CN111141621B - 单个岩样测岩石抗剪强度的实验装置及使用方法 - Google Patents
单个岩样测岩石抗剪强度的实验装置及使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种单个岩样测岩石抗剪强度的实验装置及使用方法，它包括底座，底座上表面设置有凸起的试验台，试验台上表面放置有长方体结构的模拟岩块，模拟岩块上表面与加压框配合；底座上表面还连接有垂直于底座的第一调节螺杆和第二调节螺杆；加压框两端均开设有螺纹孔，第一调节螺杆和第二调节螺杆穿过加压框表面的螺纹孔；加压框上表面连接有支架，支架上表面连接有高速摄像机，高速摄像机的镜头朝向正下方的模拟岩块。本发明可对岩石内部的裂缝渗流开度进行可视化的图像分析，可以很好适应实验室试验环境、利于操作以及提高检测结果的可靠度。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程抗剪强度研究技术领域，具体涉及一种单个岩样测岩石抗剪强度的实验装置及使用方法。
背景技术
伴随国家现代化发展，许多公路桥梁隧道等工程建设迅速，而在地下工程设计施工中，岩石的抗剪力是一个非常重要的力学指标，它往往关乎工程设计的可行性与危险性，它是岩石在剪切荷载力作用下破坏时所能承受的最大剪应力，有直剪强度和三轴抗剪强度，例如在大坝、边坡、地下洞室岩体稳定性分析中提供抗剪强度参数，可以更好地从不同抗剪力地带划分采用不同的工程强度，岩体稳定性判断是一个工程的基础资料，也是最为关键的一个部分。。
目前对岩石抗剪强度的室内测定方法一般是直剪法和普通三轴法，在直剪法中剪切面的应力分布不均匀，它的抗剪强度曲线并非严格的曲线，对于试验精度有很大误差，而普通的三轴法虽然对比直剪法更为精确，应力分布更为均匀，但却无法控制剪切面，完全由应力自主作用。且对岩石的层理需求很高，天然的岩石中很难寻找出多个相似层理的可用于试验的岩石，将相似岩石归类试验必然也会造成试验误差。
发明内容
本发明提出对于需要测量的某种岩石的构造性质可以针对同一岩石进行测量，减少由于不同岩石体间测量具体数据导致的误差，对于岩石的个别特性，基于同一岩石的计算数据可极大减小偶然性，对一块岩石进行多次压裂测算，增加置信率，为解决岩石样本库数据的离散型以及降低试验操作难度复杂程度均有一定的效果影响。
为了实现上述的技术特征，本发明采用的技术方案是：一种单个岩样测岩石抗剪强度的实验装置，它包括中空结构的GDS三轴实验仪，GDS三轴实验仪的内部下表面连接有固定模具，固定模具的上表面与GDS三轴实验仪的施力装置连接；固定模具为中空圆柱体结构，固定模具内部放置圆柱体结构的岩石样品。
优选的，固定模具包括第一分体模和第二分体模，第一分体模和第二分体模拼接成完整的固定模具；第一分体模和第二分体模的拼接处为斜面结构；固定模具可选用钢制结构浇筑而成。
优选的，固定模具为直径不同的两个中空圆柱体结构套接成的双层结构，内层和外层之间的间隙中填入滚珠。
优选的，滚珠的间隙内填入润滑剂。
优选的，岩石样品的直径和大小与固定模具的内壁尺寸相同。
优选的，单个岩样测岩石抗剪强度的实验装置的使用方法，它包括以下步骤：
S1，选取真实的待测试岩石，将岩石切割成圆柱体的岩石样品，圆柱体的尺寸根据实验需求确定；
S2，利用硬质金属材料根据岩石样品的尺寸浇筑出固定模具；浇筑时将固定模具分成接触面为斜面结构的第一分体模和第二分体模；共浇筑三组斜面倾斜角度不同的固定模具；
S3，在双层的固定模具内外层的间隙中填入滚珠，滚珠选用毫米级的钢珠，然后在滚珠的间隙中填入润滑剂；
S4，将岩石样品装入固定模具内，固定模具下端的第二分体模固定于GDS三轴实验仪内部的底面，固定模具上端的第一分体模与GDS三轴实验仪的施力端配合；
S5，启动GDS三轴实验仪，施力端对第一分体模的顶部施加压力，在斜面结构以及滚珠的作用下，第一分体模相对第二分体模发生相对滑动，从而对内部的岩石样品进行压裂试验；通过GDS三轴实验仪采集相关力学数据；
S6，将受剪切力裂开的岩石样品沿着上次压裂面用粘接剂胶结，跟换斜面角度不同的另外两组固定模具，重复步骤至步骤，通过GDS三轴实验仪采集不同角度下压裂试验的相关力学数据；利用力学分析公式，综合得到岩石的均匀度特征数值。
本发明有如下有益效果：
1、本实验首次采用钢质模体对岩石确定某一固定角度方向的剪切力方向，较传统的直剪法有着更均匀的应力控制以及更精确的抗剪强度数据，且更易观察剪切力作用效果以及剪切面岩石局部性质，对于实际工程的具体情况提供更精确的操作数据，较普通的三轴法也可以更好地控制应力作用面，达到人为确定需要抗剪强度数据截面，通过调整剪切面的岩样的夹角得到岩石任意角度下的抗剪强度以及岩石的均匀性数据。
2、本实验采用通过钢质模具将力沿特定剪切方向集中传导，对测量岩石剪切力中存在的抗压应力和抗拉应力可以更精确的计算，由于岩样所具有的随机性和不稳定性，普通的施加力方法可能导致岩样裂开方向曲折导致无法测算，本实验通过对固定模具的夹层处理使得在应力的传导上的均匀性大大增加，使用钢珠与润滑剂确保应力传导面上的平滑受力，减少了由于应力传导局部饱和或应力集中导致的试验数据离散的情况，大大减少了试验误差。
3、一般方法中要想取得具有普遍性的有说服性的数据，就需要天然情况下性状相似的岩石，而且为了保证试验数据的一致性，就要求所选的试验样本的相似度极高，要求岩石大致解理面相似，而天然岩体的结构复杂独一，在材料的选取上很难达到试验数据要求，而若是将同种岩体或具有相似应力构造的岩石体作为一类进行研究也会导致很大的误差。我们所采用的基于同一岩体上的剪切力测算可以避免这种误差，且试验准确性更高，试验成本大大降低。综上，本发明对于测定任意角度下的岩石的抗剪强度较传统方法有明显的优越性以及工程上的可适用性前景。
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为本发明涉及的测试示意图；
图2为本发明钢套结构及指定剪切面示意图；
图中附图标记为：岩石样品1，固定模具2，第一分体模21，第二分体模22，滚珠3，润滑剂4，GDS三轴实验仪6。
具体实施方式
下面结合图1~图2对本发明的实施方式做进一步的说明。
一种单个岩样测岩石抗剪强度的实验装置，它包括中空结构的GDS三轴实验仪6，GDS三轴实验仪6的内部下表面连接有固定模具2，固定模具2的上表面与GDS三轴实验仪6的施力装置连接；固定模具2为中空圆柱体结构，固定模具2内部放置圆柱体结构的岩石样品1。
进一步的，固定模具2包括第一分体模21和第二分体模22，第一分体模21和第二分体模22拼接成完整的固定模具2；第一分体模21和第二分体模22的拼接处为斜面结构；固定模具2可选用钢制结构浇筑而成。
进一步的，固定模具2为直径不同的两个中空圆柱体结构套接成的双层结构，内层和外层之间的间隙中填入滚珠3。
进一步的，滚珠3的间隙内填入润滑剂4。
进一步的，岩石样品1的直径和大小与固定模具2的内壁尺寸相同。
进一步的，单个岩样测岩石抗剪强度的实验装置的使用方法，它包括以下步骤：
一、制备待测岩样：
岩样为圆柱体状，长度应适中，保证四次切割角度的余弦值与直径的乘积总和小于长度，确保岩样至少可以在一个角度剪切时进行四次两组试验达到对比效果减小误差，所制备岩样个数及形态与所选剪切角个数及大小相匹配 ；
二、制备固定剪切角用钢套，本方法选取剪切角度记做，制作三组钢套的固定角度分别为，一组钢套中的两个部分长度均取为岩样长度的一半，在钢套的内外层填充贴合表面的两层直径为0.1mm的钢珠，并使用润滑剂4填充钢珠缝隙，三组钢套即成型。
三：选定第一个夹角，从岩样一段的侧边使用钢套固定第一斜切面，使用三轴试验仪沿固定剪切方向作第一次斜压裂试验。
四：将压裂后的岩样胶结。
五：更换非胶结位置，以第一次压裂面的下末端为第二次压裂的起始段，将岩样旋转180°，选择与第一次压裂试验的同样大小侧倾角，使用钢套固定，进行第二次压裂试验。
六：将压裂后的岩样胶结。
七：在第二次压裂末端处再旋转180°向下距离一小段距离选择第三次压裂起始段。
八：再次将岩样粘接，同样以第三次压裂末端为第四次压裂起始段，操作如五六七；
重复以上步骤，使得在一个剪切角上至少有六个剪切数据，得到岩石均匀性的评判材料数据；
更换其余的剪切角，重复步骤三到八，得到任意角度下岩石的抗剪强度数据。
进一步的，每一组压裂（六次压裂）都等剪切角的改变压裂的空间位置，可以得到任一角度下岩样压裂破坏时最大剪切力，并通过同一岩样得到的多组最大剪切力数据得到岩样的结构均匀性。同时通过改变剪切角的大小得到任意角度下岩样的抗剪强度大小。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种单个岩样测岩石抗剪强度的方法，其特征在于：它包括中空结构的GDS三轴实验仪（6），GDS三轴实验仪（6）的内部下表面连接有固定模具（2），固定模具（2）的上表面与GDS三轴实验仪（6）的施力装置连接；固定模具（2）为中空圆柱体结构，固定模具（2）内部放置圆柱体结构的岩石样品（1）；
固定模具（2）包括第一分体模（21）和第二分体模（22），第一分体模（21）和第二分体模（22）拼接成完整的固定模具（2）；第一分体模（21）和第二分体模（22）的拼接处为斜面结构；
固定模具（2）为直径不同的两个中空圆柱体结构套接成的双层结构，内层和外层之间的间隙中填入滚珠（3）；
其方法包括如下步骤：
S1，选取真实的待测试岩石，将岩石切割成圆柱体的岩石样品（1），圆柱体的尺寸根据实验需求确定；
S2，利用硬质金属材料根据岩石样品的尺寸浇筑出固定模具（2）；浇筑时将固定模具（2）分成接触面为斜面结构的第一分体模（21）和第二分体模（22）；共浇筑三组斜面倾斜角度不同的固定模具（2）；
S3，在双层的固定模具（2）内外层的间隙中填入滚珠（3），滚珠（3）选用毫米级的钢珠，然后在滚珠（3）的间隙中填入润滑剂（4）；
S4，将岩石样品（1）装入固定模具（2）内，固定模具（2）下端的第二分体模（22）固定于GDS三轴实验仪（6）内部的底面，固定模具（2）上端的第一分体模（21）与GDS三轴实验仪（6）的施力端配合；
S5，启动GDS三轴实验仪（6），施力端对第一分体模（21）的顶部施加压力，在斜面结构以及滚珠（3）的作用下，第一分体模（21）相对第二分体模（22）发生相对滑动，从而对内部的岩石样品（1）进行压裂试验；通过GDS三轴实验仪（6）采集相关力学数据；
S6，将受剪切力裂开的岩石样品（1）沿着上次压裂面用粘接剂胶结，跟换斜面角度不同的另外两组固定模具（2），重复步骤4至步骤5，通过GDS三轴实验仪（6）采集不同角度下压裂试验的相关力学数据；利用力学分析公式，综合得到岩石的均匀度特征数值。
2.根据权利要求1所述的单个岩样测岩石抗剪强度的方法，其特征在于：所述滚珠（3）的间隙内填入润滑剂（4）。
3.根据权利要求1所述的单个岩样测岩石抗剪强度的方法，其特征在于：所述岩石样品（1）的直径和大小与固定模具（2）的内壁尺寸相同。
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