一种不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具的制作方法

专利名称:一种不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具。包括一底板、两个侧壁板和两个侧挡板；两个侧壁板分别固定于底板的相对设置的端部；每个侧壁板的内壁上设有两个平行设置的凹槽；每个侧挡板通过嵌入两个侧壁板上相应位置处的两个凹槽内，固定于底板上，且侧挡板垂直于侧壁板；侧壁板上于凹槽与其边缘之间设有通孔，两个侧壁板上相应位置处的两个通孔之间连接螺栓，且螺栓从侧壁板延伸出；螺栓的两端部通过螺母固定；侧壁板上设有观察孔，观察孔设于两个侧挡板之间。本实用新型解决了对于钻井获取的不规则圆柱形岩心无法在常规剪切试验机上开展剪切试验的困难，能够更加客观准确的对地下岩体裂隙进行分析研究，为地下工程的安全稳定性评价提供了关键的分析参数。
【专利说明】一种不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具，属于石油工程 岩石力学领域。

【背景技术】
[0002] 岩石是地壳和上地幔主要的组成物质。其对地表的上部建构筑物可充当坚固的承 载地基，也对地下的结构形成稳固的掩体。受岩石产状和地质力学等因素的影响，在地下深 埋的掩体中，存在有大量的岩体节理裂隙系统，其发育特征决定了地下岩体的安全与稳定 性。在石油和天然气工业中的钻井及地下硐室的开挖中，广泛涉及到岩体钻进和岩体开挖 成硐等施工过程。在此过程中，岩体的节理裂隙特性控制了施工的安全稳定性。
[0003] 因此，在岩石相关的地下工程可行性研宄及施工方案确定中，必须对地下相关岩 层的岩体力学特性进行准确的判定和分析，尤其是含裂隙岩体的力学特性对工程安全具有 至关重要的控制作用。基于此，在工程勘探过程中，必须钻采地下含节理裂隙的岩体进行岩 石力学试验测试，以确定岩体节理裂隙的力学参数，如节理面的法向刚度、切向刚度、粘聚 力和内摩擦角等。这样才能对地下岩体的安全稳定性做到有效的评价，为工程设计和成功 建造提供可靠的安全保障。
[0004] 目前，广泛采用的岩石节理裂隙参数的测试方法为，利用岩石剪切试验机进行剪 切试验测试。而在试验测试过程中，对岩石试件的形状要求必须为边长100mm、150mm或 200mm的标准立方体试件，而且要求试件目标测试面的法向加载面和切向加载面必须平滑 且平行，否则在加载过程中会出现偏压或应力集中现象，导致测试结果不准确或失败。
[0005] 而采用钻井勘探技术对岩体进行钻探取芯的过程中，只能根据钻井方向来钻取地 下节理面走向各异的含节理裂隙岩体，且受取芯钻头尺寸的控制，使得获得的岩样，尺寸较 小，裂隙面与岩心的轴向呈不同的角度分布，则无法预制成理想的标准岩块开展裂隙参数 测试的剪切试验。 实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的是提供一种不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具，利用 该模具可将小尺寸、不规则岩心试样预制成能够顺利开展剪切试验并能准确测得岩石节理 面力学参数的标准试件。
[0007]本实用新型所提供的不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具，包括一底板、 两个侧壁板和两个侧挡板；
[0008] 两个所述侧壁板分别固定于所述底板的相对设置的端部；每个所述侧壁板的内壁 上设有两个平行设置的凹槽，所述凹槽沿所述侧壁板的竖直方向从其顶部延伸至其底部；
[0009] 每个所述侧挡板通过嵌入两个所述侧壁板上相应位置处的两个所述凹槽内，固定 于所述底板上，且所述侧挡板垂直于所述侧壁板；
[0010] 所述侧壁板上于所述凹槽与其边缘之间设有通孔，两个所述侧壁板上相应位置处 的两个所述通孔之间连接一螺栓，且所述螺栓从所述侧壁板延伸出；所述螺栓的两端部通 过螺母固定；
[0011] 所述侧壁板上设有观察孔，所述观察孔设于两个所述侧挡板之间。
[0012] 所述的模具中，所述侧壁板的外壁与所述底板的端部的边缘位于一条直线上。
[0013] 所述的模具中，所述螺栓上套设有一弹簧，所述弹簧的自由长度大于两个所述侧 壁板之间的垂直间距，以控制所述侧壁板平稳移动并避免向内侧移动，从而方便地控制所 述侧壁板与所述底板之间的配合；
[0014] 所述弹簧刚度系数可选择为10?100N/mm。
[0015] 所述的模具中，所述螺母可为蝶形螺母，以方便手动调整；所述螺栓与所述螺母的 螺距均为〇? 5?2謹。
[0016] 所述的模具中，所述侧挡板与所述底板之间的间隙不超过0. 01mm ;
[0017] 所述凹槽的深度为1?3mm。
[0018] 所述的模具中，所述底板、所述侧壁板和所述侧挡板的厚度一致，且均为5? 10mm ；
[0019] 所述底板、所述侧壁板和所述侧挡板的材质均为钢板，具体如不锈钢，利于延长使 用寿命方便维护保养，降低维修成本。
[0020] 所述的模具中，所述通孔设于所述凹槽与所述侧壁板的边缘之间的中部；
[0021] 所述通孔为螺孔；
[0022] 所述通孔与所述螺栓之间的配合方式为间隙配合或过盈配合。
[0023] 所述的模具中，所述螺栓的长度比两个所述侧壁板的外壁之间的间距大至少 20mm，以方便所述螺母进行固定。
[0024] 所述的模具中，所述螺栓上设有标尺；
[0025] 所述标尺的刻度精度为0. 1?0. 5mm。
[0026] 所述的模具中，所述观察孔为条形通孔；
[0027] 所述观察孔的长度为一个所述侧壁板上的两个所述凹槽之间的横向间距的1/3， 其高度为3?10mm 〇
[0028] 根据常规岩石剪切试验机的规格，本实用新型模具制作标准立方体试件的边长为 100 ?200mm〇
[0029] 本实用新型不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具沿所述底板的纵向中心 线和横向中心线均对称。
[0030] 本实用新型提供的不规则岩体节理面剪切试验试件预制模具的工作方式，即利用 本实用新型模具进行标准试件的预制过程如下：
[0031] 1、首先将两块所述侧壁板竖起，同时将所述侧挡板插入到所述侧壁板上设置的凹 槽中，确保两侧全部吻合；然后将定位螺栓穿过所述侧壁板上设置的螺栓对所述侧壁板进 行固定，根据两个所述侧壁板的距离要求进行所述螺栓的松紧调整，以保证所述侧壁板与 所述底板达到允许的垂直状态。
[0032] 2、采用C50高强混凝土，根据水泥和粉细砂颗粒级配确定标准配合比，调制高强 水泥砂浆，并对每组水泥砂浆进行标准试件（直径50mm，高100mm的圆柱体三轴抗压强度试 验标准试件）预制。通过对养护标准时间的三轴强度试件测试（时间计划根据试验进度进 行安排，最少7天，28天最佳，否则需按照养护时间长短进行折算）确定高强混凝土的强度 指标。
[0033] 3、利用取样后的高强水泥砂浆进行试件浇筑预制：首先在本实用新型模具内灌注 一定量的水泥砂浆（接近预留观测孔的高度范围）作为底层打底砂浆；然后将中间含有节 理裂隙的小尺寸岩心试件放置于水泥砂浆内，确保放置位置准确，岩块裂隙悬露于砂浆外 1?2_，且裂隙面尽可能与砂浆表面平行；将预制的5mm厚泡沫按模具平面和试件间空隙 的形状放置在岩石裂隙面与模具中间进行填充，起到隔离裂隙面与上下层砂浆的作用，目 的使裂隙面处于悬空状态，防止砂浆影响裂隙面的试验测试。处理完成后开始浇筑上层覆 盖砂浆层；最后对上层砂浆层进行抹平处理。
[0034] 4、将预制好的剪切试件预制件以三轴压缩试验的圆柱体标准试件的同等环境 (养护时间、环境温度和湿度基本一致）进行养护。
[0035] 5、待到设计养护时间后，开展剪切试验，测试岩石节理面的强度。
[0036] 6、得到原始试验数据后，利用标准水泥砂浆试件试验测得的水泥砂浆力学参数对 数据进行修正（修正公式如下），值Q为最终确定的节理面裂隙力学参数；
[0037] Q=P-W
[0038] 其中，Q为节理面力学参数值；
[0039] P为剪切试验测试的力学参数初始值；
[0040]W为圆柱体三轴抗压强度试验测试的修正数值。
[0041] 利用本实用新型模具及高强混凝土对试件进行试验前预制，在模具中心位置设置 了裂隙定位孔，可以通过水平观察确保不规则的含裂隙岩体节理正好处于剪切位置，则可 将任意形状的含裂隙岩块制成标准形状试件准确开展剪切试验，测试节理面力学参数。本 实用新型模具解决了对于钻井获取的不规则圆柱形岩心无法在常规剪切试验机上开展剪 切试验的困难，能够更加客观准确的对地下岩体裂隙进行分析研宄，为地下工程的安全稳 定性评价提供了关键的分析参数。

【附图说明】

[0042] 图1为本实用新型模具的结构示意图。
[0043] 图2为本实用新型模具的俯视图。
[0044] 图3为本实用新型模具中侧壁板的立面图
[0045] 图4为本实用新型模具中底板的俯视图。
[0046] 图5为本实用新型模具中侧挡板的立面图。
[0047] 图6为本实用新型中螺栓定位系统图。
[0048] 图中各标记如下：
[0049] 1底板、2侧壁板、3侧挡板、4折页、5凹槽、6螺孔、7定位螺栓、8螺母、9弹簧、10 标尺、11观察孔。

【具体实施方式】
[0050] 下面结合附图对本实用新型做进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施 例。
[0051] 如图1所示，为本实用新型不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具，它包括 一个底板1、2个侧壁板2和2个侧挡板3,底板1、侧壁板2和侧挡板3的厚度一致，且均为 5?10mm，底板1、侧壁板2和侧挡板3的材质均为不锈钢，利于延长使用寿命方便维护保 养，降低维修成本。2个侧壁板2通过折页4连接在底板1的两个端部，且折页4与底板1 和侧壁板2之间均为焊接。底板1与侧壁板2为垂直设置，如图2所示，侧壁板2的外壁面 均与底板1的端部齐平。底板1的俯视图如图4所示。
[0052] 如图3所示，每个侧壁板2的内壁上设有两个平行设置的凹槽5,凹槽5的深度为 1?3_。每个凹槽5沿侧壁板2的竖直方向从其顶部延伸至其底部。每个侧挡板2通过 嵌入两个侧壁板2上相应位置处的两个凹槽5内，固定于底板1上，且侧挡板3垂直于侧壁 板2,且侧挡板3与底板1之间的间隙不超过0. 01mm。侧挡板3的立面图如图5所示。
[0053] 如图1和图3所示，侧壁板2上于凹槽5与其边缘之间设有螺孔6,螺孔6设于凹 槽5与侧壁板2的边缘之间的中部。两个侧壁板2上相应位置处的两个螺孔6之间连接一 个定位螺栓7,且定位螺栓7从侧壁板2延伸出，延伸出的定位螺栓7的两端部通过螺母8 进行固定，螺母8可选择蝶形螺母，以方便手动调整，定位螺栓7与螺母8的螺距均为0. 5? 2_，两者之间的配合采用间隙配合或过盈配合的方式。该定位螺栓7的长度比两个侧壁板 2的外壁之间的间距大至少20mm，以方便螺母8的固定。如图6所示，在该定位螺栓7上设 有标尺10,标尺10的刻度精度为〇. 1?〇. 5_。定位螺栓7上套设有一个弹簧9,如图6所 示，弹簧9的刚度系数选择为10?100N/mm。该弹簧9的自由长度大于两个侧壁板2之间 的垂直间距，以控制侧壁板2平稳移动并避免向内侧移动，从而方便地控制侧壁板2与底板 1之间的配合。
[0054] 如图1和图3所示，在侧壁板2上设有一条形的观察孔11，且该观察孔11设于两 个侧挡板3之间，其长度为一个侧壁板2上的两个凹槽5之间的横向间距的1/3,其高度为 3 ?10mm〇
[0055] 本实用新型不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具沿所述底板的纵向中心 线和横向中心线均对称。
[0056] 根据常规岩石剪切试验机的规格，本实用新型模具制作标准立方体试件的边长可 为 100 ?200mm。
[0057] 利用本实用新型不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具进行标准试件的预 制过程如下：
[0058] 1、采用C50高强混凝土，根据水泥和粉细砂颗粒级配确定标准配合比，调制高强 水泥砂浆，并对每组水泥砂浆进行标准试件（直径50mm，高100mm的圆柱体三轴抗压强度试 验标准试件）预制。通过对养护标准时间的三轴强度试件测试（时间计划根据试验进度进 行安排，最少7天，28天最佳，否则需按照养护时间长短进行折算）确定高强混凝土的强度 指标。
[0059]2、利用取样后的高强水泥砂浆进行试件浇筑预制：首先在本实用新型的模具内灌 注一定量的水泥砂浆（接近预留观察孔11的高度范围）作为底层打底砂浆；然后将中间 含有节理裂隙的小尺寸岩心试件放置于水泥砂浆内，确保放置位置准确，岩块裂隙悬露于 砂浆外1?2_，且裂隙面尽可能与砂浆表面平行；将预制的5_厚泡沫按模具平面和试件 间空隙的形状放置在岩石裂隙面与模具中间进行填充，起到隔离裂隙面与上下层砂浆的作 用，目的使裂隙面处于悬空状态，防止砂浆影响裂隙面的试验测试。处理完成后开始浇筑上 层覆盖砂浆层；最后对上层砂浆层进行抹平处理。
[0060] 3、将预制好的剪切试件预制件以三轴压缩试验的圆柱体标准试件的同等环境 (养护时间、环境温度和湿度基本一致（养护时间最少7天，28天最佳，温度在20°C以上，饱 和水环境）进行养护。
[0061] 4、待到设计养护时间后，开展剪切试验（该剪切试验为通过岩石力学试验的剪切 试验机对含节理面的岩体进行剪切测试，获得剪切面的力学参数），测试岩石节理面的强 度。
[0062] 5、得到原始试验数据后，利用标准水泥砂浆试件试验测得的水泥砂浆力学参数对 数据进行修正（修正公式如下），值Q(包括节理面的法向刚度、切向刚度、粘聚力和内摩擦 角等参数）为最终确定的节理面裂隙力学参数；
[0063] Q=P-ff
[0064] 其中，Q为节理面力学参数值；
[0065] P为剪切试验测试的力学参数初始值；
[0066] W为圆柱体三轴抗压强度试验测试的修正数值。
[0067] 通过本实用新型的模具可以获得岩石节理面的力学参数，如法向刚度、切向刚度、 粘聚力和内摩擦角等，但具体值和岩石及裂隙面的力学特性有关。以某工程中地下811米 处含节理裂隙面花岗岩测试结果为例，其力学参数测试结果如表1中所示。
[0068] 表1地下811米处含节理裂隙面花岗岩测试结果
[0069]

【权利要求】
1. 一种不规则岩体节理面剪切试验试件预制的模具，其特征在于：所述模具包括一底 板、两个侧壁板和两个侧挡板； 两个所述侧壁板分别固定于所述底板的相对设置的端部；每个所述侧壁板的内壁上设 有两个平行设置的凹槽，所述凹槽沿所述侧壁板的竖直方向从其顶部延伸至其底部； 每个所述侧挡板通过嵌入两个所述侧壁板上相应位置处的两个所述凹槽内，固定于所 述底板上，且所述侧挡板垂直于所述侧壁板； 所述侧壁板上于所述凹槽与其边缘之间设有通孔，两个所述侧壁板上相应位置处的两 个所述通孔之间连接一螺栓，且所述螺栓从所述侧壁板延伸出；所述螺栓的两端部通过螺 母固定； 所述侧壁板上设有观察孔，所述观察孔设于两个所述侧挡板之间。2. 根据权利要求1所述的模具，其特征在于：所述侧壁板的外壁与所述底板的端部的 边缘位于一条直线上。3. 根据权利要求1或2所述的模具，其特征在于：所述螺栓上套设有一弹簧，所述弹簧 的自由长度大于两个所述侧壁板之间的垂直间距。4. 根据权利要求3所述的模具，其特征在于：所述侧挡板与所述底板之间的间隙不超 过 0. Olmm ; 所述凹槽的深度为1?3mm〇5. 根据权利要求4所述的模具，其特征在于：所述底板、所述侧壁板和所述侧挡板的厚 度均为5?IOmm ; 所述底板、所述侧壁板和所述侧挡板的材质均为钢板。6. 根据权利要求5所述的模具，其特征在于：所述通孔设于所述凹槽与所述侧壁板的 边缘之间的中部； 所述通孔为螺孔； 所述通孔与所述螺栓之间的配合方式为间隙配合或过盈配合。7. 根据权利要求6所述的模具，其特征在于：所述螺栓的长度比两个所述侧壁板的外 壁之间的间距大至少20mm。8. 根据权利要求7所述的模具，其特征在于：所述螺栓上设有标尺； 所述标尺的刻度精度为〇. 1?〇. 5_。9. 根据权利要求8所述的模具，其特征在于：所述观察孔为条形通孔； 所述观察孔的长度为一个所述侧壁板上的两个所述凹槽之间的横向间距的1/3,其高 度为3?10_。
【文档编号】G01N3-24GK204302070SQ201420735065
【发明者】段品佳, 单彤文, 屈长龙, 张超, 肖立, 黄欢, 钟曦 [申请人]中国海洋石油总公司, 中海石油气电集团有限责任公司