用于类岩石试件人工裂缝加工的实验装置及其实验方法与流程

本发明属于室内岩石实验技术领域，涉及一种用于类岩石试件人工裂缝加工的实验装置，本发明还涉及上述实验装置的实验方法。

背景技术：

岩体结构由岩块和结构面组成，岩体结构特征影响并决定了岩体的变形破坏过程及其破裂特征。结构面的存在，不仅影响着偏应力条件下试件的变形过程，也为试件发生瞬间脆性断裂提供了条件。此外，结构面和岩块在孔隙结构特征上存在量级上的差异，是流体(油气体、水体、溶质)介入岩体并促成多场耦合效应萌生或发展的主要通道，结构面的展布形态对于试验结果具有重要影响。要依托室内三轴实验研究多场耦合条件下岩体的变形过程与破裂特征，则需要实现试件人工裂缝添加技术。

目前，室内三轴实验中类岩石含裂纹试件的制作主要通过两种方法来实现。一种是依托单轴压缩致裂的方式实现，相应试件裂纹呈无规则状态分布、离散性大，同时存在人为加载致裂形成了无法评价或区分的结构特征。另一种是通过切割机切削的方式实现，存在切割过程中试件易于破坏，切割深度无法控制，展布形态单一且规则性差的特点。针对类岩石试件加工人工裂缝的方式，不仅会影响试件的宏细观结构特征和力学特性，还存在无法加工特征裂缝(模拟结构面)及切割过程试件损耗大的缺点。

用于室内三轴实验的类岩石试件多数为均质且无明显规则裂纹的试件(高度×直径＝100mm×50mm)。鉴于试件具有尺寸较小、尺寸效应明显，且岩石或混凝土等类岩石材料脆性断裂特征明显，针对试件研究人工裂缝添加技术，对于依托室内三轴实验研究结构特征对试件变形破坏过程与破裂特征的影响具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于类岩石试件人工裂缝加工的实验装置，解决了现有技术中难于对目标试件进行人工裂缝加工的问题。

本发明的另一个目的是提供一种用于类岩石试件人工裂缝加工的实验方法。

本发明所采用的技术方案是，用于类岩石试件人工裂缝加工的实验装置，包括上半圆含切缝的钢管，试件位于钢管内，钢管内部设有两根顶托杆，两根顶托杆分别从钢管的两端伸进管体内，每根顶托杆的一端端部固接有固定块，两根顶托杆上的固定块分别设置在试件两端，每根顶托杆的杆体的下端依次设有若干螺栓A，两个固定块之间的钢管管体上设有至少三个用于支撑试件的螺栓B。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

其中钢管上的不同长度区域内设有不同倾角及相应倾角组合的切缝。

其中钢管的管体通过至少四个支架支撑，其中两个支架分别位于钢管的两端，另外两个支架分别设置在试件两端对应的钢管处。

其中支架包括半圆形架体A和半圆形架体B，半圆形架体A的两端和半圆形架体B的两端分别通过螺栓C连接成整圆，钢管穿套在架体A和架体B组成的整圆内，架体A的下端设有L形支座。

其中顶托杆为空心半圆形，固定块为实心圆形，顶托杆连接在固定块的上半圆上，螺栓A从钢管的底部进入钢管内部，并顶在顶托杆的底部。

其中顶托杆的底部中心处设有凹槽，螺栓A顶在凹槽内。

本发明所采用的另一个技术方案是，用于类岩石试件人工裂缝加工的实验方法，具体包括如下过程：

步骤1，选择拟进行人工裂缝加工的试件，测量其直径，以作为切向固定试件的参考数据；

步骤2，将涂抹有润滑剂的试件放置在上半圆含切缝的钢管内部，根据所要制作人工裂缝的倾角，将试件放置在钢管中对应切缝倾角的位置处；

步骤3，将两个固定块分别顶在试件的两端，将螺栓A顶在凹槽内对顶托杆进行支撑，对试件进行轴向固定；将螺栓B从钢管的底部穿入并顶在试件的底部，对试件进行径向固定；

步骤4，分别在钢管的两端及钢管中试件的两端设置支架；

步骤5，根据人工裂缝的切割深度，确定岩石切割钻头的切割深度；

步骤6，根据步骤2确定的人工裂缝倾角，将岩石切割钻头沿着钢管上的既定切缝对试件的上半幅进行人工裂缝加工；

步骤7，完成试件上半幅切割后，分别松开螺栓A和螺栓B，将试件从钢管中取出并调转试件方向，重复步骤3～6，对试件的另外半幅进行人工裂缝加工；

步骤8，取出试件，检查人工裂缝的制作效果及试件的完整性。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

其中润滑剂为凡士林。

本发明的有益效果是，本装置是在钢管上事先加工好不同倾角的切缝，然后将试件放入钢管中，两个固定块分别通过顶托杆对试件的两端进行支撑，分别通过螺栓A和螺栓B对试件进行轴向和径向定位。然后采用岩石切割钻头沿着钢管上的切缝向内深加工，从而完成对试件人工裂缝的加工，解决了现有技术中难于对目标试件进行人工裂缝加工的问题。

附图说明

图1是本发明用于类岩石试件人工裂缝加工的实验装置的主视图；

图2是图1中A-A方向的剖视图；

图3是图1中B-B方向的剖视图；

图4是本发明用于类岩石试件人工裂缝加工的实验装置中支架的结构示意图；

图5是本发明用于类岩石试件人工裂缝加工的实验装置中含有不同倾角切缝组合的钢管的俯视图；

图6是本发明用于类岩石试件人工裂缝加工的实验装置中另一种含有不同倾角切缝组合的钢管的俯视图。

图中，1.钢管，2.顶托杆，3.固定块，4.试件，5.螺栓A，6.螺栓B，7.切缝，8.架体A，9.架体B，10.螺栓C，11.支座，12.凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明用于类岩石试件人工裂缝加工的实验装置，结构如图1～3所示，包括上半圆含切缝的钢管1，钢管1内部设有两根顶托杆2，两根顶托杆2分别从钢管1的两端伸进(钢管1)管体内，每根顶托杆2的一端端部固接有固定块3，两根顶托杆2上的固定块3分别设置在试件4两端，每根顶托杆2的杆体的下端依次设有若干螺栓A5，两个固定块3之间的钢管1管体上设有至少三个用于支撑试件4的螺栓B6。

调节试件4在钢管1中的位置时，先松开螺栓A5和螺栓B6，沿着钢管1的轴线方向，通过两个顶托杆2的配合，一个顶托杆2通过固定块3推着试件4及另一个固定块3、顶托杆2向所要加工的切缝所在方向走，待试件4到达钢管1内对应倾斜的切缝处时，拧紧螺栓A5和螺栓B6，将试件4沿轴向和径向固定住，然后采用岩石切割钻头沿着切缝对试件4进行切割。

其中钢管1的管体通过至少四个支架支撑，其中两个支架分别位于钢管的两端，另外两个支架分别设置在试件4两端对应的钢管1处。

如图4所示，支架包括半圆形架体A8和半圆形架体B9，半圆形架体A8的两端和半圆形架体B9的两端分别通过螺栓C10连接成整圆，钢管1穿套在架体A8和架体B9组成的整圆内，架体A8的下端设有L形支座11。

顶托杆2为空心半圆形，固定块3为实心圆形，顶托杆2连接在固定块3的上半圆上，螺栓A5从钢管1的底部进入钢管1内部(钢管1上开设有螺纹孔，螺栓A5穿过螺纹孔进入钢管1内)，并顶在顶托杆2的底部。

其中顶托杆2的底部中心处设有凹槽12，螺栓A5顶在凹槽12内。

钢管1上不同长度区域内设有不同倾角及相应倾角组合的切缝7。如图5所示，钢管1上表面的不同长度区间内分别加工有倾角为15°、30°及45°的切缝。如果要在试件4表面加工倾角为15°的裂缝，就将试件4放在钢管1上倾角15°对应的位置处；如果要在试件4表面加工倾角为30°的裂缝，就将试件4放在钢管1上倾角30°对应的位置处；如果要在试件4表面加工倾角为45°的裂缝，就将试件4放在钢管1上倾角45°对应的位置处。

钢管1上不同长度区域内设有不同倾角及相应倾角组合的切缝7。如图6所示，钢管1上表面的不同长度区间内分别加工有倾角为60°、75°及90°的切缝。如果要在试件4表面加工倾角为60°的裂缝，就将试件4放在钢管1上倾角60°对应的位置处；如果要在试件4表面加工倾角为75°的裂缝，就将试件4放在钢管1上倾角75°对应的位置处；如果要在试件4表面加工倾角为90°的裂缝，就将试件4放在钢管1上倾角90°对应的位置处。

本发明用于类岩石试件人工裂缝加工的实验方法，具体包括如下过程：

步骤1，选择拟进行人工裂缝加工的试件4，测量其直径，以作为切向固定试件的参考数据；

步骤2，将涂抹有润滑剂(润滑剂为凡士林，凡士林既可起到润滑作用，方便试件装入钢管，同时，还具有封闭作用，既可以防止试件因水流流失而造成的自然开裂，还可以减弱因试件饱和度减小而导致的试件细观结构损伤)的试件4放置在上半圆含切缝的钢管1内部，根据所要制作的人工裂缝倾角，将试件4放置在钢管1中对应倾角切缝的位置处；

步骤3，将两个固定块3分别顶在试件4的两端，将螺栓A5顶在凹槽12内对顶托杆2进行支撑，从而对试件4进行轴向固定；将螺栓B6从钢管1的底部穿入并顶在试件4的底部，对试件4进行径向固定；

步骤4，分别在钢管1的两端及钢管1中试件4的两端设置支架；

步骤5，根据人工裂缝的切割深度，确定岩石切割钻头的切割深度；

步骤6，根据步骤2确定的人工裂缝倾角，将岩石切割钻头沿着钢管1上的既定缝隙对试件4的上半幅(即上半部分)进行人工裂缝加工；

步骤7，完成试件4的上半幅切割后，分别松开螺栓A5和螺栓B6，将试件4从钢管1中取出并调转试件4方向，重复步骤3～6，对试件4的另外半幅(另一半)进行人工裂缝加工，试件4本身为圆柱状，试件4的上半部分为上半幅，试件4的下半部分为下半幅；

步骤8，取出试件4，检查人工裂缝的制作效果及试件的完整性。

本发明用于类岩石试件人工裂缝加工的实验装置的特点为，能够实现对试件不同倾角(或不同倾角组合)人工裂缝的加工。既可实现单条人工裂缝的制作，也可实现网络型裂缝的制作。本发明在基于类岩石材料脆性特征和标准试件尺寸特征的基础上，针对标准试件制作困难且规则含裂纹试件难于制作的特点，提出依托含切缝模具制作含裂纹试件的实验方法，相应实施方案对于减少试样耗损、实现特征裂缝(模拟结构面)制作，以及有效控制裂缝深度等试件加工方案的改进具有重要意义。