CN110018052B - 一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法，在岩样中对称布置两个孔道，两孔道外端部留有平行于孔轴线的切缝，每一孔道内部套有压力气囊，该试验装置还包括试样固定装置、拉应力施加装置、剪应力施加装置，岩样上端连接有测量岩样法向位移量的竖向位移表盘；岩样侧面连接有测量岩样横向位移量的水平位移表盘。本发明一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法，具备结构简单易行、性能可靠、试验结果精确的优点。

Description

一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石拉伸和拉剪破坏试验技术领域，具体涉及一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法。

背景技术

岩石拉伸和拉剪破坏是岩体工程中常见的破坏模式。例如：深部洞室开挖使边墙法向地应力卸荷而切向地应力集中，当卸荷非常强烈时可能发生拉伸或拉剪破坏。又如岩质边坡的开挖卸荷可导致上部坡体产生拉应力区，该区域岩体一般处于即受拉又受剪的拉剪复合应力状态。再如大量自重作用下的滑坡和地震滑坡表明，坡体后缘往往发生以拉伸为主的破坏。因此，研究岩石拉剪力学特性对岩体工程设计施工及稳定性评价与控制具有重要意义。

目前获取岩石抗剪强度参数的重要手段，岩石压剪试验(包括室内和原位试验)已广泛应用于岩土工程中。但由于技术上的困难，岩石拉剪试验开展较少，拉剪力学特性的研究也较压剪力学特性少的多，通常的做法是将压剪试验得到的摩尔库伦强度准则拟合直线延伸至法向应力轴负半轴，作为岩石在拉剪应力下的强度准则，而这种处理是缺乏试验数据支撑的。目前关于岩石介质拉剪强度的测试方法研究较少，而且已有的研究成果大多试验过程繁琐、不易操作、精度不高、亟待改进。许多岩石在拉力的直接控制上十分不便以及拉力的施加方式，因此需要对岩样的拉力施加方式进行改进。

目前，岩石压剪力学行为的研究无论在数量上还是深度上均占压倒性优势，而对拉剪强度的研究则很少，但日益受到重视。研究岩石拉剪应力下的变形破坏行为一般采用直接拉剪实验，但有较多的局限，比如拉力的直接控制上十分不便，难以实现复杂应力环境等。由于关于拉剪的试验数据非常稀少，理论模型和实验数据缺乏系统的校对。已有的研究成果大多试验过程繁琐，不易操作，精度不高，亟待改进。

发明内容

本发明提供一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法，具备结构简单易行、性能可靠、试验结果精确的优点。

本发明采取的技术方案为：

一种岩石拉伸和拉剪试验装置，在岩样中对称布置两个孔道，两孔道外端部留有平行于孔轴线的切缝，每一孔道内部套有压力气囊，

该试验装置还包括试样固定装置、拉应力施加装置、剪应力施加装置。

所述试样固定装置用于固定岩样；

岩样上端连接有测量岩样法向位移量的竖向位移表盘；

岩样侧面连接有测量岩样横向位移量的水平位移表盘。

所述拉应力施加装置包括压力气囊、充气接头、输气管道、加压泵、气源；气源连接加压泵，加压泵通过输气管道连接充气接头，充气接头向用于压力气囊充气，使孔道内壁形成均匀内压，孔道之间岩桥形成向上的均布拉力；

所述剪应力施加装置包括垫块、传感器、千斤顶、L型传力件、加压管道、压力泵；岩样上部放置L型传力件，千斤顶与L型传力件接触，千斤顶连接传感器，压力泵设置有压力表。

所述试样固定装置包括左挡板、右挡板、三角形挡板，固定螺杆、螺帽；左挡板、右挡板放置岩样左右两端，通过固定螺杆将左、右挡板相连，左挡板处放置三角形挡板，三角形挡板抵靠在左竖直立板上。

所述孔道中部放置云母垫片，云母垫片上涂抹黄油或凡士林，

所述竖向位移表盘连接顶板，所述水平位移表盘连接左竖直立板，左竖直立板、右竖直立板安装在底板上，与顶板形成一封闭的空间，岩样放在底板上。

所述压力气囊是一种橡胶气囊，其一端设有上、下两个对称的充气接头。

所述L型传力件的剪切口为尖端凸起状，施加剪切荷载时，千斤顶和传感器的中轴线与切缝、L型传力件的剪切口，处于同一水平线。

一种岩石拉剪试验方法，包括以下步骤：

第一步：制作长×宽为2.3d×1.2d的岩样,在岩样中对称布置两个孔道，孔道直径为d,两个孔道直径岩桥距离为0.1d，两个孔道外端部留有平行于孔轴线的切缝，切缝长度为0.1d,每一孔道内部套有压力气囊，压力气囊一端设有上、下两个对称的充气接头，孔道中部放置云母垫片；

第二步：将左、右竖直立板安装在底板上，接着安装顶板形成一封闭的空间；

第三步：将改进后的岩样放在底板上，将左、右挡板放在岩样两侧，再通过固定螺杆将左、右挡板相连，左挡板处放三角形挡板并抵靠在左竖直立板，防止岩样滑动，以此来固定岩样；

第四步：打开气源，与加压泵相连的输气管道对充气接头充气，使孔道内壁形成均匀内压，孔道之间岩桥形成向上的均布拉力，来施加法向荷载；

第五步：在岩样上部放置L型传力件，伸长千斤顶，千斤顶和传感器的中轴线与岩样剪缝、L型传力件的剪切口处于同一水平线，从而施加横向荷载；

第六步：观察竖向位移表盘、水平位移表盘和压力表的变化数值，在岩样达到规范要求剪切位移后即可停止实验，实验过程中记录并保存数据。

本发明一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法，优点在于：

1：本发明装置结构简单易行，性能可靠，通过对岩样性状进行了改变，通过充气接头向岩样孔道内的气囊上的充气接头充气，使孔道内壁受均匀内压，孔道之间的岩桥近似于均布受拉，来实现法向荷载的施加。固定装置左右挡板以及螺栓的连接使试样安装和拆卸方便。本发明得到的试验结果精确度有保证。

2：凡是岩土工程中可能碰到拉-剪破坏的地方，都可以采用本发明方法进行测试分析，从而为岩土介质发生拉-剪破坏的测试、预测提供可靠的依据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明岩石拉剪试验装置的整体结构示意图。

图2为本发明岩样固定装置的左视结构示意图；

图3为本发明岩样固定装置的俯视结构示意图；

图4为本发明岩样固定装置的主视结构示意图。

图5为本发明岩样制备示意图。

图6为本发明的孔道对称布置图；

图7为岩桥部分切向应力分布图；

图8为岩桥部分切向应力叠加分布图。

具体实施方式

原理分析：

在拉剪试验中，剪切荷载的施加相对比较容易，关键是如何实现拉应力的施加。

1：根据力学知识可知，在圆形孔道中实现均布压力之后，其孔壁周围会产生沿径向的拉力，因此可以考虑此方法来应用于岩石拉剪试验下的拉应力的施加，为此需要对岩样性状进行专门设计。

2：根据弹性力学理论可知，对于单独的孔道，承受均布内压的孔道径向应力和切向应力公式为：

其中，径向应力σ_ρ为压应力，切向应力为拉应力，r为孔道内半径，q为孔道内荷载，R为孔道外半径，ρ为某一点距孔道中心的距离。

基于此，如图6所示，当岩样中对称布置两个孔道，直径为d，孔间岩桥长度为0.1d时。取孔道直径d为50mm,两孔间距为5mm,即为0.1倍的孔道直径，根据公式(2)计算孔道间岩桥部分所受拉应力分布及叠加后的应力分布值如下表1所示：

表1孔道间岩桥部分所受拉应力分布及叠加应力分布值

表中，ρ_左为某一点距左孔道中心的距离，ρ_右为某一点距右孔道中心的距离，σ_左为距左孔道中心某一点的拉应力，σ_右为距右孔道中心某一点的拉应力，其中σ_总为孔道间岩桥部分拉应力叠加值。

两孔道间岩桥部分所受拉应力分布图如图7所示：

由于孔道和荷载均是对称分布的，岩桥部分的切向应力可以直接进行叠加，如图8所示，可以看出，在两边对称荷载作用下，岩桥部分受到近似均布拉应力作用如图8所示：

由上表1可知，孔道间岩桥拉应力的叠加值的最小值为19.05q，最大值为19.28q，均值为19.13q，其差值为0.077q，则两孔道间岩桥部分所受拉应力可以满足应力均匀的要求，同时根据圣维南原理，两侧岩体中切缝不会影响到中间受拉部分岩桥的应力分布。由以上分析可知，往孔道内部充气压，当孔道内压均布荷载为q时，两孔间岩桥部分会形成近似均匀分布的法向拉应力，其大小为19.13q，进行拉剪试验时，需要施加多大的法向拉力可由以下公式3计算出孔道内压大小，即往孔道内应充多大的气压值。

式中q为孔道内压荷载，σ为岩桥部分拉应力大小。

基于上述分析，可以设计如图5所示长×宽为2.3d×1.2d的带对称孔道的试样，在孔道内施加均布荷载，可以使得孔道间岩桥均匀受拉。

如图1-图4所示，一种岩石拉伸和拉剪试验装置，包括：

岩样性状的改进：在岩样26中对称布置两个孔道，两孔道外端部留有平行于孔轴线的切缝28，每一孔道内部套有压力气囊27。

基于表1应力计算分析，要使得两孔道间岩桥部分形成近似均匀分布的法向拉应力，需要控制两个孔道间岩桥距离为0.1倍的孔道直径，孔道外端切口的长度为0.1倍的孔道直径长。

该试验装置还包括试样固定装置、拉应力施加装置、剪应力施加装置：

所述试样固定装置用于固定岩样26；

岩样26上端连接有测量岩样26法向位移量的竖向位移表盘5；竖向位移表盘5通过表盘立杆14与顶板2固定。

岩样26侧面连接有测量岩样26横向位移量的水平位移表盘6；水平位移表盘6通过水平横杆与左竖直立板固定。

所述拉应力施加装置包括压力气囊27、充气接头18、输气管道20、加压泵21、气源23；气源23通过气管22连接加压泵21，加压泵21通过输气管道20连接充气接头18，充气接头18向用于压力气囊27充气，使孔道内壁形成均匀内压，孔道之间岩桥形成向上的均布拉力，来完成拉应力的施加。气源23采用氮气。

所述剪应力施加装置包括垫块7、传感器8、千斤顶9、L型传力件10、加压管道11、压力泵12；岩样26上部放置L型传力件10，千斤顶9与L型传力件10接触，千斤顶9连接传感器8，压力泵12设置有压力表13来记录施加剪应力的大小。通过这些部件完成剪应力的施加。传感器8采用油压传感器，是通过压阻效应将压力信号转化为电阻信号的装置，在本实验中用来测量及控制剪切力的大小。

所述试样固定装置包括左挡板25、右挡板24、三角形挡板16，固定螺杆17、螺帽15；左挡板25、右挡板24放置岩样26左右两端，通过固定螺杆17将左、右挡板相连，左挡板25处放置三角形挡板16，三角形挡板16抵靠在左竖直立板3上。防止岩样滑动，以此来固定岩样。

所述孔道中部放置云母垫片19，云母垫片19上涂抹黄油或凡士林，有效的减小摩擦作用，保证得剪切荷载始终作用两个孔道之间的岩桥处，使实验结果更加真实。

所述竖向位移表盘5连接顶板2，所述水平位移表盘6连接左竖直立板3，左竖直立板3、右竖直立板4安装在底板1上，与顶板2形成一封闭的空间，岩样26放在底板1上。

所述压力气囊27是一种橡胶气囊，其一端设有上、下两个对称的充气接头18。

所述L型传力件10的剪切口为尖端凸起状，施加剪切荷载时，千斤顶9和传感器8的中轴线与切缝28、L型传力件10的剪切口，处于同一水平线。

实施例：

步骤一：岩样安装：

如图1所示，岩样26是长×宽为115mm×60mm的岩石试样，对其对称的布置两个孔道，孔道直径长为50mm，两孔道之间岩桥距离为5mm，两孔外端部留有平行于孔轴线的切缝28，切缝28长为5mm，孔道里放置压力气囊27，孔道中部放置云母垫片19，该岩样26是本发明测试和分析的客体。

试样固定装置用于固定岩样26；

拉应力施加装置是为了对岩样26施加拉应力；

剪应力施加装置是为了对岩样26施加剪应力；

步骤二：拉应力的施加：

根据试验设定的拉应力值，采用上述公式(3)即计算孔道内所需要施加的气压值；紧接着打开气源23，通过输气管道20对充气接头18充气，使孔道内壁形成均匀内压，孔道之间岩桥形成向上的均布拉力，直至达到试验设定拉应力值。

上述过程可以对岩桥部分施加设定的法向拉应力，为后面的拉剪试验做准备；也可以直接通过增大两边孔道的内部气压值直至岩桥拉断，从而测得岩桥的抗拉强度。

步骤三：剪应力的施加：

然后在岩样26上部放置L型传力件10，伸长千斤顶9，千斤顶9和传感器8的中轴线与岩样剪缝、L形传力件10的剪切口处于同一水平线，从而施加横向荷载；

竖向位移表盘5记录岩样26的竖向位移，水平位移表盘6记录岩样26的水平位移；

通过气源23向压力气囊27充气，对孔口内壁形成均匀内压，孔口之间形成向上的均布拉力来实现拉应力的施加；通过L形传力件10来完成剪应力的施加，其中压力表13来记录施加剪应力的大小。

本发明主要结合力学知识，通过气压装置给岩样孔道里的压力气囊27里充气，施加气压，使得两孔道内壁受均匀内压作用，由于孔道和荷载均是对称分布的，岩桥部分的切向应力可以直接叠加，在两边对称的荷载下，岩桥部分受到近似的均匀拉力作用，从而完成了对岩样拉应力的施加，通过试样固定装置使得岩样在拉力作用下不被分开，再通过拉应力施加装置、剪应力施加装置进行岩样拉剪应力组合状态下的试验，通过竖向位移表盘5、水平位移表盘6记录岩样拉剪状态下的位移，通过压力表13测量施加剪切力的大小。

Claims (6)

1.一种岩石拉剪试验方法，其特征在于：采用岩石拉伸和拉剪试验装置，该试验装置包括试样固定装置、拉应力施加装置、剪应力施加装置；

所述试样固定装置用于固定岩样（26）；

岩样（26）上端连接有测量岩样（26）法向位移量的竖向位移表盘（5）；

岩样（26）侧面连接有测量岩样（26）横向位移量的水平位移表盘（6）；

所述拉应力施加装置包括压力气囊（27）、充气接头（18）、输气管道（20）、加压泵（21）、气源（23）；气源（23）连接加压泵（21），加压泵（21）通过输气管道（20）连接充气接头（18），充气接头（18）用于向压力气囊（27）充气，使孔道内壁形成均匀内压，孔道之间岩桥形成均布拉力；

所述剪应力施加装置包括垫块（7）、传感器（8）、千斤顶（9）、L型传力件（10）、加压管道（11）、压力泵（12）；岩样（26）上部放置L型传力件（10），千斤顶（9）与L型传力件（10）接触，千斤顶（9）连接传感器（8），压力泵（12）设有压力表（13）；

采用上述岩石拉伸和拉剪试验装置的岩石拉剪试验方法，包括以下步骤：

第一步：制作长×宽为2.3d×1.2d的岩样（26）, 在岩样（26）中对称布置两个孔道，孔道直径为d, 两个孔道之间岩桥距离为0.1d，两个孔道外端部留有平行于孔轴线的切缝（28），切缝（28）长度为0.1d,每一孔道内部套有压力气囊（27），压力气囊（27）一端设有上、下两个对称的充气接头（18），孔道中部放置云母垫片（19）；

第二步：将左、右竖直立板安装在底板（1）上，接着安装顶板（2）形成一封闭的空间；

第三步：将改进后的岩样（26）放在底板（1）上，将左、右挡板放在岩样（26）两侧，再通过固定螺杆（17）将左、右挡板相连，左挡板（25）处放三角形挡板（16）并抵靠在左竖直立板（3）上，防止岩样（26）滑动，以此来固定岩样（26）；

第四步：打开气源（23），与加压泵（21）相连的输气管道（20）对充气接头（18）充气，使孔道内壁形成均匀内压，孔道之间岩桥形成向上的均布拉力，来施加法向荷载；

第五步：在岩样（26）上部放置L型传力件（10），伸长千斤顶（9），千斤顶（9）和传感器（8）的中轴线与岩样（26）的切缝（28）、L型传力件（10）的剪切口处于同一水平线，从而施加横向荷载；

第六步：观察竖向位移表盘（5）、水平位移表盘（6）和压力表（13）的变化数值，在岩样（26）达到规范要求剪切位移后即可停止实验，实验过程中记录并保存数据。

2.根据权利要求1所述一种岩石拉剪试验方法，其特征在于：所述试样固定装置包括左挡板（25）、右挡板（24）、三角形挡板（16），固定螺杆（17）、螺帽（15）；

左挡板（25）、右挡板（24）放置岩样（26）左右两端，通过固定螺杆（17）将左、右挡板相连，左挡板（25）处放置三角形挡板（16），三角形挡板（16）抵靠在左竖直立板上。

3.根据权利要求1所述一种岩石拉剪试验方法，其特征在于：所述孔道中部放置云母垫片（19），云母垫片（19）上涂抹黄油或凡士林。

4.根据权利要求1所述一种岩石拉剪试验方法，其特征在于：所述竖向位移表盘（5）连接顶板（2），所述水平位移表盘（6）连接左竖直立板（3），左竖直立板（3）、右竖直立板（4）安装在底板（1）上，与顶板（2）形成一封闭的空间，岩样（26）放在底板（1）上。

5.根据权利要求1所述一种岩石拉剪试验方法，其特征在于：所述压力气囊（27）是一橡胶气囊，其一端设有上、下两个对称的充气接头（18）。

6.根据权利要求1所述一种岩石拉剪试验方法，其特征在于：所述L型传力件（10）的剪切口为尖端凸起状，施加横向荷载时，千斤顶（9）和传感器（8）的中轴线与切缝（28）、L型传力件（10）的剪切口，处于同一水平线。