CN110514534A - 一种测定多向剪切结构面强度的试验装置及试验方法 - Google Patents

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何坚
杨天娇
张雨浓
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Abstract

本发明属于岩土测试技术领域，具体涉及一种测定多向剪切结构面强度的试验装置及试验方法。本发明的技术方案如下：包括上部剪切盒、下部剪切盒、底部垫片、加载板、上部垫片、传力块和试件固定块，下部剪切盒设有正十六边形的试件槽，上部剪切盒设有正十六边形的试件孔；底部垫片放置在所述试件槽底，岩石试件下半部放置在所述试件槽内，四件试件固定块插入岩石试件下半部四周予以固定；岩石试件上半部放置在所述试件孔内，四件试件固定块插入岩石试件上半部四周予以固定；所述传力块放置在岩石试件上半部上方，上部垫片放置在所述传力块上方，所述加载板对上部垫片施加法向压力。本发明能够分析结构面抗剪强度的各向异性，该装置简单、方便及实用性强。

Description

一种测定多向剪切结构面强度的试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于岩土测试技术领域，具体涉及一种测定多向剪切结构面强度的试验装置及试验方法。
背景技术
岩体是由岩块基质和结构面组成的。尽管结构面的体积占岩体体积的很小一部分，但是结构面的力学性质却是决定岩体稳定性的重要因素，其中结构面的最重要的力学性质之一是结构面的抗剪强度。
目前结构面的剪切试验都是测定某一剪切方向的抗剪强度，将试验测得的抗剪强度和相关参数值作为数值计算、工程稳定性理论计算以及相关工程分析的基础，然而，在自然环境条件下，地震和地质构造等对结构面的剪切作用力的方向并不确定，在水利、公路、铁路和矿山等工程建设中，人工改造岩体对结构面产生的剪切作用力方向也具有不确定性。因此，测定某一剪切方向的抗剪强度并不能作为分析工程稳定性的基础，分析结构面抗剪强度的各向异性，是研究工程稳定性，结构面错动与破坏的基础科学问题。
发明内容
本发明提供一种测定多向剪切结构面强度的试验装置及试验方法，能够分析结构面抗剪强度的各向异性，该装置简单、方便及实用性强。
本发明的技术方案如下：
一种测定多向剪切结构面强度的试验装置，包括上部剪切盒、下部剪切盒、底部垫片、加载板、上部垫片、传力块和试件固定块，下部剪切盒设有正十六边形的试件槽，上部剪切盒设有正十六边形的试件孔；试件固定块的横截面形状由一条长边和四条短边组成，所述长边与岩石试件横截面的边长一致，四条短边与所述试件槽及试件孔的其中四条边的边长及形状一致；底部垫片放置在所述试件槽底，岩石试件下半部放置在所述试件槽内，四件试件固定块插入岩石试件下半部四周予以固定；岩石试件上半部放置在所述试件孔内，四件试件固定块插入岩石试件上半部四周予以固定；所述传力块放置在岩石试件上半部上方，上部垫片放置在所述传力块上方，所述加载板对上部垫片施加法向压力。
进一步地，所述的测定多向剪切结构面强度的试验装置，其中下部剪切盒上表面设有两条由滚动轴承组成的滑道，所述滚动轴承最高点与下部剪切盒上表面处于同一平面。
进一步地，所述的测定多向剪切结构面强度的试验装置，其中所述滚动轴承为无外圈圆柱滚子轴承。
利用上述的测定多向剪切结构面强度的试验装置进行的试验方法，包括如下步骤：
1)对岩石样品进行巴西劈裂试验，之后采用三维激光扫描仪对产生的两部分岩石样品结构面进行扫描获取其粗糙度分布；
2)将扫描得到的结构面粗糙度编写程序输入3D打印机中，用光敏树脂打印出结构面粗糙度；
3)采用相似材料浇筑成试件，其中，相似材料的配比经反复配比和抗压、抗剪试验，直至浇筑的块体强度与岩石近似；试件尺寸与岩石样品尺寸相同；
4)制作劈裂后的岩石试件的上半部、下半部，在浇筑中将打印的光敏树脂放入岩石试件的中间，待恒温养护后成型；同样的方法，制作其余47个岩石试件；
5)将底部垫片放入下部剪切盒中，再将岩石试件下半部放入下部剪切盒中，然后将四件试件固定块放入，固定岩石试件下半部；将岩石试件上半部放在岩石试件下半部上面，使之吻合；然后将四件试件固定块安放在岩石试件上半部四周，之后将上部剪切盒套入，再依次安装传力块、上部垫片和加载板；
6)按照试验方案，用加载系统向所述加载板施加法向压力，之后向上部剪切盒、下部剪切盒施加剪切应力；数据记录系统记录数据；试验后采用三维激光扫描仪扫描结构面，在研究结构面抗剪强度的各向异性中，用于比较试验前后结构面粗糙度的变化，及其分析与抗剪强度的关系；
7)每个剪切方向完成3个试块；通过试件固定块与岩石试件配合实现调整岩石试件的方向，完成结构面上16个方向的剪切抗剪强度测定。
进一步地，所述的试验方法，其中所述光敏树脂的厚度为8mm；上部垫片厚度为1cm，加载板厚度为10cm。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过建立一种剪切试验盒，在剪切实验机上实现了结构面抗剪强度的各向异性的测定。在下部剪切盒中设置了一个正十六边形的槽，实现了结构面16个方向的抗剪强度的测定；为结构面抗剪强度的各向异性的研究提供了设备和方法。
2、本发明通过试件固定块可以很好的固定试块，防止在剪切过程中发生扭转运动。
3、本发明在下部剪切盒中安装了滚动轴承，滚动轴承最高点与剪切盒面处于一个平面内，滚动轴承可以减小上、下剪切盒的摩擦力，减小试验误差。
附图说明
图1为测定多向剪切结构面强度的试验装置结构示意图；
图2为下部剪切盒俯视图；
图3为试件固定块截面图；
图4为上部剪切盒俯视图；
图5为岩石试件位于不同方向的示意图。
具体实施方式
如图1-5所示，一种测定多向剪切结构面强度的试验装置，包括上部剪切盒1、下部剪切盒2、底部垫片4、加载板5、上部垫片6、传力块7和试件固定块10，下部剪切盒2设有正十六边形的试件槽8，上部剪切盒设有正十六边形的试件孔11；试件固定块10的横截面形状由一条长边和四条短边组成，所述长边与岩石试件3横截面的边长一致，四条短边与所述试件槽8及试件孔11的其中四条边的边长及形状一致；底部垫片4放置在所述试件槽8底，岩石试件下半部放置在所述试件槽8内，四件试件固定块10插入岩石试件下半部四周予以固定；岩石试件上半部放置在所述试件孔11内，四件试件固定块10插入岩石试件上半部四周予以固定；所述传力块7放置在岩石试件上半部上方，上部垫片6放置在所述传力块7上方，所述加载板5对上部垫片6施加法向压力；下部剪切盒2上表面设有两条由滚动轴承9组成的滑道，所述滚动轴承9最高点与下部剪切盒2上表面处于同一平面，所述滚动轴承9为无外圈圆柱滚子轴承。
利用上述的测定多向剪切结构面强度的试验装置进行的试验方法，包括如下步骤：
1)对岩石样品进行巴西劈裂试验，之后采用三维激光扫描仪对产生的两部分岩石样品结构面进行扫描获取其粗糙度分布；
2)将扫描得到的结构面粗糙度编写程序输入3D打印机中，用光敏树脂打印出结构面粗糙度；所述光敏树脂的厚度为8mm；
3)采用相似材料浇筑成试件，其中，相似材料的配比经反复配比和抗压、抗剪试验，直至浇筑的块体强度与岩石近似；试件尺寸与岩石样品尺寸相同；
4)制作劈裂后的岩石试件3的上半部、下半部，在浇筑中将打印的光敏树脂放入岩石试件3的中间，待恒温养护后成型；同样的方法，制作其余47个岩石试件3；
5)将底部垫片4放入下部剪切盒2中，再将岩石试件下半部放入下部剪切盒2中，然后将四件试件固定块10放入，固定岩石试件下半部；将岩石试件上半部放在岩石试件下半部上面，使之吻合；然后将四件试件固定块10安放在岩石试件上半部四周，之后将上部剪切盒1套入，再依次安装传力块7、上部垫片6和加载板5；上部垫片厚度为1cm，加载板厚度为10cm；
6)按照试验方案，用加载系统向所述加载板5施加法向压力，之后向上部剪切盒1、下部剪切盒2施加剪切应力；数据记录系统记录数据；试验后采用三维激光扫描仪扫描结构面，在研究结构面抗剪强度的各向异性中，用于比较试验前后结构面粗糙度的变化，及其分析与抗剪强度的关系；
7)每个剪切方向完成3个试块；通过试件固定块10与岩石试件3配合实现调整岩石试件3的方向，完成结构面上16个方向的剪切抗剪强度测定。
任何熟悉此技术的人皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例开展修改。因此，凡属于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修改和完善，仍应由本发明的权利要求所覆盖。

Claims (5)

1.一种测定多向剪切结构面强度的试验装置，其特征在于，包括上部剪切盒、下部剪切盒、底部垫片、加载板、上部垫片、传力块和试件固定块，下部剪切盒设有正十六边形的试件槽，上部剪切盒设有正十六边形的试件孔；试件固定块的横截面形状由一条长边和四条短边组成，所述长边与岩石试件横截面的边长一致，四条短边与所述试件槽及试件孔的其中四条边的边长及形状一致；底部垫片放置在所述试件槽底，岩石试件下半部放置在所述试件槽内，四件试件固定块插入岩石试件下半部四周予以固定；岩石试件上半部放置在所述试件孔内，四件试件固定块插入岩石试件上半部四周予以固定；所述传力块放置在岩石试件上半部上方，上部垫片放置在所述传力块上方，所述加载板对上部垫片施加法向压力。
2.根据权利要求1所述的测定多向剪切结构面强度的试验装置，其特征在于，下部剪切盒上表面设有两条由滚动轴承组成的滑道，所述滚动轴承最高点与下部剪切盒上表面处于同一平面。
3.根据权利要求2所述的测定多向剪切结构面强度的试验装置，其特征在于，所述滚动轴承为无外圈圆柱滚子轴承。
4.利用如权利要求1-3之一所述的测定多向剪切结构面强度进行的试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对岩石样品进行巴西劈裂试验，之后采用三维激光扫描仪对产生的两部分岩石样品结构面进行扫描获取其粗糙度分布；
2)将扫描得到的结构面粗糙度编写程序输入3D打印机中，用光敏树脂打印出结构面粗糙度；
3)采用相似材料浇筑成试件，其中，相似材料的配比经反复配比和抗压、抗剪试验，直至浇筑的块体强度与岩石近似；试件尺寸与岩石样品尺寸相同；
4)制作劈裂后的岩石试件的上半部、下半部，在浇筑中将打印的光敏树脂放入岩石试件的中间，待恒温养护后成型；同样的方法，制作其余47个岩石试件；
5)将底部垫片放入下部剪切盒中，再将岩石试件下半部放入下部剪切盒中，然后将四件试件固定块放入，固定岩石试件下半部；将岩石试件上半部放在岩石试件下半部上面，使之吻合；然后将四件试件固定块安放在岩石试件上半部四周，之后将上部剪切盒套入，再依次安装传力块、上部垫片和加载板；
6)按照试验方案，用加载系统向所述加载板施加法向压力，之后向上部剪切盒、下部剪切盒施加剪切应力；数据记录系统记录数据；试验后采用三维激光扫描仪扫描结构面，在研究结构面抗剪强度的各向异性中，用于比较试验前后结构面粗糙度的变化，及其分析与抗剪强度的关系；
7)每个剪切方向完成3个试块；通过试件固定块与岩石试件配合实现调整岩石试件的方向，完成结构面上16个方向的剪切抗剪强度测定。
5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，所述光敏树脂的厚度为8mm；上部垫片厚度为1cm，加载板厚度为10cm。
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