CN110044730A - 一种岩石三轴直接剪切实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种岩石三轴直接剪切实验装置和方法，其装置包括围压平衡剪切机构和软质试样密封套,试样的两端均固定有围压平衡剪切机构,软质试样密封套套设于试样及其两端的围压平衡剪切机构的外侧,围压平衡剪切机构包括剪切基座,剪切基座与试样端部的一侧接触,剪切基座、试样端部的另一侧和软质试样密封套之间成形腔室，腔室内设置有与腔室形状相适配的弹性空腔体，剪切基座上开设有平衡管路，平衡管路的一端与弹性空腔体内部的空腔连通，平衡管路的另一端与软质试样密封套外部连通，两个围压平衡剪切机构反向设置；本发明在试样外周和端部施加可自平衡的围压，同时对试样进行剪切实验，实现了对深部工程岩体剪切力学行为的评估实验，降低了实验误差。

Description

一种岩石三轴直接剪切实验装置和方法

技术领域

本发明属于岩石实验技术领域，具体涉及一种岩石三轴直接剪切实验装置和方法。

背景技术

岩石在地层中都是受到三向地应力作用。岩石在三向应力下的剪切破坏过程和抗剪强度是岩石工程设计中普遍需要关注的问题。目前岩石的抗剪强度一般是通过剪切盒、常规三轴直接剪切实验的方式近似确定，现有在有围压(即法向力)作用下发生较大剪切变形时，。现有剪切盒实验装置和岩石常规直接剪切装置无法在加载面上实现围压自平衡，从而导致高围压下的三轴直接剪切实验易产生偏转端部挤压效应，在位移较大时测量的应力和位移均存在很大误差，导致抗剪强度无法准确获取。

发明内容

本发明目的在于提供一种岩石三轴直接剪切实验装置和方法，用于获取岩石三轴应力下的抗剪强度和三轴剪切破坏过程，为岩石工程设计和建设安全提供准确的评价方法和依据。

本发明技术方案如下：

一种岩石三轴直接剪切实验装置，包括围压自平衡剪切部件和软质试样密封套,待测试样的两端分别设置有围压自平衡剪切部件,软质试样密封套套设于待测试样及其两端的围压自平衡剪切部件的外侧，所述围压自平衡剪切部件包括剪切基座、金属垫板以及围压自平衡体,所述的剪切基座与待测试样端面的轴线一侧平面接触,接触面积为试样端部面积的1/2，剪切基座上开设有一直角弯导孔，所述围压自平衡体为一端设置有引出管路的薄壁空腔体，其引出管路通过剪切基座上设置的导孔与待测试样外部连通，所述金属垫板为一薄片金属板，其横截面为待测试样横截面的1/2，围压自平衡体的侧面与剪切基座紧密贴合接触，围压自平衡体的底面与待测试样端面的轴线另一侧通过金属垫片紧密贴合接触，两个围压自平衡剪切部件以待测试样的中心为中心反对称设置。

围压自平衡体的引出管路与剪切基座上的导孔的连接处设置有密封圈。

所述软质试样密封套和围压自平衡体均采用高强度柔性材质制成。

可选的，所述软质试样密封套和围压自平衡体均采用橡胶材质制成。

一种岩石三轴直接剪切实验方法，采用前述的一种岩石三轴直接剪切实验装置，包括以下步骤：

步骤1、将围压自平衡体的引出管路插入到剪切基座上的导孔内，放置金属垫板于待测试样表面，将剪切基座、围压自平衡体、金属垫片和待测试样相互位置固定，将软质试样密封套套设于待测试样及其两端的围压自平衡部件的外侧，并保证剪切基座上的导孔不被软质试样密封套覆盖，并在软质密封套的两个末端外侧用箍环箍紧，使得软质试样密封套与剪切基座紧密贴合，将安装好的含待测试样的剪切实验装置放置于普通三轴实验装置的待测试样放置处；

步骤2、在整个实验装置外部利用液压油施加围压，围压数值可等于待测试岩石所处原位地应力的平均值，一方面液压油通过软质试样密封套向试样外周施加侧向压力，并通过剪切基座向试样端部轴线一侧施加轴向压力，另一方面液压油通过剪切基座上的导孔进入围压自平衡体内部，通过围压自平衡体向试样两端施加等值于径向围压的轴向围压；

步骤3、维持围压数值恒定，在两个剪切基座上同时逐步施加轴向剪切力直至试样破坏，并记录试样破坏过程中的剪切力和变形，即得到试样三轴剪切破坏过程的应力应变曲线，并获取试样的三轴剪切强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明根据深部工程原位地的应力，确定实验围压值，在试样受围压作用下开展直接剪切试验，剪切力不受围压和剪切位移的大小限制，因此，本发明可开展高围压、大剪切变形的三轴剪切试验，可以更准确地获取待测试样的三轴抗剪强度，实现对深部工程岩体剪切力学行为的有效评估。

附图说明

图1为本发明剪切实验装置的剖面结构示意图；

图2为图1中B-B的剖视示意图；

图3为本发明剪切实验时试样的受力示意图；

其中：软质试样密封套1；待测试样2；剪切基座3；围压自平衡体4；导孔5；金属垫板6；密封圈7。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1至图3所示，本发明提供了一种岩石三轴直接剪切实验装置，包括围压自平衡剪切部件和软质试样密封套1,待测试样2的两端均固定有围压自平衡剪切部件，软质试样密封套1套设于待测试样2及其两端的围压自平衡剪切部件的外侧，所述围压自平衡剪切部件包括剪切基座3、金属垫板6以及围压自平衡体4,所述剪切基座3与待测试样2端面的一侧接触,接触面积为试样2端部面积的1/2,剪切基座3上开设有一直角弯导孔5，所述的金属垫板6为一薄片金属板，其横截面为待测试样2横截面的一半，所述的围压自平衡体4为一端设置有引出管路的薄壁空腔体，其中引出管路通过剪切基座3上设置的导孔5与待测试样2外部连通，围压自平衡体4的侧面与剪切基座3紧密贴合接触，围压自平衡体4的底面与待测试样2端面另一侧设置的金属垫片6紧密贴合接触，两个围压自平衡剪切部件反对称设置，以实现剪切试样2的目的。

具体的，围压自平衡体4与待测试样2之间设置有金属垫板6，金属垫板6与围压自平衡体4之间紧密贴合接触。

导孔5与围压自平衡体4连接处设置有密封圈7。

所述软质试样密封套1和围压自平衡体4均采用橡胶材质制成

一种岩石高围压大变形三轴直接剪切实验方法，采用前述的一种岩石三轴直接剪切实验装置，包括以下步骤：

步骤1、将待测试样2固定于两个围压自平衡剪切部件之间，并将软质试样密封套1套设于待测试样2及其两端的围压自平衡剪切部件的外侧，将安装好的实验装置放置于普通三轴实验装置的待测试样放置处；

步骤2、在整个剪切实验装置外部利用液压油施加围压P_C，围压数值可以等于待测岩石试样的原位地应力平均值，如图3所示，一方面液压油通过软质试样密封套1向待测试样2外周施加侧向围压，并通过剪切基座3向待测试样2端部轴线一侧施加轴向压力，另一方面液压油通过导孔5进入围压自平衡体4内部，通过围压自平衡体4向待测试样2两端施加等值于径向围压的轴向压力；

步骤3、维持围压数值恒定，在两个剪切基座3上同时逐步施加轴向剪切力F直至待测试样2破坏，并记录待测试样2破坏过程中的剪切力和变形，即得到待测试样2三轴剪切破坏过程的应力应变曲线，并获取待测试样2的三轴剪切强度(应力应变曲线的峰值应力)。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种岩石三轴直接剪切实验装置，其特征在于，包括围压自平衡剪切部件和软质试样密封套,待测试样的两端分别设置有围压自平衡剪切部件,软质试样密封套套设于待测试样及其两端的围压自平衡剪切部件的外侧，所述围压自平衡剪切部件包括剪切基座、金属垫板以及围压自平衡体,所述的剪切基座与待测试样端面的轴线一侧平面接触,接触面积为试样端部面积的1/2，剪切基座上开设有一直角弯导孔，所述围压自平衡体为一端设置有引出管路的薄壁空腔体，其引出管路通过剪切基座上设置的导孔与待测试样外部连通，所述金属垫板为一薄片金属板，其横截面为待测试样横截面的1/2，围压自平衡体的侧面与剪切基座紧密贴合接触，围压自平衡体的底面与待测试样端面的轴线另一侧通过金属垫片紧密贴合接触，两个围压自平衡剪切部件以待测试样的中心为中心反对称设置。

2.根据权利要求1所述的一种岩石三轴直接剪切实验装置，其特征在于，围压自平衡体的引出管路与剪切基座上的导孔的连接处设置有密封圈。

3.根据权利要求1所述的一种岩石三轴直接剪切实验装置，其特征在于，所述软质试样密封套和围压自平衡体均采用柔性材质制成。

4.根据权利要求3所述的一种岩石三轴直接剪切实验装置，其特征在于，所述软质试样密封套和围压自平衡体均采用橡胶材质制成。

5.一种岩石三轴直接剪切实验方法，采用如权利要求1至4中任意一项所述的一种岩石三轴直接剪切实验装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将围压自平衡体的引出管路插入到剪切基座上的导孔内，放置金属垫板于待测试样表面，将剪切基座、围压自平衡体、金属垫片和待测试样相互位置固定，将软质试样密封套套设于待测试样及其两端的围压自平衡部件的外侧，并保证剪切基座上的导孔不被软质试样密封套覆盖，并在软质密封套的两个末端外侧用箍环箍紧，使得软质试样密封套与剪切基座紧密贴合，将安装好的含待测试样的剪切实验装置放置于普通三轴实验装置的待测试样放置处；

步骤2、在整个实验装置外部利用液压油施加围压，围压数值可等于待测试岩石所处原位地应力的平均值，一方面液压油通过软质试样密封套向试样外周施加侧向压力，并通过剪切基座向试样端部轴线一侧施加轴向压力，另一方面液压油通过剪切基座上的导孔进入围压自平衡体内部，通过围压自平衡体向试样两端施加等值于径向围压的轴向围压；

步骤3、维持围压数值恒定，在两个剪切基座上同时逐步施加轴向剪切力直至试样破坏，并记录试样破坏过程中的剪切力和变形，即得到试样三轴剪切破坏过程的应力应变曲线，并获取试样的三轴剪切强度。