CN204086003U - 用于纯剪切试验的岩块试件 - Google Patents

Abstract

用于纯剪切试验的岩块试件，其本体的上端面设置有以本体的中心为圆心的第一圆环形凹槽，本体的下端面设置有以本体的中心为圆心的第二圆环形凹槽，第一圆环形凹槽的宽度及内圈直径与第二圆环形凹槽的宽度及内圈直径相同，第一圆环形凹槽底部与第二圆环形凹槽底部之间的间距H为10～40mm，第一圆环形凹槽将本体的上部段分割成位于中心部位的第一圆台和环绕第一圆台的第一环形体，第二圆环形凹槽将本体的下部段分割成位于中心部位的第二圆台和环绕第二圆台的第二环形体，第一圆台的端面和第一环形体的端面位于同一平面，第二圆台的端面和第二环形体的端面位于同一平面，或第一圆台的端面高于第一环形体的端面，第二圆台的端面低于第二环形体的端面。

Description

用于纯剪切试验的岩块试件

技术领域

本实用新型属于岩石剪切强度测试领域，特别涉及用于纯剪切试验的岩块试件。

背景技术

岩石剪切强度是工程建设中的基础参数。目前用于测试岩石剪切强度的方法有直接剪切试验、三轴剪切试验、楔形剪切(或称为倾斜剪切)试验、单面剪切试验、双面剪切试验及冲孔剪切试验等。直接剪切试验、三轴剪切试验、楔形剪切试验等方法是最常应用的，但均无法实现真正的纯剪切(即被剪切面上仅有单一的剪应力)。单面剪切和双面剪切不仅对试验机要求高，只有专门的剪切试验机才能进行该试验，且仍难以实现真正的纯剪试验。冲孔剪切试验是在圆台形岩块试件顶面垫一个剪切板，在圆台形岩块试件底面放一个剪切圆环，通过对剪切板施加冲击力，使岩块试件发生剪切破坏。该方法存在以下问题：(1)在剪切过程中剪切板和剪切圆环与岩块试件的表面接触部位会存在较大的压缩应力集中区，从而导致剪切部位受压出现屈服破坏区，并且在冲剪过程中还易形成弯矩，整个应力状态复杂，不能确保破坏沿预定加载方向发展，保证剪切面的应力为纯剪切应力。(2)冲孔剪切试验在冲击过程中通常要求具有一定的冲击速率(通常大于7mm/s)，这使得对试验设备的性能要求较高，测试难度增大，普通试验机难以满足测试要求；即便试验设备能满足剪切所需的冲击速率，仍难确保形成有效剪切冲孔，因此该方法在岩石剪切试验中很难见到应用。因此，如何便捷、有效获得岩石的纯剪切强度，仍是目前试验测试和研究的难点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供用于纯剪切试验的新型岩块试件，以便在现有常规岩石力学试验机上便捷、有效地进行岩石的剪切强度测试，获得岩石的纯剪切强度。

本实用新型所述用于纯剪切试验的岩块试件，有以下两种，但它们属于一个总的构思。

1、第一种用于纯剪切试验的岩块试件

该用于纯剪切试验的岩块试件的本体为圆柱形或正四棱柱形，所述本体的上端面与下端面平行，本体的上端面设置有以本体的中心为圆心的第一圆环形凹槽，本体的下端面设置有以本体的中心为圆心的第二圆环形凹槽，第一圆环形凹槽的宽度及内圈直径与第二圆环形凹槽的宽度及内圈直径相同，第一圆环形凹槽底部与第二圆环形凹槽底部之间的间距H为10mm～40mm，所述第一圆环形凹槽将本体的上部段分割成位于中心部位的第一圆台和环绕第一圆台的第一环形体，所述第二圆环形凹槽将本体的下部段分割成位于中心部位的第二圆台和环绕第二圆台的第二环形体，第一圆台与第二圆台的直径相同，第一圆台的端面和第一环形体的端面位于同一平面，第二圆台的端面和第二环形体的端面位于同一平面。所述第一圆台的端面与第二环形体的端面为被施力处或第二圆台的端面与第一环形体的端面为被施力处。

上述用于纯剪切试验的岩块试件，其第一圆环形凹槽底部与第二圆环形凹槽底部之间的间距H优选20mm～30mm。

上述用于纯剪切试验的岩块试件，其第一圆台和第二圆台的直径d是圆柱形本体的直径D或正四棱柱形本体的边长L的1/4～1/2；第一圆环形凹槽和第二圆环形凹槽的宽度b为2mm～8mm，第一圆环形凹槽的深度h₁为10mm～40mm，第二圆环形凹槽的深度h₂为10mm～40mm。

上述用于纯剪切试验的岩块试件，其第一圆环形凹槽和第二圆环形凹槽的宽度b优选3mm～5mm，第一圆环形凹槽的深度h₁优选20mm～30mm，第二圆环形凹槽的深度h₂优选20mm～30mm。

2、第二种用于纯剪切试验的岩块试件

该用于纯剪切试验的岩块试件的本体为圆柱形或正四棱柱形，所述本体的上端面与下端面平行，所述本体的上端面设置有以本体的中心为圆心的第一圆环形凹槽，本体的下端面设置有以本体的中心为圆心的第二圆环形凹槽，第一圆环形凹槽的宽度及内圈直径与第二圆环形凹槽的宽度及内圈直径相同，第一圆环形凹槽底部与第二圆环形凹槽底部之间的间距H为10mm～40mm，所述第一圆环形凹槽将本体的上部段分割成位于中心部位的第一圆台和环绕第一圆台的第一环形体，所述第二圆环形凹槽将本体的下部段分割成位于中心部位的第二圆台和环绕第二圆台的第二环形体，第一圆台与第二圆台的直径相同，第一圆台的端面高于第一环形体的端面，第二圆台的端面低于第二环形体的端面。所述第一圆台的端面与第二环形体的端面为被施力处。

上述用于纯剪切试验的岩块试件，其第一圆环形凹槽底部与第二圆环形凹槽底部之间的间距H优选20mm～30mm。

上述用于纯剪切试验的岩块试件，其第一圆台和第二圆台的直径d是圆柱形本体的直径D或正四棱柱形本体的边长L的1/4～1/2；第一圆台的高度h₃为10～40mm，第一圆台的端面与第一环形体的端面之间的间距h₄不大于10mm；第一圆环形凹槽和第二圆环形凹槽的宽度b为2mm～8mm。

上述用于纯剪切试验的岩块试件，其第一圆台的高度h₃优选20mm～30mm，第一圆环形凹槽和第二圆环形凹槽的宽度b优选3mm～5mm。

本实用新型所述用于纯剪切试验的岩块试件的制作方法：

将从现场采集的岩块用岩石切割机或/和套钻加工成圆柱形本体或正四棱柱形本体，然后用磨平机，把圆柱形本体或正四棱柱形本体的上下端面按《工程岩体试验方法标准》中的岩石压缩试验试件端面加工精度要求进行加工，继后用套钻在圆柱形本体或正四棱柱形本体的上端面加工出以本体的中心为圆心的第一圆环形凹槽，在圆柱形本体或正四棱柱形本体的下端面加工出以本体的中心为圆心的第二圆环形凹槽，即形成第一种用于纯剪切试验的岩块试件。在第一种用于纯剪切试验的岩块试件的基础上用岩石切割机切除部分第一环形体和部分第二圆台，即形成第二种用于纯剪切试验的岩块试件。

使用本实用新型所述第一种用于纯剪切试验的岩块试件或第二种用于纯剪切试验的岩块试件进行纯剪切试验的操作如下：

1、使用第一种用于纯剪切试验的岩块试件的操作

①在岩石力学试验机的试验台上放置圆环形垫块，所述圆环形垫块的内环面直径小于岩块试件中第二环形体的内环面直径、大于岩块试件中第二圆台的直径，或所述圆环形垫块的内环面直径小于岩块试件中第一环形体的内环面直径、大于岩块试件中第一圆台的直径，所述圆环形垫块的外环面直径大于岩块试件本体的直径或边长；

②将岩块试件放置在圆环形垫块上，使岩块试件的中心线与圆环形垫块的中心线重合，第二环形体端面与圆环形垫块的端面接触，或第一环形体的端面与圆环形垫块的端面接触；

③在岩块试件中的第一圆台端面上放置圆台形垫块，或在岩块试件中的第二圆台端面上放置圆台形垫块，所述圆台形垫块的直径大于第一圆台的直径、小于第一环形体内环面的直径，或所述圆台形垫块的直径大于第二圆台的直径、小于第二环形体的内环面的直径，圆台形垫块的中心线与岩块试件的中心线重合；

④操作岩石力学试验机，通过圆台形垫块与圆环形垫块对岩块试件加载压力，即可使岩块试件发生纯剪切破坏。

2、使用第二种用于纯剪切试验的岩块试件的操作

①将岩块试件放置在岩石力学试验机的试验台上，使岩块试件中第二环形体端面与试验台接触；

②操作岩石力学试验机，通过岩块试件中的第一圆台端面和第二环形体端面对岩块试件加载压力，即可使岩块试件发生纯剪切破坏。

使用本实用新型所述用于纯剪切试验的岩块试件对岩石进行剪切强度测试时，第一圆环形凹槽底部与第二圆环形凹槽底部之间的圆环形部段承受纯剪切力，岩块试件的纯剪切破坏发生在此处(见图9)。

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型所述用于纯剪切试验的岩块试件为新型试件，为岩石的剪切强度测试增加了试件类型。

2、使用本实用新型所述用于纯剪切试验的岩块试件，可在现有常规岩石力学试验机上便捷、有效地进行岩石的剪切强度测试，获得岩石的纯剪切强度，解决了现有技术中的试验方法难以实现真正的纯剪切及对测试设备具有特定要求的难题。

3、本实用新型所述用于纯剪切试验的岩块试件结构简单，便于加工制作。

附图说明

图1是本实用新型所述用于纯剪切试验的岩块试件的第一种结构示意图；

图2是图1的一种俯视图；

图3是图1的另一种俯视图；

图4是本实用新型所述用于纯剪切试验的岩块试件的第二种结构示意图；

图5是图4的一种俯视图；

图6是图4的另一种俯视图；

图7是图1所述用于纯剪切试验的岩块试件在岩石力学试验机的试验台上的安装示意图和加载图；

图8是图4所述用于纯剪切试验的岩块试件在岩石力学试验机的试验台上的安装示意图和加载图；

图9是岩块试件发生纯剪切破坏的示意图。

图中，1—岩块试件的本体，2—第一圆台，3—第一圆环形凹槽，4—第一环形体，5—第二圆环形凹槽，6—第二圆台，7—第二环形体，H—第一圆环形凹槽底部与第二圆环形凹槽底部之间的间距，d—第一圆台和第二圆台的直径，D—圆柱形本体的直径，L—正四棱柱形本体的边长，h₁—第一圆环形凹槽的深度，h₂—第二圆环形凹槽的深度，h₃—第一圆台的高度，h₄—第一圆台的端面与第一环形体的端面之间的间距，b—第一圆环形凹槽和第二圆环形凹槽的宽度。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型所述用于纯剪切试验的岩块试件及用所述试件进行纯剪切试验作进一步说明。下述各实施例中，纯剪切试验所用试验设备为MTS815岩石力学试验机，加载速率可用0.001mm/s、0.01mm/s、0.1mm/s、1mm/s、5mm/s、7mm/s。

实施例1

本实施例中，用于纯剪切试验的岩块试件如图1、图2所示，其本体1为圆柱形，所述本体的上端面与下端面平行，本体1的上端面设置有以本体的中心为圆心的第一圆环形凹槽3，本体1的下端面设置有以本体的中心为圆心的第二圆环形凹槽5，所述第一圆环形凹槽将本体的上部段分割成位于中心部位的第一圆台2和环绕第一圆台的第一环形体4，所述第二圆环形凹槽将本体的下部段分割成位于中心部位的第二圆台6和环绕第二圆台的第二环形体7，第一圆台2的端面和第一环形体4的端面位于同一平面，第二圆台6的端面和第二环形体7的端面位于同一平面。试件各部分的尺寸如下：

本体1的直径D为50mm，第一圆环形凹槽3的宽度＝第二圆环形凹槽5的宽度＝2mm，第一圆环形凹槽3的深度h₁＝第二圆环形凹槽5的深度h₂＝10mm，第一圆环形凹槽底部与第二圆环形凹槽底部之间的间距H＝10mm，第一圆台2的直径＝第二圆台6的直径＝25mm(第一圆台2的直径也是第一圆环形凹槽3的内圈直径，第二圆台6的直径也是第二圆环形凹槽7的内圈直径)。

用上述试件进行纯剪切试验操作如下：

①在岩石力学试验机的试验台上放置圆环形垫块9，所述圆环形垫块的内环面直径为27mm，外环面直径为55mm；

②将岩块试件放置在圆环形垫块9上，使岩块试件的中心线与圆环形垫块9的中心线重合，第二环形体7端面与圆环形垫块9的端面接触(见图7)；

③在岩块试件中的第一圆台2端面上放置圆台形垫块8，所述圆台形垫块8的直径为27mm，圆台形垫块8的中心线与岩块试件的中心线重合(见图7)；

④操作岩石力学试验机，通过圆台形垫块8与圆环形垫块9对岩块试件加载压力(见图7)，即可使岩块试件发生纯剪切破坏(见图9)，加载速率为0.001mm/_s，所加最大载荷为F＝10kN。

从图7可以看出，第一圆台2的端面与第二环形体7的端面为被施力处，被测岩石的纯剪切应力(强度)的计算方法如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{F}{\mathrm{\πdH}}=\frac{10\×1000N}{3.1415926\×25\×10{\mathrm{mm}}^2}=12.73\mathrm{MPa}$

实施例2

本实施例中，用于纯剪切试验的岩块试件如图1、图2所示，与实施例1不同之处是试件各部分的尺寸。本实施例中，试件各部分的尺寸如下：

本体1的直径D为90mm，第一圆环形凹槽3的宽度＝第二圆环形凹槽5的宽度＝3mm，第一圆环形凹槽3的深度h₁＝第二圆环形凹槽5的深度h₂＝20mm，第一圆环形凹槽底部与第二圆环形凹槽底部之间的间距H＝20mm，第一圆台2的直径＝第二圆台6的直径＝38mm。

用上述试件进行纯剪切试验操作如下：

①在岩石力学试验机的试验台上放置圆环形垫块9，所述圆环形垫块的内环面直径为41mm，外环面直径为95mm；

②将岩块试件放置在圆环形垫块9上，使岩块试件的中心线与圆环形垫块9的中心线重合，第二环形体7端面与圆环形垫块9的端面接触(见图7)；

③在岩块试件中的第一圆台2端面上放置圆台形垫块8，所述圆台形垫块(8)的直径为41mm，圆台形垫块8的中心线与岩块试件的中心线重合(见图7)；

④操作岩石力学试验机，通过圆台形垫块8与圆环形垫块9对岩块试件加载压力(见图7)，加载速率为0.01mm/s，所加最大载荷为F＝35kN，即可使岩块试件发生纯剪切破坏(见图9)。

从图7可以看出，第一圆台2的端面与第二环形体7的端面为被施力处，被测岩石的纯剪切应力(强度)的计算方法如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{F}{\mathrm{\πdH}}=\frac{35\×1000N}{3.1415926\×38\×20{\mathrm{mm}}^2}=14.66\mathrm{MPa}$

实施例3

本实施例中，用于纯剪切试验的岩块试件如图1、图3所示，与实施例1不同之处是：本体1为正四棱柱形及试件各部分的尺寸。本实施例中，试件各部分的尺寸如下：

本体1的边长L为120mm，第一圆环形凹槽3的宽度＝第二圆环形凹槽5的宽度＝8mm，第一圆环形凹槽3的深度h₁＝25mm，第二圆环形凹槽5的深度h₂＝30mm，第一圆环形凹槽底部与第二圆环形凹槽底部之间的间距H＝30mm，第一圆台2的直径＝第二圆台6的直径＝30mm。

用上述试件进行纯剪切试验操作如下：

①在岩石力学试验机的试验台上放置圆环形垫块9，所述圆环形垫块的内环面直径为38mm，外环面直径为180mm；

②将岩块试件放置在圆环形垫块9上，使岩块试件的中心线与圆环形垫块9的中心线重合，第二环形体7端面与圆环形垫块9的端面接触(见图7)；

③在岩块试件中的第一圆台2端面上放置圆台形垫块8，所述圆台形垫块(8)的直径为38mm，圆台形垫块8的中心线与岩块试件的中心线重合(见图7)；

④操作岩石力学试验机，通过圆台形垫块8与圆环形垫块9对岩块试件加载(见图7)，即可使岩块试件发生纯剪切破坏(见图9)，加载速率为0.1mm/s，所加最大载荷为F＝37kN。

从图7可以看出，第一圆台2的端面与第二环形体7的端面为被施力处，被测岩石的纯剪切应力(强度)的计算方法如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{F}{\mathrm{\πdH}}=\frac{37\×1000N}{3.1415926\×30\×30{\mathrm{mm}}^2}=13.09\mathrm{MPa}$

实施例4

本实施例中，用于纯剪切试验的岩块试件如图4、图5所示，其本体1为圆柱形，所述本体的上端面与下端面平行，本体1的上端面设置有以本体的中心为圆心的第一圆环形凹槽3，本体1的下端面设置有以本体的中心为圆心的第二圆环形凹槽5，所述第一圆环形凹槽将本体的上部段分割成位于中心部位的第一圆台2和环绕第一圆台的第一环形体4，所述第二圆环形凹槽将本体的下部段分割成位于中心部位的第二圆台6和环绕第二圆台的第二环形体7，第一圆台2的端面高于第一环形体4的端面，第二圆台6的端面低于第二环形体7的端面。试件各部分的尺寸如下：

本体1的直径为100mm，第一圆环形凹槽3的宽度＝第二圆环形凹槽5的宽度＝5mm，第一圆台2的直径＝第二圆台6的直径＝50mm，第一圆台的高度h₃为40mm，第一圆台的端面与第一环形体的端面之间的间距h₄为5mm，第二圆环形凹槽5的深度h₂＝35mm，第二圆台的高度为25mm，第一圆环形凹槽底部与第二圆环形凹槽底部之间的间距H＝40mm。

用上述试件进行纯剪切试验操作如下：

①将岩块试件放置在岩石力学试验机的试验台上，使岩块试件中第二环形体7端面与试验台接触(见图8)；

②操作岩石力学试验机，通过岩块试件中的第一圆台2端面和第二环形体7端面对岩块试件加载压力(见图8)，即可使岩块试件发生纯剪切破坏，加载速率为5mm/s，所加最大载荷为F＝75kN。

从图8可以看出，第一圆台2的端面与第二环形体7的端面为被施力处，被测岩石的纯剪切应力(强度)的计算方法如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{F}{\mathrm{\πdH}}=\frac{75\×1000N}{3.1415926\×50\×40{\mathrm{mm}}^2}=11.94\mathrm{MPa}$

实施例5

本实施例中，用于纯剪切试验的岩块试件如图4、图6所示，与实施例1不同之处是：本体1为正四棱柱形及试件各部分的尺寸。本实施例中，试件各部分的尺寸如下：

本体1的边长为80mm，第一圆环形凹槽3的宽度＝第二圆环形凹槽5的宽度＝3mm，第一圆台2的直径＝第二圆台6的直径＝38mm，第一圆台的高度h₃为16mm，第一圆台的端面与第一环形体的端面之间的间距h₄为6mm，第二圆环形凹槽5的深度h₂＝40mm，第二圆台的高度为20mm，第一圆环形凹槽底部与第二圆环形凹槽底部之间的间距H＝25mm，

用上述试件进行纯剪切试验操作如下：

①将岩块试件放置在岩石力学试验机的试验台上，使岩块试件中第二环形体7端面与试验台接触(见图8)；

②操作岩石力学试验机，通过岩块试件中的第一圆台2端面和第二环形体7端面对岩块试件加载压力(见图8)，即可使岩块试件发生纯剪切破坏，加载速率为7mm/s，所加最大载荷为F＝40kN。

从图8可以看出，第一圆台2的端面与第二环形体7的端面为被施力处，被测岩石的纯剪切应力(强度)的计算方法如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{F}{\mathrm{\πdH}}=\frac{40\×1000N}{3.1415926\×38\×25{\mathrm{mm}}^2}=13.40\mathrm{MPa}$

Claims (8)

1.一种用于纯剪切试验的岩块试件，该岩块试件的本体(1)为圆柱形或正四棱柱形，所述本体的上端面与下端面平行，其特征在于所述本体(1)的上端面设置有以本体的中心为圆心的第一圆环形凹槽(3)，本体(1)的下端面设置有以本体的中心为圆心的第二圆环形凹槽(5)，第一圆环形凹槽(3)的宽度及内圈直径与第二圆环形凹槽(5)的宽度及内圈直径相同，第一圆环形凹槽(3)底部与第二圆环形凹槽(5)底部之间的间距(H)为10mm～40mm，所述第一圆环形凹槽将本体的上部段分割成位于中心部位的第一圆台(2)和环绕第一圆台的第一环形体(4)，所述第二圆环形凹槽将本体的下部段分割成位于中心部位的第二圆台(6)和环绕第二圆台的第二环形体(7)，第一圆台(2)与第二圆台(6)的直径相同，第一圆台(2)的端面和第一环形体(4)的端面位于同一平面，第二圆台(6)的端面和第二环形体(7)的端面位于同一平面。

2.根据权利要求1所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于第一圆环形凹槽(3)底部与第二圆环形凹槽(5)底部之间的间距(H)为20mm～30mm。

3.根据权利要求1或2所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于第一圆台(2)和第二圆台(6)的直径(d)是圆柱形本体的直径(D)或正四棱柱形本体的边长(L)的1/4～1/2；第一圆环形凹槽(3)和第二圆环形凹槽(5)的宽度(b)为2mm～8mm，第一圆环形凹槽(3)的深度(h₁)为10mm～40mm，第二圆环形凹槽(5)的深度(h₂)为10mm～40mm。

4.根据权利要求3所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于第一圆环形凹槽(3)和第二圆环形凹槽(5)的宽度(b)为3mm～5mm，第一圆环形凹槽(3)的深度(h₁)为20mm～30mm，第二圆环形凹槽(5)的深度(h₂)为20mm～30mm。

5.一种用于纯剪切试验的岩块试件，该岩块试件的本体(1)为圆柱形或正四棱柱形，所述本体的上端面与下端面平行，其特征在于所述本体(1)的上端面设置有以本体的中心为圆心的第一圆环形凹槽(3)，本体(1)的下端面设置有以本体的中心为圆心的第二圆环形凹槽(5)，第一圆环形凹槽(3)的宽度及内圈直径与第二圆环形凹槽(5)的宽度及内圈直径相同，第一圆环形凹槽(3)底部与第二圆环形凹槽(5)底部之间的间距(H)为10mm～40mm，所述第一圆环形凹槽将本体的上部段分割成位于中心部位的第一圆台(2)和环绕第一圆台的第一环形体(4)，所述第二圆环形凹槽将本体的下部段分割成位于中心部位的第二圆台(6)和环绕第二圆台的第二环形体(7)，第一圆台(2)与第二圆台(6)的直径相同，第一圆台(2)的端面高于第一环形体(4)的端面，第二圆台(6)的端面低于第二环形体(7)的端面。

6.根据权利要求5所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于第一圆环形凹槽(3)底部与第二圆环形凹槽(5)底部之间的间距(H)20mm～30mm。

7.根据权利要求5或6所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于第一圆台(2)和第二圆台(6)的直径(d)是圆柱形本体的直径(D)或正四棱柱形本体的边长(L)的1/4～1/2，第一圆台的高度(h₃)为10～40mm，第一圆台的端面与第一环形体(4)的端面之间的间距(h₄)不大于10mm；第一圆环形凹槽(3)和第二圆环形凹槽(5)的宽度(b)为2mm～8mm。

8.根据权利要求7所述用于纯剪切试验的岩块试件，其特征在于第一圆台的高度(h₃)为20mm～30mm，第一圆环形凹槽(3)和第二圆环形凹槽(5)的宽度(b)为3mm～5mm。