一種巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合模具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種巖石三軸壓縮儀，尤其是涉及一種巖石三維應(yīng)力狀態(tài)下的抗 剪強(qiáng)度、強(qiáng)度參數(shù)的試驗(yàn)設(shè)備，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(duì)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(duì)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(duì)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實(shí)用新型的目的，就是為了針對(duì)現(xiàn)有巖石三軸壓縮儀及用其進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn) 中存在的上述問題，通過對(duì)三軸壓縮試驗(yàn)機(jī)壓頭墊板進(jìn)行改進(jìn)，從而提出一種巖石三軸壓 縮儀剪切試驗(yàn)的組合模具，使三軸試驗(yàn)儀可以直接測量巖石的抗剪強(qiáng)度。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的上述目的，本實(shí)用新型一種巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合 模具采用以下技術(shù)方案：
[0008] 本實(shí)用新型一種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(duì)剛性臺(tái)階式圓柱形墊板、一對(duì)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(tái)階式圓柱形墊板的臺(tái)階部分相匹配。
[0009] 所述的剛性臺(tái)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。
[0010] 所述的剛性臺(tái)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。
[0011] 該組合模具及巖石試樣的安裝方法為：
[0012] 1)先后將一塊剛性臺(tái)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；
[0013] 2)將巖石試樣安放在下部圓柱型配合體的上面；
[0014] 3)再將另一塊柔性半圓柱墊板、另一塊剛性臺(tái)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；
[0015] 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；
[0016] 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)。
[0017] 上述剛性臺(tái)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，只要二者的彈性模量不同就可。
[0018] 本實(shí)用新型一種巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合模具，在具體試驗(yàn)過程中，只需 要增加一套壓頭墊板裝置，即可完成巖石三軸儀對(duì)巖石的三軸抗壓試驗(yàn)和抗剪試驗(yàn)的集 成，豐富了試驗(yàn)儀器的功能，有效提高了裝置的性價(jià)比。
[0019] 采用三軸儀進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，獲得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠。相比于直剪儀和傾斜壓膜 機(jī)，本實(shí)用新型方法避免了巖石試樣與實(shí)驗(yàn)裝置的摩擦，減小了實(shí)驗(yàn)裝置帶來的系統(tǒng)誤差； 本實(shí)用新型方法采用的專用組合模具傳承了巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，通過壓力室向巖石 試樣提供了一個(gè)穩(wěn)定的圍壓，軸壓加載速率由電腦控制，因此可以更加穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集也更 為精細(xì)；通過三軸儀的伺服加載系統(tǒng)，可以獲取巖石剪切破壞后的剪切破壞曲線。
【附圖說明】
[0020] 圖1為現(xiàn)有的巖石三軸壓縮試驗(yàn)圖；
[0021] 圖2為本實(shí)用新型一種巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合模具的三軸剪切試驗(yàn)圖；
[0022] 圖3為本實(shí)用新型采用的組合模塊圖；
[0023] 圖4是本實(shí)用新型一種巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合模具的三軸剪切試驗(yàn)巖 石試樣受力示意圖。
[0024] 附圖標(biāo)記為：1_千斤頂壓頭，2-壓力室，3-巖石試樣，4-圓柱形墊板(改進(jìn)前使用 的)，5-剛性臺(tái)階式圓柱形墊板，6-柔性半圓柱墊板。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 為進(jìn)一步描述本實(shí)用新型，下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型一種巖石三軸壓縮儀剪切 試驗(yàn)的組合模具作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0026] 由圖1所示的現(xiàn)有的巖石三軸壓縮試驗(yàn)圖看出，將第一塊圓柱形墊板4、巖石試樣 3、第二塊圓柱形墊板4自下而上放入壓力室2中，將千斤頂壓頭1的下部安放到第二塊圓 柱形墊板4的上面之壓力室2內(nèi)進(jìn)行施壓。
[0027] 由圖2所示的本實(shí)用新型一種巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合模具的三軸剪切 試驗(yàn)圖并結(jié)合圖3、圖4看出，本實(shí)用新型本實(shí)用新型一種巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合 模具包括千斤頂壓頭1、用于安裝巖石試樣3的壓力室2,所述的千斤頂壓頭1的下部形狀、 尺寸與壓力室2的圓柱型內(nèi)腔相匹配，該組合模具還包括一對(duì)剛性臺(tái)階式圓柱形墊板5、一 對(duì)柔性半圓柱墊板6,所述的柔性半圓柱墊板6的形狀、尺寸與剛性臺(tái)階式圓柱形墊板5的 臺(tái)階部分相吻合；所述的剛性臺(tái)階式圓柱形墊板5、柔性半圓柱墊板6的直徑與巖石試樣3 的直徑、壓力室2的內(nèi)徑相等；所述的剛性臺(tái)階式圓柱形墊板5的高度是柔性半圓柱墊板6 高度的2倍。
[0028] 該組合模具及巖石試樣3的安裝方法為：
[0029] 1)先后將一塊剛性臺(tái)階式圓柱形墊板5、一塊柔性半圓柱墊板6安放到壓力室2 的底部，二者形成下部圓柱型配合體；
[0030] 2)將巖石試樣3安放在下部圓柱型配合體的上面；
[0031] 3)再將另一塊柔性半圓柱墊板6、另一塊剛性臺(tái)階式圓柱形墊板5構(gòu)成的上部圓 柱型配合體安放到巖石試樣3的上面；
[0032] 所述的一塊柔性半圓柱墊板6位于巖石試樣3左下面，所述的另一塊柔性半圓柱 墊板6位于巖石試樣3右上面；
[0033] 4)然后將千斤頂壓頭1的下部安放到上部圓柱型配合體上面的壓力室2內(nèi)。
[0034] 對(duì)巖石試樣抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測定的試驗(yàn)方法為：
[0035] 1)分別測試剛性臺(tái)階式圓柱形墊板的彈性模量Ei、柔性半圓柱墊板彈性模量E2; 利用千斤頂壓頭1、壓力室2,給巖石試樣3施加預(yù)定的圍壓值，并使之穩(wěn)定；
[0036] 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 ;
[0037] 3)根據(jù)巖石試樣3破壞時(shí)軸力大小，結(jié)合剛性臺(tái)階式圓柱形墊板5的彈性模量 柔性半圓柱墊板6的彈性模量E2，分別計(jì)算出兩塊剛性臺(tái)階式圓柱形墊板5對(duì)巖石試樣3 施加的壓力匕、匕及兩塊柔性半圓柱墊板6對(duì)巖石試樣3施加的壓力F2、F3，進(jìn)而確定巖石 剪切面上的剪力ΛF大小；
[0038] 其中：
[0042] 式中名:--上部剛性臺(tái)階式圓柱形墊板5與巖石試樣3之間的作用力大小，單位 Ν；
[0043] :一一右上部柔性半圓柱墊板6與巖石試樣3之間的作用力大小，單位Ν ;
[0044] -一左下部柔性半圓柱墊板6與巖石試樣3之間的作用力大小，單位Ν ;
[0045] ◎一一下部剛性臺(tái)階式圓柱形墊板5與巖石試樣3之間的作用力大小，單位Ν ;
[0046] F--千斤頂壓頭1所施加的壓力大小，單位N ;
[0047] f,.·一一剛性臺(tái)階式圓柱形墊板5的彈性模量大小，單位GPa ;
[0048] 琴免--柔性半圓柱墊板6的彈性模量大小，單位GPa ;
[0049] 遂F--剪切面上剪力大小，單位N ;
[0050] 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，其中：
[0052] 式中：--抗剪強(qiáng)度大小，單位Pa ;
[0053] B--圓柱試樣的直徑大小，單位m ;
[0054] |l--圓柱試樣的高度大小，單位m。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合模具，包括千斤頂壓頭（1)、用于安裝巖石試 樣（3)的壓力室（2)，所述的千斤頂壓頭（1)的下部形狀、尺寸與壓力室（2)的圓柱型內(nèi)腔相 匹配，其特征在于：它還含有一對(duì)剛性臺(tái)階式圓柱形墊板（5)、一對(duì)柔性半圓柱墊板（6)，所 述的柔性半圓柱墊板（6)的形狀、尺寸與剛性臺(tái)階式圓柱形墊板（5)的臺(tái)階部分相吻合。2. 如權(quán)利要求1所述的一種巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合模具，其特征在于：所述 的剛性臺(tái)階式圓柱形墊板（5)的高度是柔性半圓柱墊板（6)高度的2倍。3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合模具，其特征在于： 所述的剛性臺(tái)階式圓柱形墊板（5)、柔性半圓柱墊板（6)的直徑與巖石試樣（3)的直徑、壓 力室（2)的內(nèi)徑相等。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種巖石三軸壓縮儀剪切試驗(yàn)的組合模具，包括千斤頂壓頭（1）、用于安裝巖石試樣（3）的壓力室（2），所述的千斤頂壓頭（1）的下部形狀、尺寸與壓力室（2）的圓柱型內(nèi)腔相匹配，它還含有一對(duì)剛性臺(tái)階式圓柱形墊板（5）、一對(duì)柔性半圓柱墊板（6），所述的柔性半圓柱墊板（6）的形狀、尺寸與剛性臺(tái)階式圓柱形墊板（5）的臺(tái)階部分相吻合。本實(shí)用新型在具體試驗(yàn)過程中，只需要增加一套壓頭墊板裝置，即可完成巖石三軸儀對(duì)巖石的三軸抗壓試驗(yàn)和抗剪試驗(yàn)的集成，豐富了試驗(yàn)儀器的功能，有效提高了裝置的性價(jià)比。
【IPC分類】G01N3/10, G01N3/24
【公開號(hào)】CN205049425
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520726728
【發(fā)明人】刁虎, 熊齊歡, 代永新, 李如忠, 盧敬標(biāo), 趙蒙生, 張春, 趙武鹍, 李林丹
【申請(qǐng)人】中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司, 華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司, 中鋼集團(tuán)馬鞍山礦院工程勘察設(shè)計(jì)有限公司
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年9月18日