CN111781058A - 一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置及方法 - Google Patents

一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩石黏聚力和内摩擦角测试装置及方法，属于岩石室内剪切试验技术领域。该装置包括滚珠承压板、上剪切盒、下剪切盒和剪切头，该装置工作时需采用岩石室内直剪仪配合完成测试工作。测试岩石粘聚力和内摩擦角时，首先采用岩石试件制作装置将岩石加工成标准岩石试件；然后通过直剪仪施加法向力P至预定值，再施加切向力Q直至产生明显位移，调整法向力P、切向力Q重复此操作；最后根据实验数据拟合得到岩石发生剪切破坏的强度曲线可得到岩石试件的粘聚力和内摩擦角。本发明的装置及方法解决了现有的岩石黏聚力和内摩擦角测试实验中标准岩石试件加工复杂、消耗量大的问题，具有装置结构简单、操作方便、经济有效、适用性广等优点。

Description

一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置及方法，属于石抗剪强度参数测定技术领域。
背景技术
岩体的抗剪强度参数是岩体力学性质参数中的重要组成部分，是度量岩体抵抗剪切破坏的基本参数，是分析基坑、边坡、隧道稳定性并开展其支护结构设计的重要参数，关系到工程的经济与安全控制。在现阶段的岩石力学中，以摩尔第三强度理论(最大剪应力理论)为基础，并结合库伦定律所建立起来的摩尔-库伦强度理论成为最广泛的应用的理论。根据摩尔-库伦强度理论，岩体的抗剪强度与岩体粘聚力、内摩擦角，以及作用在剪切滑动面上的法向应力有关，所以可知当岩体的受力状态明确时，抗剪强度由内摩擦阻力和粘聚力决定。基于此，目前多数的抗剪强度测试方法都是通过对岩体的内摩擦阻力和粘聚力测定而实现对抗剪强度的测定。
现有的岩体抗剪强度参数测定方法可分为现场试验和室内试验。岩体原位直剪试验是岩体力学现场试验中常用的方法，它又可分为岩体本身、岩体沿结构面及岩体与混凝土接触面剪切三种。每种试验又可细分为抗剪断试验、摩擦试验及抗切试验。其测试方法弥补了室内直接试验试样尺寸较小、原始应力状态不一致的问题。现场测试所得的参数与室内试验结果相比，更能符合岩体的实际情况，但其设备笨重、操作复杂、工期长、费用高，实际工程中通常不可能作大量试验。
岩体抗剪强度参数室内测定方法有常规三轴试验、压剪试验和直剪试验。以室内试验为主的岩体力学强度参数测定相比现场试验操作简单、耗时短，成为获取岩体抗剪强度参数的主要手段，但依旧有其缺点。常规三轴试验较直剪、压剪试验耗时长、操作复杂且价格昂贵。现有岩石室内直剪、压剪试验所需试件数量较多，制作不易，耗费材料，且准确度有待提高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置及方法，其装置结构简单、操作方便、节省试件、经济适用、适用广泛。
一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置及方法，其技术方案为：
包括滚珠承压板、上剪切盒、下剪切盒和剪切头，所述装置进行岩石粘聚力和内摩擦角测试时，与岩石室内直剪仪配合完成测试工作；
所述上剪切盒底部中央设有剪切头卡槽，剪切头卡槽的长度、宽度与剪切头的长度、宽度一致，剪切头卡槽深度略小于剪切头的高度；
所述下剪切盒呈“L”形，其高度等于或略小于所测试的岩石试件的高度，根据岩石试件规格进行加工制作，防止施加法向压力时上剪切盒与下剪切盒接触受力；
所述剪切头嵌于上剪切盒底部中央的剪切头卡槽中，剪切头底面长度为a，宽度为b，剪切头底面有两个向外凸起的齿部，齿部高度为h、齿部角度为α，两个齿部的距离为d。
所述上剪切盒的中央设置有螺栓孔，螺栓孔直径小于剪切头宽度。剪切头磨损后，使用螺栓从上剪切盒上部拧入，挤出剪切头进行更换。
使用该装置进行岩石粘聚力和内摩擦角测试装置时，包括以下步骤：
步骤1、岩石试件加工制作
当取样获得的岩石块度较大或规整性较好时，将岩石加工成Ⅰ类岩石试件，Ⅰ类岩石试件为立方体试件；当取样获得的岩石块度较小或不规则时，采用岩石试件制作装置将岩石加工成Ⅱ类岩石试件，所述岩石试件制作装置主体上设置有树脂输送孔，岩石试件制作装置上盖板和岩石试件制作装置主体由螺栓通过螺栓连接孔进行组合；岩石试件加工时，首先将不规则的岩石材料沿选定截面进行切割，将切割后的岩石材料平整面朝下放置于岩石试件制作装置主体中，将树脂材料倒入装置主体约2/3高度，倒入时用玻璃棒进行搅拌，防止产生气泡；待树脂材料凝固后，盖上岩石试件制作装置上盖板，并使用螺栓将岩石试件制作装置上盖板与岩石试件制作装置主体紧密连接；将岩石试件制作装置侧放，通过树脂输送孔继续输入树脂材料，充填满整个岩石试件制作装置；待树脂材料凝固后，拆卸岩石试件制作装置上盖板，取出试件，即完成单个Ⅱ类岩石试件的加工制作；Ⅰ类岩石试件和Ⅱ类岩石试件均可用于下一步岩石剪切试验；
步骤2、岩石剪切试验
将下剪切盒置于岩石室内直剪仪底部承载装置上，并使其侧面紧贴岩石室内直剪仪切向固定装置,然后将加工制作好的岩石试件至于下剪切盒中，将剪切头置于上剪切盒底部中央剪切头卡槽处，将上剪切盒置于岩石试件上方，使得剪切头齿部与岩石试件相接触且位于岩石试件上表面中央，然后将滚珠承压板置于上剪切盒上方，启动岩石直剪试验机，按照预先设定的加载方案，先通过岩石室内直剪仪法向加压装置对滚珠承压板、上剪切盒和剪切头施加预定法向力P，将剪切头齿部压入岩石试件，然后再通过岩石室内直剪仪切向加压装置对上剪切盒和剪切头施加切向力Q，直至剪切头与岩石试件之间产生滑移，此时停止加载，先卸载切向力，后卸载法向力，记录试验数据；取下嵌有剪切头的上剪切盒，更换岩石试件，此时Ⅱ类岩石试件需整个进行更换，Ⅰ类岩石试件可更换岩石试件与剪切头的接触面，然后重复之前的实验操作步骤，进行多次试验；
步骤3、试验数据记录与处理
记录不同法向力P下发生剪切破坏时的切向力Q，结合剪切头底面长度a和宽度b，根据公式(1)和公式(2)计算得到相对应的法向应力σ及切向应力；
Figure BDA0002574929060000041
Figure BDA0002574929060000042
Figure BDA0002574929060000043
然后根据公式(3)拟合出反映岩石发生剪切破坏的强度曲线可得到岩石试件的c、
Figure BDA0002574929060000051
值。
进一步地，岩石剪切试验时，施加的法向压力应控制在合适的压力范围，使得剪切头的齿部完全压入岩体试件，同时剪切头下表面不得压入岩体试件。
优选地，所述树脂材料为环氧树脂，其力学参数σt＝28.149MPa，σc＝107.593MPa，E＝4.070GPa，μ＝0.357。
进一步地，所述Ⅰ类岩石试件每个表面均可进行一次试验。
有益效果
本发明提供的一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置及方法，其岩石试件制作方法简单方便，其装置结构简单，操作方便、节省试件、适用性广。
附图说明
图1为岩石黏聚力和内摩擦角测试装置的结构示意图；
图2为上剪切盒的结构示意图；
图3为剪切头的结构示意图；
图4为岩石试件装置制作的结构示意图；
图5为岩石试件制作流程示意图；
图中：1-岩石室内直剪仪法向加压装置；2-岩石室内直剪仪切向加压装置；3-岩石室内直剪仪切向固定装置；4-岩石室内直剪仪底部承载装置；5-滚珠承压板；6-上剪切盒；7-剪切头；8-下剪切盒；9-剪切头卡槽；10-螺栓孔；11-螺栓；12-树脂输送孔；13-岩石试件制作装置上盖板；14-岩石试件制作装置主体；15-螺栓连接孔。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
如图1-图3所示，本发明提供的一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置，包括滚珠承压板5、上剪切盒6、下剪切盒8和剪切头7，所述装置进行岩石粘聚力和内摩擦角测试时，与岩石室内直剪仪配合完成测试工作；
所述上剪切盒6底部中央设有剪切头卡槽9，剪切头卡槽9的长度、宽度与剪切头7的长度、宽度一致，剪切头卡槽9深度略小于剪切头7的高度，所述上剪切盒6的中央设置有螺栓孔10，螺栓孔10直径小于剪切头7宽度，剪切头7磨损后，使用螺栓11从上剪切盒6上部拧入，挤出剪切头7进行更换。所述下剪切盒8呈“L”形，其高度等于或略小于所测试的岩石试件的高度，根据岩石试件规格进行加工制作，防止施加法向压力时上剪切盒6与下剪切盒8接触受力；所述剪切头7嵌于上剪切盒6底部中央的剪切头卡槽9中，剪切头7底面长度为a，宽度为b，剪切头7底面有两个向外凸起的齿部，齿部高度为h、齿部角度为α，两个齿部的距离为d。
使用该装置进行岩石粘聚力和内摩擦角测试装置时，包括以下步骤：
当取样获得的岩石块度较大或规整性较好时，将岩石加工成Ⅰ类岩石试件，Ⅰ类岩石试件为立方体试件；当取样获得的岩石块度较小或不规则时，采用岩石试件制作装置将岩石加工成Ⅱ类岩石试件，如图4-图5所示，所述岩石试件制作装置由岩石试件制作装置上盖板13和岩石试件制作装置主体14两部分组成，所述岩石试件制作装置主体14上设置有树脂输送孔，岩石试件制作装置上盖板13和岩石试件制作装置主体14由螺栓通过螺栓连接孔15进行组合；岩石试件加工时，首先将不规则的岩石材料沿选定截面进行切割，将切割后的岩石材料平整面朝下放置于岩石试件制作装置主体14中，将树脂材料倒入装置主体约2/3高度，所述树脂材料为环氧树脂，其力学参数σt＝28.149MPa，σc＝107.593MPa，E＝4.070GPa，μ＝0.357，倒入时用玻璃棒进行搅拌，防止产生气泡；待树脂材料凝固后，盖上岩石试件制作装置上盖板13，并使用螺栓将岩石试件制作装置上盖板13与岩石试件制作装置主体14紧密连接；将岩石试件制作装置侧放，通过树脂输送孔12继续输入树脂材料，充填满整个岩石试件制作装置；待树脂材料凝固后，拆卸岩石试件制作装置上盖板13，取出试件，即完成单个Ⅱ类岩石试件的加工制作；Ⅰ类岩石试件和Ⅱ类岩石试件均可用于下一步岩石剪切试验。
步骤2、岩石剪切试验。
将下剪切盒8置于岩石室内直剪仪底部承载装置4上，并使其侧面紧贴岩石室内直剪仪切向固定装置3,然后将加工制作好的岩石试件至于下剪切盒8中，选择相应剪切头7并将其置于上剪切盒6底部中央剪切头卡槽9处，将上剪切盒6置于岩石试件上方，使得剪切头7齿部与岩石试件相接触且位于岩石试件上表面中央，然后将滚珠承压板5置于上剪切盒6上方，启动岩石室内直剪仪，按照预先设定的加载方案，先通过岩石室内直剪仪法向加压装置1对滚珠承压板5、上剪切盒6和剪切头7施加预定法向力P，将剪切头7齿部压入岩石试件，施加的法向压力应控制在合适的压力范围，使得剪切头7的齿部完全压入岩体试件，同时剪切头7下表面不得压入岩体试件；然后再通过岩石室内直剪仪切向加压装置2对上剪切盒6和剪切头7施加切向力Q，直至剪切头7与岩石试件之间产生滑移，此时停止加载，先卸载切向力，后卸载法向力，记录试验数据；取下嵌有剪切头7的上剪切盒6，更换岩石试件，此时Ⅱ类岩石试件整个需进行更换，Ⅰ类岩石试件可更换岩石试件与剪切头的接触面，然后重复之前的实验操作步骤，进行多次试验。
步骤3、试验数据记录与处理。
记录不同法向力P下发生剪切破坏时的切向力Q，结合剪切头7底面长度a和宽度b，根据公式(1)和公式(2)计算得到相对应的法向应力σ及切向应力τ；
Figure BDA0002574929060000081
Figure BDA0002574929060000082
Figure BDA0002574929060000083
然后根据公式(3)拟合出反映岩石发生剪切破坏的强度曲线可得到岩石试件的c、
Figure BDA0002574929060000084
值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置，其特征在于：包括滚珠承压板、上剪切盒、下剪切盒和剪切头；所述上剪切盒底部中央设有剪切头卡槽，剪切头卡槽的长度、宽度与剪切头的长度、宽度一致，剪切头卡槽深度略小于剪切头的高度；所述下剪切盒呈“L”形，其高度等于或略小于所测试的岩石试件的高度，根据岩石试件规格进行加工制作，防止施加法向压力时上剪切盒与下剪切盒接触受力；所述剪切头嵌于上剪切盒底部中央的剪切头卡槽中，剪切头底面长度为a，宽度为b，剪切头底面有两个向外凸起的齿部，齿部高度为h、齿部角度为α，两个齿部的距离为d；所述装置进行岩石粘聚力和内摩擦角测试时，与岩石室内直剪仪配合完成测试工作。
2.根据权利要求1所述的一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置，其特征在于：所述上剪切盒的中央设置有螺栓孔，螺栓孔直径小于剪切头宽度，剪切头磨损后，使用螺栓从上剪切盒上部拧入，挤出剪切头并进行更换。
3.根据权利要求1～2任意一项所述的岩石粘聚力和内摩擦角测试装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、岩石试件加工制作
当取样获得的岩石块度较大或规整性较好时，将岩石加工成Ⅰ类岩石试件，Ⅰ类岩石试件为立方体试件；当取样获得的岩石块度较小或不规则时，采用岩石试件制作装置将岩石加工成Ⅱ类岩石试件，所述岩石试件制作装置由岩石试件制作装置上盖板和岩石试件制作装置主体两部分组成，所述岩石试件制作装置主体上设置有树脂输送孔，岩石试件制作装置上盖板和岩石试件制作装置主体由螺栓通过螺栓连接孔进行组合；岩石试件加工时，首先将不规则的岩石材料沿选定截面进行切割，将切割后的岩石材料平整面朝下放置于岩石试件制作装置主体中，将树脂材料倒入岩石试件制作装置主体约2/3高度，倒入时用玻璃棒进行搅拌，防止产生气泡；待树脂材料凝固后，盖上岩石试件制作装置上盖板，并使用螺栓将岩石试件制作装置上盖板与岩石试件制作装置主体紧密连接；将岩石试件制作装置侧放，通过树脂输送孔继续输入树脂材料，充填满整个岩石试件制作装置；待树脂材料凝固后，拆卸岩石试件制作装置上盖板，取出试件，即完成单个Ⅱ类岩石试件的加工制作；Ⅰ类岩石试件和Ⅱ类岩石试件均可用于下一步岩石剪切试验；
步骤2、岩石剪切试验
将下剪切盒置于岩石室内直剪仪底部承载装置上，并使其侧面紧贴岩石室内直剪仪切向固定装置,然后将加工制作好的岩石试件至于下剪切盒中，将剪切头置于上剪切盒底部中央剪切头卡槽处，将上剪切盒置于岩石试件上方，使得剪切头齿部与岩石试件相接触且位于岩石试件上表面中央，然后将滚珠承压板置于上剪切盒上方，启动岩石直剪试验机，按照预先设定的加载方案，先通过岩石室内直剪仪法向加压装置对滚珠承压板、上剪切盒和剪切头施加预定法向力P，将剪切头齿部压入岩石试件，然后再通过岩石室内直剪仪切向加压装置对上剪切盒和剪切头施加切向力Q，直至剪切头与岩石试件之间产生明显滑移，此时停止加载，先卸载切向力，后卸载法向力，记录试验数据；取下嵌有剪切头的上剪切盒，更换岩石试件，此时Ⅱ类岩石试件整个需进行更换，Ⅰ类岩石试件可更换岩石试件与剪切头的接触面，然后重复之前的实验操作步骤，进行多次试验；
步骤3、试验数据记录与处理
记录不同法向力P下发生剪切破坏时的峰值切向力Q，结合剪切头底面长度a和宽度b，根据公式(1)和公式(2)计算得到相对应的法向应力σ及切向应力τ；
Figure FDA0002574929050000032
Figure FDA0002574929050000033
然后根据公式(3)拟合出反映岩石发生剪切破坏的强度曲线可得到岩石试件的c、
Figure FDA0002574929050000034
值。
4.根据权利要求3所述的岩石粘聚力和内摩擦角测试装置的使用方法，其特征在于：岩石剪切试验时，施加的法向压力应控制在合适的压力范围，使得剪切头的齿部完全压入岩体试件，同时剪切头下表面不得压入岩体试件。
5.根据权利要求3所述的岩石粘聚力和内摩擦角测试装置的使用方法，其特征在于：所述树脂材料为环氧树脂，优选地，其力学参数σt＝28.149MPa，σc＝107.593MPa，E＝4.070GPa，μ＝0.357。
6.根据权利要求3所述的岩石粘聚力和内摩擦角测试装置的使用方法，其特征在于：所述Ⅰ类岩石试件的每个表面均可进行一次试验。
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