CN216361685U - 室内岩体结构面直剪试验试件取样系统及其试样结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种室内岩体结构面直剪试验试件取样系统及其试样结构。试样结构包括至少包含依次层叠的第一岩层、结构面和第二岩层的岩壁，岩壁的表面上钻设有至少两个圆环形的钻孔，钻孔内环部分为圆柱形的试件，钻孔外环部分为岩体，两两钻孔相交并形成相交开口，在相交开口处相邻两试件之间的最小距离大于钻孔的内环壁和外环壁之间的间隔宽度。本实用新型钻取的试件为圆柱体，区别与传统的方块体试件，可采用筒形钻头直接钻取，并利用相邻钻孔之间的相交缺口来完成取样，一方面可以提高取样效率，另一方面也提高了制样成功率。

Description

室内岩体结构面直剪试验试件取样系统及其试样结构

技术领域

本实用新型属于岩土工程科学试验领域，具体是岩土工程科学试验领域中室内岩体结构面直剪试验试件取样系统及其试样结构。

背景技术

岩体直剪试验用来测定岩体抵抗剪切破坏的能力，为地（坝）基、地下建筑物和边坡的稳定计算分析提供抗剪强度参数，是水利工程勘察设计中的重要一环。目前，岩体直剪试验主要分为混凝土与岩体接触面直剪试验、结构面直剪试验以及岩体直剪试验三种类型。其中，地基中软弱结构面的存在，严重影响着工程的安全性，制约着工程的规模及成本。历史上，大多数水利工程的破坏都是因为坝基沿软弱结构面失稳滑动造成的。因此，充分进行岩体结构面直剪试验，正确选取结构面的直剪强度参数，对水工建筑物及其地基的稳定性分析显得尤为重要。

传统的岩体结构面直剪试验多在现场原位进行，试验时，需要人工在岩体中开凿出尺寸为50cm*50cm*35cm或70cm*70cm*35cm的长方体岩体结构面试件，易对原始结构面造成扰动。另外，现场原位试验的设备较为笨重，运输和安装较为复杂。因此，现场岩体结构面直剪试验具有准确性低、试验周期长、试验成本高等缺点。为减少投资、缩短工期和降低人力资源成本，将现场原位直剪试验改为现场取样、室内试验是有效的途径之一。目前，越来越多的工程开始采用室内岩体结构面直剪试验（又称岩体结构面中型剪试验），试件尺寸为边长不小15cm的立方体或直径不小于15cm的圆柱体，可以实现现场取样，室内试验，具有准确性高、试验周期短、试验成本低等优点，克服了现场岩体结构面直剪试验的不足。

然而，室内岩体结构面直剪试验现场取样时结构面的扰动问题制约着该试验的发展。经过努力，一些学者和机构在该方面取得了进展，如长春地质学院研制了软弱夹层剪切原状样取样机，使用切口窄、镶刃较密的金刚石圆盘片对岩体进行切割；中国水利水电科学研究院岩土所采用风钻和防尘设备，采用先加固、后切割的方法进行制件。但是，上述方法均只能采取方块体试样，取样过程中需保持至少四个凌空面才能保证试样少受扰动，具有耗时长、效率低、制样成功率低等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种提高试样制作效率的试样结构，其技术方案如下：

试样结构，包括至少包含依次层叠的第一岩层、结构面和第二岩层的岩壁，岩壁的表面上钻设有至少两个圆环形的钻孔，钻孔内环部分为圆柱形的试件，钻孔外环部分为岩体，两两钻孔相交并形成相交开口，在相交开口处相邻两试件之间的最小距离大于钻孔的内环壁和外环壁之间的间隔宽度。

优选地，还包括从岩壁上脱离的所述试件及其外自上而下依次包裹的上层保护壳、加载板、下层保护壳，上层保护壳和下层保护壳均为水泥砂浆浇筑而成且外表呈立方体形，加载板有四块、并抵顶配合在水平放置的圆柱状试件四周。

优选地，所述试件被下层保护壳包覆的部分体积大于被上层保护壳包覆的部分体积。

优选地，所述试件具有沿轴向依次分布的所述第一岩层、结构面和第二岩层。

优选地，所述试件具有沿径向依次分布的所述第一岩层、结构面和第二岩层。

本实用新型的另一目的是提供一种应用上述试样结构的室内岩体结构面直剪试验试件取样系统，其技术方案如下：

室内岩体结构面直剪试验试件取样系统，包括钻取装置、取样装置、浇件装置和试样结构，试样结构具有至少包含依次层叠的第一岩层、结构面和第二岩层的岩壁，岩壁的表面上钻设有至少两个圆环形的钻孔，钻孔内环部分为圆柱形的试件，钻孔外环部分为岩体，两两钻孔相交并形成相交开口，在相交开口处相邻两试件之间的最小距离大于钻孔的内环壁和外环壁之间的间隔宽度。

优选地，试样结构还具有从岩壁上脱离的所述试件及其外自上而下依次包裹的上层保护壳、加载板、下层保护壳，上层保护壳和下层保护壳均为水泥砂浆浇筑而成且外表呈立方体形，加载板有四块、并抵顶配合在水平放置的圆柱状试件四周。

优选地，所述试件被下层保护壳包覆的部分体积大于被上层保护壳包覆的部分体积。

优选地，所述试件具有沿轴向依次分布的所述第一岩层、结构面和第二岩层。

优选地，所述试件具有沿径向依次分布的所述第一岩层、结构面和第二岩层。

本实用新型的有益效果：

本实用新型钻取的试件为圆柱体，区别与传统的方块体试件，可采用筒形钻头直接钻取，并利用相邻钻孔之间的相交缺口来完成取样，一方面可以提高取样效率，另一方面也提高了制样成功率。

附图说明

图1是本实用新型取样系统在水平岩壁上取样的使用状态示意图；

图2是本实用新型取样系统在垂直岩壁上取样的使用状态示意图；

图3是图1所取试件的示意图；

图4是图2所取试件的示意图；

图5是本实用新型取样系统的钻头的示意图；

图6是图5的仰视图；

图7是本实用新型取样系统在垂直岩壁上取出试件的使用状态示意图；

图8是本实用新型取样系统的夹具示意图；

图9是本实用新型取样系统的浇件装置下层模具的示意图；

图10是图9中下层模具的使用状态示意图；

图11是本实用新型取样系统的浇件装置使用状态示意图。

图中：

1-1、岩层1； 1-2、结构面；1-3、岩层2；1-4、底座；1-5、底座螺丝；1-6、滑杆；1-7、套筒；1-8、变频钻机；1-9、水桶；1-10、水管；1-11、开关阀门；1-12、钻杆；1-13、双层钻头；2-1、外筒；2-2、夹层空腔；2-3、内筒；2-4、钻头内底；2-5、钻头外底；2-6、金刚石锯齿；2-7、内外层连接器；3-1、岩体；3-2、中型剪试件；3-3、夹具；3-4、撬杠；3-5、取样钩；3-6、结构面；4-1、套管；4-2、卡箍螺栓；5-1、模具竖向钢板；5-2、模具横向钢板；5-3、模具拉杆；5-4、模具横向钢板固定螺丝；5-5、中型剪试件；5-6、竖向剪切缝夹板；5-7、横向剪切缝夹板。

具体实施方式

如图1至图11所示，该岩土工程科学试验领域中室内岩体结构面直剪试验试件取样系统主要由钻取装置、取样装置和浇件装置构成。

钻取装置包括底座1-4、底座螺丝1-5、滑杆1-6、套筒1-7、变频钻机、水桶1-9、水管1-10、水管1-10开关、钻杆1-12、双层钻头1-13。底座1-4通过底座螺丝1-5固定在岩体上；滑杆1-6通过螺丝固定在底座1-4上；套筒1-7套在滑杆1-6上，两者上下面锯齿2-6相互咬合；变频钻机固定在套筒1-7上，通过转动套筒1-7的把手，可以实现变频钻机的前后滑动；双层钻头1-13与多根钻杆1-12连接，钻杆1-12另一端与变频钻机连接，且变频钻机上有水管1-10开关；水桶1-9内灌水，并悬挂在岩壁或其他高处，水管1-10一端插入水桶1-9底部，另一端与变频钻机上的水管1-10开关连接，当打开水管1-10开关时，水流可以通过钻杆1-12流入双层钻头1-13的两壁间的空腔内。

双层钻头1-13包括外筒2-1、夹层空腔2-2、内筒2-3、钻头内底2-4、钻头外底2-5、金刚石锯齿2-6、内外层连接器2-7。外筒2-1和内筒2-3分别焊接在内外层连接器2-7上，两者中间形成夹层空腔2-2，水流可以通过钻杆1-12流入内外层连接器2-7，再经内外层连接器2-7流入夹层空腔2-2；外筒2-1和内筒2-3的另一端每隔一段距离焊接金刚石锯齿2-6，流入夹层空腔2-2的水流通过锯齿2-6间的空隙流出。

取样装置主要包括夹具3-3、撬杠3-4、取样钩3-5。夹具3-3主要包括套管4-1、卡箍螺栓4-2。夹具3-3用来在取样前将试件箍紧，防止试件裂开。铁皮为圆柱形，套在试件上，并通过卡箍螺栓4-2穿过夹具3-3两端将夹具3-3收紧。撬杠3-4用来将试件撬断。取样钩3-5用来将撬断后的试件取出。

浇件装置分为上下两层，每层都包括2块模具竖向钢板5-1、2块模具横向钢板5-2、4根模具拉杆5-3、12个模具横向钢板固定螺丝5-4、2块竖向剪切缝夹板5-6、2块横向剪切缝夹板5-7。2块模具横向钢板5-2的两端均有3个螺丝孔，通过模具横向钢板固定螺丝5-4将其固定在模具竖向钢板5-1上，形成一个长方体模具。2块模具竖向钢板5-1的两端均有2个螺丝孔，模具拉杆5-3穿过2块模具竖向钢板5-1两端的螺丝孔将其进行拉紧固定。竖向剪切缝夹板5-6和横向剪切缝夹板5-7放置在上下两层浇件装置制件，用来预制剪切缝。

岩体结构面1-2直剪试验取样一般在岩壁上水平钻取，如图1，取出的试件为A型试件，如图3。有时也在地面上垂直钻取，如图2，取出的试件为B型试件，如图4。垂直钻取与水平钻取的过程相同，这里仅以水平钻取为例，对该岩土工程科学试验领域中室内岩体结构面1-2直剪试验试件取样系统的使用方法进行说明。

（1）准备阶段

到达取样位置后，先将岩壁清洗干净，找到结构面1-2位置，选取岩体较完整的区域作为取样点。然后将该位置结构面1-2附近的松动岩石清除，在结构面1-2上部或下部岩体适当位置凿出一块平整面，用来固定底座1-4。将水桶1-9内盛满清水，并悬挂在岩壁一定高度处，以便水可以在虹吸作用下自由流出。最后，还需检查双层钻头1-13、钻杆1-12、水管1-10是否通水，并将夹具3-3、撬杠3-4、取样钩3-5准备到位。

（2）钻样阶段

准备工作完成后，开始进行钻样工作。首先，根据双层钻头1-13的直径、变频电机1-8与滑杆1-6间的距离确定底座1-4的位置，保证设备安装好后，双层钻头1-13的中心恰好对准结构面1-2。确定好底座1-4位置后，将滑杆1-6通过螺丝固定在底座1-4上，用电钻在该位置打孔，通过底座螺丝1-5将底座1-4固定在岩壁上，并保证滑杆1-6与结构面1-2平行。然后，将变频电机1-8固定在套筒1-7上，并将套筒1-7套入滑杆1-6，通过转动套筒1-7上的把手实现变频电机1-8的前后移动。下一步根据滑杆1-6与岩壁的距离将适量根数的钻杆1-12连接在一起，并将一端与变频电机1-8连接，将钻杆1-12另一端与双层钻头1-13连接。连接好后，转动套筒1-7上的把手调节变频电机1-8位置，使得双层钻头1-13的金刚石锯齿2-6刚好和岩壁接触，并保证双层钻头1-13的中心恰好对准结构面1-2。最后，将水管1-10的一端插入水桶1-9底部，另一端为水管1-10开关连接，打开水管1-10开关使水从金刚石锯齿2-6间流出。

此时，可以打开变频电机1-8电源，启动电机钻取试件。钻取试件过程中，缓慢转动套筒1-7上的把手，使双层钻头1-13逐渐进入岩体。钻进过程中，始终保持结构面1-2位于试件中间位置，并留意观察水桶1-9中的水位，保证水流对双层钻头1-13的冷却。双层钻头1-13完全进去岩体后, 钻头内已充满岩心,不能再向前行进,此时需转动套筒1-7上的把手,使双层钻头1-13向后移动,退出岩心，将钻好的岩心取出后，再下钻继续向前钻取岩心。如果钻取岩体较深时，钻杆1-12长度可能不够，此时需增加钻杆1-12。钻取岩心达到规定长度后，转动套筒1-7上的把手使套筒1-7从滑杆1-6退出，将变频电机1-8、钻杆1-12、双层钻头1-13整体取出岩体，为下一步取出试件留出空间。

（3）取样阶段

如图7所示，钻取第一个试件时，由于试件周围没有临空面，无法用夹具3-3对试件进行加固，如果一些结构面3-6较软弱，试件由于应力释放或撬断试件底部时扰动较大，试件容易裂开，导致第一个试件成功率很低。因此，常将第一个试件直接撬断破碎，留出取第二个试件的空间。钻取第二个试件时，在已舍弃的第一个试件傍边进行，并保证两试件的直径有所重叠，使得第一个试件的空间作为第二个试件的临空面，以便于夹具3-3的安装和第二个试件的撬断。第二个试件钻好后，立即将套管4-1套在试件上，并将卡箍螺栓4-2拧紧，对试件进行保护。夹固好试件后，将撬杠3-4放入第二个试件临空面对面试件表面与钻孔壁的缝隙内，用铁锤将撬杠3-4缓慢敲入缝隙内，使得试件向临空面方向撬断，并将撬断后的试件取出。但是，如果结构面3-6上下层岩体胶结很好，在不套夹具3-3撬断试件时试件不发生破裂，且对剪切面扰动较小时，在钻好第一个试件后，可直接用撬杠3-4将试件撬断，并用取样钩3-5将其取出。取出试件后立即用夹具3-3对其进行保护。按照此方法依次取出5-6个完整试件。如果取出第一排几个试件后左右两侧结构面3-6位置不够时，可在第一排试件钻孔内继续向内钻取试件。

（4）浇样阶段

取出的试件为圆柱体，无法直接进行剪切试验，因此，需在试件表面浇筑水泥砂浆保护壳，形成长方体试件，以便于法向和剪向荷载的施加。

浇件前，需先将浇件模具进行安装。浇件模具分为上层模具、下层模具和中间剪切缝夹板。上层模具和下层模具的安装步骤相同。首先，将2块模具横向钢板5-2通过12个模具横向钢板固定螺丝5-4固定在2块模具竖向钢板5-1上，形成一长方体模具。然后，将模具拉杆5-3穿过2块模具竖向钢板5-1上的螺丝孔并将模具拉杆5-3拧紧，对模具进行固定，防止水泥砂浆流出。另外，对安装好的上层模具和下层模具的内壁、竖向剪切缝夹板5-6、横向剪切缝夹板5-7双面均进行抹油，便于浇筑水泥砂浆后试件脱模。

之后，进行水泥砂浆的拌合。拌和时水泥砂浆不宜过稀，否则压实时水泥砂浆宜隆起，导致压实度不够，影响其自身强度。水泥砂浆拌合好后，在平地上放一块塑料薄膜，将下层模具放在塑料薄膜上，便于脱模。根据试件剪切面的位置，确定下层模具水泥砂浆保护壳的厚度，并先在下层模具的底部按此厚度铺设一层水泥砂浆。然后，将试件的夹具3-3松开，将试件取出，平躺着放入下层模具，并将试件向下按压，使试件与下部水泥砂浆紧密接触。放置试件时应保证试件结构面1-2略高于下层模具的上表面，并保证试件位于下层模具的正中。接下来，在下层模具中继续浇筑水泥砂浆，并不断压实，最终使得水泥砂浆表面平整光滑，且与下层模具的上表面平齐，完成试件下部的浇筑。

试件下部浇筑完成后，将双面抹油后的2块竖向剪切缝夹板5-6、2块横向剪切缝夹板5-7放在已浇筑水泥砂浆的表面上，并与试件四周紧密接触，在浇筑上层水泥砂浆保护壳时，在下层水泥砂浆保护壳和上层水泥砂浆保护壳之间预制剪切缝，此时，应保证试件结构面1-2位置在竖向剪切缝夹板5-6和横向剪切缝夹板5-7厚度的中间。

剪切缝夹板放置好后，将上层模具放置在剪切缝夹板上，且与下层模具对中。然后，在上层模具内浇筑水泥砂浆，并不断压实，最终使得水泥砂浆表面平整光滑，且与上层模具的上表面平齐，完成试件上部的浇筑。

浇件完成后，对试件进行养护，待水泥砂浆凝固后，将上层模具和下层模具拆除，并将剪切缝夹板抽出，完成制件。

钻取的试件为圆柱体，区别与传统的方块体试件，制件方法具有本质不同。采用双层钻头1-13，冷却水从双层钻头1-13的夹层空腔2-2内流向切割处，既能对钻头进行冷却，又能减小水流对岩体结构面1-2的影响。采用变频电机1-8，针对不同的结构面1-2，如胶结较好的结构面1-2、软弱夹层等，采用不同钻速，提高制样成功率。夹具3-3装置能够在取样时对试件进行加固，防止结构面1-2被扰动。浇件装置能够将取回的圆柱体试件浇筑成具有混凝土保护壳的方块体试件，且能预制剪切缝。

以上仅就本实用新型应用较佳的实例做出了说明，但不能理解为是对权利要求的限制，本实用新型的结构可以有其他变化，不局限于上述结构。总之，凡在本实用新型的独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.试样结构，包括至少包含依次层叠的第一岩层、结构面和第二岩层的岩壁，其特征在于，岩壁的表面上钻设有至少两个圆环形的钻孔，钻孔内环部分为圆柱形的试件，钻孔外环部分为岩体，两两钻孔相交并形成相交开口，在相交开口处相邻两试件之间的最小距离大于钻孔的内环壁和外环壁之间的间隔宽度。

2.根据权利要求1所述的试样结构，其特征在于，还包括从岩壁上脱离的所述试件及其外自上而下依次包裹的上层保护壳、加载板、下层保护壳，上层保护壳和下层保护壳均为水泥砂浆浇筑而成且外表呈立方体形，加载板有四块、并抵顶配合在水平放置的圆柱状试件四周。

3.根据权利要求2所述的试样结构，其特征在于，所述试件被下层保护壳包覆的部分体积大于被上层保护壳包覆的部分体积。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的试样结构，其特征在于，所述试件具有沿轴向依次分布的所述第一岩层、结构面和第二岩层。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的试样结构，其特征在于，所述试件具有沿径向依次分布的所述第一岩层、结构面和第二岩层。

6.室内岩体结构面直剪试验试件取样系统，包括钻取装置、取样装置、浇件装置和试样结构，试样结构具有至少包含依次层叠的第一岩层、结构面和第二岩层的岩壁，其特征在于，岩壁的表面上钻设有至少两个圆环形的钻孔，钻孔内环部分为圆柱形的试件，钻孔外环部分为岩体，两两钻孔相交并形成相交开口，在相交开口处相邻两试件之间的最小距离大于钻孔的内环壁和外环壁之间的间隔宽度。

7.根据权利要求6所述的室内岩体结构面直剪试验试件取样系统，其特征在于，试样结构还具有从岩壁上脱离的所述试件及其外自上而下依次包裹的上层保护壳、加载板、下层保护壳，上层保护壳和下层保护壳均为水泥砂浆浇筑而成且外表呈立方体形，加载板有四块、并抵顶配合在水平放置的圆柱状试件四周。

8.根据权利要求7所述的室内岩体结构面直剪试验试件取样系统，其特征在于，所述试件被下层保护壳包覆的部分体积大于被上层保护壳包覆的部分体积。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的室内岩体结构面直剪试验试件取样系统，其特征在于，所述试件具有沿轴向依次分布的所述第一岩层、结构面和第二岩层。

10.根据权利要求6-8任意一项所述的室内岩体结构面直剪试验试件取样系统，其特征在于，所述试件具有沿径向依次分布的所述第一岩层、结构面和第二岩层。

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