CN112665970B - 一种用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒及使用方法,直剪盒包括上半剪切盒、下半剪切盒、前压块及后压块,四者构成互扣式结构;上半剪切盒在施加法向应力时推动前压块运动,前压块在施加侧向力时推动下半剪切盒运动,下半剪切盒在施加法向应力时推动后压块运动,后压块在施加侧向力时推动上半剪切盒运动。方法为:对直剪盒进行减摩处理;将试样放入下半剪切盒内,在下半剪切盒上连接前压块并紧贴试样,将上半剪切盒在试样上,在上半剪切盒上连接后压块,交替调整前压块和后压块位置,直到试样前后端面分别与上下半剪切盒前后端面相平齐;临时固定上下半剪切盒并形成试样组合体,将试样组合体送入试验机内预夹紧,移除临时固定后启动试验。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学试验技术领域,特别是涉及一种用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒及使用方法。
背景技术
剪切变形与破坏是深部地下工程开发和利用中常遇到的破坏形式,如断层滑移。而开展岩石的剪切力学特性研究,既有助于正确认识深部岩体的剪切破坏机制,又对评价地下工程稳定性、指导地下工程设计有着非常重要的意义。
地壳中岩石处于三向主应力不等的应力状态,只有在三维应力空间内模拟岩体结构面失效,才能获得最接近真实地应力环境下的岩体结构面剪切力学特性。对于岩石剪切试验,已经通过二维直剪仪器进行了大量的研究,也获得很好的成果。
但是,目前的直剪装置主要考虑在二维平面内施加不同的法向力和剪切力,均没有考虑到垂直于法向应力和水平剪切力所在平面的侧向应力对剪切变形、粘滑和过程的影响。此外,目前的真三轴试验机主要分为两种形式,分为三刚型(三个主应力方向均采用弹性模量远大于岩石的刚性承压板对岩石进行加载)和两刚一柔型(两个方向为刚性承压板加载,另外一个方向用柔性材料或液体对岩石进行加载),对于两刚一柔型真三轴试验机来说,试样密封工序复杂且耗时较长,施加三向应力时首先需要同步加载至静水应力水平,而且单独卸载小主应力时操作较复杂,并且油压加载面的力不能大于刚性加载面所施加的力,这种情况下进行真三轴剪切试验时,侧向应力的值不能够超过法向应力的值,导致试验具有局限性。
考虑到采用两刚一柔型真三轴试验机进行真三轴剪切试验存在的不足,设计一种能够满足三刚型真三轴试验机进行真三轴剪切试验的三维直剪盒十分必要,以模拟岩体在三维应力条件下的剪切失效行为。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供一种用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒及使用方法,能够满足三刚型真三轴试验机进行真三轴剪切试验,在配合三刚真三轴试验机时,可以同时将法向应力、剪切力和侧向应力作用在岩体试样上;本发明的三维直剪盒不仅能实现三维应力条件下的岩石直接剪切试验,还能实现传统二维应力条件下的岩石直接剪切试验;在进行岩石直接剪切试验时,可以有效避免加载过程中夹具间互相干扰的问题,同时消除了应力空白角,保证了试验结果的可靠性,并且具有装样速度快、各个方向的力卸荷操作方便、侧向应力水平不受法向应力影响的特点。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒,包括上半剪切盒、下半剪切盒、前压块及后压块;所述上半剪切盒和下半剪切盒结构相同,均呈U型结构,上/下半剪切盒的两条U型臂厚度不同,分为薄侧U型臂和厚侧U型臂,在薄侧U型臂和厚侧U型臂之间构成试样安装槽,薄侧U型臂与厚侧U型臂的臂长相等且臂端面相平齐;所述上半剪切盒与下半剪切盒的试样安装槽正对设置,且上半剪切盒的薄侧U型臂与下半剪切盒的厚侧U型臂位于同侧,上半剪切盒1的厚侧U型臂与下半剪切盒的薄侧U型臂位于同侧;在所述上半剪切盒和下半剪切盒的厚侧U型臂臂端面上均设有剪切限位块,所述上半剪切盒上的剪切限位块与下半剪切盒的薄侧U型臂之间、下半剪切盒的上的剪切限位块与上半剪切盒的薄侧U型臂之间的间距作为有效剪切行程;所述上半剪切盒和下半剪切盒的宽度相等且均大于岩石试样的宽度,岩石试样装夹在上半剪切盒和下半剪切盒之间的试样安装槽中;所述前压块和后压块结构相同,均呈凸形结构,前/后压块的窄端与试样安装槽为间隙配合,前/后压块的宽端的尺寸大于试样安装槽的尺寸;所述前压块的窄端位于上半剪切盒的试样安装槽内,所述后压块的窄端位于下半剪切盒的试样安装槽内,在前压块的宽端与下半剪切盒之间、后压块的宽端与上半剪切盒之间均连接有用于部件之间临时固定的Z形转接块,在Z形转接块上配置有转接螺钉;在所述上半剪切盒的薄侧U型臂与下半剪切盒的厚侧U型臂之间、在上半剪切盒的厚侧U型臂与下半剪切盒的薄侧U型臂之间均连接有用于部件之间临时固定的L形转接块。
所述上半剪切盒在施加法向应力时推动前压块运动,所述前压块在施加侧向力时推动下半剪切盒运动,所述下半剪切盒在施加法向应力时推动后压块运动,所述后压块在施加侧向力时推动上半剪切盒运动;所述上半剪切盒、下半剪切盒、前压块及后压块构成互扣式结构。
所述的用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒的使用方法,包括如下步骤:
步骤一:对上半剪切盒和下半剪切盒的试样安装槽三处内表面进行减摩处理,同时对前压块及后压块的夹持内表面进行减摩处理;
步骤二:将制备好的岩石试样放入下半剪切盒的试样安装槽内,且使朝向前压块一侧的岩石试样端面延伸出下半剪切盒的试样安装槽;
步骤三:拾起前压块,将前压块的夹持内表面紧贴在延伸出下半剪切盒试样安装槽的岩石试样端面上,然后通过Z形转接块将前压块与下半剪切盒初步连接在一起;
步骤四:将上半剪切盒扣在岩石试样上,使岩石试样进入上半剪切盒的试样安装槽内,并保证朝向后压块一侧的岩石试样端面延伸出上半剪切盒的试样安装槽;
步骤五:拾起后压块,将后压块的夹持内表面紧贴在延伸出上半剪切盒试样安装槽的岩石试样端面上,然后通过Z形转接块将后压块与上半剪切盒初步连接在一起;
步骤六:交替旋拧岩石试样前后两侧的Z形转接块上的转接螺钉,直到使延伸出下半剪切盒试样安装槽的岩石试样端面在前压块推挤作用下与下半剪切盒前端面相平齐,同时使延伸出上半剪切盒试样安装槽的岩石试样端面在后压块推挤作用下与上半剪切盒后端面相平齐;
步骤七:通过L形转接块将上半剪切盒与下半剪切盒临时固定在一起,保证岩石试样相对于上半剪切盒、下半剪切盒、前压块及后压块的位置不变,同时形成试样组合体;
步骤八:试验前,将试样组合体送入三刚型真三轴试验机的压力室内,再通过三刚型真三轴试验机的作动器对试样组合体进行预夹紧,然后拆除试样组合体上的Z形转接块和L形转接块;
步骤九:试验时,法向应力和剪切力分别通过上半剪切盒和下半剪切盒对岩石试样进行施加,侧向应力分别通过前压块和后压块对岩石试样进行施加,首先加载侧向应力和法向应力至目标水平,然后单独加载剪切力至残余阶段。
本发明的有益效果:
本发明的用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒及使用方法,能够满足三刚型真三轴试验机进行真三轴剪切试验,在配合三刚真三轴试验机时,可以同时将法向应力、剪切力和侧向应力作用在岩体试样上;本发明的三维直剪盒不仅能实现三维应力条件下的岩石直接剪切试验,还能实现传统二维应力条件下的岩石直接剪切试验;在进行岩石直接剪切试验时,可以有效避免加载过程中夹具间互相干扰的问题,同时消除了应力空白角,保证了试验结果的可靠性,并且具有装样速度快、各个方向的力卸荷操作方便、侧向应力水平不受法向应力影响的特点。
附图说明
图1为本发明的一种用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒的结构示意图;
图2为本发明的用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒与岩石试样的配装示意图;
图3为图2中A-A剖面图;
图4为本发明的上半剪切盒与前压块的配装示意图;
图5为本发明的下半剪切盒与后压块的配装示意图;
图中,1—上半剪切盒,2—下半剪切盒,3—前压块,4—后压块,5—试样安装槽,6—剪切限位块,7—岩石试样,8—Z形转接块,9—L形转接块,10—薄侧U型臂,11—厚侧U型臂。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1~5所示,一种用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒,包括上半剪切盒1、下半剪切盒2、前压块3及后压块4;所述上半剪切盒1和下半剪切盒2结构相同,均呈U型结构,上/下半剪切盒的两条U型臂厚度不同,分为薄侧U型臂10和厚侧U型臂11,在薄侧U型臂10和厚侧U型臂11之间构成试样安装槽5,薄侧U型臂10与厚侧U型臂11的臂长相等且臂端面相平齐;所述上半剪切盒1与下半剪切盒2的试样安装槽5正对设置,且上半剪切盒1的薄侧U型臂10与下半剪切盒2的厚侧U型臂11位于同侧,上半剪切盒1的厚侧U型臂11与下半剪切盒2的薄侧U型臂10位于同侧;在所述上半剪切盒1和下半剪切盒2的厚侧U型臂11臂端面上均设有剪切限位块6,所述上半剪切盒1上的剪切限位块6与下半剪切盒2的薄侧U型臂10之间、下半剪切盒2的上的剪切限位块6与上半剪切盒1的薄侧U型臂10之间的间距作为有效剪切行程;所述上半剪切盒1和下半剪切盒2的宽度相等且均大于岩石试样7的宽度,岩石试样7装夹在上半剪切盒1和下半剪切盒2之间的试样安装槽5中;所述前压块3和后压块4结构相同,均呈凸形结构,前/后压块的窄端与试样安装槽5为间隙配合,前/后压块的宽端的尺寸大于试样安装槽5的尺寸;所述前压块3的窄端位于上半剪切盒1的试样安装槽5内,所述后压块4的窄端位于下半剪切盒2的试样安装槽5内,在前压块3的宽端与下半剪切盒2之间、后压块4的宽端与上半剪切盒1之间均连接有用于部件之间临时固定的Z形转接块8,在Z形转接块8上配置有转接螺钉;在所述上半剪切盒1的薄侧U型臂10与下半剪切盒2的厚侧U型臂11之间、在上半剪切盒1的厚侧U型臂11与下半剪切盒2的薄侧U型臂10之间均连接有用于部件之间临时固定的L形转接块9。
所述上半剪切盒1在施加法向应力时推动前压块3运动,所述前压块3在施加侧向力时推动下半剪切盒2运动,所述下半剪切盒2在施加法向应力时推动后压块4运动,所述后压块4在施加侧向力时推动上半剪切盒1运动;所述上半剪切盒1、下半剪切盒2、前压块3及后压块4构成互扣式结构。
所述的用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒的使用方法,包括如下步骤:
步骤一:对上半剪切盒1和下半剪切盒2的试样安装槽5三处内表面进行减摩处理,同时对前压块3及后压块4的夹持内表面进行减摩处理;
步骤二:将制备好的岩石试样7放入下半剪切盒2的试样安装槽5内,且使朝向前压块3一侧的岩石试样7端面延伸出下半剪切盒2的试样安装槽5;
步骤三:拾起前压块3,将前压块3的夹持内表面紧贴在延伸出下半剪切盒2试样安装槽5的岩石试样7端面上,然后通过Z形转接块8将前压块3与下半剪切盒2初步连接在一起;
步骤四:将上半剪切盒1扣在岩石试样7上,使岩石试样7进入上半剪切盒1的试样安装槽5内,并保证朝向后压块4一侧的岩石试样7端面延伸出上半剪切盒1的试样安装槽5;
步骤五:拾起后压块4,将后压块4的夹持内表面紧贴在延伸出上半剪切盒1试样安装槽5的岩石试样7端面上,然后通过Z形转接块8将后压块4与上半剪切盒1初步连接在一起;
步骤六:交替旋拧岩石试样7前后两侧的Z形转接块8上的转接螺钉,直到使延伸出下半剪切盒2试样安装槽5的岩石试样7端面在前压块3推挤作用下与下半剪切盒2前端面相平齐,同时使延伸出上半剪切盒1试样安装槽5的岩石试样7端面在后压块4推挤作用下与上半剪切盒1后端面相平齐;
步骤七:通过L形转接块9将上半剪切盒1与下半剪切盒2临时固定在一起,保证岩石试样7相对于上半剪切盒1、下半剪切盒2、前压块3及后压块4的位置不变,同时形成试样组合体;
步骤八:试验前,将试样组合体送入三刚型真三轴试验机的压力室内,再通过三刚型真三轴试验机的作动器对试样组合体进行预夹紧,然后拆除试样组合体上的Z形转接块8和L形转接块9;
步骤九:试验时,法向应力和剪切力分别通过上半剪切盒1和下半剪切盒2对岩石试样7进行施加,侧向应力分别通过前压块3和后压块4对岩石试样7进行施加,首先加载侧向应力和法向应力至目标水平,然后单独加载剪切力至残余阶段。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围,凡未脱离本发明所为的等效实施或变更,均包含于本案的专利范围中。
Claims (3)
1.一种用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒,其特征在于:包括上半剪切盒、下半剪切盒、前压块及后压块;所述上半剪切盒和下半剪切盒结构相同,均呈U型结构,上/下半剪切盒的两条U型臂厚度不同,分为薄侧U型臂和厚侧U型臂,在薄侧U型臂和厚侧U型臂之间构成试样安装槽,薄侧U型臂与厚侧U型臂的臂长相等且臂端面相平齐;所述上半剪切盒与下半剪切盒的试样安装槽正对设置,且上半剪切盒的薄侧U型臂与下半剪切盒的厚侧U型臂位于同侧,上半剪切盒1的厚侧U型臂与下半剪切盒的薄侧U型臂位于同侧;在所述上半剪切盒和下半剪切盒的厚侧U型臂臂端面上均设有剪切限位块,所述上半剪切盒上的剪切限位块与下半剪切盒的薄侧U型臂之间、下半剪切盒的上的剪切限位块与上半剪切盒的薄侧U型臂之间的间距作为有效剪切行程;所述上半剪切盒和下半剪切盒的宽度相等且均大于岩石试样的宽度,岩石试样装夹在上半剪切盒和下半剪切盒之间的试样安装槽中;所述前压块和后压块结构相同,均呈凸形结构,前/后压块的窄端与试样安装槽为间隙配合,前/后压块的宽端的尺寸大于试样安装槽的尺寸;所述前压块的窄端位于上半剪切盒的试样安装槽内,所述后压块的窄端位于下半剪切盒的试样安装槽内,在前压块的宽端与下半剪切盒之间、后压块的宽端与上半剪切盒之间均连接有用于部件之间临时固定的Z形转接块,在Z形转接块上配置有转接螺钉;在所述上半剪切盒的薄侧U型臂与下半剪切盒的厚侧U型臂之间、在上半剪切盒的厚侧U型臂与下半剪切盒的薄侧U型臂之间均连接有用于部件之间临时固定的L形转接块。
2.根据权利要求1所述的一种用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒,其特征在于:所述上半剪切盒在施加法向应力时推动前压块运动,所述前压块在施加侧向力时推动下半剪切盒运动,所述下半剪切盒在施加法向应力时推动后压块运动,所述后压块在施加侧向力时推动上半剪切盒运动;所述上半剪切盒、下半剪切盒、前压块及后压块构成互扣式结构。
3.权利要求1所述的用于三刚型真三轴试验机的三维直剪盒的使用方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤一:对上半剪切盒和下半剪切盒的试样安装槽三处内表面进行减摩处理,同时对前压块及后压块的夹持内表面进行减摩处理;
步骤二:将制备好的岩石试样放入下半剪切盒的试样安装槽内,且使朝向前压块一侧的岩石试样端面延伸出下半剪切盒的试样安装槽;
步骤三:拾起前压块,将前压块的夹持内表面紧贴在延伸出下半剪切盒试样安装槽的岩石试样端面上,然后通过Z形转接块将前压块与下半剪切盒初步连接在一起;
步骤四:将上半剪切盒扣在岩石试样上,使岩石试样进入上半剪切盒的试样安装槽内,并保证朝向后压块一侧的岩石试样端面延伸出上半剪切盒的试样安装槽;
步骤五:拾起后压块,将后压块的夹持内表面紧贴在延伸出上半剪切盒试样安装槽的岩石试样端面上,然后通过Z形转接块将后压块与上半剪切盒初步连接在一起;
步骤六:交替旋拧岩石试样前后两侧的Z形转接块上的转接螺钉,直到使延伸出下半剪切盒试样安装槽的岩石试样端面在前压块推挤作用下与下半剪切盒前端面相平齐,同时使延伸出上半剪切盒试样安装槽的岩石试样端面在后压块推挤作用下与上半剪切盒后端面相平齐;
步骤七:通过L形转接块将上半剪切盒与下半剪切盒临时固定在一起,保证岩石试样相对于上半剪切盒、下半剪切盒、前压块及后压块的位置不变,同时形成试样组合体;
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