CN112461681A - 一种多角度轴压可变的岩石剪切试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种多角度轴压可变的岩石剪切试验装置及试验方法，它涉及力学与实验领域，包括角度控制装置、夹持装置、加载装置、拉压传感器和平衡弹簧。角度控制装置包括上底盘、下底盘、上角度盘、下角度盘和卡件。底盘顶部为顶端有三棱柱孔的弧形立柱，角度盘均布有贯穿的三棱柱孔，通过三棱柱状的卡件来调整与固定装置角度。夹持装置包括外套筒、环形垫片、内套筒、封闭橡胶圈和加力螺栓组，加力螺栓组通过外套筒上的直槽口对置于内套筒中的岩石试件施加轴向拉压应力。该岩石剪切试验装置相对与其他试验装置经济实用、操作简易，可实现在不同角度与不同拉压应力作用下岩石剪切试验的精准测量，获取准确的岩石剪切物理特性。

Description

一种多角度轴压可变的岩石剪切试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及到一种多角度轴压可变的岩石剪切试验装置及试验方法，尤其是一种针对不同形状的岩石在不同轴压不同角度的压剪试验的装置及方法，属于力学与实验领域。

背景技术

在大型的矿山深部工程中，岩石剪切破坏随处可见，且大都伴随着矿山灾害的发生。如在煤矿工作面的采空区顶板垮落过程中，就存在不同压力下的岩石拉压剪切或拉剪破坏。当岩石抗剪强度较低时，岩石受剪力与压力的共同作用会发生突然破坏或在压力过大时发生直剪，造成严重的经济损失与人员伤亡。因此，岩石抵抗剪切破坏的能力是影响矿山深部工程安全施工与长期稳定的重要因素。

在实际矿山工程中，岩石会历经不同的剪切应力状态，剪切面与层理面之间会呈现不同的角度，并且会在不同的挤压应力下发生剪切破坏。此外，岩石自身的形态、剪切方向等也会影响岩石的剪切应力状态与剪切面形态。

在现有的岩石剪切物理试验装置中，针对不同角度下的岩石剪切试验，多采用整体式的角度直剪装置，这类装置不能直接调节角度，需要进行更换，既操作繁琐又浪费材料，并且由于装置间的差异性，测量的数据之间存在误差；针对不同的挤压应力下的岩石剪切试验，多采用在角度剪切装置侧向安装压机的方式，尽管施加了侧向压力，但操作复杂、占用空间而且施加的应力状态可能不均衡，这些问题加大了试验难度和造成了一定的试验误差。

为实现在不同角度与不同挤压应力作用下岩石剪切试验的精准测量，获取准确的岩石剪切物理特性，就必须对岩石剪切试验装置进行改造革新，因此一种多角度轴压可变的岩石剪切试验装置及方法应运而生。

发明内容

本发明的目的是为克服现有的剪切试验装置无法同步实现角度可变及轴压可变的岩石剪切试验、无法在岩石剪切试验中进行变轴压加载和无法在同一试验装置上进行不同形状岩石剪切试验的不足，以进行岩石在不同轴压不同角度下的拉压剪切试验并提高试验的经济性、科学性及安全性。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种角度可变的岩石压剪试验装置，其特征在于：包括角度控制装置、夹持装置、加载装置、拉压传感器和平衡弹簧。

所述角度控制装置包括上底盘、下底盘、上角度盘、下角度盘和卡件。所述上底盘和下底盘规格相当，均为顶部有两根弧形立柱的筒体，分别卡紧所述上压头和下压头。所述弧形立柱顶端均有三棱柱孔。所述上角度盘和下角度盘规格相当，均为顶部一端有楔形槽的圆弧拱体，该圆弧拱体沿圆弧边均匀分布有七个贯通的三棱柱孔，规格与所述弧形立柱顶端三棱柱孔相同。所述卡件为三棱柱，横截面与所述弧形立柱顶端三棱柱孔的横截面相同。用所述卡件调整和固定角度控制装置。

所述夹持装置包括外套筒、环形垫片、内套筒、封闭橡胶圈和加力螺栓组。所述外套筒主体为筒状结构，下侧有与所述角度控制装置的顶部楔形槽相互契合的楔形体，外套筒底部有圆柱体垫块，圆柱体垫块与外套筒内壁之间套有所述环形垫片，该环形垫片上部的外套筒内壁有螺纹，可与所述内套筒外壁的螺纹相咬合。所述内套筒内径与岩石试件尺寸相当，有一定的壁厚。在外套筒顶部的内壁及内套筒顶部的外壁嵌有同样规格的封闭橡胶圈。所述外套筒两侧装有同样规格对称分布的直槽口，所述加力螺栓组通过该直槽口对置于内套筒中得岩石试件施加轴向拉压应力。

所述加载装置包括上压头、下压头。所述加载装置通过向上压头施加竖向力，利用固定的下压头及角度控制装置间的错位向岩石试件施加剪切作用。

所述拉压传感器通过所述加力螺栓组固定在所述夹持装置的外侧，以进行轴向应力和位移监测。

所述平衡弹簧连接所述下角度盘与所述外套筒，以平衡装置自身重力和防止碰撞。

进一步的，上述试验装置的技术方案中，角度控制装置的圆弧拱体沿圆弧边均匀分布的三棱柱孔向两侧依次反向偏转与中心三棱柱孔之间的角度；

进一步的，上述试验装置的技术方案中，夹持装置的外套筒、内套筒、环形垫片和封闭橡胶圈均准备多种形状多组规格；

进一步的，上述试验装置的技术方案中，夹持装置的内套筒高度与环形垫片顶部到外套筒顶部的竖直距离相等；

进一步的，上述试验装置的技术方案中，夹持装置的环形垫片的厚度应略大于外套筒底部圆柱体垫块的高度；

进一步的，上述试验装置的技术方案中，夹持装置的封闭橡胶圈的厚度应略大于外套筒与内套筒间距的二分之一；

进一步的，上述试验系统的技术方案中，夹持装置的外套筒底部圆柱体垫块的尺寸应略小于岩石试件的端部尺寸；

进一步的，上述试验装置的技术方案中，加载装置采用上压头移动加载、下压头固定承物的模式；

进一步的，上述试验装置的技术方案中，平衡弹簧采用可调节弹簧。

然后本发明公开了多角度轴压可变的岩石压剪试验装置的试验方法，包括如下步骤：

S1：打磨岩石试件的外表面，将打磨好的岩石试件嵌套在内套筒；

S2：将环形垫片嵌套于外套筒底部的圆柱体垫块，将装有岩石试件的内套筒拧进外套筒；

S3：将外套筒的楔形体嵌入上角度盘、下角度盘的楔形槽，并滑动锲形体调整到试验位置；

S4：调整角度控制装置到试验角度，先通过卡件将上角度盘、下角度盘分别与上底盘、下底盘连接固定，再将上底盘、下底盘于上压头、下压头连接固定后，调节平衡弹簧；

S5：在外套筒的直槽口加装加力螺栓组，并连接拉压传感器；

S6：对拼接好的装置施加接触力，直至拉压传感器达到一定读数时，停止向下压；

S7：通过加力螺栓组在外套筒两端施加约束力，直至拉压传感器达到预设试验值，不再旋紧螺栓；

S8：对试验装置继续施加竖向力，直至试件破坏；

S9：通过拉压传感器记录岩石试件加载全过程的时间、应力变化和位移变化等；

S10：采用数据统计及图形图像分析软件，筛选数据并绘制全应力-应变曲线，计算得到不同角度与不同挤压应力作用下的岩石剪切强度。

进一步的，所述步骤S1中，采用端部平整度仪对端部高程进行监测，一个端面的上下高程差不超过0.5mm；

进一步的，所述步骤S2中，内套筒拧进到内套筒和外套筒顶部的封闭橡胶圈相互挤压的位置；

进一步的，所述步骤S6中，施加的外力与压头有稳定接触时的接触力接近0.1KN，压紧压头时的偏应力为0.2MPa，此时应停止下压；

进一步的，所述步骤S7中，采用加力螺栓组对岩石试件端部施加预设试验应力值的过程中，岩石试件端部的轴向压力需略小于预设试验应力值。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的角度可变的岩石拉压剪切试验装置的三维结构示意图；

图2是本发明的角度可变的岩石拉压剪切试验方法的工作流程示意图；

图3是本发明的角度可变的岩石拉压剪切试验装置的剖面图。

图4是本发明的角度可变的岩石拉压剪切试验装置的夹持装置的局部构造放大示意图。

图中，1-角度控制装置；2-上底盘；3-下底盘；4-上角度盘；5-下角度盘；6-卡件；7-弧形立柱；8-三棱柱孔；9-楔形槽；10-圆弧拱体；11-夹持装置；12-外套筒；13-环形垫片；14-内套筒；15-封闭橡胶圈；16-加力螺栓组；17-楔形体；18-圆柱体垫块；19-直槽口；20-加载装置；21-上压头；22-下压头；23-拉压传感器；24-平衡弹簧；25-岩石试件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图3和图4所示：一种多角度轴压可变的岩石剪切试验装置，其特征在于：包括角度控制装置、夹持装置、加载装置、拉压传感器和平衡弹簧。

结合图1和图3所示，所述角度控制装置1包括上底盘2、下底盘3、上角度盘4、下角度盘5和卡件6。所述上底盘2和下底盘3规格相当，均为顶部有两根弧形立柱7的筒体，分别卡紧所述上压头18和下压头19。所述弧形立柱7顶端均有三棱柱孔8。所述上角度盘5和下角度盘6规格相当，均为顶部一端有楔形槽9的圆弧拱体10，该圆弧拱体10沿圆弧边均匀分布有七个贯通的三棱柱孔8，规格与所述弧形立柱7顶端三棱柱孔8相同。所述卡件4为三棱柱，横截面与所述弧形立柱7顶端三棱柱孔8的横截面相同。用所述卡件6调整和固定角度控制装置1。

结合图1、图3和图4所示，所述夹持装置11包括外套筒12、环形垫片13、内套筒14、封闭橡胶圈15和加力螺栓组16。所述外套筒12主体为筒状结构，下侧有与所述角度控制装置1的顶部楔形槽9相契合的楔形体17，外套筒12底部有圆柱体垫块18，圆柱体垫块18与外套筒12内壁之间套有所述环形垫片13，该环形垫片13上部的外套筒12内壁有螺纹，可与所述内套筒14外壁的螺纹相咬合。所述内套筒14内径与岩石试件25尺寸相当，有一定的壁厚。在外套筒12顶部的内壁及内套筒14顶部的外壁嵌有同样规格的封闭橡胶圈15。所述外套筒14两侧装有同样规格对称分布的直槽口19，所述加力螺栓组16通过该直槽口19对置于内套筒14中的岩石试件25施加轴向力。

结合图1和图3所示，所述加载装置20包括上压头21、下压头22。所述加载装置20通过向上压头21施加竖向力，利用固定的下压头22及角度控制装置1间的错位向岩石试件施加剪切作用.

如图1所示，所述拉压传感器23通过所述加力螺栓组16固定在所述夹持装置11的外侧，以进行轴向应力和位移监测。

结合图3和图4所示，所述平衡弹簧24连接所述下角度盘5与所述外套筒12，以平衡装置自身重力和防止碰撞。

如图2所示，本发明的用于多角度轴压可变的岩石剪切装置的试验方法，具体包括如下步骤：

S1：打磨岩石试件25的外表面；

S2：将打磨好的岩石试件25嵌套在内套筒14，将环形垫片13嵌套于外套筒12底部的圆柱体垫块18，将装有岩石试件25的内套筒14拧进外套筒12；

S3：将外套筒12的楔形体17嵌入上角度盘4、下角度盘5的楔形槽9，并滑动楔形体17调整到试验位置；

S4：调整角度控制装置1到试验角度，先通过卡件6将上角度盘4、下角度盘5分别与上底盘2、下底盘3连接固定，再将上底盘2、下底盘3于上压头21、下压头22连接固定后，调节平衡弹簧24；

S5：在外套筒12的直槽口19加装加力螺栓组16，并连接拉压传感器23；

S6：对拼接好的装置施加接触力，直至拉压传感器23达到一定读数时，停止向下压；

S7：通过加力螺栓组16在外套筒12两端施加约束力，直至拉压传感器23达到预设试验值，不再旋紧螺栓；

S7：对试验装置继续施加竖向力，直至试件破坏；

S8：通过拉压传感器23记录岩石试件加载全过程的时间、应力变化和位移变化等；

S9：采用数据统计及图形图像分析软件，筛选数据并绘制全应力-应变曲线，计算得到不同角度与不同挤压应力作用下的岩石剪切强度。

总之，用于多角度轴压可变的岩石剪切装置安全、方便、经济、易操作、适用性强，有助于得到不同角度与不同拉压应力作用下岩石试件抗剪强度变化。此外，在此基础上还可以进一步研发不同形状不同层理角度的拉压剪切试验装置与方法。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于多角度轴压可变的岩石剪切试验拼接装置及试验方法，其特征在于：包括角度控制装置、夹持装置、加载装置、拉压传感器和平衡弹簧。

所述角度控制装置包括上底盘、下底盘、上角度盘、下角度盘和卡件。所述上底盘和下底盘规格相当，均为顶部有两根弧形立柱的筒体，分别卡紧所述上压头和下压头。所述弧形立柱顶端均有三棱柱孔。所述上角度盘和下角度盘规格相当，均为顶部一端有楔形槽的圆弧拱体，该圆弧拱体沿圆弧边均匀分布有七个贯通的三棱柱孔，规格与所述弧形立柱顶端三棱柱孔相同。所述卡件为三棱柱，横截面与所述弧形立柱顶端三棱柱孔的横截面相同。用所述卡件调整和固定角度控制装置。

所述夹持装置包括外套筒、环形垫片、内套筒、封闭橡胶圈和加力螺栓组。所述外套筒主体为筒状结构，下侧有与所述角度控制装置的顶部楔形槽相互契合的楔形体，外套筒底部有圆柱体垫块，圆柱体垫块与外套筒内壁之间套有所述环形垫片，该环形垫片上部的外套筒内壁有螺纹，可与所述内套筒外壁的螺纹相咬合。所述内套筒内径与岩石试件尺寸相当，有一定的壁厚。在外套筒顶部的内壁及内套筒顶部的外壁嵌有同样规格的封闭橡胶圈。所述外套筒两侧装有同样规格对称分布的直槽口洞，所述加力螺栓组通过该直槽口洞对置于内套筒中得岩石试件施加轴向力。所述加载装置包括上压头、下压头。所述加载装置通过向上压头施加竖向力，利用固定的下压头及角度控制装置间的错位向岩石试件施加剪切作用。

所述拉压传感器通过所述加力螺栓组固定在所述夹持装置的外侧，以进行轴向应力和位移监测。

所述平衡弹簧连接所述下角度盘与所述外套筒，以平衡装置自身重力和防止碰撞。

2.根据权利要求1所述的用于多角度轴压可变的岩石剪切试验拼接装置，其特征在于，角度控制装置的圆弧拱体沿圆弧边均匀分布的三棱柱孔向两侧依次反向偏转与中心三棱柱孔之间的角度。

3.根据权利要求2所述的用于多角度轴压可变的岩石剪切试验拼接装置，其特征在于，夹持装置的外套筒、内套筒、环形垫片和封闭橡胶圈准备多种形状多组规格；

4.根据权利要求3所述的用于多角度轴压可变的岩石剪切试验拼接装置，其特征在于，夹持装置的内套筒高度与环形垫片顶部到外套筒顶部的竖直距离相等；夹持装置的环形垫片的厚度应略大于外套筒底部圆柱体垫块的高度；夹持装置的封闭橡胶圈的厚度应略大于外套筒与内套筒间距的二分之一；夹持装置的外套筒底部圆柱体垫块的尺寸应略小于岩石试件的端部尺寸；

5.根据权利要求4所述的用于多角度轴压可变的岩石剪切试验拼接装置，其特征在于，加载装置采用上压头移动加载、下压头固定承物的模式；

6.根据权利要求5所述的用于多角度轴压可变的岩石剪切试验拼接装置，其特征在于，平衡弹簧采用可调节弹簧。

7.一种如权利要求1-5所述的用于多角度轴压可变的岩石剪切试验拼接装置的试验方法，其特征在于，包括如下实验步骤：

S1：打磨岩石试件的外表面，将打磨好的岩石试件嵌套在内套筒；S2：将环形垫片嵌套于外套筒底部的圆柱体垫块，将装有岩石试件的内套筒拧进外套筒；

S3：将外套筒的楔形体嵌入上角度盘、下角度盘的楔形槽，并滑动锲形体调整到试验位置；

S4：调整角度控制装置到试验角度，先通过卡件将上角度盘、下角度盘分别与上底盘、下底盘连接固定，再将上底盘、下底盘于上压头、下压头连接固定后，调节平衡弹簧；

S5：在外套筒的直槽口洞加装加力螺栓组，并连接拉压传感器；

S6：对拼接好的装置施加接触力，直至拉压传感器达到一定读数时，停止向下压；

S7：通过加力螺栓组在外套筒两端施加约束力，直至拉压传感器达到预设试验值，不再旋紧螺栓；

S8：对试验装置继续施加竖向力，直至试件破坏。

S9：通过拉压传感器记录岩石试件加载全过程的时间、应力变化和位移变化等；

S10：采用数据统计及图形图像分析软件，筛选数据并绘制全应力-应变曲线，计算得到不同角度与不同挤压应力作用下的岩石剪切强度。

8.根据权利要求6所述的用于多角度轴压可变的岩石剪切试验拼接装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用端部平整度仪对端部高程进行监测，一个端面的上下高程差不超过0.5mm；

9.根据权利要求7所述的用于多角度轴压可变的岩石剪切试验拼接装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S2中，内套筒拧进到内套筒和外套筒顶部的封闭橡胶圈相互挤压的位置；

10.根据权利要求8所述的用于多角度轴压可变的岩石剪切试验拼接装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S7中，采用加力螺栓组对岩石试件端部施加预设试验应力值的过程中，岩石试件端部的轴向压力需略小于预设试验应力值。

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