CN108169010A - 标准圆柱试样的剪切流变试验夹具及基于其的试验方法 - Google Patents

Abstract

标准圆柱试样的剪切流变试验夹具，属于岩土工程领域。包括第一外侧夹板、第二外侧夹板、第一内侧夹板、第二内侧夹板、第一垫块及第二垫块，第一垫块及第二垫块之间形成放置标准圆柱试样的容置腔，分别在第一垫块及第二垫块外侧夹设第一内侧夹板及第二内侧夹板，第一内侧夹板和第二外侧夹板的外边侧都为弧形，且位于同一圆的边侧上；第一外侧夹板、第二外侧夹板分别夹设在第一内侧夹板及第二内侧夹板外侧，第一外侧夹板、第二外侧夹板的内边分别与第一内侧夹板及第二内侧夹板外侧相贴合，第一内侧夹板及第二内侧夹板能够在第一外侧夹板、第二外侧夹板内侧旋转，实现内侧夹板与外侧夹板的相对位置的改变；适用于岩石性能的试验研究。

Description

标准圆柱试样的剪切流变试验夹具及基于其的试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，涉及一种能够在高温高压三轴试验系统上使用的标准圆柱试样的剪切流变试验夹具及基于该夹具的剪切流变试验。

背景技术

岩石在外力作用下达到破坏时的极限应力是岩石力学性质的主要属性之一，它是通过实验室内或现场的试验求得的。在岩石力学中，岩石一词是岩块和岩体的总称。岩块是指由地质构造因素割裂而成的不连续块体，是岩体的组成单元。实验室试验用的岩样就是岩块。岩体是指包括地质结构的地质体的一部分。虽然岩块和岩体具有相同的地质历史环境，经历过同样的地质构造作用，但它们的性质是有区别的。反映在强度方面，岩块的强度主要取决于构成岩石的矿物和颗粒之间的联结力和微裂隙的影响；而对岩体强度起控制作用的则是岩体中的结构面和构造特征。

岩石强度包括抗压、抗拉、抗剪(断)强度及岩石破坏、断裂的机理和强度准则。测定岩石抗剪断强度的室内试验常用的方法有：直剪试验、变角剪切试验以及三轴压缩试验，以确定强度参数(凝聚力和内摩擦角)。目前，剪切试验通常是在常温条件下对标准立方体试样进行试验，当岩石试样是从现场采集的大块岩石加工时，使用立方体试样十分方便，但在某些情况下岩样是圆柱形的钻孔岩芯，此时就需要岩芯具有较大的尺寸，然后将岩芯加工成尺寸较小的立方体试样。这样，不仅费时费工，岩芯尺寸较小时还易于提高加工难度，不便于试验操作，而现有技术中并不存在一种适用于标圆柱体试样夹具使得该夹具能够直接在高温高压三轴试验系统上进行操作。因此，可以考虑设计一种标准圆柱试样的剪切流变试验夹具，并基于该夹具设计出剪切流变试验，以便直接在高温高压三轴试验系统上研究高温下标准圆柱形试样的剪切流变性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了填补现有技术的空白，提出一种剪切流变试验夹具及基于该夹具的剪切流变试验，使得能够直接在高温高压三轴试验系统上对标准圆柱体试样进行高温下的剪切流变试验。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：标准圆柱试样的剪切流变试验夹具，.包括第一外侧夹板、第二外侧夹板、第一内侧夹板、第二内侧夹板、第一垫块及第二垫块，第一垫块及第二垫块之间形成放置标准圆柱试样的容置腔，分别在第一垫块及第二垫块外侧夹设第一内侧夹板及第二内侧夹板，第一内侧夹板和第二外侧夹板的外边侧都为弧形，且位于同一圆的边侧上；第一外侧夹板、第二外侧夹板分别夹设在第一内侧夹板及第二内侧夹板外侧，第一外侧夹板、第二外侧夹板的内边分别与第一内侧夹板及第二内侧夹板外侧相贴合，第一内侧夹板及第二内侧夹板能够在第一外侧夹板、第二外侧夹板内侧旋转，实现内侧夹板与外侧夹板的相对位置的改变。

进一步的，第一垫块与第二垫块的衔接处设置有第一缝隙。

具体的，外侧夹板的侧壁设置有螺孔，与螺孔相适配的螺栓穿过螺孔与内侧夹板相接触，实现外侧夹板与内侧夹板以一定角度相互固定。

进一步的，第一外侧夹板与第二外侧夹板、第一内侧夹板与第二内侧夹板、第一垫块与第二垫块分别以试样中心为中心呈中心对称分布，试样破坏面与施加应力的夹角为0-90°。

具体的，内侧夹板的外边侧设置有凹槽，相应的，外侧夹板上设置有凸起，凹槽与凸起相适配，且在凹槽上设置有内侧夹板的预留孔，在凸起上设置有外侧夹板的预留孔，通过将固定件穿过内、外侧夹板的预留孔中，以实现内侧夹板与外侧夹板的相对固定。

具体的，第一外侧夹板与第二外侧夹板的外围边侧于垂直方向的投影形成正六边形，第一垫块与第二垫块合并形成长方体，第一内侧夹板为内设有垫块容置槽的扇状圆柱。

具体的，所述夹板上设置有量角仪。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：基于上述夹具进行标准圆柱试样的剪切流变试验方法，包括以下步骤：

A.选定标准圆柱试样，并利用第一垫块及第二垫块将其固定放置，且保持第一垫块和第二垫块之间留存有一定缝隙，而后在垫块及试样外部包裹热塑膜，并将包裹好的垫块及试样放置在两块内侧夹板之间，并夹紧，在内侧夹板外侧安装外侧夹板，二者以一定夹角进行固定，并将安装好的夹具及试样整体放入岩石力学测试系统中，降下油压仓，设定好温度及加载速率；

B.记录试样与竖直方向的角度θ及温度T，然后不断增加轴压，直至破坏试样，记录此时的轴压值F；取下破坏后的试样，记录其破坏面的面积S；

C.根据上述参数，通过以下公式进行数据处理：

滑动力：T＝Fcosθ (1)

压力：N＝Fsinθ (2)

正应力：σ＝N/S (3)

剪应力：τ＝T/S (4)

得到法向应力与剪应力的关系，即强度包络线，在强度包络线上选取两组数值带入公式(5)，

τ＝c+σtanφ (5)

其中，c为粘聚力，为内摩擦角，从而得到出岩石的抗剪强度指标。

进一步的，步骤C后还包括步骤D：通过改变内侧夹板与外侧夹板的相对位置，改变试样与竖直方向的夹角θ后再对内侧夹板与外侧夹板进行固定，和/或改变温度T后，重复步骤B至C，记录在不同试样与竖直方向的夹角θ和/或温度T的条件下的轴压值F及破坏面面积S，计算得到强度包络线及岩石的抗剪强度指标等参数。

本发明的有益效果是：结构简单，制作方便，制作成本低廉，硬度高，不易变形，易安装，方法易于操作，能够直接在高温高压三轴试验系统上实现高温条件下标准圆柱体试样的剪切流变试验；由于内侧夹板和外侧夹板的相对角度可调，可用于对于圆柱体岩石试样的变角度剪切流变试验，以测定岩石的剪切强度，由此计算岩石的凝聚力和内摩擦角，此外还可以通过调节三轴试验系统的油温来进行不同温度下试样的剪切流变试验，以便于研究温度对剪切强度的影响。本发明适用于岩石性能的试验研究。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的爆炸图；

其中，1为外侧夹板，2为内侧夹板，3为垫块，4为标准圆柱试样，1-1为外侧夹板的预留孔，2-1为内侧夹板的预留孔。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。

如图1-2所示，本发明的标准圆柱试样的剪切流变试验夹具，包括外侧夹板1、内侧夹板2、垫块3，外侧夹板1、内侧夹板2、垫块3可以设计为各自相同的两块，也可以设计为不同的结构，基于试验时受力均衡考虑，优选外侧夹板1、内侧夹板2、垫块3各包括相同的两块，第一外侧夹板与第二外侧夹板、第一内侧夹板与第二内侧夹板、第一垫块与第二垫块分别以试样中心为中心呈中心对称分布，对称布置可以使得试样受力均匀和稳定，避免应力集中。两块垫块3之间形成放置标准圆柱试样4的容置腔或容置槽，优选为容置腔，因为利用该容置腔可以把标准圆柱试样4完全放置在垫块之间，防止高温条件下破坏试样。分别在两块垫块外侧各夹设一块内侧夹板，内侧夹板的外边侧都为圆弧，且位于同一圆形边侧上，在内侧夹板外侧各夹设一外侧夹板，两外侧夹板的内边分别与两内侧夹板外侧相贴合，即两个外侧夹板的内边在同一圆的边侧上，内、外侧夹板的接触处为圆弧形，两块内侧夹板能够在外侧夹板内侧旋转，实现内侧夹板与外侧夹板的相对夹角的改变，且由于放置有标准圆柱试样4的垫块与内侧夹板的位置相对固定，因此，通过旋转内侧夹板，可以实现标准圆柱试样4与垂直方向的夹角的改变，即能够根据试验要求灵活的改变剪切面与竖直方向的角度θ。其中外侧夹板不能旋转，只能旋转内侧夹板调整试验剪切面的角度，然后通过固定件固定试样剪切面的角度。三轴试验系统轴压直接作用在外侧夹板平面处。

对内、外侧夹板的固定方式有多种，如在外侧夹板的侧壁分别设置有螺孔，与螺孔相适配的螺栓穿过螺孔与内侧夹板轻轻接触，以免破坏夹具，实现外侧夹板与内侧夹板以一定角度相互固定，为了防止螺栓在进行试验时带来不便，影响实验结果，未在外侧夹板与上压头或下压头接触处设置螺孔；又如，在内侧夹板的外边侧设置有凹槽，相应的，外侧夹板上设置有凸起，凹槽与凸起相适配，且在凹槽上设置有内侧夹板的预留孔2-1，在凸起上设置有外侧夹板的预留孔1-1，通过将如螺母或螺栓的固定件穿过内、外侧夹板的预留孔中，以实现内侧夹板与外侧夹板的相对固定。

内侧夹板为内设有垫块容置槽的扇状圆柱，试样破坏面与施加应力的夹角为0-90°，转角的设置可以方便简洁的根据试验要求调整试样的放置角度，从而系统地获得不同放置角度下的试验数据，便于后续的剪切强度参数的计算。两块垫块合并形成长方体，试样夹好垫块后要在外侧包好热缩膜，防止试样破坏后碎渣污染油源。垫块外观做成规则形状便于热缩膜密封。第一垫块与第二垫块的衔接处还可以设置有第一缝隙，缝隙宽度的范围为1～9mm，优选为5mm，以免垫块之间的摩擦影响试验。两个外侧夹板能够合并成中空的六棱柱，外围边侧于垂直方向的投影形成正六边形，六边形与水平线平行的两条边所在的平面分别作为与上下压头的接触面，正六边形的有多条对称轴，稳定性良好。

为了能够精确调整夹角，在内外侧夹板上都设置有量角仪，可以单独设置量角仪，也可以在夹板上绘制有角度尺。在外侧夹板1、内侧夹板2上分别设置有量角仪，而内侧夹板2与垫块3的倾角固定，通过外侧夹板1、内侧夹板2上的量角仪的差值，可以获知试样此时相对竖直方向的倾角。

为了使整个夹具在试验中保持足够的刚度，可以采用高碳钢或具有较高强度的合金钢来制作，并进行淬火处理。

使用该夹具进行剪切流变试验的具体实验过程分为三个阶段：准备阶段、试验阶段和数据处理阶段。

1.准备阶段：

选定标准圆柱试样，将其用两个垫块加紧，在两个垫块之间保持5mm缝隙，以免垫块之间的摩擦影响试验；用热缩膜包裹垫块和试样，用两块内侧夹板将包裹好后的垫块和试样夹紧，在内侧夹板外侧安装外侧夹板，二者以一定夹角拧紧螺丝螺母进行固定，并将安装好的夹具及试样整体放入MTS815Flex Text GT岩石力学测试系统中，降下油压仓，设定温度及加载速率，即完成准备阶段。

MTS815Flex Text GT岩石力学测试系统包括MTS815总控系统、MTS815加载系统(轴压、渗透压力及围压)、MTS815高温控制系统、激发及采集系统、MTS815程控及采集系统、声发射三维定位及采集系统。

由于加载速率是根据试验岩石类型具体设置的，不同的种类的岩石加载速率会有一定差异，但对同一类岩石进行剪切强度测试时，不同放置角度下的加载速率要保持一致，避免干扰试验结果。

2.试验阶段

记录试样与竖直方向的夹角θ及温度T，然后不断增加轴压，直至试样破坏，记录此时的轴压值F；取下破坏后的试样，记录其破坏面的面积S；

3.数据处理阶段将记录的数据依次带入以下公式(1)-(4)中，可得法向应力(即正应力)与剪应力的关系，即强度包络线，

滑动力：T＝Fcosθ (1)

压力：N＝Fsinθ (2)

正应力：σ＝N/S (3)

剪应力：τ＝T/S (4)

在强度包络线上选取两组数值带入公式τ＝c+σtanφ(5)，从而可以计算出岩石的抗剪强度指标，抗剪强度指标即粘聚力与内摩擦角。

4.放松螺母，通过改变内侧夹板与外侧夹板的相对位置，改变试样与竖直方向的夹角θ后再拧紧螺母对内侧夹板与外侧夹板的相对位置进行固定，和/或改变温度T，重复步骤2-3，记录不同试样与竖直方向的夹角θ和/或温度T的条件下的轴压值F及破坏面面积S，计算得到强度包络线及岩石的抗剪强度指标。

为了提高结果的准确率，可以多次试验，求取平均值。

Claims (9)

1.标准圆柱试样的剪切流变试验夹具，其特征在于，包括第一外侧夹板、第二外侧夹板、第一内侧夹板、第二内侧夹板、第一垫块及第二垫块，第一垫块及第二垫块之间形成放置标准圆柱试样的容置腔，分别在第一垫块及第二垫块外侧夹设第一内侧夹板及第二内侧夹板，第一内侧夹板和第二外侧夹板的外边侧都为弧形，且位于同一圆形边侧上，第一外侧夹板、第二外侧夹板分别夹设在第一内侧夹板及第二内侧夹板外侧，第一外侧夹板、第二外侧夹板的内边分别与第一内侧夹板及第二内侧夹板外侧相贴合，第一内侧夹板及第二内侧夹板能够在第一外侧夹板、第二外侧夹板内侧旋转，实现内侧夹板与外侧夹板的相对夹角的改变。

2.如权利要求1所述的夹具，其特征在于，第一垫块与第二垫块的衔接处设置有第一缝隙。

3.如权利要求1所述的夹具，其特征在于，外侧夹板的侧壁分别设置有螺孔，与螺孔相适配的螺栓穿过螺孔与内侧夹板相接触，实现外侧夹板与内侧夹板以一定角度相互固定。

4.如权利要求1所述的夹具，其特征在于，第一外侧夹板与第二外侧夹板、第一内侧夹板与第二内侧夹板、第一垫块与第二垫块分别以试样中心为中心呈中心对称分布，试样破坏面与施加应力的夹角为0-90°。

5.如权利要求4所述的夹具，其特征在于，内侧夹板的外边侧设置有凹槽，相应的，外侧夹板上设置有凸起，凹槽与凸起相适配，且在凹槽上设置有内侧夹板的预留孔，在凸起上设置有外侧夹板的预留孔，通过将固定件穿过内、外侧夹板的预留孔中，以实现内侧夹板与外侧夹板的相对固定。

6.如权利要求4所述的夹具，其特征在于，第一外侧夹板与第二外侧夹板的外围边侧于垂直方向的投影形成正六边形，第一垫块与第二垫块合并形成长方体，第一内侧夹板为内设有垫块容置槽的扇状圆柱。

7.如权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述夹板上设置有量角仪。

8.基于权利要求1至7任意一项所述的夹具进行标准圆柱试样的剪切流变试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.选定标准圆柱试样，并利用第一垫块及第二垫块将其固定放置，且保持第一垫块和第二垫块之间留存有一定缝隙，而后在垫块及试样外部包裹热塑膜，并将包裹好的垫块及试样放置在两块内侧夹板之间并夹紧，在内侧夹板外侧安装外侧夹板，二者以一定夹角进行固定，并将安装好的夹具及试样整体放入岩石力学测试系统中，降下油压仓，设定好温度及加载速率；

B.记录试样与竖直方向的角度θ及温度T，然后不断增加轴压，直至破坏试样，记录此时的轴压值F；取下破坏后的试样，记录其破坏面的面积S；

C.根据上述参数，通过以下公式进行数据处理：

滑动力：T＝Fcosθ (1)

压力：N＝Fsinθ (2)

正应力：σ＝N/S (3)

剪应力：τ＝T/S (4)

得到法向应力与剪应力的关系，即强度包络线，在强度包络线上选取两组数值带入公式(5)，

τ＝c+σtanφ (5)

其中，c为粘聚力，为内摩擦角，从而得到出岩石的抗剪强度指标。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤C后还包括步骤D：

通过改变内侧夹板与外侧夹板的相对位置，改变试样与竖直方向的夹角θ后再对内侧夹板与外侧夹板进行固定，和/或改变温度T后，重复步骤B至C，记录在不同试样与竖直方向的夹角θ和/或温度T的条件下的轴压值F及破坏面面积S，计算得到强度包络线及岩石的抗剪强度指标等参数。