用于任意角度巖石破裂面的剪切試驗裝置及其試驗方法與流程

本發明屬于巖土工程技術領域，具體涉及用于任意角度巖石破裂面的剪切試驗裝置及其試驗方法。

背景技術：

隨著我國經濟實力的穩步提升，和中央“一帶一路”線路的提出，人們對石油、天然氣、礦產資源和高鐵的數量和質量要求也越來越高，而這些資源的開采和高鐵等項目的建設都離不開對地下巖體穩定性和變形的研究。而關于巖石穩定性的一個重要因素就是巖石的抗剪強度，特別是巖石的峰值后抗剪強度，因此這些都需要研究巖石破裂面的抗剪強度。

道路交通、水利水電、能源、國防工程以及采礦工程等國家重點工程項目都離不開研究巖體，如地下工程圍巖、邊坡巖體、地基巖體等的變形破壞和穩定性，而這一切都與巖石或者巖體內存在的原始裂縫有關；因此研究已經斷開的巖石或者裂縫延伸但沒有斷開的巖石的抗剪強度就顯得十分重要。

地質活動，如地震、火山噴發、構造運動等都是具有方向上的不確定性的特點，同時，人類工程活動的開挖、爆破、掘進、鉆井等也會有方向的不確定性，因而這會導致巖石破裂方向不盡相同，有水平的，有垂直的，有大傾斜的，也有小角度破裂的，并且形成的裂縫數量也或多或少不一樣；而在現今技術條件下，人們在不知道原始裂縫分布方向時，大多選擇垂直于地表鉆探取樣，因此取出的巖石試樣中裂縫分布也千差萬別。

過去研究巖石抗剪強度時，選擇的方法多是先鉆芯取樣，然后將試樣送去工程加工成需要的標準試樣，然后再在剪切機上進行剪切。但是，在加工巖石試樣時，會耗費大量的人力、物力和財力，而且制作巖石試樣時或多或少會對原始裂縫產生破壞影響，對于沒有斷開的巖石試樣一定會產生額外的應力，甚至是使原本沒有斷開的試樣直接斷開了，這會很大程度上影響實驗的結果，甚至對于后一種情況，這樣的實驗結果直接是不能用的。

技術實現要素：

針對現有背景技術存在的不足，本發明提供了用于任意角度巖石破裂面的剪切試驗裝置及其試驗方法，它能夠很好的適用與各種破裂角度的巖石，還能適用于任意形狀大小的巖石試塊；可以克服以前制作試樣時對原位巖石應力的擾動，避免了測試結果的不精確。

為實現上述技術目的，本發明采用的技術方案如下：

用于任意角度巖石破裂面的剪切試驗裝置，包括主機、剪切試驗機，還包括裂縫面積測量儀、巖石試樣模具盒、巖石試樣剪切盒，所述巖石試樣模具盒與巖石試樣剪切盒相匹配，所述主機與剪切試驗機電連接，所述剪切試驗機包括豎向軸力施加機構和水平剪切力施加機構；

所述裂縫面積測量儀包括木質支架，所述木質支架上設有測試平臺和試樣放置臺，所述試樣放置臺位于測試平臺的下方，所述測試平臺的中心位置設有矩形通孔，所述矩形通孔的外圍設有參照標尺，所述測試平臺的上表面設有鐵質支架，所述鐵質支架上可拆卸連接有相機，所述相機與矩形通孔相對應；

所述巖石試樣模具盒包括上盒和下盒，所述上盒與下盒可拆卸連接，所述上盒的上表面和下表面均設有開口，所述下盒的上表面設有開口；

所述的巖石試樣剪切盒包括上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒和下剪切盒相對稱，所述上剪切盒和下剪切盒的左右兩側面均設有支耳、前后兩側面均設有對中缺口。

進一步限定，所述上盒的下端設有凸條，所述下盒的上端設有與凸條相匹配的凹槽，這樣的設計，在剪切試樣的制作步驟中可以使上盒與下盒更好的配合使用。

進一步限定，所述巖石試樣模具盒為木質材料或橡膠材料，這樣的設計，可以使巖石試樣模具盒重復利用，成本較低。

進一步限定，所述巖石試樣剪切盒的長度尺寸*高度尺寸*寬度尺寸為240mm×230mm×110mm，這樣的設計，可以使巖石試樣剪切盒的體積適中，體積過大導致巖石試樣過重，不宜檢測，體積過小，對于相對較大的巖石，則不能檢測。

進一步限定，所述巖石試樣剪切盒的內部長度尺寸*高度尺寸*寬度尺寸為200mm×200mm×100mm，這樣的設計，使巖石試樣剪切盒能夠更好的使用。

進一步限定，所述支耳上設有通孔，這樣的設計，能夠更加方便的搬運巖石試樣剪切盒。

用于任意角度巖石破裂面的剪切試驗裝置的試驗方法，包括巖石破裂面面積的測量步驟、剪切試樣的制作步驟、巖石裂縫抗剪強度測量步驟；

所述巖石破裂面面積的測量步驟包括以下步驟，

步驟一：安裝裂縫面積測量儀和相機，調整相機和測試平臺水平，且使相機的鏡頭與矩形通孔相對應；

步驟二：將需要測量的巖石試件放在試樣放置臺上，并與矩形通孔相對應，調整好距離和角度，使裂縫面與測試平臺面在一個平面上，然后進行拍照，拍照的同時應保證參照標尺全部都在鏡頭范圍內；

步驟三：重復所述步驟二，直至將所有的巖石試件進行拍照記錄；

步驟四：將所有巖石試件的圖片導入cad中，描繪其邊界線，通過對比參照標尺上的刻度換算出試驗試件的裂縫面面積；

所述剪切試樣的制作步驟包括以下步驟：

步驟a：在巖石試樣模具盒的下盒中放入一層塑料薄膜，將薄膜平鋪均勻，倒入水泥砂漿至下模具盒半刻度線位置，放上巖石試樣，并調整其角度和高度，使得破裂面剛好處于水平且距離下盒頂面和上盒各5mm處，同時夾住巖石試樣，防止其下沉；

步驟b：繼續向下模具盒添加水泥砂漿，待水泥砂漿表面于下盒處于同一水平面即可；

步驟c：將所述步驟b中下盒內的水泥砂漿初凝1h～3h，然后在稍凝固的水泥砂漿表面平鋪一層塑料薄膜，平鋪均勻，然后均勻放入橡皮泥，使橡皮泥填充砂漿頂面與下下盒頂面的空間，用手充分揉勻填實，并使表面平整；

步驟d：然后在橡皮泥表面鋪上一層塑料薄膜，將上盒扣入下盒，使兩模具盒貼合緊密，然后從上盒頂面的開口向上盒灌注水泥砂漿，使水泥砂漿液面與上盒的頂面齊平即可，并用鏟子刮去巖石試樣模具盒表面的砂漿；

步驟e：將制作好的模型放入標準溫度和濕度環境進行養護，待水泥砂漿強度達到要求強度時，取出試樣，用刀子掏去模型中間的橡皮泥；

步驟f：重復上述步驟a～步驟e，制作多個巖石試樣；

所述巖石裂縫抗剪強度測量步驟包括以下步驟：

步驟a：將經過所述剪切試樣的制作步驟制作好的巖石試樣放入下剪切盒中，調整好角度和位置，再扣上上剪切盒，調整位置并對中；

步驟b：將巖石試樣及巖石試樣剪切盒整體搬到剪切試驗機上，并放置在指定的剪切位置；

步驟c：打開剪切試驗機，通過豎向軸力施加機構施加軸向壓力，待軸向壓力達到設計值時，通過水平剪切力施加機構施加水平剪切力，此時在主機5上可以繪出巖石剪切過程的應力應變曲線。

進一步限定，所述剪切試樣的制作步驟中的步驟a使用的水泥砂漿的型號為m10，這樣的設計，水泥砂漿的強度較強且成本較低。

進一步限定，所述剪切試樣的制作步驟中步驟c的水泥砂漿初凝1.5h～2.5h，這樣的設計，可以使水泥砂漿的初凝后的強度相對穩定，得到的巖石試樣檢測結果與真實值誤差較小。

進一步限定，所述剪切試樣的制作步驟中的步驟e的養護時間不少于一周，這樣的設計，可以使巖石試樣的強度穩定，得到的巖石試樣檢測結果與真實值誤差較小。

本發明的的有益效果：

1、通過巖石試樣模具盒可以對任意形狀、任意破裂角度的巖石進行制樣；

2、巖石試樣模具盒制作簡單，巖石試樣可通過模具盒成型，一次可以成型大量的巖石試樣，操作簡單，節約時間；

3、巖石試樣模具盒可以重復利用，節約成本；

4、本發明的試驗方法利用相機對裂縫進行拍照，然后導入cad中，利用標尺上的刻度進行換算，最后換算成實際面積，使得到的面積精確度高，使測量結果更準確；

5、與先前做剪切試驗方法不同，先前做剪切試驗時，會先交巖石試樣交于工廠加工成標準尺寸的試樣，這其中會對巖石裂縫本身產生很大影響，并成本很高，本發明的試驗方法可以批量制作巖石試樣，巖石試樣成型后，取掉模具可直接用于壓剪試驗，然后批量進行剪切試驗，工作簡單，成本很低。

附圖說明

本發明可以通過附圖給出的非限定性實施例進一步說明；

圖1為本發明用于任意角度巖石破裂面的剪切試驗裝置實施例中剪切試驗機的結構示意圖；

圖2為本發明用于任意角度巖石破裂面的剪切試驗裝置實施例中裂縫面積測量儀的立體結構示意圖；

圖3為本發明用于任意角度巖石破裂面的剪切試驗裝置實施例中巖石試樣模具盒的立體結構示意圖；

圖4為本發明用于任意角度巖石破裂面的剪切試驗裝置實施例中巖石試樣剪切盒的立體結構示意圖；

主要元件符號說明如下：

木質支架11、測試平臺12、試樣放置臺13、矩形通孔14、參照標尺15、鐵質支架16、相機17、上盒21、下盒22、開口23、凸條24、凹槽25、上剪切盒31、下剪切盒32、支耳33、對中缺口34、通孔35、豎向軸力施加機構41、水平剪切力施加機構42、主機5。

具體實施方式

為了使本領域的技術人員可以更好地理解本發明，下面結合附圖和實施例對本發明技術方案進一步說明。

如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發明的用于任意角度巖石破裂面的剪切試驗裝置，包括主機5、剪切試驗機，還包括裂縫面積測量儀、巖石試樣模具盒、巖石試樣剪切盒，巖石試樣模具盒與巖石試樣剪切盒相匹配，主機5與剪切試驗機電連接，剪切試驗機包括豎向軸力施加機構41和水平剪切力施加機構42；

裂縫面積測量儀包括木質支架11，木質支架11上設有測試平臺12和試樣放置臺13，試樣放置臺13位于測試平臺12的下方，測試平臺12的中心位置設有矩形通孔14，矩形通孔14的外圍設有參照標尺15，測試平臺12的上表面設有鐵質支架16，鐵質支架16上可拆卸連接有相機17，相機17與矩形通孔14相對應；

巖石試樣模具盒包括上盒21和下盒22，上盒21與下盒22可拆卸連接，上盒22的上表面和下表面均設有開口23，下盒22的上表面設有開口23；

巖石試樣剪切盒包括上剪切盒31和下剪切盒32，上剪切盒31和下剪切盒32相對稱，上剪切盒31和下剪切盒32的左右兩側面均設有支耳33、前后兩側面均設有對中缺口34。

作為本發明的優選方案，上盒21的下端設有凸條24，下盒22的上端設有與凸條24相匹配的凹槽25，這樣的設計，在剪切試樣的制作步驟中可以使上盒21與下盒22更好的配合使用。實際上，也可以根據具體情況考慮使上盒21與下盒22更好的配合使用的結構。

作為本發明的優選方案，巖石試樣模具盒為木質材料或橡膠材料，這樣的設計，可以使巖石試樣模具盒重復利用，成本較低。實際上，也可以根據具體情況考慮巖石試樣模具盒的材質。

作為本發明的優選方案，巖石試樣剪切盒的長度尺寸*高度尺寸*寬度尺寸為240mm×230mm×110mm，這樣的設計，可以使巖石試樣剪切盒的體積適中，體積過大導致巖石試樣過重，不宜檢測，體積過小，對于相對較大的巖石，則不能檢測。實際上，也可以根據具體情況考慮巖石試樣剪切盒的長度尺寸、高度尺寸和寬度尺寸。

作為本發明的優選方案，巖石試樣剪切盒的內部長度尺寸*高度尺寸*寬度尺寸為200mm×200mm×100mm，這樣的設計，使巖石試樣剪切盒能夠更好的使用。實際上，也可以根據具體情況考慮，巖石試樣剪切盒內部的長度尺寸、高度尺寸和寬度尺寸。

作為本發明的優選方案，支耳33上設有通孔35，這樣的設計，能夠更加方便的搬運巖石試樣剪切盒。實際上，也可以根據具體情況考慮能夠更加方便的搬運巖石試樣剪切盒的結構。

用于任意角度巖石破裂面的剪切試驗裝置的試驗方法，包括巖石破裂面面積的測量步驟、剪切試樣的制作步驟、巖石裂縫抗剪強度測量步驟；

所述巖石破裂面面積的測量步驟包括以下步驟，

步驟一：安裝裂縫面積測量儀和相機17，調整相機17和測試平臺12水平，且使相機17的鏡頭與矩形通孔14相對應；

步驟二：將需要測量的巖石試件放在試樣放置臺13上，并與矩形通孔14相對應，調整好距離和角度，使裂縫面與測試平臺12面在一個平面上，然后進行拍照，拍照的同時應保證參照標尺15全部都在鏡頭范圍內；

步驟三：重復所述步驟二，直至將所有的巖石試件進行拍照記錄；

步驟四：將所有巖石試件的圖片導入cad中，描繪其邊界線，通過對比參照標尺15上的刻度換算出試驗試件的裂縫面面積；

所述剪切試樣的制作步驟包括以下步驟：

步驟a：在巖石試樣模具盒的下盒22中放入一層塑料薄膜，將薄膜平鋪均勻，倒入型號為m10的水泥砂漿至下模具盒半刻度線位置，放上巖石試樣，并調整其角度和高度，使得破裂面剛好處于水平且距離下盒22頂面和上盒21各5mm處，同時夾住巖石試樣，防止其下沉；

步驟b：繼續向下模具盒添加水泥砂漿，待水泥砂漿表面于下盒22處于同一水平面即可；

步驟c：將所述步驟b中下盒22內的水泥砂漿初凝1.5h～2.5h，然后在稍凝固的水泥砂漿表面平鋪一層塑料薄膜，平鋪均勻，然后均勻放入橡皮泥，使橡皮泥填充砂漿頂面與下下盒22頂面的空間，用手充分揉勻填實，并使表面平整；

步驟d：然后在橡皮泥表面鋪上一層塑料薄膜，將上盒21扣入下盒22，使兩模具盒貼合緊密，然后從上盒21頂面的開口23向上盒21灌注水泥砂漿，使水泥砂漿液面與上盒21的頂面齊平即可，并用鏟子刮去巖石試樣模具盒表面的砂漿；

步驟e：將制作好的模型放入標準溫度和濕度環境進行養護，養護時間不少于一周，待水泥砂漿強度達到要求強度時，取出試樣，用刀子掏去模型中間的橡皮泥；

步驟f：重復上述步驟a～步驟e，制作多個巖石試樣；

所述巖石裂縫抗剪強度測量步驟包括以下步驟：

步驟a：將經過所述剪切試樣的制作步驟制作好的巖石試樣放入下剪切盒32中，調整好角度和位置，再扣上上剪切盒31，調整位置并對中；

步驟b：將巖石試樣及巖石試樣剪切盒整體搬到剪切試驗機上，并放置在指定的剪切位置；

步驟c：打開剪切試驗機，通過豎向軸力施加機構41施加軸向壓力，待軸向壓力達到設計值時，通過水平剪切力施加機構42施加水平剪切力，此時在主機5上可以繪出巖石剪切過程的應力應變曲線。

巖石在剪切荷載作用下達到剪切破壞前所能承受的最大切應力成為巖石的抗剪強度，巖石抗剪強度的表征指標是c和內摩擦角

巖石剪切強度計算公式：

式中：

剪切面的正應力/mpa

τ：剪切面的剪切應力/mpa

n：試件預加的法向應力/n

a：剪切面面積/mm²

t：試件破壞時的水平剪力/kn

通過對不同法向應力條件下得到巖石承受的水平剪切強度，可以畫出巖石抗剪強度曲線，進而得到巖石的內聚力c和內摩擦角

剪切面面積的計算公式：

式中：

l：巖石在標尺上的長度/mm

lc：與標尺長度對應的cad中測量長度/mm

ac：試塊截面在cad中的測量面積/mm²

a：試塊剪切面實際面積/mm²

本實施例中，通過巖石破裂面面積的測量步驟可以得到試塊剪切面實際面積/mm²，然后通過剪切試樣的制作步驟制作巖石試樣，在巖石裂縫抗剪強度測量步驟中通過水平剪切力施加機構42施加水平剪切力，使主機5上可以繪出巖石剪切過程的應力應變曲線，進而得到巖石的內聚力c和內摩擦角

本發明通過巖石試樣模具盒可以對任意形狀、任意破裂角度的巖石進行制樣；巖石試樣模具盒制作簡單，巖石試樣可通過模具盒成型，一次可以成型大量的巖石試樣，操作簡單，節約時間；巖石試樣模具盒可以重復利用，節約成本；本發明的試驗方法利用相機對裂縫進行拍照，然后導入cad中，利用標尺上的刻度進行換算，最后換算成實際面積，使得到的面積精確度高，使測量結果更準確；與先前做剪切試驗方法不同，先前做剪切試驗時，會先交巖石試樣交于工廠加工成標準尺寸的試樣，這其中會對巖石裂縫本身產生很大影響，并成本很高，本發明的試驗方法可以批量制作巖石試樣，巖石試樣成型后，取掉模具可直接用于壓剪試驗，然后批量進行剪切試驗，工作簡單，成本很低。

上述實施例僅示例性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。