CN115855621A - 基于手动线切割的岩石力学参数测试设备与测试方法 - Google Patents

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CN115855621A CN202211577594.3A CN202211577594A CN115855621A CN 115855621 A CN115855621 A CN 115855621A CN 202211577594 A CN202211577594 A CN 202211577594A CN 115855621 A CN115855621 A CN 115855621A
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何明明
赵建斌
袁卓亚
王滈藤
郑俊
张永浩
罗波
马旭东
李盼锋
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Xian University of Technology
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Xian University of Technology
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Abstract

本发明公开了一种基于手动线切割的岩石力学参数测试设备，包括试样固定座和手持式砂线，试样固定座上安装有压力传感器，压力传感器上表面用于放置岩石试块，手持式砂线中设置有切削力测力计，切削力测力计固定在手持式砂线的一端连接头与砂线锯条之间，切削力测力计通过线缆与拉力传感器连通，拉力传感器再通过数据传输导线与电脑处理器信号连接。本发明还公开了一种岩石力学参数的测试方法，基于上述的测试设备，并且利用所得到的测试数据，步骤包括：1)建立分析模型，2)获取模型中的参量，3)得到岩石力学参数。本发明能够做到高效、省时、精确，实时监测相关参数，为得到施工现场的岩体力学参数超前预报提供参考。

Description

基于手动线切割的岩石力学参数测试设备与测试方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，包含一种基于手动线切割的岩石力学参数测试设备，本发明还包括一种岩石力学参数的测试方法。
背景技术
岩体力学参数的快速、精确获取，一直是岩土工程专业的研究热点。现有的岩体力学参数测试方法主要分为室内测试与现场估计两种。室内测试：单轴抗压强度试验测定岩石强度往往要求精心制备样品，特别是样本的抛光和形状整改，步骤复杂且要求样品完整性良好，费时又费钱；点荷载强度试验与岩石单轴抗压强度试验相比，测试简易方便、速度快、成本低廉、不需专门的试样制备。
因此，为了准确、快速地获取岩体力学参数，对不同岩石试块进行室内数字切削试验，快速得到岩石的力学参数，为现场施工方案设计提供参考，探讨新的基于手动线切割的岩石力学参数测试设备与方法，显得很有必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于手动线切割的岩石力学参数测试设备，解决了现有技术的测试设备针对性不强，难以准确、快速地获取岩体力学参数的问题。
本发明的另一目的是提供一种岩石力学参数的测试方法，使用手持式砂线切削岩石，通过配备的高精度测力传感器实时监控线切割过程中的水平切削力与竖向压力等切削参数，测定岩石力学参数。
本发明的技术方案是，一种基于手动线切割的岩石力学参数测试设备，包括试样固定座和手持式砂线，试样固定座上安装有压力传感器，压力传感器上表面用于放置岩石试块，手持式砂线中设置有切削力测力计，切削力测力计固定在手持式砂线的一端连接头与砂线锯条之间，切削力测力计通过线缆与拉力传感器连通，拉力传感器再通过数据传输导线与电脑处理器信号连接。
本发明的另一技术方案是，一种岩石力学参数的测试方法，基于上述的测试设备，并且利用所得到的测试数据，按照以下步骤实施：
步骤1，建立分析模型，
基于线切割过程中金刚石颗粒对岩石的破坏原理，砂线锯条上的金刚石颗粒破坏岩石时首先侵入岩石形成一个钻头与岩石表面接触的压缩区，随后切削力通过压碎区剪坏完整岩石，形成一个宏观剪切缝，破坏岩石的切削力由竖向压力Fn和水平拉力Ft提供；
步骤2，获取模型中的参量，
控制切削速率，并且使切削速率保持恒定，实时监测并记录金刚石颗粒侵入岩石各阶段的竖向压力Fn和水平拉力Ft的数值；
步骤3，得到岩石力学参数。
本发明的有益效果是，适用于在室内快速测量小尺寸试样在切割过程中的竖向切削力、水平压力等参数，可以做到高效、省时、精确，实时监测相关参数，为得到施工现场的岩体力学参数超前预报提供参考。
附图说明
图1a是本发明的岩石力学参数测试设备的砂线原理示意图；
图1b是本发明的岩石力学参数测试设备的破碎原理示意图；
图2是本发明的岩石力学参数测试设备的整体结构示意图；
图3是本发明测试设备中的镶有金刚石颗粒的手持式砂线结构示意图；
图4是本发明测试设备中的切削力传感器结构示意图；
图5是本发明测试设备中的压力传感器结构示意图；
图6是本发明测试设备中的试样固定座结构示意图。
图中，1.操作台，2.试样固定座，3.岩石试块，4.切削力测力计，5.手持式砂线，6.电脑处理器，7.切削力传感器，8.压力传感器，9.数据传输导线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图2、图3、图4、图5、图6，本发明基于手动线切割的岩石力学参数测试设备(以下简称测试设备)，包括试样固定座2和手持式砂线5，试样固定座2固定在操作台1的上表面，试样固定座2上安装有压力传感器8，压力传感器8上表面用于放置岩石试块3，手持式砂线5的砂线锯条中镶有金刚石颗粒，手持式砂线5中设置有切削力测力计4，切削力测力计4固定在手持式砂线5的一端连接头与砂线锯条之间，切削力测力计4通过线缆与拉力传感器7连通，拉力传感器7固定在操作台1的表面，拉力传感器7再通过数据传输导线9与电脑处理器6信号连接，将拉力传感器7监测的数据信号传输至电脑处理器6中。
本发明的测试设备的工作过程是，先将压力传感器8放置在操作台1桌面的试样固定座2上，再将岩石试块3放置在压力传感器8上固定牢靠，将压力传感器8和电脑处理器6的信号线连接好；同时，将手持式砂线5上的切削力测力计4通过拉力传感器7与电脑处理器6连接好。整个线切割过程在操作台1上进行，启动电脑处理器6的开关后，将手持式砂线5的砂线锯条下压在岩石试块3上并且不断往复拉动，使得砂线锯条与岩石试块3接触以达到不断切削岩石试块3的目的。此时，安装在手持式砂线5上的切削力测力计4测出实时切削力，并通过拉力传感器7实时传输到电脑处理器6，同时，压力传感器8测出手持式砂线5对岩石试块3的反压力，通过电脑处理器6实时记录切削参数(竖向压力Fn和水平拉力Ft)。
本发明的测试方法，参照图1a、图1b，基于上述的测试设备，并且利用所得到的测试数据，按照以下步骤实施：
步骤1，建立分析模型，
基于线切割过程中金刚石颗粒对岩石的破坏原理，砂线锯条上的金刚石颗粒破坏岩石时首先侵入岩石形成一个钻头与岩石表面接触的压缩区，随后切削力通过压碎区剪坏完整岩石，形成一个宏观剪切缝，破坏岩石的切削力由竖向压力Fn和水平拉力Ft提供；线切割过程中Fn和Ft分别有两个分量，Fn和Ft的切削分量分别是Fn c和Ft c，Fn和Ft的摩擦分量分别是Fn f和Ft f，表
达式为：Ft＝Ft c+Ft f (1)
Fn＝Fn c+Fn f (2)
在式(1)、式(2)中，对于线切割过程中发生的切削与摩擦相互作用，切削分量与摩擦分量之间关系的表达式见式(3)、式(4)、式(5)：
Figure BDA0003981022790000041
Figure BDA0003981022790000042
Figure BDA0003981022790000043
其中，α为砂线切削岩石的下压角，优选为5°；θ为金刚石颗粒与岩石的接触角；σ0和τ0分别为破碎区的压应力与剪应力；
Figure BDA0003981022790000044
为破碎区摩擦角；
考虑金刚石颗粒对岩石的切削作用会首先形成一个压碎区，A为切口的切削面积(即垂直截面积)，则有：
Ft c＝Aσ0+Aτ0tanα (6)
Figure BDA0003981022790000051
岩石碎屑与破碎区之间力平衡关系的表达式为：
Figure BDA0003981022790000052
设C为岩石的粘聚力，
Figure BDA0003981022790000053
为完整岩石的内摩擦角，σ和τ为岩石碎屑表面的正应力与剪应力，且σ和τ满足摩尔库伦准则，则有：
Figure BDA0003981022790000054
将公式(8)和公式(9)代入式(5)的
Figure BDA0003981022790000055
中，则σ0表达式为：
Figure BDA0003981022790000056
为了获得σ0的最小值，令式(10)中C对σ0的偏导数为0，ψ为岩石碎屑的倾角，则ψ的取值表达式为：
Figure BDA0003981022790000057
σ0的取值表达式为：
Figure BDA0003981022790000058
结合式(1)、(2)、(4)、(5)、(6)、(7)，竖向压力Fn和水平拉力Ft之间关系的表达式为：
Figure BDA0003981022790000059
对式(13)左右两边同时除以切削面积A，则有：
Figure BDA0003981022790000061
式(14)中，Sn为等效压力，St为等效切削力；
步骤2，获取模型中的参量，
控制切削速率，并且使切削速率保持恒定，实时监测并记录金刚石颗粒侵入岩石各阶段的竖向压力Fn和水平拉力Ft的数值；
步骤3，得到岩石力学参数，
根据竖向压力Fn和水平拉力Ft的监测结果，获得模型中参量的数值，根据Ft与Fn之间的线性相关性，模型的建立主要取决于接触摩擦角θ和几何参数α，表达式是：
Figure BDA0003981022790000062
在线切割过程中，碎屑岩的摩擦系数的表达式为：
Figure BDA0003981022790000063
完整岩石的内摩擦角
Figure BDA0003981022790000064
与/>
Figure BDA0003981022790000065
之间关系的表达式为：
Figure BDA0003981022790000066
根据式(16)和式(17)，内摩擦角
Figure BDA0003981022790000067
的表达式为：
Figure BDA0003981022790000068
基于线切割参数计算得到岩石的内摩擦角
Figure BDA0003981022790000069
与粘聚力C，代入Mohr-Coulomb准则函数式，获得岩石的无侧限抗压强度UCS，则有：
Figure BDA00039810227900000610
最终得到岩石力学参数的结果，即成。

Claims (6)

1.一种基于手动线切割的岩石力学参数测试设备，其特征在于：包括试样固定座(2)和手持式砂线(5)，试样固定座(2)上安装有压力传感器(8)，压力传感器(8)上表面用于放置岩石试块(3)，手持式砂线(5)中设置有切削力测力计(4)，切削力测力计(4)固定在手持式砂线(5)的一端连接头与砂线锯条之间，切削力测力计(4)通过线缆与拉力传感器(7)连通，拉力传感器(7)再通过数据传输导线(9)与电脑处理器(6)信号连接。
2.根据权利要求1所述的基于手动线切割的岩石力学参数测试设备，其特征在于：所述的手持式砂线(5)的砂线锯条中镶有金刚石颗粒。
3.根据权利要求1所述的基于手动线切割的岩石力学参数测试设备，其特征在于：所述的试样固定座(2)固定在操作台(1)的上表面，拉力传感器(7)也固定在操作台(1)的表面。
4.一种岩石力学参数的测试方法，基于权利要求1-3任一所述的测试设备，并且利用所得到的测试数据，按照以下步骤实施：
步骤1，建立分析模型，
基于线切割过程中金刚石颗粒对岩石的破坏原理，砂线锯条上的金刚石颗粒破坏岩石时首先侵入岩石形成一个钻头与岩石表面接触的压缩区，随后切削力通过压碎区剪坏完整岩石，形成一个宏观剪切缝，破坏岩石的切削力由竖向压力Fn和水平拉力Ft提供；
步骤2，获取模型中的参量，
控制切削速率，并且使切削速率保持恒定，实时监测并记录金刚石颗粒侵入岩石各阶段的竖向压力Fn和水平拉力Ft的数值；
步骤3，得到岩石力学参数。
5.根据权利要求4所述的岩石力学参数的测试方法，其特征在于：在步骤1中，具体过程是，
线切割过程中竖向压力Fn和水平拉力Ft分别有两个分量，Fn和Ft的切削分量分别是Fn c和Ft c，Fn和Ft的摩擦分量分别是
Figure FDA0003981022780000021
和/>
Figure FDA0003981022780000022
表达式为：
Figure FDA0003981022780000023
Figure FDA0003981022780000024
在式(1)、式(2)中，对于线切割过程中发生的切削与摩擦相互作用，切削分量与摩擦分量之间关系的表达式见式(3)、式(4)、式(5)：
Figure FDA0003981022780000025
Figure FDA0003981022780000026
Figure FDA0003981022780000027
其中，α为砂线切削岩石的下压角；θ为金刚石颗粒与岩石的接触角；σ0和τ0分别为破碎区的压应力与剪应力；
Figure FDA0003981022780000028
为破碎区摩擦角；
考虑金刚石颗粒对岩石的切削作用会首先形成一个压碎区，A为切口的切削面积，则有：
Ft c＝Aσ0+Aτ0tanα (6)
Figure FDA0003981022780000029
/>
岩石碎屑与破碎区之间力平衡关系的表达式为：
Figure FDA00039810227800000210
设C为岩石的粘聚力，
Figure FDA00039810227800000211
为完整岩石的内摩擦角，σ和τ为岩石碎屑表面的正应力与剪应力，且σ和τ满足摩尔库伦准则，则有：
Figure FDA00039810227800000212
将公式(8)和公式(9)代入式(5)的
Figure FDA0003981022780000031
中，则σ0表达式为：
Figure FDA0003981022780000032
为了获得σ0的最小值，令式(10)中C对σ0的偏导数为0，ψ为岩石碎屑的倾角，则ψ的取值表达式为：
Figure FDA0003981022780000033
σ0的取值表达式为：
Figure FDA0003981022780000034
结合式(1)、(2)、(4)、(5)、(6)、(7)，竖向压力Fn和水平拉力Ft之间关系的表达式为：
Figure FDA0003981022780000035
对式(13)左右两边同时除以切削面积A，则有：
Figure FDA0003981022780000036
式(14)中，Sn为等效压力，St为等效切削力。
6.根据权利要求4所述的岩石力学参数的测试方法，其特征在于：在步骤3中，具体过程是，
根据竖向压力Fn和水平拉力Ft的监测结果，获得模型中参量的数值，根据Ft与Fn之间的线性相关性，模型的建立取决于接触摩擦角θ和几何参数α，表达式如下：
Figure FDA0003981022780000037
在线切割过程中，碎屑岩的摩擦系数的表达式为：
Figure FDA0003981022780000041
完整岩石的内摩擦角
Figure FDA0003981022780000042
与/>
Figure FDA0003981022780000043
之间关系的表达式为：
Figure FDA0003981022780000044
/>
根据式(16)和式(17)，内摩擦角
Figure FDA0003981022780000045
的表达式为：
Figure FDA0003981022780000046
基于线切割参数计算得到岩石的内摩擦角
Figure FDA0003981022780000047
与粘聚力C，代入Mohr-Coulomb准则函数式，获得岩石的无侧限抗压强度UCS，则有：
Figure FDA0003981022780000048
/>
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116539403A (zh) * 2023-04-28 2023-08-04 中南大学 岩体力学特性获取、可切割性评价、原位感知方法及装置
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