CN109799148B - 一种组合式类岩石三轴直剪试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式类岩石三轴直剪试验装置，包括装样套筒、变截面压头、两个与试样横截面对应的对半弹性垫片、环形弹性垫片以及环向弹性封块，装样套筒侧面设有环形缺口，环向弹性封块与缺口对应，装样套筒试样腔底边设有与对半弹性垫片对应的凹槽，变截面压头包括依次连接的内径与装样套筒一致的头部、内径略小于试样的柱形中部以及与凹槽截面位置、尺寸对应的柱形下部，装样套筒试样腔上部设有与柱形中部以及柱形下部对应的变截面开孔，柱形下部底部可与试样顶面接触，柱形中部底边通过对半弹性垫片与变截面开孔接触，头部通过环形弹性垫片与装样套筒顶部接触。本发明可用于安全、便捷的进行常规组合式类岩石三轴直剪试验。

Description

一种组合式类岩石三轴直剪试验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种组合式类岩石三轴直剪试验装置及其使用方法，属于岩土工程试验技术领域。

背景技术

类岩石试样的室内直剪试验是岩土材料试验领域非常重要的一类试验，一组直剪试验可用于确定岩石的强度参数(粘聚力和内摩擦角)。利用现有技术成熟的三轴压缩试验设备开展直接剪切试验，并考虑剪切面法向应力变化、多场耦合效应及流变变形，是全球岩石力学界重点关注的新型试验。

但是目前国内外完成此类试验成功率低，科研成果报道较少。这主要是因为，此类试验试样尺寸和装样准确度要求高，由于不可避免的扭转偏心因素，试验难度大，试验效率低，试验成本(经济成本、时间成本)远远超出传统三轴压缩试验、剪切试验等常见室内岩石力学试验，影响了国内外科研人员在此类试验方面的研究进展。

此类试验难点在于如何克服轴向压力作用下试样上下两端产生的不平衡弯矩，如何在围压压力和轴向压力共同作用下保持试样的稳定剪切。若试验过程中试样发生倾覆，将会直接破坏价格昂贵的轴向LVDT传感器和环向应变传感器，同时底座受到不均匀压力和应力集中的影响也可能发生不可恢复变形，造成更大的经济损失。目前常规三轴压缩直剪试验常通过减小试样的高度来减小倾覆力矩，试验成功率虽有小幅提高但是依然较低，且在有围压的情况下基本失败，并没有从根本上解决问题。为此，需要开发一种能够保持试样稳定的安全、便捷的新型常规三轴直剪试验装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于安全、便捷的进行常规组合式类岩石三轴直剪试验的装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种组合式类岩石三轴直剪试验装置，包括装样套筒、变截面压头、两个与试样横截面对应的对半弹性垫片、环形弹性垫片以及环向弹性封块，所述装样套筒侧面设有环形缺口，所述环向弹性封块与所述缺口对应，所述装样套筒试样腔底边设有与所述对半弹性垫片对应的凹槽，所述变截面压头包括依次连接的内径与所述装样套筒一致的头部、内径略小于试样的柱形中部以及与所述凹槽截面位置、尺寸对应的柱形下部，所述装样套筒试样腔上部设有与所述柱形中部以及所述柱形下部对应的变截面开孔，所述柱形下部底部可与试样顶面接触，所述柱形中部底边通过所述对半弹性垫片与所述变截面开孔接触，所述头部通过所述环形弹性垫片与所述装样套筒顶部接触。

进一步的，所述试样的外轮廓为圆柱体形、立方体形或长方体形。

进一步的，所述变截面压头采用高强度不锈钢一体制成。

进一步的，所述对半弹性垫片采用硬橡胶制成。

进一步的，所述环形弹性垫片采用硬橡胶制成。

进一步的，所述环向弹性封块采用硬橡胶制成。

进一步的，所述变截面压头头部两侧设有传感器安装板，所述传感器安装板相对头部两边对称设有传感器安装孔道，用于安装轴向位移传感器。

一种组合式类岩石三轴直剪试验装置的使用方法，采用上述组合式类岩石三轴直剪试验装置，包括以下步骤：

(1)在所述装样套筒内部涂覆适量润滑剂；

(2)将所述对半弹性垫片、所述试样、所述环向弹性封块、所述环形弹性垫片对应放入所述装样套筒上，保持各部件平整、紧密接触；

(3)将上述装样套筒整体插入密封橡胶套，下端插置于三轴试验设备底座上，将所述变截面压头插入所述变截面开孔内，保持变截面压头与接触部件平整、紧密接触，橡胶套上下两端用卡箍固定，在合适位置安装轴向位移传感器以及环向应变传感器，即可完成装样。

本发明所达到的有益效果：

本发明技术原理：在施加轴向压力时，变截面压头的下端面与试样顶部形成半圆形接触，装样套筒下端面与试样另外的半截面接触并压紧，形成轴向相对剪切力；装样套筒内上下硬橡胶半圆垫片的弹性变形使得变截面压头和装样套筒内部下端始终与试样保持紧密接触，硬橡胶圆环垫片的弹性变形给上部压头提供下降空间，形成剪切滑移面；环向封块与装样套筒形成一个稳定、牢固的整体，可变形硬橡胶环向封块能够有效传递围压作用，从而在试样潜在剪切面上形成均匀法向应力。试验套筒整体用常规橡胶套包裹好并用卡箍对橡胶套上下两端卡紧进行密封防进油处理，可以形成一个类似于常规三轴压缩试验的装置结构；本装置还能够用于实现多场耦合试验以及流变力学试验。

基于上述结构与原理，本发明可以安全、便捷地完成复杂工况下的岩石三轴直接剪切这一高难度新型试验，从根本上有效解决了试样倾倒(扭转)、仪器设备易于损坏、试验成功率低等问题。

另外，装样套筒内部形状可以根据试样类型进行修改调整，对室内岩石力学试验常见的圆柱体试样而言，可以根据试样的高度、直径对本发明做出相应设计修改；本发明还可设计改变相应截面形状和大小，从而实现其他形状试样的试验，例如：立方体、长方体、其他上下端面平整的棱柱体和不规则形状体等，还可以设置孔压通道用于开展水力耦合条件下的直剪试验等。

附图说明

图1是实施例整体结构示意图；

图2是实施例分解结构示意图；

图3是实施例纵向剖面结构示意图；

图4是实施例纵向剖面分解结构示意图；

图5是实施例中变截面压头结构示意图；

图6是实施例中变截面压头侧视图；

图7是实施例中变截面压头主视图；

图8是实施例中变截面压头俯视图；

附图标记说明：1、变截面压头；2、圆环垫片；3、装样套筒；4、半圆垫片；5、试样；6、环向封块；7、LVDT传感器孔道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种组合式类岩石三轴直剪试验装置，以圆柱形试样为例进行说明，如图1-图4所示，本装置包括装样套筒3、变截面压头1、两个与试样横截面对应的半圆形弹性垫片4、圆环形弹性垫片2以及半圆环向弹性封块6，具体结构如下。

如图2、图3所示，装样套筒3侧面设有与环向弹性封块6对应的缺口，将半圆环向弹性封块6与缺口组合，装样套筒3外部为完整圆柱体，内部形成与试样匹配的试样腔，在试样腔底边设有与半圆形弹性垫片4对应的凹槽，试样腔上还设有变截面开孔，与下文所述的变截面压头对应，具体如下文说明。

如图5至图8所示，变截面压头1包括依次连接内径与所述装样套筒一致的圆柱形头部、位于头部两侧的传感器安装板7、内径略小于试样的圆柱形中部以及与所述凹槽截面位置、尺寸对应的半圆柱形下部，安装板7左右对称设有传感器安装孔道，用于安装轴向LVDT传感器，变截面压头采用热处理后的高强度不锈钢制成。

如图3所示，变截面开孔用于变截面压头1滑动插入，其中变截面压头1半圆柱形下部底面与试样底面直接接触，且与下方的凹槽位置对应，可用于轴向施力，形成轴向相对剪切力。变截面开孔中部平台与变截面压头1圆柱形中部通过半圆形弹性垫片4接触，变截面开孔顶部通过圆环形弹性垫片2与变截面压头1底边接触。

上述的半圆形弹性垫片4、圆环形弹性垫片2以及半圆环向弹性封块6均采用可变形的硬橡胶材料制成，以提供一定的变形量用于与接触面保持紧密接触。

上述装置具体使用方法如下：

步骤一，首先将装样套筒3内部涂上适量凡士林或其他试验允许的润滑剂，减小滑动摩擦力对试验产生的微小影响；

步骤二，将新的硬橡胶半圆垫片4插入装样套筒3的凹槽区，保证表面平齐；

步骤三，将做好准备工作的试样放入装样套筒3的装样区，使两者紧密接触。

步骤四，将环向封块6插入装样套筒3的侧面缺口区，硬橡胶环向封块6内侧与试样紧密接触。

步骤五，将另一块新的硬橡胶半圆垫片4放置在装样套筒3轨道区的半圆平台上，将新的硬橡胶圆环垫片2放置在装样套筒3与变截面压头1的接触面上。

步骤六，将上述装好的装样套筒3整体套入密封橡胶套，下端插入三轴试验设备底座，将变截面压头1插入装样套筒3变截面开孔内，保持与试样顶部、变截面开孔中部平台处半圆形垫片4和顶面圆环垫片2紧密接触，将橡胶套上下两端用喉箍卡紧固定，安装轴向LVDT传感器和环向应变传感器，装样工作完成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种组合式类岩石三轴直剪试验装置，其特征是，包括装样套筒、变截面压头、两个与试样横截面对应的对半弹性垫片、环形弹性垫片以及环向弹性封块，所述装样套筒侧面设有环形缺口，所述环向弹性封块与所述缺口对应，所述装样套筒试样腔底边设有与所述对半弹性垫片对应的凹槽，所述变截面压头包括依次连接的内径与所述装样套筒一致的头部、内径略小于试样的柱形中部以及与所述凹槽截面位置、尺寸对应的柱形下部，所述装样套筒试样腔上部设有与所述柱形中部以及所述柱形下部对应的变截面开孔，所述柱形下部底部可与试样顶面接触，所述柱形中部底边通过所述对半弹性垫片与所述变截面开孔接触，所述头部通过所述环形弹性垫片与所述装样套筒顶部接触；所述试样的外轮廓为圆柱体形、立方体形或长方体形，所述变截面压头头部两侧设有传感器安装板。

2.根据权利要求1所述的一种组合式类岩石三轴直剪试验装置，其特征是，所述变截面压头采用高强度不锈钢一体制成。

3.根据权利要求1所述的一种组合式类岩石三轴直剪试验装置，其特征是，所述对半弹性垫片采用硬橡胶制成。

4.根据权利要求1所述的一种组合式类岩石三轴直剪试验装置，其特征是，所述环形弹性垫片采用硬橡胶制成。

5.根据权利要求1所述的一种组合式类岩石三轴直剪试验装置，其特征是，所述环向弹性封块采用硬橡胶制成。

6.根据权利要求1所述的一种组合式类岩石三轴直剪试验装置，其特征是，所述传感器安装板相对头部两边对称设有传感器安装孔道，用于安装轴向位移传感器。

7.一种组合式类岩石三轴直剪试验装置的使用方法，采用如权利要求1-6任一项所述的组合式类岩石三轴直剪试验装置，其特征是，包括以下步骤：

(1)在所述装样套筒内部涂覆适量润滑剂；

(2)将所述对半弹性垫片、所述试样、所述环向弹性封块、所述环形弹性垫片对应放入所述装样套筒上，保持各部件平整、紧密接触；

(3)将上述装样套筒整体插入密封橡胶套，下端插置于三轴试验设备底座上，将所述变截面压头插入所述变截面开孔内，保持变截面压头与接触部件平整、紧密接触，橡胶套上下两端用卡箍固定，在合适位置安装轴向位移传感器以及环向应变传感器，即可完成装样。