一种粗糙度可控的用于制作多尺度多形状岩石裂隙的方法及设备与流程

本发明属于土木工程岩石力学实验领域，尤其是一种用于制作多尺度多形状岩石裂隙的方法及设备。

背景技术：

天然岩体的形成需要经历一个复杂而又漫长的过程，由于不同的地质成因，岩体在经历多次构造运动的改造作用，发生了构造变形与破裂，破坏了岩体的连续性和完整性。以上作用会在其内部形成众多节理、裂隙等不连续构造，其裂隙岩体内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面，在地下复杂的环境下，这些岩体裂隙显著的影响着岩体的力学特性和渗透特性。

随着经济的发展，边坡加固、地铁、隧道、水利水电等岩土工程正在快速的建设中，而岩体内部的裂隙对工程岩体的稳定性有着十分重要的影响，国内外很多岩土工程的事故都是由于裂隙造成的。因此，亟需开展、解决有关裂隙岩体力学性质及其破坏机理的基础研究工作，但由于现场试验的操作复杂，耗费时间长，成本较高，试验效果不稳定等因素限制，目前裂隙岩体的相关实验研究大多通过室内试验进行。在室内试验中人工制作裂隙时，一般基于岩石块体采用改进的巴西劈裂试验方法获得裂隙试件，但该方法无法精确的控制生成裂隙的粗糙度，无法适用于除圆柱体试件以外的其他形状的试件，效果不理想且失败率高。

申请号为201521037781.8的中国发明专利《一种用于制作贯穿粗糙裂隙试件的夹持装置》提供了一种基于改进的巴西劈裂试验获得贯通裂隙的装置，该装置由夹具、上承压板和下承压板组成，能较好的制作圆柱体岩石贯通裂隙，但其只能制作单一尺寸圆柱体试件的裂隙，且无法精确控制裂隙粗糙度，局限性较大。

申请号为201610043483.2的中国发明专利《标准岩石试件通透裂隙快速制作装置及其操作方法》提供了一种通过转动穿透岩石的金刚砂锯条来制作贯通裂隙的方法，其设备简易、方便，制作效率高，但其制作好的裂隙面中间存在事先用电锯打好的规则穿孔，破坏了裂隙面的完整性，会对后续试验产生影响。

申请号为201511009182.X的中国发明专利《一种带有通透裂隙的真实岩石试件的制作方法》提供了一种将岩石试件安装至模具内，并将预制通孔切割为加工槽的形状，以形成非填充通透裂隙。但此方法无法控制裂隙粗糙程度，制作的裂隙粗糙度较为单一。

申请号为201620075006.X的中国发明专利《一种用于制作不同贯穿裂隙倾角的岩样切割设备》提供了一种通过固定住圆柱体试件，调节底盘的倾斜角度，然后通过切割设备垂直切割试件来得到不同角度的贯穿裂隙的方法。该方法形成的裂隙不是岩石试件通过外力作用形成的天然裂隙，其裂隙表面不具有代表性。

技术实现要素：

为了克服已有制作方式不能制作多尺度多形状试件的裂隙、且生成的裂隙粗糙度不可控的不足，本发明提供了一种可以有效精确的控制裂隙的粗糙度、成功率高、效果理想、可针对多尺度多形状试件的粗糙度可控的用于制作多尺度多形状岩石裂隙的方法及设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种粗糙度可控的用于制作多尺度多形状岩石裂隙的方法，所述方法包括如下步骤：

1)：首先根据试件尺寸选择垫板以及边长夹具；

2)：将垫板堆叠以保证试件中心线在横向加载装置中心线上。

3)：在试件两侧面的中心线处制作凹槽。

4)：在试件顶部堆叠并放置夹具，启动垂直加载装置，根据需要的裂隙粗糙度选择对试件施加法向应力。

5)：待法向应力稳定之后，启动横向推送装置，将横向加载装置推送到靠近试件但不接触试件处，停止推送；

6)：固定推送装置，启动两侧横向加载装置加载，此时锥形加载头被推入预制凹槽，根据需要加载至设定载荷；

7)：稳定之后，卸载法向应力，即得到粗糙裂隙面。

一种粗糙度可控的用于制作多尺度多形状岩石裂隙的设备，所述设备包括夹具、垂直加载装置、框架、横向加载装置、横向推送装置、横向支座、支撑板、底部支座、锥形加载头、垫板和工作平台，所述的垂直加载装置与框架连接，所述横向加载装置分为左加载部分和右加载部分，加载头部为锥形加载头；所述横向加载装置安装在横向推送装置上，横向推送装置可平行滑动和固定地安装在横向支座上；试件放置于工作平台上，试件顶部与垂直加载装置中间安放夹具。

进一步，所述垂直加载装置、横向加载装置由液压伺服控制。

再进一步，所述横向加载装置分为左右加载的横向加载装置，由一个伺服系统控制，加载时，须同步加载。

更进一步，所述横向推送装置采用简易手动推送方式，工作时将横向加载装置推进到试件前并固定，在加载时保持横向加载装置的稳定。

垫板根据所选试件的形状分为圆形、方形和弧形，夹具根据所选试件形状分为圆形、方形和弧形。

进一步的，所述圆形夹具和垫板的尺寸为直径50mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm，其中直径50mm的夹具厚度为25mm，其余厚度均为50mm；所述方形夹具和垫板的尺寸为边长50mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm，其中边长50mm的夹具厚度为25mm，其余厚度均为50mm；

进一步的，所述弧形夹具和垫板尺寸为底部边长分别为40mm、80mm、160mm、320mm、400mm，对应的弧形直径分别为50mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm。

进一步的，所述垫板和夹具均为刚性材料，须配套使用。

进一步的，试验过程中需要试件中心线与横向加载装置共线，因此垫板的厚度是根据试件中心线的位置确定的，且在使用过程中根据试件的尺寸叠加使用。

更进一步的，可根据岩石试件的大小和形状选择合适的垫板和夹具。

更进一步的，可根据岩石种类的不同选择施加不同的应力和卸载速率，从而控制生成的裂隙的粗糙度。

本发明构思：常规的利用劈裂试验制作裂隙的方法无法制作多尺度的试件，且目前的方法多集中于圆柱体试件的制作，不能直接应用于立方体试件；由于加压时的荷载无法控制，导致裂隙的粗糙度不可控或者控制不精确。针对此提出了一种多尺度多形状岩石试件的裂隙制作装置，通过调节垫板夹具的尺寸，可制作直径或者边长为50mm-500mm的多尺度裂隙试件；通过伺服系统对法向加载和横向加载的调节，可以精确的控制裂隙的粗糙度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1)通过伺服系统，更为精确的控制劈裂时的应力状态，得到适用的裂隙的成功率大幅提高。

2)可以进行多尺度裂隙的制作。本发明适用于对直径或边长为50mm-500mm的试件进行贯通裂隙的制作。

3)可以进行圆柱体试件和立方体试件的裂隙制作。在加压时，只需根据试件形状选择不同的垫板和夹具，即可进行裂隙制作。

4)裂隙的粗糙度可控。通过对法向加载和横向加载以及卸载速率的控制，可以获得不同粗糙度的裂隙。

附图说明

图1为裂隙制作设备主视图。

图2为裂隙制作设备主视图Ⅰ-Ⅰ剖面图。

图3为裂隙制作设备主视图Ⅱ-Ⅱ剖面图，从左到右分别为(a)立方体、(b)竖放圆柱体、(c)横放圆柱体试件。

图4为裂隙制作设备俯视图。

图5为弧形夹具和垫板。

图6为方形夹具和垫板。

图7位圆形夹具和垫板。

其中，1、右加载装置，2、右锥形加载头，3、夹具，4、法向加载装置，5、框架，6、左加载装置，7、左推送装置，8、左横向支座，9、螺栓，10、支撑板，11、底部支座，12、工作平台，13、左锥形加载头，14、试件，15、垫板，16、预制凹槽，17、右推送装置，18、右横向支座，a为边长，R为半径。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种粗糙度可控的用于制作多尺度多形状岩石裂隙的设备，包括右加载装置1，右锥形加载头2，夹具3，垂直加载装置4，框架5，左加载装置6，左推送装置7，左横向支座8，螺栓9，支撑板10，底部支座11，工作平台12，左锥形加载头13，试件14，垫板15，预制凹槽16，右推送装置17，右横向支座18；

所述的垂直加载装置4与上部刚性框架5连接。所述横向加载装置分为左加载6和右加载1，加载头部为右锥形加载头2(左锥形加载头13)。左横向推送装置7(右横向推送装置17)安装在左横向支座上8(右横向支座18)，由四根导轨实现滑动和固定。所述左横向支座上8(右横向支座18)固定在两侧的支撑板10上，用螺栓9固定。制作裂隙时试件放置于工作平台12上，根据试件14尺寸选择所需的垫板，垫板根据所选试件形状分为圆形、方形和弧形。试件顶部与垂直加载装置中间安放夹具，夹具根据所选试件形状分为圆形、方形和弧形。

进一步的，所述垂直加载装置4、右横向加载装置1(左横向加载装置6)，由液压伺服控制。

进一步的，所述左横向推送装置7(右横向推送装置17)为简易手摇推送，工作时将右横向加载装置1(左横向加载装置6)推进试件前，工作时将横向加载装置推进到试件前并固定，可以在加载时保持横向加载装置的稳定。

进一步的，所述圆形垫板15和夹具3尺寸为直径50mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm，其中直径50mm夹具厚度为25mm，其余厚度均为50mm；方形垫板15和夹具3尺寸为边长50mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm，其中直径50mm夹具厚度为25mm，其余厚度均为50mm。

进一步的，所述弧形垫板15和夹具3尺寸为底部边长分别为40mm、80mm、160mm、320mm、400mm，对应的弧形直径分别为50mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm。除弧形直径50mm的厚度为25mm，其余厚度均为50mm。

更进一步的，所述垫板15和夹具3均为刚性材料，须配套使用。

更进一步的，所述的右横向加载装置1(左横向加载装置6)无法竖向移动，通过垫板的堆叠，可以保证试件的中心线位于右横向加载装置1(左横向加载装置6)中心线上。

实例1：一种粗糙度可控的用于制作多尺度多形状岩石裂隙的方法，以边长400mm花岗岩立方体试件为例，包括如下步骤：

步骤101：首先根据试件尺寸选择边长400mm垫板15以及边长400mm夹具3

步骤102：将垫板堆叠以保证试件中心线在横向加载装置中心线上。

步骤103：在试件两侧面的中心线处制作一个10mm×10mm×400mm的凹槽。

步骤104：在试件顶部堆叠并放置夹具3，启动垂直加载装置4，以0.5MPa/min的速率加压，根据需要的裂隙粗糙度选择对试件施加20MPa的法向应力。

步骤105：待法向应力稳定之后，启动横向推送装置，将横向加载装置推送到靠近试件但不接触试件处，停止推送。

步骤106：固定推送装置，启动右横向加载装置1和左横向加载装置6，同时以0.5MPa/min的速率加载，此时右锥形加载头2和左锥形加载头13被推入预制凹槽，根据需要加载至5MPa。

步骤107：稳定之后，以1.0MPa/min的速率卸载法向应力，即可得到正方体横截面上正方形的粗糙裂隙面。

实例2：一种粗糙度可控的用于制作多尺度多形状岩石裂隙的方法，以底面直径200mm高400mm圆柱体砂岩竖向放置为例，包括如下步骤：

步骤201：首先根据试件尺寸选择直径200mm圆形垫板15以及直径200mm圆形夹具3

步骤202：将垫板堆叠以保证试件中心线在横向加载装置中心线上。

步骤203：在试件两侧面的中心线处制作一个10mm×10mm×125mm的凹槽。

步骤204：在试件顶部堆叠并放置夹具3，启动垂直加载装置4，以0.5MPa/min的速率加压，根据需要的裂隙粗糙度选择对试件施加15MPa的法向应力。

步骤205：待法向应力稳定之后，启动横向推送装置，将横向加载装置推送到靠近试件但不接触试件处，停止推送。

步骤206：固定推送装置，启动右横向加载装置1和左横向加载装置6，同时以0.5MPa/min的速率加载，此时右锥形加载头2和左锥形加载头13被推入预制凹槽，根据需要加载至3MPa。

步骤207：稳定之后，以0.5MPa/min的速率卸载法向应力，即可得到圆柱体横截面上圆形的粗糙裂隙面。

实例3：一种粗糙度可控的用于制作多尺度多形状岩石裂隙的方法，以底面直径200mm高400mm圆柱体砂岩横向放置为例，包括如下步骤：

步骤301：首先根据试件尺寸选择边长160mm弧形直径200mm垫板15以及同尺寸夹具3。

步骤302：将垫板堆叠以保证试件中心线在横向加载装置中心线上。

步骤303：在试件两侧面的中心处做一个10mm×10mm×400mm的凹槽。

步骤304：在试件顶部堆叠并放置夹具3，启动垂直加载装置4，以0.5MPa/min速率加压，根据需要的裂隙粗糙度选择对试件施加15MPa的法向应力。

步骤305：待法向应力稳定之后，启动横向推送装置，将横向加载装置推送到靠近试件但不接触试件处，停止推送。

步骤306：固定推送装置，启动右横向加载装置1和左横向加载装置6，同时以0.5MPa/min的速率加载，此时右锥形加载头2和左锥形加载头13被推入预制凹槽，根据需要加载至3MPa。

步骤307：稳定之后，以0.2MPa/min的速率卸载法向应力，即可得到圆柱体纵截面上长方形的粗糙裂隙面。