本实用新型属于岩石力学测试技术领域，涉及一种能够用于常规三轴试验机的岩石直剪试验试件、试件夹具、岩石剪切试验的压头单元。
背景技术：
剪切破坏是由剪应力引起的使剪切面两侧岩体发生错动或膨胀等的破坏现象，是工程岩体主要失稳破坏的主要方式之一。在剪切载荷作用下，岩石抵抗剪切破坏的最大剪应力称为岩石的抗剪强度。岩石的抗剪强度代表了岩石抵抗剪切破坏及滑动的能力，因此研究岩石的抗剪强度有着重大的研究意义。目前研究岩石抗剪强度的方法分为室内和现场两大类试验，其中室内试验通常采用直接剪切试验、楔形剪切试验、三轴剪切试验等测定岩石的抗剪强度，而现场试验主要以直接剪切试验为主。
传统的岩石直接剪切试验主要采用平推法进行。所采用的试验仪器为直接剪切仪，其主要由上、下两个刚性匣子所组成。试件在平面内的尺寸规定为150cm*15cm～30cm*30cm，并规定剪切面上下岩石的厚度分别约为断面尺寸的1/2左右，一般可用5cm*5cm尺寸的。在制备试件的时候，需要沿着试件四周将其切成凹槽状，将制备好的试件放入剪切仪的上、下匣之间，上、下匣的错动面就是岩石的剪切面。直接剪切试验将试件在所选定的平面内进行剪切。每次试验时，先在试件上施加垂直荷载P，然后在水平方向上逐渐施加水平剪切力T，直至达到最大值Tmax时发生破坏，从而计算出岩石试件的剪切强度。传统的岩石直接剪切试验步骤简单，易于操作，无需其他特殊设备进行辅助测量，除了能够测定岩石整体抗剪强度及软弱结构面强度外，还可以测定不同岩石之间的剪切强度。然而，传统直接剪切测试方法需要具备能提供两个方向加载力的特定剪切设备，造价高，功能单一。楔形剪切测试技术也可实现岩石剪切强度测试，但使用该测试方法时，试件表面正向压力和切向推力等比例增加，无法获得某个正向压力下的岩石剪切破坏行为(即试样的切应力-位移曲线)。
三轴压力机是测试岩石破坏行为和强度的基本测试设备，目前在国内得到广泛使用；利用三轴压力机开测试岩石剪切强度和剪切破坏行为十分普遍，但现有技术无法测试特定正向压力下的岩石剪切强度，也无法获取岩石切应力与剪切位移之间的关系；尤其是针对横观各向同性岩石，传统的利用三轴压力机开展岩石剪切强度测试的技术难以确定准确的剪切破坏面，无法计算该类岩石的粘聚力和内摩擦角，不利于开展横观各向同性岩石的剪切强度测试。此外，由于三轴压力机无法提供直剪试验的剪力，因此难以直接把现有技术的试件放在传统三轴试验机上进行岩石的直剪试验。
因此，亟需一种能够用于常规三轴试验机的岩块直剪试件、试件夹具、岩石剪切试验的压头单元，从而能够结合岩石常规三轴力学试验机开展岩石剪切强度和剪切行为测试，和绘制切应力-剪切位移曲线，提升岩石三轴压力机附加值，为岩石剪切测试技术增加一种新的实验方法。此外，结合加载式CT扫描等新型测量手段，可利用该装置进一步探索岩块试件在直剪过程中宏观及微观裂纹的产生、扩展和贯通过程，并可以结合三轴试验机围压油加热功能开展高温岩石直剪试验，为岩石剪切破坏行为科学研究提供新途径。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是为了填补现有岩石剪切测试技术的不足，提供一种岩石直剪试验试件、试件夹具、岩石剪切试验的压头单元，该试件能够直接用于常规三轴试验进行直剪试验，充分利用了传统试验机的功能提升了其附加值，并为探索岩石剪切破坏行为提供了新途径。此外，利用该夹具夹持试件进行试验，可以改善传统的直剪试验中受力不均匀的现象。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：岩石直剪试验试件，该试件能够直接用于三轴试验机，包括长方体本体，本体下侧左部设置有第一切槽，第一切槽从边侧沿水平方向向本体内部延伸，还包括第二切槽，第一切槽与第二切槽以本体中心为中心呈中心对称分布，切槽长度与其所在长方体本体的边侧长度相同，切槽宽度不长于底面边长的一半。
具体的，本体高为H，底面边长分别为A、B，H≥A≥B，切槽厚度为D，D＜0.04A。
本实用新型解决其技术问题所采用的另一技术方案是：岩石直剪试验试件夹具，包括左半圆柱状构件和右半圆柱状构件，两个半圆柱状构件相对可拆卸设置，左半圆柱状构件和右半圆柱状构件之间设置有用于放置岩石直剪试验试件的容置腔，容置腔的横截面为六边形，容置腔贯通于夹具主体底面和顶面。
进一步的，还包括减阻片，减阻片分别设置于试件与左半圆柱状构件和右半圆柱状构件之间，其材质为聚四氟乙烯。
具体的，左半圆柱状构件的侧平面上设置有凹槽，右半圆柱状构件的的侧平面设置有与凹槽相匹配的凸起，通过凹槽和凸起将左、右半圆柱状构件卡合在一起；除容置腔部位外，左半圆柱状构件和右半圆柱状构件的间距为0.5～2mm，容置腔部位为容置腔所在的位置。
具体的，左半圆柱状构件和右半圆柱状构件所形成的圆柱状构件比低于试件低1～2mm。
本实用新型解决其技术问题所采用的又一技术方案是：岩石剪切试验的压头单元，其特征在于，包括上压头、下压头及如上述的岩石直剪试验试件夹具，三者的外径相一致，上压头及下压头分别为圆柱体构件。
进一步的，在试件夹具顶部非试件所在位置与上压头之间设置有薄钢片。
具体的，试件夹具为刚性钢制材料。
本实用新型的有益效果是：结构简单轻便，体积小巧，便于大量生产加工制作，能够在只能进行压缩的三轴力学实验机上开展岩石的直剪试验，丰富三轴力学实验机试验用途，通过围压油源提供的围压加载提供试件表面压应力，压应力分布比传统直剪试验选用的轴向集中荷载加载更加均匀，能够较好的解决传统岩石直剪实验中试件受剪面的应力分布不均，施加水平力方向要求精度较高，易产生误差的问题。本发明适用于开展岩石直剪试验。
附图说明
图1是本发明中岩石直剪试验试件的结构示意图；
图2是本发明中岩石直剪试验试件受压时的结构示意图；
图3是本发明中岩石直剪试验试件的左视图；
图4是本发明中岩石直剪试验试件的主视图；
图5是本发明中岩石直剪试验试件夹具的结构示意图；
图6是本发明中岩石直剪试验试件夹具的俯视图；
图7是本发明中利用岩石直剪试验试件及夹具进行室内试验的示意图；
其中，1为压头单元，2为长方体本体，3为第一切槽，4为第二切槽，5为减阻片，6为左半圆柱状构件，7为右半圆柱状构件，8为上压头，9为下压头，10为应变片，11为夹具。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本实用新型的技术方案。
如图1～4所示的岩石直剪试验试件，能够直接用于三轴试验机，包括长方体本体2，长方体本体的底面为长方形，特殊情况下可以是正方形，如此选择以便保证与上下压头能够紧密贴合。若底面为长方形时，底面边长分别为A、B，A≥B；基于各向力的均衡性及试件使用广泛性考虑，优选底面为正方形的长方体本体，正方形边长A，25mm≤A≤50mm；本体高度为H，H≥A，优选25mm≤H≤200mm。
本体下侧左部设置有第一切槽3，第一切槽3从边侧沿水平方向向本体内部延伸，延伸处贯通本体，第一切槽3走向与本体的顶面相平行，还包括第二切槽4，第一切槽3与第二切槽4以本体中心为中心呈中心对称分布，切槽长度与其所在长方体本体的边侧长度B相同，即切槽长度必须贯穿试件，如图所示，切槽长度为B，切槽宽度即切槽从边侧沿水平方向向本体内部延伸的距离为切槽宽度，切槽宽度不长于底面边长的一半。切槽厚度D的取值范围为D＜0.04A，其中优选D＝1～2mm，如果切槽设置过厚，则会在岩石直剪的过程中还受到别的力，影响到实验结果；切槽其宽度优选为A/2，第一切槽距离地面的垂直距离为H1，0.25H≤H1≤0.4H，以便于提高应力均衡性。两条切槽形状大小都相同，如此设计有利于使得试件受到的剪力均匀切槽的作用是把机器上方施加的轴力转化为对试件的剪力，其形状最好为长方形，以便于计算剪力，如果其他形状及走向的话，一方面机器施加的轴力不能完全转化为剪力，另一方面也不好计算试样收到的剪力大小。如此设计试件是为了将试件直接用于常规三轴试验进行直剪试验，改善传统的直剪试验中受力不均匀的现象。
上述试件的制作方法为：从现场选取的岩芯或岩块用切割机加工成比所需尺寸略大的试件的长方体本体，用磨床将长方体本体的上下两端面按《工程岩体试验方法标准》中的岩石压缩实验试件端面加工精度要求进行加工，加工完成后的试件任意相邻两个面的夹角范围应控制在90°±0.5°，本体任意位置的尺寸应该足够均匀，本体偏差不超过0.2mm；然后用金刚石砂轮在试件的两侧切割出切槽，切槽表面逐渐磨平，最终形成本发明需要的试件。具体而言，由该试件由底面边长分别为A、B，高为H的长方体本体加工而来，在长方体本体左侧距离顶部H1处设置一贯穿试件内部厚度为D的第一切槽，第一切槽走向平行于顶面，长度为底面边长的一半，在长方体本体右侧距离底部H1处同样设置一贯穿试件内部的第二切槽，第二切槽的长度、宽度和厚度和第一切槽的相同，整个试件形成一个中心对称结构。
传统直剪试验在压缩时往往会出现受剪面应力不均现象，该现象主要由于试件施加垂直荷载时往往利用点力P作为轴向加载，而在点力加载为面力的过程中由于夹具及压头的刚度不够往往会产生应力不均的现象，影响实验结果。而使用如下的夹具即可克服这一问题。
如图5～6所示，用于夹持岩石直剪试验试件的夹具，包括左半圆柱状构件6和右半圆柱状构件7，两个半圆柱状构件相对可拆卸设置，如左半圆柱状构件6的侧平面设有凹槽，左半圆柱状构件6的侧平面即其与右半圆柱状构件相接触的面，右半圆柱状构件的的侧平面设置有与凹槽相匹配的凸起，通过凹槽和凸起将左、右半圆柱状构件卡合在一起，此外也可以采用其他开拆卸固定方式将左半圆柱状构件6和右半圆柱状构件7可拆卸连接。左半圆柱状构件和右半圆柱状构件之间设置有用于放置岩石直剪试验试件的容置腔，容置腔的横截面为六边形，容置腔贯通于夹具主体底面和顶面。为了提高受力均匀性，优选横截面为正六边形。之所以设计为六边形，是因为六边形形成的六棱柱的左右两个面可以与试件左右两个面紧密贴合，这样在三轴试验机施加围压的时候，可以通过这两个紧密贴合的面对试件施加均匀的轴力，剩下四个面可以中间有一点间隙，在里面装上应变片测量试样在加载过程中的位移变化情况。如果采用正方形，那么在围压压紧的过程中会挤压到应变片(应变片不是受压构件，最好不要受到压力)；如果采用长方形，则在施加围压的过程中在临空面中间会产生弯距，受力就不均匀；如果采用圆形，则无法给试件左右两侧施加压力。除容置腔部位外，左半圆柱状构件和右半圆柱状构件的间距为0.5～2mm，容置腔部位为容置腔所在的位置，此外，也可以在卡合部位处不设置间距，卡合部位为凹槽和凸起所卡合的位置。因为在三轴试验机施加围压的时候，左右半圆柱状构件会受到围压的力而进一步向中间靠拢，设置一定的间距可以避免受到围压的时候两个半圆柱状构件间没有缝隙导致试件受到的压力偏小，引起实验误差。
考虑使用寿命，且能够承载相应压力，并将压力均匀施加在试件上，优选左半圆柱状构件和右半圆柱状构件为刚性钢制材料，通体采用高强度实心钢材构成。
此外，夹具11还包括两块长方体状的减阻片5，减阻片分别设置于试件1与左半圆柱状构件6和右半圆柱状构件7之间，减阻片厚度不应过厚，大小应略大于试件，以便减少在施加围压过程中围压受到的摩擦力。基于成本低廉及效果考虑，优选其材质为聚四氟乙烯。而现有技术中传统的岩石直接剪切试验中并未使用减阻片。
以以下实施例说明该夹具的具体制作过程，如下：利用钢材铸成实心圆柱，圆柱高度应该略低于试件高度1～2mm，将实心圆柱沿半径向切成两个半圆圆柱，之后每个半圆圆柱平行于直径方向切去一定厚度如0.5mm的薄片，将其中一个半圆圆柱在俯视图较上区域及较下的对称切去一个4mm长度的条状槽口并拼接在另一个半圆圆柱相应位置上，而后在两个半圆圆柱的中间切出一个六边形凹槽，该凹槽需要能够恰好容纳减阻片及试件。
同理，使用下述岩石剪切试验的压头单元也能克服受剪面应力分布不均的缺点。如图7所示是将整个压头单元放置在三轴试验机上使用的情况，压头单元包括上压头8、下压头9及上述岩石直剪试验试件夹具，三个部件的半径一致，半径大小无严格规定，只要夹具外径与三轴压缩室相适配，即可以完全装入三轴压缩室中即可，优选半径为120mm。上压头为一圆柱状构件，形状较为扁平，高度较小如20mm～60mm，优选20mm，以尽量减小自重对岩石试件的的影响，下压头也为以圆柱状构件，高度无特殊要求，下压头高度应不小于上压头的高度，优选上、下压头高度相同。在试件夹具顶部非试件所在位置与上压头之间设置有薄钢片，以便在具体试验过程中能够堵油并支撑热缩膜。
基于上述部件进行岩石剪切试验方法，包括以下步骤：
(1)从现场实地取样并进行加工，使其可以满足所需要的试件尺寸要求，并记录试件尺寸；
(2)在试件相对的围压受压面两侧贴覆上减阻片，为了能够在剪切破坏时能够测量其他多项参数，可以在不受直接力的两侧连接有应变片10，用于监测试件，将试件放入夹具容置腔中，在切槽口处添加少许润滑油，分别将两个减阻片另外的一侧贴合到夹具内侧，用手挤压夹具，使其紧密贴合；
(3)将夹具及试件放置在下压头上，并对准试件及下压头的轴线，再将上压头轻轻放置于试件上方，将试件及下压头的轴线对齐，而后在上压头与试件空隙外侧添加一圈钢片，实现后续堵油及支撑热缩膜的作用，完成压头单元主体的制作；
(4)选用直径稍大于上下压头直径的热缩膜，从上而下套入至覆盖整个压头单元主体，将热缩膜吹风机调至一定温度，加热吹制热缩膜至热缩膜与压头单元表面贴合；
(5)将贴合有热缩膜的压头单元整体放置于三轴试验机上，降下机器压头，使其与压头单元上压头表面有轻微接触后，降下三轴舱，对三轴缸进行充油，对机器加载过程进行设置，设置好加载速率及加载方式，先加围压，后续添加轴压直至破坏。实验开始机器将按照设置好的加载方式进行自动化加载，记录试件破坏时的峰值轴向压力大小Pcr；
(6)基于峰值轴向压力大小Pcr和试件尺寸，计算得到所测岩石的剪切强度τ＝Pcr/(B×H0)，其中，B为试件底面的宽，H0为两个切槽的间距。
实施例
岩石剪切试验方法，包括以下步骤：
(1)选择埋深2400m的锦屏地下实验室引水隧洞大理岩岩芯，加工成本申请前述岩石直剪试验试件，试件底面为正方形，其边长为50mm，高为150mm，加工时为在试件左侧距离顶部处34mm设置一贯穿试件内部厚度为1mm的切槽，切槽走向平行于顶面，长25mm，在长方体试件右侧距离底部34mm处同样设置一贯穿试件内部厚度为1mm的切槽，使整个试件成为一个中心对称图形，则两个切槽间的间距H0＝80mm。
(2)选用半径120mm直径，中间六边形凹槽为50mm，高度148mm的实心钢制直剪夹具，在试件周围左右两侧垫上聚四氟乙烯减阻片，前后两侧用502胶水贴上应变片，并用树脂进一步固定。之后将试件装入夹具凹槽夹具中间，在条状槽口处添加少许润滑油，用手挤压钢制夹具，使其紧密贴合。将夹具及试件放置在下压头上，并对准试件及下压头的轴线，再将上压头轻轻放置于试件上方，将试件及上压头的轴线对齐，而后在上压头与试件空隙外侧添加钢片，完成压头单元的制作。
(3)选用直径为125mm直径的热缩膜，从上而下套入至覆盖整个压头单元主体，将热缩膜吹风机调至280℃，加热吹制热缩膜至热缩膜与压头单元表面贴合。
(4)本实验所采用的试验机为MTS815Flex Test GT岩石力学实验系统，试验方法为：将制好的装置整体放置于三轴试验机上，降下机器压头，使其与装置上压头表面有轻微接触后，降下三轴舱，对三轴缸进行充油。设置机器的加载方式：以2MPa/min的速率先加载围压至4MPa，围压稳定后，以20kN/min加载轴压，添加轴压直至破坏，记录装置破坏时的峰值轴向压力大小Pcr＝124.03kN。
(5)计算得到试件在围压4MPa时试件抗剪强度为τ＝124.03kN/(80mm*50mm)＝31.01MPa。
为了提高结果准确度，可以多次测量求平均值。
通过特质夹具，将岩石直剪试验试件固定在三轴力学实验机上即可开展试验，基于上述试件、夹具及压头单元，能够在在只能进行压缩的三轴力学实验机上开展岩石的直剪试验，作为三轴力学实验机试验用途的一种补充。本申请的三轴试验机就是常规的三轴力学试验机，其上设置有例如加载式CT扫描等新型的测量设备，例如MTS815Flex Test GT岩石力学实验系统。通过以上模拟方法，可得到通过常规的三轴试验机上探索岩石的剪切强度特征，充分利用岩石三轴试验机的功能，并能结合岩石常规三轴力学试验机上加载式CT扫描等新型的测量手段，便于探索岩块试件在直剪过程中宏观及微观裂纹的产生、扩展和贯通过程，实现多元化量测的目标；通过围压加载提供试件表面压应力，能够较好的解决传统岩石直剪实验中试件受剪面的应力分布不均，施加水平力方向要求精度较高，易产生误差的问题。该方法除了可以用于岩石材料的剪切试验外，还可以于其他脆性及准脆性材料(如：混凝土、陶瓷等)的剪切强度测定。