CN112345340A - 一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，包括：上端敞开的反力架；设置于反力架内的岩样夹具，岩样夹具包括两中空圆柱状的子夹具，每一子夹具用于夹持圆柱形岩石试样的一端，且两子夹具相对的一端端面重合，该重合端面为环绕岩样夹具周向的椭圆环，岩样夹具的上部设有楔形缺口，楔形缺口沿着重合端面设置，每一子夹具的下部与反力架铰接连接；设置于岩样夹具上方的承压板，承压板设有向下延伸的垫条，垫条下端与楔形缺口适配且二者抵接；以及用于对承压板施加压力的加压部件。本发明的有益效果：防止劈裂时岩样裂隙面发生过度破损，解决了传统巴西劈裂试验中试样裂隙面歪斜和裂隙面破损严重、劈裂后不能很好闭合的难题。

Description

一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置

技术领域

本发明涉及室内岩石力学试验技术领域，尤其涉及一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置。

背景技术

目前，人们制造裂隙的方法主要分成人造裂隙面和天然裂隙面两类。人造裂隙面一般是指采用环氧树脂或混凝土等材料采用制作好的模具浇筑制作人工岩样模拟裂隙面，通过人工加粗的方式模拟天然裂隙的粗糙程度，该方法可以得到任意理想粗糙度的裂隙面，但获取的试样由于制作材料原因与天然岩体有一定的性质差异。第二类是天然裂隙面，获取方法一般有两种，一种是在野外获取原生裂隙面，在保证裂隙面保持原生属性的情况下取样，并在室内对岩样进行加工，获得标准规格的裂隙岩样。该方法优点是可以保持岩样和裂隙的原生状态，但取样较为困难，不方便进行操作。第二种方法是在对天然岩样进行尺寸加工后进行人工劈裂形成裂隙面，较多采用巴西劈裂法。巴西劈裂试验的试样加工方便，操作简单，是目前测试岩石抗拉强度常用的试验方法。

理想状态下的巴西劈裂试验通常将岩石试样视为均质各向同性体，即试样各个方向的力学性质一致。但是，岩石一般是通过风化、搬运、沉积等地质作用形成的，其内部常存在不同规模和不同方向的层理、节理和微裂隙等结构，岩石的力学性质很大程度上取决于其内部结构。但是由于巴西劈裂是采用的压力机线型加载的方式，而且由实验人员手工对中，所以在装样时试样容易在加载板之间滚动，造成劈裂所得裂隙面歪斜不规则，不能很好地满足试验要求。此外，由于巴西劈裂是直接在岩样本身施加荷载直至岩样破坏，很容易造成岩样和裂隙面的破损，导致劈裂后粗糙裂隙上下表面不能完全贴合在一起，裂隙面的接触面积不能很好地控制，这对于岩石裂隙传热的试验结果必定会造成影响。

在裂隙岩体的渗流传热领域，裂隙的角度很大程度上影响了岩体的渗流传热特性，尤其在传热实验中，裂隙面的角度务必会影响到裂隙上下表面的接触面积，进而影响到裂隙的传热进程。此外，根据前人研究，节理裂隙的倾角对岩体的力学性质也有很大影响。有研究表明裂隙角度很大程度上决定了岩石的单轴压缩强度，随着裂隙角度的增大试件的峰值强度表现出先减小后增大的趋势，且不同裂隙角度的岩样破坏模式也各不相同。因此对人工劈裂裂隙面的角度控制显得尤为重要。

根据Griffith强度理论，脆性岩石材料内部包含有较多的微小裂隙。当这些含有裂隙的材料处于复杂的应力状态时，材料内的裂隙端部会产生较大的应力集中，当拉应力值超过抗拉强度值时，裂隙便发生扩展，其扩展的方向与最大主应力的加载方向平行，最后导致材料发生脆性拉伸破坏。此外，根据Griffith强度准则，脆性岩石材料的单轴抗压强度是抗拉强度的8倍。根据试样横截面上的应力分布规律，水平拉应力等值线呈花苞形，且拉应力大小沿试样的厚度方向是有变化的，端部的拉应力比中间大。因此，根据以上脆性岩石的劈裂应力分布原理和原始巴西劈裂方法的弊端，设计一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，保证试验过程中对生成裂隙面角度的控制具有重要意义和必要性。

发明内容

有鉴于此，为了解决圆柱标准岩石样劈裂裂隙面歪斜和破损的问题，本发明的实施例提供了一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置。

本发明的实施例提供一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，包括：

上端敞开的反力架；

设置于所述反力架内的岩样夹具，所述岩样夹具包括两中空圆柱状的子夹具，每一所述子夹具用于夹持圆柱形岩石试样的一端，且两所述子夹具相对的一端端面重合，该重合端面为环绕所述岩样夹具周向的椭圆环，所述岩样夹具的上部设有楔形缺口，所述楔形缺口沿着所述重合端面设置，每一所述子夹具的下部与所述反力架铰接连接；

设置于所述岩样夹具上方的承压板，所述承压板设有向下延伸的垫条，所述垫条下端与所述楔形缺口适配且二者抵接；

以及用于对所述承压板施加压力的加压部件。

进一步地，每一所述子夹具包括均为拱形的岩样上夹具和岩样下夹具，所述岩样上夹具和所述岩样下夹具上下对称并通过紧固件连接，一所述岩样上夹具的一端的端面与另一所述岩样上夹具的一端的端面重合并对齐，一所述岩样下夹具的一端的端面与另一所述岩样下夹具的一端的端面重合并对齐。

进一步地，所述岩样上夹具和所述岩样下夹具的边缘设有向外延伸的翻边，所述岩样上夹具和所述岩样下夹具的翻边贴合并通过所述紧固件连接。

进一步地，所述反力架内设有两竖直设置的滑轮导轨，所述承压板的两侧均设有滑轮，两所述滑轮分别设置于两所述滑轮导轨上，使所述承压板仅能沿着竖直方向运动。

进一步地，所述垫条的下端为倒圆台状，所述垫条的下端的侧面与所述楔形缺口的两倾斜面相抵。

进一步地，所述子夹具的下部与所述反力架底部球铰接连接。

进一步地，所述反力架为U形槽体。

进一步地，所述加压部件为伺服压力机。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，压力通过垫条传递给岩样夹具避免了垫条和岩样直接接触，防止劈裂时岩样裂隙面发生过度破损，解决了传统巴西劈裂试验中试样裂隙面歪斜和裂隙面破损严重、劈裂后不能很好闭合的难题，可以对脆性岩样进行间接加载，采用杠杆受力的方式，并且在岩石破坏后有效地保护裂隙面不再二次受力产生破坏，保证裂隙面的可用性，该装置结构简单，操作方便，可普遍用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面制作。

附图说明

图1是本发明一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置的示主视图；

图2是图1中岩样夹具的侧视图；

图3是图1中岩样夹具的俯视图。

图中：1-反力架、2-承压板、3-子夹具、4-岩样上夹具、5-岩样下夹具、6-楔形缺口，7-垫条、8-重合端面、9-球铰接件、10-岩石试样、11-翻边、12-紧固件、13-滑轮。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，包括反力架1、岩样夹具、承压板2和加压部件。

所述反力架1上端敞开，具有为U形槽体，内部具有矩形的容置空间。

请参考图1、2和3，所述岩样夹具设置于所述反力架1内，所述岩样夹具用于夹紧圆柱形脆性岩石试样。具体的，所述岩样夹具包括两中空圆柱状的子夹具3，每一所述子夹具3用于夹持圆柱形岩石试样10的一端，且两所述子夹3具相对的一端端面重合，该重合端面8为环绕所述岩样夹具周向的椭圆环，所述岩样夹具的上部设有楔形缺口6，所述楔形缺口6沿着所述重合端面8设置，所述楔形缺口6具有两倾斜面，两倾斜面分别设置于两所述子夹具3的端面上部边缘。

进一步的，在本实施例中每一所述子夹具3包括均为拱形的岩样上夹具4和岩样下夹具5，所述岩样上夹具4和所述岩样下夹具5上下对称并通过紧固件12连接。这里所述岩样上夹具4和所述岩样下夹具5的边缘设有向外延伸的翻边11，所述岩样上夹具4和所述岩样下夹具5的翻边11贴合并通过所述紧固12件连接，所述翻边11上设有多个螺栓孔，所述紧固件12选择紧固螺栓，所述岩样上夹具4的翻边11上的螺栓孔与所述岩样下夹具5的翻边11上的螺栓孔一一对齐，并通过所述紧固螺栓连接紧固。

且一所述岩样上夹具4的一端的端面与另一所述岩样上夹具4的一端的端面重合并对齐，一所述岩样下夹具5的一端的端面与另一所述岩样下夹具5的一端的端面重合并对齐。所述楔形缺口6设置于两岩样上夹具4重合端面8的上部，且相对两所述岩样上夹具4重合端面8对称。

请参考图1和2，每一所述子夹具3的下部与所述反力架1铰接连接，这里所述反力架1的底部设有两球铰接件9，每一所述子夹具3的下部的岩样下夹具5底部通过所述球铰接件9与所述反力架1底部进行球铰接连接，使所述岩样下夹具5可以绕所述球铰接件9自由转动。

所述承压板2设置于所述岩样夹具上方且可沿着竖直方向运动，所述承压板2设有向下延伸的垫条7，所述垫条7恰好设置于所述楔形缺口6的正上方。所述垫条7下端与所述楔形缺口6适配且二者抵接,这里所述垫条7的下端为倒圆台状，所述垫条7的下端的侧面与所述楔形缺口6的两倾斜面相抵。

为了准确保证所述承压板2竖直运动的运动轨迹，在所述反力架1内设有两竖直设置的滑轮导轨，所述承压板2的两侧均设有滑轮13，两所述滑轮导轨之间间距与两所述滑轮13之间间距正好契合，将两所述滑轮13分别设置于两所述滑轮导轨上，受两所述滑轮导轨的导向作用，所述承压板2仅能沿着竖直方向运动，以使所述垫条7向下运动时准确抵住所述楔形缺口6。

所述加压部件用于所述承压板2施加压力，压力方向如附图1中箭头所示。这里所述加压部件为伺服压力机，布置于所述承压板2上方，可对所述承压板2施加竖直向下的压力。

上述用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置改变了传统巴西劈裂试验中岩样的受力方式，采用岩样夹具和固定铰约束形成杠杆受力的方式对岩样施加荷载。其具体操作方式如下：

步骤一：制备适规格的当圆柱形脆性岩石试样10；

步骤二：将所述岩石试样10装夹于所述岩样夹具内，即使所述岩石试样10的两端分别被两所述子夹具3独立夹紧，两所述子夹具3的重合端面8与竖直平面的夹角α即为生成裂隙的目标倾角；

步骤三：将所述承压板2通过滑轮导轨放置于所述岩样夹具之上，保证承压板下端的垫条7和两所述岩样上夹具4上部的楔形缺口6完全贴合，防止出现歪斜影响劈裂效果；

步骤四：通过所述加压部件对所述承压板2施加均匀载荷，荷载沿所述承压板2的垫条7传至所述的楔形缺口6，作用于两所述岩样上夹具4上，由于所述垫条7与岩石试样10之间尚有孔隙，因此荷载不会直接作用于岩石试样10表面，有效地保护了岩样不发生破损。当荷载施加以后，由于两所述岩样下夹具5受所述球铰接件9的约束，所述岩石试样10可被视为两端为固定铰约束的简支梁，根据对岩石试样10受力分析可以得知，在所述岩石试样10的水平中点横截面的弯矩最大，即所述岩石试样10水平中心点处具有沿荷载方向产生位移的趋势。此时所述岩石试样10中心横截面则会出现上部受压下部受拉的应力状态，随着荷载增加，横截面上的拉(压)应力也会随之增加，直至破坏。根据Griffith强度准则，脆性岩石材料的单轴抗压强度是抗拉强度的8倍，因此岩样底部由于存在拉应力会先于顶部产生拉张破坏。

步骤五：加载直至所述岩石试样10被劈裂形成粗糙裂隙面后关闭伺服压力机停止加载。在所述岩石试样10形成裂隙面后，所述岩石试样10断成两段，此时两所述子夹具3会绕着所述球铰接件9发生自由转动，两所述岩样上夹具4在所述楔形缺口6部分错开相互抵住，这样形成三点支撑，有效地保护裂隙面发生再次受力破坏。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，其特征在于，包括：

上端敞开的反力架；

设置于所述反力架内的岩样夹具，所述岩样夹具包括两中空圆柱状的子夹具，每一所述子夹具用于夹持圆柱形岩石试样的一端，且两所述子夹具相对的一端端面重合，该重合端面为环绕所述岩样夹具周向的椭圆环，所述岩样夹具的上部设有楔形缺口，所述楔形缺口沿着所述重合端面设置，每一所述子夹具的下部与所述反力架铰接连接；

设置于所述岩样夹具上方的承压板，所述承压板设有向下延伸的垫条，所述垫条下端与所述楔形缺口适配且二者抵接；

以及用于对所述承压板施加压力的加压部件。

2.如权利要求1所述的一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，其特征在于：每一所述子夹具包括均为拱形的岩样上夹具和岩样下夹具，所述岩样上夹具和所述岩样下夹具上下对称并通过紧固件连接，一所述岩样上夹具的一端的端面与另一所述岩样上夹具的一端的端面重合并对齐，一所述岩样下夹具的一端的端面与另一所述岩样下夹具的一端的端面重合并对齐。

3.如权利要求2所述的一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，其特征在于：所述岩样上夹具和所述岩样下夹具的边缘设有向外延伸的翻边，所述岩样上夹具和所述岩样下夹具的翻边贴合并通过所述紧固件连接。

4.如权利要求1所述的一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，其特征在于：所述反力架内设有两竖直设置的滑轮导轨，所述承压板的两侧均设有滑轮，两所述滑轮分别设置于两所述滑轮导轨上，使所述承压板仅能沿着竖直方向运动。

5.如权利要求1所述的一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，其特征在于：所述垫条的下端为倒圆台状，所述垫条的下端的侧面与所述楔形缺口的两倾斜面相抵。

6.如权利要求1所述的一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，其特征在于：所述子夹具的下部与所述反力架底部球铰接连接。

7.如权利要求1所述的一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，其特征在于：所述反力架为U形槽体。

8.如权利要求1所述的一种用于圆柱形岩石试样的可控角度裂隙面生成装置，其特征在于：所述加压部件为伺服压力机。

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