一種利用巖石三軸壓縮儀進(jìn)行巖石剪切試驗(yàn)的改進(jìn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種巖石三軸壓縮儀進(jìn)行巖石剪切試驗(yàn)方法和設(shè)備，尤其是涉及巖石 三維應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度、強(qiáng)度參數(shù)的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備改進(jìn)，適用于礦山、水利、資 源與環(huán)境等領(lǐng)域中巖石室內(nèi)剪切試驗(yàn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國深部礦產(chǎn)資源開采、高陡邊坡穩(wěn)定性分析、水利水電資源開發(fā)以及核廢料處 置，均普遍涉及復(fù)雜環(huán)境下圍巖變形穩(wěn)定問題，巖石抗剪強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度參數(shù)是進(jìn)行圍巖變 形數(shù)值模擬和穩(wěn)定性分析的前提和基礎(chǔ)。巖石室內(nèi)剪切試驗(yàn)是獲取抗剪強(qiáng)度及其相關(guān)參數(shù) 的重要手段，目前對于巖石抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法有直剪試驗(yàn)、傾斜壓模剪切法和三軸壓縮 試驗(yàn)等。
[0003] 巖石直剪試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法比較簡單，能得到巖石在單向圍壓作用下抗剪強(qiáng) 度，然后根據(jù)摩爾理論可以得到巖石的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。但是在直剪試驗(yàn)過程中存在很 多難以克服的不足，嚴(yán)重影響了試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。例如，在直剪試驗(yàn)過程中，隨 著剪切荷載的增加，試樣上的法向應(yīng)力很難穩(wěn)定，試樣的實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境與模型存在一定的 差距；試樣在直剪儀中只能沿著既定的滑面發(fā)生破壞，而真正決定巖石破壞面位置和破壞 強(qiáng)度大小的是試樣內(nèi)部的缺陷，因此直剪試驗(yàn)限制了巖石的自由破壞；當(dāng)直剪試驗(yàn)法向應(yīng) 力較大時(shí)，容易出現(xiàn)磨框現(xiàn)象，使得試驗(yàn)值較真實(shí)值偏大。
[0004] 傾斜壓模剪切法是通過改變加載力與試件之間的夾角，改變巖石試樣的正應(yīng)力和 剪應(yīng)力大小，從而得到巖石的剪切破壞強(qiáng)度和強(qiáng)度參數(shù)，該方法可以克服直剪試驗(yàn)中磨框 現(xiàn)象和法向應(yīng)力不穩(wěn)的問題，然而由于巖石試樣與傾斜壓模之間的剛度不同，導(dǎo)致在試驗(yàn) 過程中，試樣與壓模之間產(chǎn)生了較大的摩擦力，改變了試樣內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，影響了測試結(jié) 果的可靠性。
[0005] 三軸壓縮試驗(yàn)通過改變圍壓條件得到巖石的三維抗壓強(qiáng)度，然后根據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn) 則繪制巖石破壞包絡(luò)線，對包絡(luò)線進(jìn)行線性回歸得到試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，該試驗(yàn)方法克 服了諸多不利因素，因此得到的數(shù)據(jù)相對可靠。但是該方法屬于間接測量方法，也并未考慮 壓頭的變形情況。
[0006] 《巖土工程界》2003年第11期發(fā)表的"淺淡影響三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果的因素"論文中 也指出："作為提供土的力學(xué)參數(shù)的三軸壓縮試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確與否尤為重要。然 而由于巖土自身的不均勻性以及三軸試驗(yàn)對取樣和試驗(yàn)過程要求較高，在實(shí)際操作中又 難免會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的問題，往往導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大，所以分析導(dǎo)致試驗(yàn)離散性 的原因，總結(jié)和改善試驗(yàn)過程中的不妥之處，從而保證抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的準(zhǔn)確性是土試人員 的重要職責(zé)"。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的，就是為了針對現(xiàn)有巖石三軸壓縮儀及三軸壓縮試驗(yàn)存在的上述問 題，通過對三軸壓縮試驗(yàn)機(jī)壓頭墊板進(jìn)行改進(jìn)，直接求解不同圍壓作用下巖石的抗剪強(qiáng)度， 從而提出一種利用巖石三軸壓縮儀進(jìn)行巖石剪切試驗(yàn)的改進(jìn)方法，使三軸試驗(yàn)儀可以直接 測量巖石的抗剪強(qiáng)度。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明一種利用巖石三軸壓縮儀進(jìn)行巖石剪切試驗(yàn)的 改進(jìn)方法采用以下技術(shù)方案： 本發(fā)明一種利用巖石三軸壓縮儀進(jìn)行巖石剪切試驗(yàn)的第一種改進(jìn)方法為： 所采用的巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合模具包括千斤頂壓頭、用于安裝巖石試樣的 壓力室，所述的千斤頂壓頭的下部形狀、尺寸與壓力室的圓柱型內(nèi)腔相匹配。該組合模具還 包括一對剛性臺階式圓柱形墊板、一對柔性半圓柱墊板，所述的柔性半圓柱墊板的形狀、尺 寸與剛性臺階式圓柱形墊板的臺階部分相匹配；所述的剛性臺階式圓柱形墊板、柔性半圓 柱墊板的直徑與巖石試樣的直徑、壓力室的內(nèi)徑相等。
[0009] 該組合模具及巖石試樣的安裝方法為： 1) 先后將一塊剛性臺階式圓柱形墊板、一塊柔性半圓柱墊板安放到壓力室的底部，二 者形成下部圓柱型配合體； 2) 將巖石試樣安放在下部圓柱型配合體的上面； 3) 再將另一塊柔性半圓柱墊板、另一塊剛性臺階式圓柱形墊板構(gòu)成的上部圓柱型配合 體安放到巖石試樣的上面； 所述的一塊柔性半圓柱墊板位于巖石試樣的左下面，所述的另一塊柔性半圓柱墊板位 于巖石試樣的右上面； 4) 然后將千斤頂壓頭的下部安放到上部圓柱型配合體上面的壓力室內(nèi)。
[0010] 上述剛性臺階式圓柱形墊板可選擇彈性模量210MPa的合金鋼，上述柔性半圓柱 墊板可選擇彈性模量l〇5MPa的鋁青銅。當(dāng)然，也可以選擇其他彈性模量不同的其他金屬材 料。
[0011] 對巖石試樣抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測定的試驗(yàn)方法為： 1) 分別測試剛性臺階式圓柱形墊板的彈性模量E1、柔性半圓柱墊板彈性模量E2;利用 千斤頂壓頭、壓力室，給巖石試樣施加預(yù)定的圍壓值，并使之穩(wěn)定； 2) 逐步施加軸壓，并觀察應(yīng)變儀數(shù)值變化，確定破壞點(diǎn)和破壞時(shí)軸力大小，并記錄破壞 力大小F ; 3) 根據(jù)巖石試樣破壞時(shí)軸力大小，結(jié)合剛性臺階式圓柱形墊板的彈性模量E1、柔性半 圓柱墊板彈性模量E 2，計(jì)算出兩塊剛性臺階式圓柱形墊板對巖石試樣施加的壓力匕及 兩塊柔性半圓柱墊板對巖石試樣施加的壓力F2、F 3，進(jìn)而確定巖石剪切面上的剪力Λ F大 小； 4) 根據(jù)剪切面上剪力與剪切面積的關(guān)系得到巖石的抗剪強(qiáng)度τ。
[0012] 所述的剛性臺階式圓柱形墊板的高度是柔性半圓柱墊板高度的2倍為佳。
[0013] 本發(fā)明一種利用巖石三軸壓縮儀進(jìn)行巖石剪切試驗(yàn)的第二種改進(jìn)方法為： 所采用的巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合模具包括千斤頂壓頭、一對圓柱形墊板、用 于安裝巖石試樣的壓力室，所述的千斤頂壓頭的下部形狀、尺寸與壓力室的圓柱型內(nèi)腔相 匹配，所述的一對圓柱形墊板的形狀、尺寸也與壓力室的圓柱型內(nèi)腔相匹配。該組合模具還 包括一對剛性半圓柱墊板、一對柔性半圓柱墊板，所述的一對剛性半圓柱墊板、一對柔性半 圓柱墊板的高度、直徑相等。
[0014] 上述圓柱形墊板可選擇彈性模量2IOMPa的合金鋼，上述柔性半圓柱墊板可選擇 彈性模量I 05MPa的鋁青銅。當(dāng)然，也可以選擇其他彈性模量不同的其他金屬材料，只要二 者的彈性模量不同就可。
[0015] 該組合模具及巖石試樣的安裝方法為： 1) 將一塊圓柱形墊板安放到到壓力室的底部； 2) 將一塊剛性半圓柱墊板、一塊柔性半圓柱墊板組合成下部圓柱型配合體安放到1)步 驟所述圓柱形墊板的上面 3) 將巖石試樣安放到2)步奏所述下部圓柱型配合體的上面； 4) 再將另一塊剛性半圓柱墊板、另一塊柔性半圓柱墊板構(gòu)成的上部圓柱型配合體安放 到巖石試樣的上面，接著將另一塊圓柱形墊板安放到所述上部圓柱型配合體的上面； 所述的一塊剛性半圓柱墊板位于巖石試樣的左上面，另一塊剛性半圓柱墊板位于巖石 試樣的右下面；所述的一塊柔性半圓柱墊板位于巖石試樣的右上面，所述的另一塊柔性半 圓柱墊板位于巖石試樣的左下面； 5) 然后將千斤頂壓頭的下部安放到步奏4)之另一塊圓柱形墊板上面的壓力室內(nèi)。
[0016] 對巖石試樣抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測定的試驗(yàn)方法為： 1) 分別測試剛性半圓柱墊板的彈性模量E1'、柔性半圓柱墊板的彈性模量E2';利用 千斤頂壓頭、壓力室，給巖石試樣施加預(yù)定的圍壓值，并使之穩(wěn)定； 2) 逐步施加軸壓，并觀察應(yīng)變儀數(shù)值變化，確定破壞點(diǎn)和破壞時(shí)軸力大小，并記錄破壞 力大小Fr ; 3) 根據(jù)巖石試樣（3)破壞時(shí)軸力大小，結(jié)合剛性半圓柱墊板的彈性模量E/、柔