CN213689232U - 双缺口岩石抗剪强度测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双缺口岩石抗剪强度测试装置，包括压力系统、试件装置、弹簧装置、辊组装置和控制系统；试件装置为双缺口岩石试件，岩石试件放置在辊组装置中，然后放入试验机压台正中心处，试验机压台上方是压力系统，两侧有侧压系统，岩石试件的两个缺口内设有弹簧装置，弹簧装置包括弹簧和轴向力传感器，弹簧两端分别固定在岩石试件缺口顶部和轴向力传感器上，控制系统包括电脑主机、电脑显示器，轴向力传感器接入电脑主机，电脑主机与电脑显示器相连。本实用新型采用双缺口岩石试件进行试验，弥补了常规剪切试验条件复杂的不足，并且试验操作简单、试件加工安装方便，为研究提供了便利，试验实分析数据少，可以较为快速地得出试验结果。

Description

双缺口岩石抗剪强度测试装置

技术领域

本实用新型涉及工程地质技术领域，特别涉及一种双缺口岩石抗剪强度测试装置。

背景技术

在土木建筑工程、水利水电、铁道、公路、采矿等各种工程中经常面临岩质边坡剪切失稳破坏问题，这都与岩土体所受的剪力有关。抗剪强度理论是土力学的基石，也是边坡稳定分析的理论基础，为岩体抗剪强度稳定性计算、边坡设计提供重要理论参数。岩体抗剪强度作为岩体的重要力学指标之一，直接关系到工程构筑物的稳定以及安全使用，对于工程建设的顺利实施具有重要的意义。而现有的抗剪强度试验基本采用三轴试验和直剪试验，在冶金、能源领域还普遍使用变角度剪切法来测试岩石的抗剪强度。这些方法要求的试验条件较为复杂，试验设备占地面积大，有些时候难以满足。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、操作方便的双缺口岩石抗剪强度测试装置。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种双缺口岩石抗剪强度测试装置，包括压力系统、试件装置、弹簧装置、辊组装置和控制系统；所述试件装置为经过加工的双缺口岩石试件，岩石试件放置在辊组装置中，辊组装置放置在试验机压台正中心处，试验机压台上方设有用于对岩石试件试压施加顶压的顶压系统，试验机压台两侧设有用于对岩石试件施加侧压的侧压系统，所述岩石试件的两个缺口内均设有一套弹簧装置，每套弹簧装置均包括一根弹性系数已知的弹簧和一个轴向力传感器，所述弹簧两端分别固定在岩石试件缺口顶部和轴向力传感器上，所述控制系统包括电脑主机、电脑显示器，所轴向力传感器接入电脑主机，电脑主机与电脑显示器相连。

上述双缺口岩石抗剪强度测试装置，所述辊组装置包括两块L型钢板及两块竖直钢板，两块L型钢板相互拼接构成用于放置岩石试件的方形框架，两块L型钢板外侧均设有一块竖直钢板，两侧竖直钢板外均附有一个侧向力传感器，L型钢板外侧与竖直钢板之间从上到下依次纵向设有若干钢管，钢管固定在竖直钢板上，侧压系统施压加在竖直钢板上，通过钢管传递到L型钢板上，对岩石试件施加侧压。

上述双缺口岩石抗剪强度测试装置，所述岩石试件的两个缺口一上一下分别分布在岩石试件左右两侧。

上述双缺口岩石抗剪强度测试装置，所述岩石试件高度为200mm，宽度为100mm，厚度为100mm；岩石试件中部设有预制裂隙，裂隙长度为18mm，裂隙角度为0°～30°。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型的测试装置采用双缺口岩石试件进行试验，弥补了常规剪切试验要求试验条件复杂的不足，并且试验操作简单、试件加工安装方便，为科研提供了便利，实验分析数据少，可以较为快速地得出试验结果。

2、本实用新型的测试装置中，弹簧装置的弹簧通过轴向力传感器紧压在缺口的顶部和底部，在岩石试件上部施加轴向力时，弹簧在竖直方向上受轴向力的作用而被压缩；又由于弹簧弹性力的作用，给予轴向力传感器以反作用力，又间接地传递到岩石试件上，使在岩石试件两侧缺口处受力均匀而不至于产生集中力，起到支撑保护试件的作用。

3、本实用新型的测试装置中，辊组装置上施加侧向压力，用来抵消因轴向压力而产生的剪力，减小试验误差。

附图说明

图1为本实用新型岩石试件测试装置的主视图。

图2为本实用新型实施例中辊组装置方形框架主视图。

图3为本实用新型实施例中预制裂隙角度为0°岩石试件左视图。

图4为本实用新型实施例中预制裂隙角度为轴线左侧15°的岩石试件左视图。

图5为轴线左侧15°预制裂隙大样示意图。

图6为本实用新型实施例中预制裂隙角度为轴线右侧30°的岩石试件左视图。

图7为轴线右侧30°预制裂隙大样示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。

实施例一

如图1、图2、图3所示，一种双缺口岩石抗剪强度测试装置，包括压力系统、试件装置、弹簧装置、辊组装置2和控制系统；所述试件装置为经过加工的双缺口岩石试/7，岩石试件7高度为200mm，宽度为100mm，厚度为100mm；岩石试件7中部设有一条预制裂隙8，裂隙长度为18mm，裂隙角度为0°，所述岩石试件7的两个缺口3一上一下分别分布在岩石试件7左右两侧。岩石试件7放置在辊组装置2中，辊组装置2放置在试验机压台11正中心处，试验机压台11上方设有用于对岩石试件7施加顶压的顶压系统，试验机压台两侧设有用于对岩石试件施加侧压的侧压系统，所述岩石试件7的两个缺口3内均设有一套弹簧装置，每套弹簧装置均包括一根弹性系数已知的弹簧6和轴向力传感器4，轴向力传感器4是厚度为2mm的钢制品，所述弹簧6下固定在轴向力传感器4上，并紧压在缺口3的顶部和底部；所述控制系统包括电脑主机1、电脑显示器，所述轴向力传感器4与弹簧6连接并接入电脑主机1，电脑主机1与电脑显示器相连，轴向力传感器4监测的数据在电脑显示器上显示。

所述辊组装置2包括两块L型钢板及两块竖直钢板，两块L型钢板相互拼接构成用于放置岩石试件7的方形框架，两块L型钢板外侧均设有一块竖直钢板，两侧竖直钢板外均附有一个结构与轴向力传感器4相同的侧向力传感器5，L型钢板外侧与竖直钢板之间从上到下依次纵向设有若干钢管，钢管固定在竖直钢板上，侧压系统施压加在竖直钢板上，通过钢管传递到L型钢板上，对岩石试件7施加侧压。

所述弹簧装置的弹簧6具有足够大的刚度，且弹性系数已知。弹簧6的长度根据岩石试件7的缺口3大小和轴向力传感器4的厚度确定，即：弹簧6在不受力时保持伸缩量为零的状态，且弹簧6的初始长度加上传感器4的厚度与缺口3的开口大小一致。弹簧装置放进缺口3处，在岩石试件7上部施加轴向力时，弹簧6在竖直方向上受轴向力的作用而被压缩；又由于弹簧6弹性力的作用，给与传感器4以反作用力，又间接地传递到岩石试件5上，使在岩石试件7两侧缺口3处受力均匀而不至于产生集中力，起到支撑保护岩石试件7的作用。弹簧6下端与轴向力传感器4连接而不直接固定在岩石试件7上，使在整个加载的过程中，将弹簧6上的力均匀的分散到岩石试件7上，减轻对实验结果的影响。

所述辊组装置2所用2mm厚钢板制成，轮组为直径4mm的实心钢管，在施加侧压的过程中，能有足够的刚度抵抗压力，不至于产生较大变形。

一种双缺口岩石抗剪强度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将弹簧装置的弹簧6下端与轴向力传感器4连接，并分别将两套弹簧装置放进岩石试件7的两个缺口3中；

2)在辊组装置2最外侧钢板上分别固定一个侧向力传感器5，然后将双缺口岩石试件7放在辊组装置2的方形框架中；

3)将岩石试件缺口中的两个轴向力传感器4和辊组装置最外侧钢板上的两个侧向力传感器5接入电脑主机；

4)打开电脑主机1与显示器，启动试验机，开始记录轴向力传感器4和侧向力传感器5采集的数据。采用位移控制使试验机的侧向压头向岩石试件两侧靠拢，压头与岩石试件侧表面接触后，当监测到侧向力传感器压力为1N时，改用力控方式以100N/s的速度将侧向压力加载至试验设计值并保持恒定。同样采用位移控制使试验机的轴向压头向岩石试件表面靠拢，压头与岩石试件表面接触后，当显示轴向力传感器压力为2N时，改用力控方式以100N/s的速度继续加载至岩石试件破坏，即完成剪切试验。

5)岩石试件的剪切试验结束，查看试验数据选出荷载值到达最大值的记录为破坏荷载P_k，根据试验数据进行计算。

情况一：预制裂隙角度为0°时，对剪切面进行受力分析，量取剪切面的长度L₁，根据试件厚度计算出剪切面面积A₁＝0.1L₁，则此种情况下剪切面上的正应力σ₁与剪应力τ₁分别为，

σ₁＝0

τ₁＝P_k1/A₁

情况二：预制裂隙角度为左侧15°时，对剪切面进行受力分析，量取剪切面的长度L₂，根据试件厚度计算出剪切面面积A₂＝0.1L₂，则此种情况下剪切面上的正应力σ₂与剪应力τ₂分别为，

σ₂＝P_k2·sin20/A₂＝0.342P_k2/A₂

τ₂＝P_k2·cos20/A₂＝0.940P_k2/A₂

情况三：预制裂隙角度为右侧30°时，对剪切面进行受力分析，量取剪切面的长度L₃，根据试件厚度计算出剪切面面积A₃＝0.1L₃，则此种情况下剪切面上的正应力σ₃与剪应力τ₃分别为

σ₃＝P_k3·sin24/A₃＝0.407P_k3/A₃

τ₃＝P_k3·cos24/A₃＝0.914P_k3/A₃

通过分析数据，得到正应力σ、剪应力τ与破坏荷载P_k数学关系式，由库仑定律

得到由正应力、剪应力组合的三个点(σ₁、τ₁)，(σ₂、τ₂)，(σ₃、τ₃)，在σ-τ应力平面上将三个点用平滑的曲线连接起来，绘制σ-τ的关系曲线，即求得抗剪强度参数内摩擦角

内聚力c。

5)实施例二

如图1、图2、图4所示，实施例二与实施例一的区别仅在于：实施例二中岩石试件7中部设有一条预制裂隙9，裂隙9角度为15°。

实施例三

如图1、图2、图6所示，岩石试件7中部设有一条预制裂隙10，裂隙10角度为30°。

Claims (4)

1.一种双缺口岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：包括压力系统、试件装置、弹簧装置、辊组装置和控制系统；所述试件装置为经过加工的双缺口岩石试件，岩石试件放置在辊组装置中，辊组装置放置在试验机压台正中心处，试验机压台上方设有用于对岩石试件试压施加顶压的顶压系统，试验机压台两侧设有用于对岩石试件施加侧压的侧压系统，所述岩石试件的两个缺口内均设有一套弹簧装置，每套弹簧装置均包括一根弹性系数已知的弹簧和一个轴向力传感器，所述弹簧两端分别固定在岩石试件缺口顶部和轴向力传感器上，所述控制系统包括电脑主机、电脑显示器，所轴向力传感器接入电脑主机，电脑主机与电脑显示器相连。

2.根据权利要求1所述的双缺口岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：所述辊组装置包括两块L型钢板及两块竖直钢板，两块L型钢板相互拼接构成用于放置岩石试件的方形框架，两块L型钢板外侧均设有一块竖直钢板，两侧竖直钢板外均附有一个侧向力传感器，L型钢板外侧与竖直钢板之间从上到下依次纵向设有若干钢管，钢管固定在竖直钢板上，侧压系统施压加在竖直钢板上，通过钢管传递到L型钢板上，对岩石试件施加侧压。

3.根据权利要求1所述的双缺口岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：所述岩石试件的两个缺口一上一下分别分布在岩石试件左右两侧。

4.根据权利要求1所述的双缺口岩石抗剪强度测试装置，其特征在于：所述岩石试件高度为200mm，宽度为100mm，厚度为100mm；岩石试件中部设有预制裂隙，裂隙长度为18mm，裂隙角度为0°~30°。

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