一种横观各向同性真三轴岩样制作方法与流程

本发明属于岩体工程技术领域，特别是涉及一种横观各向同性真三轴岩样制作方法。

背景技术：

在矿业工程、水利水电工程、隧道工程等领域中，围岩体多以层状岩石为主，且岩层与工程洞室之间的空间拓扑关系对围岩力学响应具有显著的影响。在这些工程活动中，所引发的岩体破坏现象与层状岩体力学性质的各向异性特征密切相关。为了更加可靠地评估层状岩体的稳定性，即横观各向同性岩体的稳定性，充分认清真三轴应力状态下横观各向同性岩体的强度特征及破坏形式显得尤为重要。

与常规三轴加载情况不同，真三轴加载试样需要考虑岩层的走向与倾斜方向，构成不同的加载角度β及ω的组合，如图1所示。因而，真三轴岩样的制作方法将会更加复杂，但是目前尚未有公开的文献报道。

由于横观各向同性岩样真三轴加载试验往往需要数量较多且角度组合不同的试样，如何高效准确地制作出横观各向同性真三轴岩样，关系着试验能否顺利开展以及试验结果的可靠性，同时也关系着层状岩体工程的稳定性分析。

此外，对于制作较小规格的试样，例如50mm×25mm×25mm，还会出现岩芯易受机械扰动而损伤或断裂的问题，从而大大影响实验结果的准确性及制样效率。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种横观各向同性真三轴岩样制作方法，能够高效准确地制作出横观各向同性真三轴岩样，填补了领域内关于横观各向同性真三轴岩样制作的空白。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种横观各向同性真三轴岩样制作方法，包括如下步骤：

步骤一：切平层面

①、将形状不规则的岩石标本置于切割机平台上，同时将岩石标本的层面与切割机平台调整到平行；

②、启动切割机，切割方向垂直于岩石标本的层面，并在岩石标本上切割出第一个平层面；

③、将岩石标本旋转90°，使岩石标本的第一个平层面朝下并置于切割机平台上，此时岩石标本的层面垂直于切割机平台；

④、启动切割机，切割方向平行于岩石标本的层面，并在岩石标本上切割出第二个平层面；

步骤二：钻取柱样

①、将切割好平层面的岩石标本置于岩石标本装夹调整机构内，同时设定岩石标本的倾角，使岩石标本的层面与水平面呈β夹角；

②、将装夹有岩石标本的岩石标本装夹调整机构置于钻床工作台上，同时将岩石标本装夹调整机构与钻床工作台固定在一起；

③、选取相应规格的薄壁钻头，启动钻床，钻削方向垂直于水平面，并在岩石标本上钻取圆柱形岩石试样；

步骤三：切割柱样

①、将钻取好的圆柱形岩石试样置于切割机平台上，使圆柱形岩石试样的中轴线平行于切割机平台；

②、启动切割机，切割方向垂直于圆柱形岩石试样的中轴线，并在圆柱形岩石试样上切割出相应高度的标高岩石柱样；

步骤四：画线标记

①、在标高岩石柱样的端面上标记出圆心；

②、在标高岩石柱样的端面上画出一条加载方向线，圆心位于加载方向线上，且加载方向线与层面呈ω夹角；

③、在标高岩石柱样的端面上画出两条定位线，两条定位线相垂直，圆心位于两条定位线的交点上，且加载方向线与定位线呈45°夹角；

④、依次连接两条定位线的四个端点，并构成一个正方形区域，正方形区域与标高岩石柱样端面圆周轮廓之间形成四个弧形边料区；

步骤五：切除边料

①、将画线标记好的标高岩石柱样置于切割机平台上，且将带有画线标记的端面朝上；

②、启动切割机，将四个弧形边料区切除，且弧形边料区留下1～2mm的余量，并形成长方体试样；

步骤六：打磨成型

①、将长方体试样置于磨床上；

②、启动磨床，依次对长方体试样的六个面进行打磨，直到六个面全部满足平整度要求，此时完成横观各向同性真三轴岩样的制作。

所述岩石标本装夹调整机构包括固定支架及可调支架，所述固定支架及可调支架均采用l型结构，固定支架分为水平支撑部分和立柱部分，所述可调支架的拐点部位铰接在固定支架的水平支撑部分，可调支架绕铰接点具有摆转自由度；在所述固定支架的立柱部分及可调支架的一条支臂上对应分布有若干定位孔，且定位孔配置有定位螺栓；在所述固定支架的水平支撑部分安装有钻床工作台定位螺栓；所述岩石标本放置于可调支架上，岩石标本通过压板、螺杆及锁紧螺母与可调支架固定压紧在一起。

当所要制作的横观各向同性真三轴岩样的边长l≥50mm时，所选取的薄壁钻头的内径尺寸大于当所要制作的横观各向同性真三轴岩样的边长l＜50mm时，所选取的薄壁钻头的内径尺寸大于

在对长方体试样的表面进行打磨时，保证长方体试样的表面平整度≤0.02mm。

本发明的有益效果：

本发明的横观各向同性真三轴岩样制作方法，能够高效准确地制作出横观各向同性真三轴岩样，特别是对于小尺寸规格的岩样，可以有效提高制样效率，减小机械扰动对试样带来的损伤及破坏，填补了领域内关于横观各向同性真三轴岩样制作的空白，推动了横观各向同性岩体力学性质的研究，对层状岩体工程稳定性分析乃至岩石力学的发展具有重要意义。

附图说明

图1为横观各向同性真三轴岩样的示意图；

图2为岩石标本置于切割机平台上的示意图；

图3为岩石标本完成第一个平层面切割后的示意图；

图4为岩石标本完成第二个平层面切割后的示意图；

图5为岩石标本置于岩石标本装夹调整机构内(设定好β夹角)的示意图；

图6为圆柱形岩石试样的钻取示意图；

图7为钻取得到的圆柱形岩石试样示意图；

图8为切割得到的标高岩石柱样示意图；

图9为标高岩石柱样的端面完成画线标记后的示意图；

图10为切割得到的长方体试样示意图；

图11为标高岩石柱样的端面完成画线标记后(画有分割线)的示意图；

图12为切割得到的四块小尺寸试样示意图；

图中，1—岩石标本，2—切割机平台，3—层面，4—薄壁钻头，5—圆柱形岩石试样，6—标高岩石柱样，7—圆心，8—加载方向线，9—定位线，10—弧形边料区，11—长方体试样，12—固定支架，13—可调支架，14—定位孔，15—定位螺栓，16—钻床工作台定位螺栓，17—压板，18—螺杆，19—锁紧螺母，20—分割线，21—垫板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例一：以制作尺寸规格为100mm×50mm×50mm的横观各向同性真三轴岩样为例。

一种横观各向同性真三轴岩样制作方法，包括如下步骤：

步骤一：切平层面

①、将形状不规则的岩石标本1置于切割机平台2上，同时借助垫板21和水平尺将岩石标本1的层面3与切割机平台2调整到平行，如图2所示；

②、启动切割机，切割方向垂直于岩石标本1的层面3，并在岩石标本1上切割出第一个平层面，如图3所示；

③、将岩石标本1旋转90°，使岩石标本1的第一个平层面朝下并置于切割机平台2上，此时岩石标本1的层面3垂直于切割机平台2；

④、启动切割机，切割方向平行于岩石标本1的层面3，并在岩石标本1上切割出第二个平层面，如图4所示；

步骤二：钻取柱样

①、将切割好平层面的岩石标本1置于岩石标本装夹调整机构内，同时设定岩石标本1的倾角，使岩石标本1的层面3与水平面呈β夹角，如图5所示，其中β可取30°、45°或60°；

②、将装夹有岩石标本1的岩石标本装夹调整机构置于钻床工作台上，同时将岩石标本装夹调整机构与钻床工作台固定在一起；

③、选取内径为81mm的薄壁钻头4，启动钻床，钻削方向垂直于水平面，如图6所示，并在岩石标本1上钻取圆柱形岩石试样5，如图7所示；

其中，所用到的岩石标本装夹调整机构包括固定支架12及可调支架13，所述固定支架12及可调支架13均采用l型结构，固定支架12分为水平支撑部分和立柱部分，所述可调支架13的拐点部位铰接在固定支架12的水平支撑部分，可调支架13绕铰接点具有摆转自由度，具体用于调整β夹角；在所述固定支架12的立柱部分及可调支架13的一条支臂上对应分布有若干定位孔14，且定位孔14配置有定位螺栓15；在所述固定支架12的水平支撑部分安装有钻床工作台定位螺栓16；所述岩石标本1放置于可调支架13上，岩石标本1通过压板17、螺杆18及锁紧螺母19与可调支架13固定压紧在一起。

步骤三：切割柱样

①、将钻取好的圆柱形岩石试样5置于切割机平台2上，使圆柱形岩石试样5的中轴线平行于切割机平台2；

②、启动切割机，切割方向垂直于圆柱形岩石试样5的中轴线，并在圆柱形岩石试样5上切割出高度为110mm的标高岩石柱样6，如图8所示；

步骤四：画线标记

①、在标高岩石柱样6的端面上标记出圆心7；

②、在标高岩石柱样6的端面上画出一条加载方向线8，圆心7位于加载方向线8上，且加载方向线8与层面2呈ω夹角，ω可取30°、45°或60°；

③、在标高岩石柱样6的端面上画出两条定位线9，两条定位线9相垂直，圆心7位于两条定位线9的交点上，且加载方向线8与定位线9呈45°夹角；

④、依次连接两条定位线9的四个端点，并构成一个正方形区域，正方形区域与标高岩石柱样6端面圆周轮廓之间形成四个弧形边料区10，并利用记号笔将弧形边料区10涂黑，最终效果图如图9所示；

步骤五：切除边料

①、将画线标记好的标高岩石柱样6置于切割机平台2上，且将带有画线标记的端面朝上；

②、启动切割机，使切割锯片与正方形区域边线平行，并分别将将四个涂黑的弧形边料区10切除，且弧形边料区10留下1～2mm的余量，并形成长方体试样11，如图10所示；具体可以采用两个相互平行的切割锯片进行同步切割，且两个切割锯片的间距可调，其调整范围≥20mm；

步骤六：打磨成型

①、将长方体试样11置于磨床上；

②、启动磨床，依次对长方体试样11的六个面进行打磨，直到六个面全部满足平整度要求，其中表面平整度≤0.02mm，此时完成尺寸规格为100mm×50mm×50mm的横观各向同性真三轴岩样的制作。

实施例二：以制作尺寸规格为50mm×25mm×25mm的横观各向同性真三轴岩样为例。

一种横观各向同性真三轴岩样制作方法，包括如下步骤：

步骤一：切平层面

①、将形状不规则的岩石标本1置于切割机平台2上，同时借助垫板21和水平尺将岩石标本1的层面3与切割机平台2调整到平行，如图2所示；

②、启动切割机，切割方向垂直于岩石标本1的层面3，并在岩石标本1上切割出第一个平层面，如图3所示；

③、将岩石标本1旋转90°，使岩石标本1的第一个平层面朝下并置于切割机平台2上，此时岩石标本1的层面3垂直于切割机平台2；

④、启动切割机，切割方向平行于岩石标本1的层面3，并在岩石标本1上切割出第二个平层面，如图4所示；

步骤二：钻取柱样

①、将切割好平层面的岩石标本1置于岩石标本装夹调整机构内，同时设定岩石标本1的倾角，使岩石标本1的层面3与水平面呈β夹角，如图5所示，其中β可取30°、45°或60°；

②、将装夹有岩石标本1的岩石标本装夹调整机构置于钻床工作台上，同时将岩石标本装夹调整机构与钻床工作台固定在一起；

③、选取内径为92mm的薄壁钻头4，启动钻床，钻削方向垂直于水平面，如图6所示，并在岩石标本1上钻取圆柱形岩石试样5，如图7所示；

其中，所用到的岩石标本装夹调整机构包括固定支架12及可调支架13，所述固定支架12及可调支架13均采用l型结构，固定支架12分为水平支撑部分和立柱部分，所述可调支架13的拐点部位铰接在固定支架12的水平支撑部分，可调支架13绕铰接点具有摆转自由度，具体用于调整β夹角；在所述固定支架12的立柱部分及可调支架13的一条支臂上对应分布有若干定位孔14，且定位孔14配置有定位螺栓15；在所述固定支架12的水平支撑部分安装有钻床工作台定位螺栓16；所述岩石标本1放置于可调支架13上，岩石标本1通过压板17、螺杆18及锁紧螺母19与可调支架13固定压紧在一起。

步骤三：切割柱样

①、将钻取好的圆柱形岩石试样5置于切割机平台2上，使圆柱形岩石试样5的中轴线平行于切割机平台2；

②、启动切割机，切割方向垂直于圆柱形岩石试样5的中轴线，并在圆柱形岩石试样5上切割出高度为60mm的标高岩石柱样6，如图8所示；

步骤四：画线标记

①、在标高岩石柱样6的端面上标记出圆心7；

②、在标高岩石柱样6的端面上画出一条加载方向线8，圆心7位于加载方向线8上，且加载方向线8与层面2呈ω夹角，ω可取30°、45°或60°；

③、在标高岩石柱样6的端面上画出两条定位线9，两条定位线9相垂直，圆心7位于两条定位线9的交点上，且加载方向线8与定位线9呈45°夹角；然后在标高岩石柱样6的端面上再画一条分割线20，圆心7位于分割线20上，且分割线20垂直于加载方向线8；

④、依次连接两条定位线9的四个端点，并构成一个正方形区域，正方形区域与标高岩石柱样6端面圆周轮廓之间形成四个弧形边料区10，并利用记号笔将弧形边料区10涂黑，最终效果图如图11所示；

步骤五：切除边料

①、将画线标记好的标高岩石柱样6置于切割机平台2上，且将带有画线标记的端面朝上；

②、启动切割机，使切割锯片与正方形区域边线平行，并分别将将四个涂黑的弧形边料区10切除，且弧形边料区10留下1～2mm的余量，并形成长方体试样11；具体可以采用两个相互平行的切割锯片进行同步切割，且两个切割锯片的间距可调，其调整范围≥20mm；然后利用单一切割锯片分别沿着分割线20和加载方向线8对长方体试样11进行进一步切割，直至形成四个尺寸规格相同的小尺寸试样，如图12所示；

步骤六：打磨成型

①、将小尺寸试样置于磨床上；

②、启动磨床，依次对小尺寸试样的六个面进行打磨，直到六个面全部满足平整度要求，其中表面平整度≤0.02mm，此时完成尺寸规格为50mm×25mm×25mm的横观各向同性真三轴岩样的制作，并可一次性完成4块岩样的制作。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。