CN206095733U - 一种类岩石材料测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种类岩石材料测试装置，具体涉及类岩石材料结构面制取并用于剪切测试的装置。该装置包括试件制作系统、试件系统、加载系统和数据采集系统。本实用新型能够实现制取类岩石材料结构面，以及含不同充填物的软弱夹层结构面，并能实现对这种结构面剪切特性的研究。

Description

一种类岩石材料测试装置

技术领域

本发明涉及岩石结构面及含软弱夹层结构面的制取和剪切，具体涉及一种类岩石材料测试装置。

背景技术

岩石结构面是边坡工程、坝基工程、采矿工程中普遍存在的介质，岩体内部大量不连续面影响并决定岩体的物理力学性质，在次生结构面中，软弱夹层由于强度低，往往是影响并决定岩体的物理力学性质的主要因素。考虑到大型现场原位实验的巨大投资，目前对于裂隙岩体研究主要借助于室内实验研究，通过室内剪切试验来获取软弱夹层结构面的力学性质及破坏规律是一种行之有效的方法，但这往往需要大量的试件做不同条件下的剪切试验，而在现实中，很难制取足够多的岩石结构面供试验使用，通过人工制造类岩石材料结构面剪切试验来了解岩石结构面的力学及其变形特征，为各种岩体工程的设计及其建造提供重要的依据。

岩体中裂隙中往往含有黄泥、土等软弱夹层，根据天气变化这些夹层的含水量会发生变化，不同含水量的夹层对岩体的稳定性有较大的影响，很多工程事故都是由于水的湿润作用减少结构面的抗剪强度而导致的，这种影响作用如何定量的去描述是比较困难的。另外，由于裂隙的存在可以改变岩体的力学性质与岩体破坏的方式，而注浆可增大岩体裂隙的内摩擦角和粘结力，从而改变岩体的强度。由于注浆可以提高地层的稳定性，在现场施工过程中，注浆技术被越来越广泛的应用，结构面中充填注浆体的情况也随之增加，然而，充填的注浆体对结构面抗剪强度的影响情况很难通过现场测试定量测定，所以，研究黄泥、土、注浆体等充填物对岩石结构面抗剪强度的影响对现场施工及施工效果具有一定的意义。

剪切强度试验分为非限制性强度剪切试验和限制性剪切强度试验。非限制性强度剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性强度剪切试验在剪切面上除了剪应力外，还存在正应力。较为常用的为限制性强度剪切试验，由于岩石试样与底座之间存在摩擦，故而所测剪切强度为岩石试样实际剪切强度与试样和底座之间摩擦力之和，因此有必要消除或减少试样与底座之间的摩擦力。在剪切试验过程中，含充填物的结构面里的充填物很容易随剪切位移而从试件两侧散落，影响试验正常进行，所以要有防止充填物散落的装置。

发明内容

针对现有技术上存在的上述技术问题，本发明提出了一种类岩石材料测试装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种类岩石材料测试装置，其特征在于：其是类岩石材料结构面制取并用于剪切测试的装置，包括试件制作系统、试件系统、加载系统和数据采集系统；

所述的类岩石材料测试装置，其特征在于，所述试件制作系统包括两个相同的可拆卸的矩形钢制模具，由前模板、后模板、左模板、右模板和螺栓组成，用来制造结构面的上、下两盘类岩块；具有起伏度的薄钢板用来制造“非平面”具有粗糙度的结构面，通过数控机床压制而成。

所述的类岩石材料测试装置，其特征在于，所述的试件系统包括上盘岩块(11)、下盘岩块(14)、“非平面”具有粗糙度的结构面(13)、充填物(25)和包裹装置(26)，所述充填物(25)选取的材料为黄泥、土或注浆材料及其类似材料；其中土的粒径分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂五个等级；其中注浆材料一般为改性脲醛树脂，其中脲醛树脂、草酸与添加剂比例为120:2:3；使用PVC管为包裹装置，通过加热收缩使之贴紧试件表面，从而防止充填物在试验过程中散落。

所述的类岩石材料测试装置，其特征在于，所述的加载系统包括法向压力加载装置、剪切力加载装置、两个7字型的加载板、辊组和反力架，所述法向压力加载装置包括伺服电机Ⅰ(2)、减速机Ⅰ(3)、第一滚珠丝杠(4)、第一滚珠丝杠缸(5)及上压头(9),剪切力加载装置包括伺服电机Ⅱ(22)、减速机Ⅱ(21)、第二滚珠丝杠(18)、第二滚珠丝杠缸(20)及右压头(15)，辊组(23)置于下7字型加载板(16)与底座(24)之间，试验时减少加载板与底座之间的摩擦力。

具体如下：

1、试件制作装置，制作类岩石材料试件

如图2(图2包括A和B)、图3所示，类岩石材料试件制作装置，包括试件制作模具，不同起伏度的薄钢板；其特征在于，所述试件制作模具为两个相同的可拆卸的矩形钢制模具，由前模板(28)、后模板(29)、左模板(30)、右模板(31)和螺栓(32)(总共8个)组成。通过在模具内浇铸与岩石相似的模型材料制作试件，该模型材料的凝结材料为P32.5水泥，所用骨料为沙，筛选沙的筛子型号为20目(孔径0.85mm)，然后将水泥、沙和水按照其质量比为26:25:10的比例配比混合而成，采用人工搅拌，搅拌均匀后注入第一个模子，将薄钢板与模具对齐按压在上表面，把第二个模具对齐放置于第一个模具上，把搅拌均匀的模型材料注入第二个模子，24小时自然养护脱模后，送入标准养护室养护，28天后取出供试验测试。

2、含软弱夹层的试件制取

所述软弱夹层选取的材料为黄泥、土和注浆材料及其类似材料，其中配制粘性土的黄泥含水率分别为50％、55％、60％、65％四种，其粘度分别为328MPa.s、101MPa.s、76MPa.s、23MPa.s，土的粒径分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂五个等级；工程上对于注浆材料的浆液凝胶时间有一定的要求，浆液凝胶时间太短会造成浆液未流到指定位置就凝固了，浆液凝胶时间太长，会造成浆液与动水混合稀释，无法凝固，因此施工是要求凝胶时间既不能太长，又不能太短，通常为几分钟,本发明中作为夹层的改性脲醛树脂中脲醛树脂、草酸与添加剂比例为120:2:3，其凝胶时间较为合适且浆体凝结后强度较大。软弱夹层的制取过程中，首先将下盘类岩石试件平放于地面，然后把配制好的黄泥或改性脲醛树脂置于容器中至半凝结状态后涂抹在裂隙面上，厚度约5mm，最后将上盘类岩石试件覆盖在上面直至完成凝结，从而完成含软弱夹层的结构面的制取；在试验之前，在含软弱夹层的试件外面包裹一层与结构面走向一致的PVC管(42)，防止充填材料在试验过程中散落，该种PVC管具有一定的弹性并且受热收缩，从而能够贴紧试件表面，具有较好的包裹性，该材料对试验剪切过程中的剪切阻力非常小，相比试件受到的剪切力来说基本可以忽略不计。

3、岩石结构面剪切装置，用以实现结构面的剪切

如图1所示，一种类岩石材料结构面剪切装置，包括试件制作系统、加载系统和数据采集系统；其特征在于，所述加载系统包括法向压力加载装置、剪切力加载装置、两个7字型的加载板、辊组和反力架，所述法向压力加载装置包括伺服电机Ⅰ(2)、减速机Ⅰ(3)、第一滚珠丝杠(4)、第一滚珠丝杠缸(5)及上压头(9),剪切力加载装置包括伺服电机Ⅱ(22)、减速机Ⅱ(21)、第二滚珠丝杠(18)、第二滚珠丝杠缸(20)及右压头(15)，辊组(23)置下7字型加载板(16)与底座(24)之间，试验时减少加载板与底座之间的摩擦力；将试件置于下7字型加载板(16)上，通过电脑控制伺服电机Ⅱ(22)和减速机Ⅱ(21)运转带动第二滚珠丝杠(18)沿滑道(19)运动将试件向左缓慢移动至与上7字型加载板(10)接触，通过电脑控制伺服电机Ⅰ(2)和减速机Ⅰ(3)运转带动第一滚珠丝杠(4)向下移动并通过上压头(9)施加一定恒定法向应力，右压头(15)从右至左对结构面下盘岩块施加剪切力，通过电脑控制器(27)控制下盘岩块的加载剪切位移速率。

4、本发明的装置及方法的有益效果

术语的解释：本发明的一种类岩石材料结构面制取并用于剪切测试的装置，包括试件制作系统、试件系统、加载系统和数据采集系统。这其中的系统，实质的含义就是“结构单元”或“单元”的意思。

“非平面”具有粗糙度的结构面：亦称之为，不同粗糙度的结构面。本发明一种优选的方案取自于：通过MATLAB软件构造随机函数产生随机点，将各点坐标用样条曲线连接生成5条随机分形曲线，点间距为0.5mm，曲线长度L为100mm，得到曲线的JRC值分别为3.454、7.814、11.249、15.386、19.582。岩石节理剖面曲线用随机分形产生的曲线代替自然节理剖面，根据需求生成不同粗糙度的曲线。根据分形曲线采用数控机床压制成与分形曲线同样形状，同样起伏度的薄钢板。

本发明的技术方案在于：本发明的创新之处：(1)采用类岩石材料制作岩块试件，且试件制作模具安装拆卸简单。(2)“非平面”具有粗糙度的结构面(亦称之为，不同粗糙度的结构面)的设计，具有典型性、代表性。(3)充填材料模拟不同充填状态的结构面，能够研究不同充填状态结构面的剪切情况。尤其是黄泥的设计。(4)大号PVC管包裹试件，保证试验过程中充填物不会散落，并且PVC管为柔性材料，在试验过程中对试验结果影响不大。(5)其他：两个7字型加载板与试件配套，装置简单易操作，精度高，数据采集自动化。剪切装置设置辊组，试验时减少加载板与底座之间的摩擦力。简言之，能够制作不同粗糙度、含不同充填物的结构面试件，方便试验研究，并且发明了与之配套使用的剪切装置和防充填物在试验过程中散落的包裹装置。本发明设置剪切装置，能够实现对不同起伏度、不同充填状态下的结构面进行剪切试验。这是本发明的突出的优点和优势所在，也是其主要创新点。

附图说明

图1为类岩石材料测试装置结构示意图；

图2为类岩石材料试件制作模具示意图；

图3为不同起伏度的薄钢板剖面图；

图4为含软弱夹层结构面试件剖面图。

图中：1、反力架，2、伺服电机Ⅰ，3、减速机Ⅰ，4、第一滚珠丝杠，5、第一滚珠丝杠缸，6、第一压力传感器，7、左位移引伸计LVDT，8、右位移引伸计LVDT，9、上压头，10、上7字型压板，11、类岩石结构面上盘岩块，12、左固定块，13、结构面，14、类岩石结构面下盘岩块，15、右压头，16、下7字型压板，17、第二压力传感器，18、第二滚珠丝杠，19、滑道，20、第二滚珠丝缸，21、减速机Ⅱ，22、伺服电机Ⅱ，23、压辊组，24、底座，25、充填物，26、PVC管，27、电脑控制器，28、前模板Ⅰ，29、后模板Ⅰ，30、左模板Ⅰ，31、右模板Ⅰ,32、螺栓Ⅰ，33、前模板Ⅱ，34、后模板Ⅱ,35、左模板Ⅱ，36、右模板Ⅱ，37、螺栓Ⅱ，38、薄钢板剖面Ⅰ、39、薄钢板剖面Ⅱ，40、薄钢板剖面Ⅲ，41、薄钢板剖面IV，42、薄钢板剖面V。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于此。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的类岩石材料测试装置，包括试件制作系统、加载系统和数据采集系统。所述试件制作系统由两个规格相同的模具及5块不同起伏度的薄钢板组成，下盘试件制作模具由前模板Ⅰ28，左模板Ⅰ30，右模板Ⅰ31，后模板Ⅰ29，螺栓32(总共8个)组装而成，上盘试件制作模具由前模板Ⅱ33，左模板Ⅱ35，右模板Ⅱ36，后模板Ⅱ34，螺栓Ⅱ37(总共8个)组装而成，制作试件时，将组装好的下盘试件制作模具平放于地面，将搅拌均匀后的混凝土注入其中，取某一块薄钢板与模具对齐按压在其上表面，把将组装好的上盘试件制作模具对齐放置于第一个模具上，再把搅拌均匀的混凝土注入第二个模子，24小时自然养护脱模后，送入标准养护室养护，28天后取出供试验测试；所述软弱夹层选取的材料为粘性土和改性脲醛树脂及其类似材料，软弱夹层的制取过程中，首先将下盘类岩石试件平放于地面，然后把配制好的黄泥或改性脲醛树脂置于容器中至半凝结状态后涂抹在裂隙面上，厚度约5mm，最后将上盘类岩石试件覆盖在上面直至完成凝结，从而完成含软弱夹层的结构面的制取；如图1所示加载系统包括法向压力加载装置、剪切力加载装置、两个7字型的加载板、辊组和反力架，所述法向压力加载装置包括伺服电机Ⅰ2、减速机Ⅰ3、第一滚珠丝杠4、第一滚珠丝杠缸5及上压头9,剪切力加载装置包括伺服电机Ⅱ22、减速机Ⅱ21、第二滚珠丝杠18、第二滚珠丝杠缸20及右压头15，辊组23置下7字型加载板16与底座24之间，试验时减少加载板与底座之间的摩擦力；将试件置于下7字型加载板16上，通过电脑控制伺服电机Ⅱ22和减速机Ⅱ21运转带动第二滚珠丝杠18沿滑道19运动将试件向左缓慢移动至与上7字型加载板10接触，通过电脑控制伺服电机Ⅰ2和减速机Ⅰ3运转带动第一滚珠丝杠4向下移动并通过上压头9施加一定恒定法向应力，右压头15从右至左对结构面下盘岩块施加剪切力，通过电脑控制器控制下盘岩块的加载剪切位移速率；所述数据采集系统包括第一压力传感器6、左位移引伸计LVDT 7、右位移引伸计LVDT 8、第二压力传感器17，所述第一压力传感器6位于第一滚珠丝杠缸5与上压头9之间，所述左位移引伸计LVDT 7、右位移引伸计LVDT 8分别位于上压头9左右端上表面，所述第二压力传感器位于第二滚珠丝缸20与右压头15之间。

下面列举实施例1～实施例5来详细说明本发明的实施。

实施例1

本发明的类岩石材料结构面制取、剪切方法，包括如下步骤：

(1)试件制作：把前模板Ⅰ28，左模板Ⅰ30，右模板Ⅰ31，后模板Ⅰ29，螺栓32(总共8个)组装成长×宽×高＝100mm×160mm×100mm的矩形模具，把前模板Ⅱ33，左模板Ⅱ35，右模板Ⅱ36，后模板Ⅱ34，螺栓Ⅱ37(总共8个)组装成长×宽×高＝100mm×160mm×100mm的矩形模具，然后取P32.5水泥，经过筛选沙(筛子型号为20目，孔径0.85mm)，和水按照其质量比为26:25:10的比例配比混合并搅拌，搅拌均匀后注入第一个模子，将长×宽×高＝110mm×170mm×5mm的薄钢板与模具对齐按压在上表面，把第二个模具对齐放置于第一个模具上，把搅拌均匀的模型材料注入第二个模子，24小时自然养护脱模后，送入标准养护室养护，28天后取出供试验测试。

其中，关于薄钢板，通过MATLAB软件构造随机函数产生随机点，将各点坐标用样条曲线连接生成5条随机分形曲线，点间距为0.5mm，曲线长度L为100mm，得到曲线的JRC值分别为3.454、7.814、11.249、15.386、19.582。岩石节理剖面曲线用随机分形产生的曲线代替自然节理剖面，根据需求生成不同粗糙度的曲线。根据分形曲线采用数控机床压制成与分形曲线同样形状，同样起伏度的薄钢板。

(2)施加法向压力：通过电脑控制器27控制法向压力的大小为40KN，伺服系统的第一滚珠丝杠4带动上压头9从上至下提供法向压力40KN，上压头9通过上7字型加载板10将法向压力40KN传递给岩石结构面上盘岩块11。

(3)施加剪切力：第二滚珠丝杠18带动右压头15从右至左对岩石结构面下盘岩块14施加剪切力，通过电脑控制器27控制岩石结构面下盘岩块14的加载剪切位移速率为0.005mm/s。

(4)数据采集：通过左位移引伸计LVDT 7，右位移引伸计LVDT 8实时采集岩石结构面剪切过程中的岩石结构面上盘岩块11的法向剪胀位移，通过第一压力传感器6、第二压力传感器17采集实时岩石结构面上、下盘岩块的法向力和剪切力的大小。

上述处理条件得到类岩石材料结构面剪切峰值强度为6.24MPa，峰值剪胀位移为0.74mm。

实施例2

本实施例采用与实施例1基本相同的实施方式，不同之处在于：在实施例步骤(1)、(2)增加一个步骤含黄泥结构面试件制取：取步骤1下盘类岩石试件平放于地面，然后把配制好的含水率为50％的黄泥置于容器中至半凝结状态后涂抹在裂隙面上，厚度约5mm，最后将上盘类岩石试件覆盖在上面直至完全凝结，完全凝结后，取长度为100mm的PVC管26沿垂直结构面走向方向包裹住上盘岩块11、充填物25、下盘岩块14，采用大功率电吹风加热PVC管使之收缩完全贴合试件表面，完成含水率为50％的黄泥的结构面试件的制取。

上述处理条件得到含黄泥结构面的剪切峰值强度为1.56MPa，峰值剪胀位移为0.12mm。

实施例3

本实施例采用与实施例1基本相同的实施方式，不同之处在于：在实施例步骤(1)、(2)增加一个步骤含砾砂层结构面试件制取：取步骤1下盘类岩石试件平放于地面，然后把筛选好的砾砂均匀铺洒在裂隙面上，厚度约5mm，最后将上盘类岩石试件覆盖在上面，取长度为100mm的PVC管26沿垂直结构面走向方向包裹住上盘岩块11、充填物25、下盘岩块14，采用大功率电吹风加热PVC管使之收缩完全贴合试件表面，完成含砾砂的结构面试件的制取。

上述处理条件得到含砾砂层结构面的剪切峰值强度为3.01MPa，峰值剪胀位移为0.46mm。

实施例4

本实施例采用与实施例1基本相同的实施方式，不同之处在于：在实施例步骤(1)、(2)增加一个步骤含改性脲醛树脂结构面试件制取：取步骤1下盘类岩石试件平放于地面，然后把配制好的改性脲醛树脂置于容器中至半凝结状态后涂抹在裂隙面上，厚度约5mm，最后将上盘类岩石试件覆盖在上面直至完全凝结，完全凝结后，取长度为100mm的PVC管26沿垂直结构面走向方向包裹住上盘岩块11、充填物25、下盘岩块14，采用大功率电吹风加热PVC管使之收缩完全贴合试件表面，完成含水率为50％的黄泥的结构面试件的制取。

上述处理条件得到含改性脲醛树脂结构面的剪切峰值强度为4.78MPa，峰值剪胀位移为0.36mm。

Claims (2)

1.一种类岩石材料测试装置，其特征在于：其是类岩石材料结构面制取并用于剪切测试的装置，包括试件制作系统、试件系统、加载系统和数据采集系统；

其中，所述试件制作系统包括两个相同的可拆卸的矩形钢制模具，由前模板、后模板、左模板、右模板和螺栓组成，用来制造结构面的上、下两盘类岩块；具有起伏度的薄钢板用来制造“非平面”具有粗糙度的结构面，通过数控机床压制而成。

2.根据权利要求1所述的类岩石材料测试装置，其特征在于，所述的加载系统包括法向压力加载装置、剪切力加载装置、两个7字型的加载板、辊组和反力架，所述法向压力加载装置包括伺服电机Ⅰ(2)、减速机Ⅰ(3)、第一滚珠丝杠(4)、第一滚珠丝杠缸(5)及上压头(9),剪切力加载装置包括伺服电机II(22)、减速机II(21)、第二滚珠丝杠(18)、第二滚珠丝杠缸(20)及右压头(15)，辊组(23)置于下7字型加载板(16)与底座(24)之间，试验时减少加载板与底座之间的摩擦力。