应力条件下得到岩石承受的水平剪切强度，可以画出岩石抗剪强度曲线，进而得到岩石的内聚力c和内摩擦角
Figure BDA0001294253180000075
剪切面面积的计算公式：
Figure BDA0001294253180000076
式中：
l：岩石在标尺上的长度/mm
lc：与标尺长度对应的CAD中测量长度/mm
Ac：试块截面在CAD中的测量面积/mm2
A：试块剪切面实际面积/mm2
本实施例中，通过岩石破裂面面积的测量步骤可以得到试块剪切面实际面积/mm2，然后通过剪切试样的制作步骤制作岩石试样，在岩石裂缝抗剪强度测量步骤中通过水平剪切力施加机构42施加水平剪切力，使主机5上可以绘出岩石剪切过程的应力应变曲线，进而得到岩石的内聚力c和内摩擦角
Figure BDA0001294253180000077
本发明通过岩石试样模具盒可以对任意形状、任意破裂角度的岩石进行制样；岩石试样模具盒制作简单，岩石试样可通过模具盒成型，一次可以成型大量的岩石试样，操作简单，节约时间；岩石试样模具盒可以重复利用，节约成本；本发明的试验方法利用相机对裂缝进行拍照，然后导入CAD中，利用标尺上的刻度进行换算，最后换算成实际面积，使得到的面积精确度高，使测量结果更准确；与先前做剪切试验方法不同，先前做剪切试验时，会先交岩石试样交于工厂加工成标准尺寸的试样，这其中会对岩石裂缝本身产生很大影响，并成本很高，本发明的试验方法可以批量制作岩石试样，岩石试样成型后，取掉模具可直接用于压剪试验，然后批量进行剪切试验，工作简单，成本很低。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.用于任意角度岩石破裂面的剪切试验方法，其特征在于:包括岩石破裂面面积的测量步骤、剪切试样的制作步骤、岩石裂缝抗剪强度测量步骤；
所述岩石破裂面面积的测量步骤包括以下步骤，
步骤一:安装裂缝面积测量仪和相机(17),调整相机(17)和测试平台(12)水平,且使相机(17)的镜头与矩形通孔(14)相对应；
步骤二:将需要测量的岩石试件放在试样放置台(13)上,并与矩形通孔(14)相对应，调整好距离和角度,使裂缝面与测试平台(12)面在一个平面上，然后进行拍照，拍照的同时应保证参照标尺(15)全部都在镜头范围内；
步骤三:重复所述步骤二，直至将所有的岩石试件进行拍照记录；
步骤四：将所有岩石试件的图片导入CAD中，描绘其边界线，通过对比参照标尺(15)上的刻度换算出试验试件的裂缝面面积；
所述剪切试样的制作步骤包括以下步骤：
步骤A：在岩石试样模具盒的下盒(22)中放入一层塑料薄膜，将薄膜平铺均匀，倒入水泥砂浆至下盒(22)半刻度线位置，放上岩石试样,并调整其角度和高度,使得破裂面刚好处于水平且距离下盒(22)顶面和上盒(21)的底面各5mm处，同时夹住岩石试样，防止其下沉；
步骤B：继续向下盒(22)添加水泥砂浆，待水泥砂浆表面与下盒(22)顶面处于同一水平面即可；步骤C：将所述步骤B中下盒(22)内的水泥砂浆初凝lh_3h,然后在稍凝固的水泥砂浆表面平铺一层塑料薄膜，平铺均匀,然后均匀放入橡皮泥，使橡皮泥填充砂浆顶面与下盒(22)顶面，用手充分揉匀填实，并使表面平整；
步骤D：然后在橡皮泥表面铺上一层塑料薄膜,将上盒(21)扣入下盒(22),使两模具盒贴合紧密，然后从上盒(21)顶面的开口(23)向上盒(21)灌注水泥砂浆,使水泥砂浆液面与上盒(21)的顶面齐平即可，并用铲子刮去岩石试样模具盒表面的砂浆；
步骤E：将制作好的模型放入标准温度和湿度环境进行养护，待水泥砂浆强度达到要求强度时，取出试样，用刀子掏去模型中间的橡皮泥；
步骤F:重复上述步骤A步骤E,制作多个岩石试样；所
述岩石裂缝抗剪强度测量步骤包括以下步骤：
步骤a：将经过所述剪切试样的制作步骤制作好的岩石试样放入下剪切盒(32)中，调整好角度和位置，再扣上上剪切盒(31)，调整位置并对中；
步骤b：将岩石试样及岩石试样剪切盒整体搬到剪切试验机上，并放置在指定的剪切位置；
步骤c：打开剪切试验机，通过竖向轴力施加机构(41)施加轴向压力，待轴向压力达到设计值时，通过水平剪切力施加机构(42)施加水平剪切力，此时在主机(5)上可以绘出岩石剪切过程的应力应变曲线。
2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于:所述剪切试样的制作步骤中的步骤A使用的水泥砂浆的型号为M10。
3.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于:所述剪切试样的制作步骤中步骤C的水泥砂浆初凝1.5h_2.5h。
4.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于:所述剪切试样的制作步骤中的步骤E的养护时间不少于一周。
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