一种静载与水压耦合作用破岩的试验装置及其使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种静载与水压耦合作用破岩的试验装置及其使用方法，将裂隙岩体试件放置于试台和压头之间，静载荷通过压头施加于裂隙岩体试件。金属接头内端面埋于裂隙岩体试件裂隙内部，通过连接软管将手动加压泵与金属接头相连接。连接软管上安装压力表；平行于裂隙岩体试件裂隙方向，上下两侧黏贴大尺寸应变片，应变片连接应变箱，应变箱接入计算机；同时，压力表通过模数转换器与计算机相连，压头直接接入计算机。本发明是一种实现对水压力作用下深部裂隙岩体强度及稳定性的研究的静载与水压耦合作用破岩的试验装置及其使用方法。结构简单，易于加工，便于操作。
【专利说明】
一种静载与水压耦合作用破岩的试验装置及其使用方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种破岩的试验装置，特别是一种静载与水压耦合作用破岩的试验装置。本发明还涉及该静载与水压耦合作用破岩的试验装置的使用方法。
【背景技术】
[0002]矿山开采及隧道开挖等许多岩土工程中，存在大量深部岩石力学工程。开挖等人为因素或自然因素，改变了深部岩体的应力平衡状态，使深部岩体弹性应变能得到释放，岩体中原有微裂隙扩展，并使相邻裂纹贯通，影响深部岩体稳定性，使矿山开采及隧道开挖等岩土工程存在安全隐患。
[0003]此外，深部岩体开挖中存在着大量地下水，其大大增加了深部岩体开挖难度。当深部岩体开挖到一定阶段，原有裂纹扩展、贯通，当裂隙与地下水相连后，地下水将快速进入裂隙。在裂隙内部，地下水将对裂隙产生正应力，从而影响裂隙岩体原有应力分布，从而加速裂隙的扩展。因此，明确水压力对裂纹扩展作用，对分析裂隙岩体稳定性有重要的作用。
[0004]同时，由于深部岩体取样较难，含裂隙完整试样制作困难，目前许多学者均采用水泥、石膏等相似材料模拟深部岩体的力学性状。但深部工程所遇到岩体的实际力学性能与相似材料的力学性能依然存在着很大的差别，因此运用相似材料所进行的力学试验不能完全反应深部岩体应有的力学状态。故直接运用实际岩体直接测试水压力对裂隙岩体强度的影响显得更加重要。
【发明内容】
[0005]地下水对深部裂隙岩体的作用包括化学作用、物理作用及力学作用。化学作用中，地下水与接触岩体产生化学反应，使深部岩体力学性能产生弱化，对岩体节理表面产生腐蚀，使得岩石节理表面形貌发生变化，从而降低岩石的内摩擦角和粘结系数。深部地下水产生的力学性能主要表现为:当深部岩体微裂纹扩展贯通后，地下水将通过已联通裂纹进入裂隙内部，在裂纹内部产生水压力，从而改变裂隙岩体的受力状态。此时，由于岩体埋藏于地下深部，主要将受到上层岩体重力产生的压应力以及周围岩体在地应力作用下产生的压应力，即深层岩体主要处于受压状态下。在该状态下，地下水通过贯通裂隙进入岩体内部，由于地下水的流动性，将充满整个裂隙，此时地下水将会在裂隙表面产生垂直于裂隙面，并且指向岩体内部的正应力。由于该正应力的作用方向与深部岩体受到的压应力方向相反，故地下水的存在减小了裂隙面上的有效应力，即阻止裂纹扩展的有效应力被减少，从而导致裂纹的进一步扩展以及贯通，最终影响深部岩体的整体稳定性。
[0006]本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种实现对水压力作用下深部裂隙岩体强度及稳定性的研究的静载与水压耦合作用破岩的试验装置。
[0007]本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种该静载与水压耦合作用破岩的试验装置的使用方法。
[0008]为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的静载与水压耦合作用破岩的试验装置，包括静载加载装置、水压加载装置以及加载过程中数据同步采集及存储显示装置;所述的静载加载装置包括试台和压头，裂隙岩体试件放置于所述的试台和所述的压头之间，静载荷通过所述的压头施加于所述的裂隙岩体试件，所述的压头与所述的试台之间的平面保持平行;所述的水压加载装置包括金属接头、连接接头、连接软管和加压栗，所述的金属接头的内端面埋于所述的裂隙岩体试件的裂隙内部，外端面与所述的连接接头的一端口紧密相连，所述的连接接头的另一端口通过连接软管与加压栗的出水管相连;所述的加载过程中数据同步采集及存储显示装置包括:所述的裂隙岩体试件上平行于所述的裂隙方向上下两侧黏贴有应变片，所述的应变片通过导线与应变箱连接，所述的应变箱接入计算机;所述的连接软管上安装有压力表，所述的压力表的信号连入模数转换器，所述的模数转换器接入所述的计算机;所述的压头通过控制线路直接与所述的计算机相连，控制所述的压头的加载速率及大小。
[0009]所述的压头为平板型压头或剪切型压头。
[0010]所述的加压栗为手动加压栗。
[0011]所述的金属接头上截面细小，与所述的连接接头接口大小吻合，下截面外尺寸与所述的裂隙岩体试件上预制的裂隙尺寸相吻合。
[0012]所述的金属接头的外端面通过螺丝扣方式与所述的连接接头的一端口紧密相连。
[0013]所述的加压栗的施加压力为l-5MPa。
[0014]为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的静载与水压耦合作用破岩的试验装置的使用方法，具体步骤包括:
[0015]—、试件加工:在实验室中运用切石机将岩块切割成试验所需尺寸的裂隙岩体试件，并在裂隙岩体试件的裂纹预设位置用水刀切割形成裂隙；
[0016]二、试验前期准备:将金属接头内端面埋置于已加工完成的裂隙岩体试件的裂隙中，并将金属接头与裂隙连接处及周边密封，之后在平行于裂隙岩体试件的裂隙方向上下两侧黏贴应变片，最后将裂隙岩体试件放置于试台上，将应变片用导线与应变箱连接，同时将金属接头通过连接软管和加压栗相连；
[0017]三、试验阶段:首先通过计算机控制压头对裂隙岩体试件施加一定程度的轴向压力；然后利用水压加载装置对裂隙岩体试件施加水压力，并通过加压栗控制水压维持恒定值;之后继续通过静载加载装置对裂隙岩体试件施加轴向压力，直到裂隙岩体试件破坏;加载过程中，通过数据同步采集系统实时记录压力、变形等相关试验数据。
[0018]所述的裂隙岩体试件为立方体形。
[0019]所述的裂隙岩体试件的所述的裂隙的倾角为0-180°。
[0020]水压加载前加载的轴向压力用来固定所述的裂隙岩体试件的位置，其值小于所述的裂隙岩体试件的弹性极限。
[0021]采用上述技术方案的静载与水压耦合作用破岩的试验装置及其使用方法，能测量多种试验参数。具体试验参数有:
[0022]1.相同水压作用下含不同倾角裂隙岩体试件的抗压强度及峰值载荷。
[0023]2.不同水压作用下含相同倾角裂隙岩体试件的抗压强度及峰值载荷。
[0024]3.每个裂隙岩体试件裂隙的起裂时间及起裂载荷。
[0025]通过分析上述测量数据，可以分析得出在水压力相同的时候，哪种裂隙倾角更容易产生破坏;在裂隙倾角相同时，水压力为何值时更容易引起裂隙岩体的失稳破坏；以及不同裂隙倾角、不同水压力作用下，当裂隙岩体处于多大的压应力状态下，裂隙岩体的裂隙开始扩展等相关结论。同时，可将试验结论运用于工程实际。在实际施工过程中，应避开最不利倾角位置以及通过其他方法减小或增大水压力以确定裂隙岩体在施工过程中处于可预见的最稳定状态。
[0026]本模拟静载与水压耦合作用破岩的试验装置及方法有以下优点:
[0027]1.压头设置为平板型压头和剪切型压头，可同时模拟岩体受到轴向载荷和剪切载荷作用时的受力状态。
[0028]2.由于金属接头直接埋于裂隙岩体试件裂隙内部，可直接将水压力作用于裂隙岩体试件裂隙内部，保证水压力对裂隙的作用效果。
[0029]3.试验装置简单，容易制备，无需对大型岩石力学试验机进行改装，试验装置成本低。
[0030]本发明模拟静载与水压耦合作用破岩的试验装置解决了在实验室条件下，研究水压与静载共同作用下岩石力学性能的测定工作。同时，该模拟试验装置机构简单、合理，易于制造，操作简单，为实验室内研究静载与水压耦合作用对裂隙岩体强度的影响提供了试验基础。
[0031]综上所述，本发明是一种实现对水压力作用下深部裂隙岩体强度及稳定性的研究的静载与水压耦合作用破岩的试验装置及其使用方法。
【附图说明】
[0032]图1为本发明的静载与水压耦合作用破岩的试验装置的结构示意图。
[0033]图2为静载与水压耦合作用破岩的试验装置的金属接头处示意图。
[0034]图3为静载与水压耦合作用破岩的试验装置的一种压头示意图。
[0035]图4为静载与水压耦合作用破岩的试验装置的另一种压头示意图。
[0036]图中:1-试台、2-压头、3-裂隙、4-应变片、5-裂隙岩体试件、6_金属接头、7_连接软管、8-压力表、9-手动加压栗、10-应变箱、11-计算机、12-L形软管连接接头、13-模数转换器、21-平板型压头、22-剪切型压头。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图和实施例对本发明一种静载与水压耦合作用破岩的试验装置及方法做进一步说明。
[0038]—种静载与水压耦合作用破岩的试验装置，在实验室内，分析裂隙岩体现场考察所得信息，通过对裂隙产状、倾角及长度等内容分析，确定岩体裂隙的分布特征。根据岩体裂隙分布特征，确定实验室模拟岩样裂隙倾角、长度、条数等模拟信息。
[0039]根据现场水利调查报告，确定裂隙岩体所处环境水利条件，从而确定模拟水压力及围压范围。
[0040]参见图1、图2、图3和图4，静载与水压耦合作用破岩的试验装置，包括静载加载装置、水压加载装置以及加载过程中数据同步采集及存储显示装置;静载加载装置包括试台I和压头2，压头2有平板型压头21和剪切型压头22两种类型;裂隙岩体试件5放置于试台I和压头2之间，静载荷通过压头2施加于裂隙岩体试件5，在加载过程中，压头2与试台I之间的平面保持平行。
[0041]所述的水压加载装置包括金属接头6、L形软管连接接头12、连接软管7和手动加压栗9，金属接头6上截面细小，与L形软管连接接头12接口大小吻合，下截面外尺寸与裂隙岩体试件5上预制的裂隙3尺寸相吻合。金属接头6内端面埋于裂隙岩体试件5的裂隙3内部，夕卜端面通过螺丝扣方式与L形软管连接接头12的一端口紧密相连，L形软管连接接头12的另一端口通过连接软管7与手动加压栗9的出水软管相连；
[0042]加载过程中数据同步采集及存储显示装置包括:裂隙岩体试件5上平行于裂隙3方向上下两侧黏贴有应变片4，应变片4通过导线与应变箱10连接，应变箱10接入计算机11;连接软管7上安装有压力表8，压力表8，测定加载水压力大小，水压力可施加值为l-5MPa。压力表8的信号连入模数转换器13，模数转换器13接入计算机11;压头2通过控制线路直接与计算机11相连，控制压头2的加载速率及大小。
[0043]参见图1、图2、图3和图4，静载与水压耦合作用破岩的试验装置的使用方法，具体步骤包括:
[0044]第一步、试件加工:在实验室中运用切石机将岩块切割成尺寸为20X 15 X 1cm的立方体形的裂隙岩体试件5，并在裂隙岩体试件5的中心位置用水刀切割形成倾角为0-180°的裂隙3，优选倾角为30°;
[0045]第二步、试验前期准备:
[0046]将金属接头6内端面埋置于已加工完成的裂隙岩体试件5的裂隙3中，并将金属接头6与裂隙3连接处及周边密封，之后在平行于裂隙岩体试件5的裂隙3方向上下两侧黏贴1cm长度的应变片4，最后将裂隙岩体试件5放置于试台I上，将应变片4用导线与应变箱10连接，同时将金属接头6通过连接软管7和手动加压栗9相连；
[0047]第三步、试验阶段:
[0048]首先通过计算机11控制压头2对裂隙岩体试件5施加一定程度的轴向压力，将裂隙岩体试件5位置固定，然后利用水压加载装置对裂隙岩体试件5施加水压力，并通过手动加压栗9控制水压维持恒定值;之后继续通过静载加载装置对裂隙岩体试件5施加轴向压力，直到裂隙岩体试件5破坏;加载过程中，通过数据同步采集系统实时记录压力、变形等相关试验数据。
[0049]水压加载前加载的轴向压力用来固定裂隙岩体试件5的位置，其值小于所述的裂隙岩体试件5的弹性极限。
[0050]以上所述仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其他变型，也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种静载与水压耦合作用破岩的试验装置，包括静载加载装置、水压加载装置以及加载过程中数据同步采集及存储显示装置;其特征在于:所述的静载加载装置包括试台(I)和压头(2)，裂隙岩体试件(5)放置于所述的试台(I)和所述的压头(2)之间，静载荷通过所述的压头(2)施加于所述的裂隙岩体试件(5)，所述的压头(2)与所述的试台(I)之间的平面保持平行;所述的水压加载装置包括金属接头(6)、连接接头、连接软管(7)和加压栗，所述的金属接头(6)的内端面埋于所述的裂隙岩体试件(5)的裂隙(3)内部，外端面与所述的连接接头的一端口紧密相连，所述的连接接头的另一端口通过连接软管(7)与加压栗的出水管相连;所述的加载过程中数据同步采集及存储显示装置包括:所述的裂隙岩体试件(5)上平行于所述的裂隙(3)方向上下两侧黏贴有应变片(4)，所述的应变片(4)通过导线与应变箱(1)连接，所述的应变箱(1)接入计算机(11);所述的连接软管(7)上安装有压力表(8)，所述的压力表(8)的信号连入模数转换器(13)，所述的模数转换器(13)接入所述的计算机(11);所述的压头(2)通过控制线路直接与所述的计算机(11)相连，控制所述的压头(2)的加载速率及大小。2.根据权利要求1所述的静载与水压耦合作用破岩的试验装置，其特征在于:所述的压头(2)为平板型压头(21)或剪切型压头(22)。3.根据权利要求1或2所述的静载与水压耦合作用破岩的试验装置，其特征在于:所述的加压栗为手动加压栗(9)。4.根据权利要求1或2所述的静载与水压耦合作用破岩的试验装置，其特征在于:所述的金属接头(6)上截面细小，与所述的连接接头接口大小吻合，下截面外尺寸与所述的裂隙岩体试件(5)上预制的裂隙(3)尺寸相吻合。5.根据权利要求1或2所述的静载与水压耦合作用破岩的试验装置，其特征在于:所述的金属接头(6)的外端面通过螺丝扣方式与所述的连接接头的一端口紧密相连。6.根据权利要求1或2所述的静载与水压耦合作用破岩的试验装置，其特征在于:所述的加压栗的施加压力为l-5MPa。7.使用权利要求1-6之一所述的静载与水压耦合作用破岩的试验装置的方法，其特征在于:具体步骤包括: 一、试件加工:在实验室中运用切石机将岩块切割成试验所需尺寸的裂隙岩体试件(5)，并在裂隙岩体试件(5)的裂纹预设位置用水刀切割形成裂隙(3); 二、试验前期准备:将金属接头(6)内端面埋置于已加工完成的裂隙岩体试件(5)的裂隙(3)中，并将金属接头(6)与裂隙(3)连接处及周边密封，之后在平行于裂隙岩体试件(5)的裂隙(3)方向上下两侧黏贴应变片(4)，最后将裂隙岩体试件(5)放置于试台(I)上，将应变片(4)用导线与应变箱(10)连接，同时将金属接头(6)通过连接软管(7)和加压栗相连； 三、试验阶段:首先通过计算机(11)控制压头(2)对裂隙岩体试件(5)施加一定程度的轴向压力;然后利用水压加载装置对裂隙岩体试件(5)施加水压力，并通过加压栗控制水压维持恒定值;之后继续通过静载加载装置对裂隙岩体试件(5)施加轴向压力，直到裂隙岩体试件(5)破坏;加载过程中，通过数据同步采集系统实时记录压力、变形等相关试验数据。8.根据权利要求7所述的使用静载与水压耦合作用破岩的试验装置的方法，其特征在于:所述的裂隙岩体试件(5)为立方体形。9.根据权利要求7或8所述的使用静载与水压耦合作用破岩的试验装置的方法，其特征在于:所述的裂隙岩体试件(5)的所述的裂隙(3)的倾角为0-180°。10.根据权利要求7或8所述的使用静载与水压耦合作用破岩的试验装置的方法，其特征在于:水压加载前加载的轴向压力用来固定所述的裂隙岩体试件(5)的位置，其值小于所述的裂隙岩体试件(5)的弹性极限。
【文档编号】G01N3/58GK106092757SQ201610452297
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】曹平, 郝瑞卿, 靳瑾, 王 华, 董力玮
【申请人】中南大学