用于岩石抗剪强度测试的岩石试样及其测试方法与流程

本发明属于岩石材料性能测试技术领域，特别涉及一种用于测试岩石抗剪强度的岩石试样以及基于该试样的抗剪切强度测试方法。

技术背景

岩石的抗剪强度是指岩石抵抗剪切破坏的能力。在实际工程中，岩石通常处于复杂的受力状态，工程岩体的破坏往往不是简单的压碎和拉裂，而常常发生宏观剪切破坏。因此，研究岩石的抗剪强度及其测试方法具有重要的理论价值与工程应用价值。目前测定岩石材料抗剪性能主要采用直接剪切试验、楔形剪切试验和三轴试验。直接剪切试验主要优点是简单方便，不需要特殊设备，同一试样可以重复利用，提高材料利用率，但试样受剪面积上的应力分布不均匀，如果所加水平力偏离剪切面，则会引起弯矩，导致试验结果误差较大。楔形剪切试验要求试样为立方体形式，利用楔形剪切仪进行抗剪试验。该方法可以得到不同法向应力作用下的剪应力值，进而得到内摩擦角和凝聚力值。但该方法对试样的加工要求较高，如果立方体试样加工不够精密，即立方体的形状不规则，则会引起剪切面上应力分布不均匀，发生应力集中，致使试样不沿预定的剪切面破坏，达不到剪切试验要求。三轴试验是测试岩石抗剪强度较好的方法，但设备昂贵，测试时间长，因此该方法的推广受到限制。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的第一个目的是提供一种新的用于测试岩石抗剪切强度的具有环形斜切槽的空心圆柱岩石试样，该试样加工简单方便，对试验设备要求低，且能保证应力分布均匀，岩石受压过程中沿斜切槽方向发生剪切破坏，本发明的第二个发明目的是提供利用上述具有环形斜切槽的空心圆柱岩石试样进行岩石抗剪切强度测试的方法，以快速、简单、准确的得到岩石的剪切强度。

针对本发明的第一个发明目的，所述岩石试样的本体为中心加工有同轴圆柱孔的空心圆柱，在空心圆柱外圆柱面上加工有环绕外圆柱面一周等结构的斜切槽，过斜切槽的截面与垂直空心圆柱中心轴线的截面成30°～70°倾斜角θ，过斜切槽的截面中心点与空心圆柱中心轴线中点重合。

上述用于岩石抗剪强度测试的岩石试样，所述斜切槽最好为横截面为矩形横截面的斜切槽。

上述用于岩石抗剪强度测试的岩石试样，所述斜切槽的斜高h优选空心圆柱柱高H的0.15～0.25倍。

上述用于岩石抗剪强度测试的岩石试样，所述环形斜切槽的深度t最好为空心圆柱外径D的0.05～0.15倍。

上述用于岩石抗剪强度测试的岩石试样，所述空心圆柱的高度H与外径D的比值优选为2:1。

上述用于岩石抗剪强度测试的岩石试样，所述空心圆柱的内径ψ优选为外径D的0.2～0.5倍。外径优选为50～100mm，高度优选为100～200mm。

针对本发明的第二个目的，本发明提供利用上述岩石试样测试岩石抗剪强度的方法，包括的步骤如下：

(1)以斜切槽倾斜角θ为不同取值，其余尺寸相同的多个岩石试样用作岩石抗剪强度测试；

(2)取一个岩石试样安放在常规岩石试验机上，然后沿试样轴线方向加载，直至试样破坏，记录破坏荷载；

(3)按照步骤(2)的方法，得到不同倾斜角度斜切槽岩石试样的破坏荷载，按式(a)和(b)计算试样破坏时垂直于剪断面的法向应力σ和平行于剪断面的剪切应力τ，绘制σ～τ曲线，从而得到岩石抗剪切强度的指标内摩擦角和凝聚力，

式中：σ为法向应力，τ为剪切应力，P_τ为破坏荷载，θ为斜切槽的倾斜角度。

上述方法中，加载速率最好为0.5～1MPa/s。

上述方法中，用作岩石抗剪强度测的岩石试样的数量不少于5个，斜切槽倾斜角度值相邻的岩石试样的斜切槽倾斜角度的差值不大于10°。

上述方法中，式(a)和式(b)通过以下推导得来：

取如图4的所示的部分为研究对象，当试样达到临界荷载P_τ时，根据平衡条件，可以得到下面两式：

N-P_τcosθ＝0 (1)

Q-P_τsinθ＝0 (2)

式中：P_τ为破坏荷载(N)，N为作用在剪切面上的法向总压力(N)，Q为作用在剪切面上的切向总剪力(N)，θ为环形斜切槽的倾斜角度。

通过式(1)和(2)求得N和Q，再分别除以剪切面积，即得：

试中A为剪切面积(mm²)，A可以通过式(5)计算：

代入式(3)和式(4)即得：

本发明所述用于岩石抗剪强度测试的岩石试样可以通过以下方法加工：

首先用岩石取芯机钻取空心圆柱岩芯，然后用机床将岩芯切割成所需高度的空心圆柱，最后用厚度为2mm的刀片，在圆柱侧面切割所需深度和倾斜角度的环形斜切槽。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明为岩石的抗剪切强度的测试提供了一种新的岩石试样和方法。

2.本发明所述岩石试样加工简单方便，对设备要求低，并且可以保证岩石受压过程中能沿斜切槽方向发生剪切破坏，避免了楔形剪切试验中立方体试样制备的困难，以及立方体试样受剪过程中受剪面积上的应力分布不均匀，应力集中的不足。

3.利用本发明所述岩石试样，通过常规试验装置和简单的操作方法即可获得岩石的抗剪强度指标，即凝聚力和内摩擦角，符合工程要求。

4.本发明所述岩石试样由于具有空心结构，试样两端与试验装置承压板接触面积减小，因承压板与试样之间的摩擦作用而产生的端部效应也得到削弱，从而提高岩石抗剪强度的测试精度。

附图说明

图1为本发明所述用于岩石抗剪强度测试的岩石试样的主视图；

图2为本发明所述用于岩石抗剪强度测试的岩石试样的俯视图；

图3为图1中A-A剖面图；

图4为加载时剪切面的受力示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明所述用于岩石抗剪强度测试的岩石试样及基于该试样的岩石抗剪切强度的测试方法作进一步说明。

实施例1

本实施例中用于岩石抗剪强度测试的岩石试样结构如图1-3所示，所述岩石试样的本体为中心加工有同轴圆柱孔的空心圆柱，在空心圆柱外圆柱面上加工有环绕外圆柱面一周等结构的斜切槽，过斜切槽的截面与垂直空心圆柱中心轴线的截面成倾斜角θ，过斜切槽的截面中心点与空心圆柱中心轴线中点O重合。所述斜切槽为横截面为矩形横截面的斜切槽。

圆柱高度H为100mm，外径D为50mm，内径ψ为20mm，环形斜切槽高度为2mm，深度t为5mm，倾斜角θ分别为：30°、40°、45°、50°、55°、60°、65°。

测试方法：

(1)首先用岩石取芯机钻取外径为50mm，内径为20mm的空心圆柱岩芯，然后用机床将岩芯切割成高度为100mm的空心圆柱，最后用厚度为2mm的刀片，在圆柱侧面切割深度为5mm，倾斜角度为θ的环形斜切槽，得到不同环形斜切槽倾斜角的多个岩石试样；

(2)取一个岩石试样放置于MTS、RMT-150试验机承压板中心，调整球形座，使试件两端面接触均匀(与岩石单轴试验安放方法相同)，然后沿试样轴线垂直加载，加载速率为1MPa/s，直至试样破坏，记录破坏荷载；

(2)按照步骤(2)的方法，得到不同倾斜角度切槽试件的破坏荷载，按式(a)和(b)计算试样破坏时垂直于剪断面的法向应力σ和平行于剪断面的剪切应力τ，绘制τ～σ曲线，从而求得岩石抗剪切强度的指标内摩擦角和凝聚力。

式中：σ为法向应力，τ为切应力，P_τ为破坏荷载，θ为斜切槽倾斜角。