一种层状岩石薄板试样制作及加载方法与流程

本发明属于岩体工程技术领域，特别是涉及一种层状岩石薄板试样制作及加载方法。

背景技术：

在矿业工程、水利水电工程、隧道工程、地下油气储藏工程等领域中，围岩体多以层状岩石为主，在这些工程活动中所引发的岩体破坏现象，与层状岩石力学性质的各向异性特征密切相关。在大多数情况下，层状岩石的破坏程度受其结构影响，而且深部硬岩的破坏更多的是应力和结构共同作用的结果，层状岩石的层理结构面很大程度上作为弱面，其会影响和控制围岩的破坏形式和剧烈程度。

岩石的宏观变形破坏是一个渐进的损伤积累、裂纹萌生、扩展、相互作用直至最终失效的过程，岩石破坏机制和破坏过程的研究，不仅是岩石力学重要的基础课题，而且对实际岩石工程灾害的治理与预防有重要的指导意义。因此，有必要研究不同层理倾角下层状岩石的宏细观破裂机制，揭示层理倾角与裂纹孕育、扩展机制之间的相互影响规律。

在常规的单轴、三轴加载情况下，岩石的裂纹呈三维扩展形式，这可能导致试样表面裂纹的扩展不具有代表性，因而有必要基于薄板试样在二维情况下展开相关裂纹损伤及扩展机制的研究。如片麻岩、片岩、千枚岩等层状岩石，其矿物成分及结构随位置分布差异较大，这必然增加了试验结果的离散性。在研究岩石的基础力学性质过程中，减少因外部因素导致的数据波动，增加实验结果的可重复性是很重要的。因此，应尽可能在较小的区域内选择岩样并制作小规格薄板试样。通常情况下，在研究岩石破裂机制过程中多借助数字散斑相关法、高速摄影、激光全息术、散斑干涉等手段，这些研究手段客观上需要高标准的薄板试样，对试样表面的不平整度及平行度等指标有较高的要求。

由于层状岩石的层理受矿物的定向排列、成分差异等因素影响，往往会发育为弱面，因此强度较小，在外部因素扰动下，容易发生沿层理方向的损伤和破坏，因而层状岩石的小规格薄板试样的加工较为困难。另外，小规格薄板试样的加载与常规试样不同，其易发生偏心加载、平面外弯曲、失稳等情况，因此设计合适的层状岩石薄板试样制作及加载方法来规避这些问题显得尤为重要。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种层状岩石薄板试样制作及加载方法，通过本发明的试样制作方法，能够高效准确的制作出各种层理倾角的薄板试样，大幅度减小层状岩石不均质性产生的影响；通过本发明的试样加载方法，能够有效减少薄板试样发生屈曲、失稳及因端部摩擦力较大造成的不合理破坏现象，可获得较为稳定的破坏过程。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种层状岩石薄板试样制作方法，包括如下步骤：

步骤一：钻切柱样

①、将层状岩石标本固定到钻机工作台上，使层状岩石标本的层面与钻机工作台保持垂直；

②、启动钻机，钻削方向垂直于水平面，并在层状岩石标本上钻取圆柱形岩石试样；

③、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；

④、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若干标高岩石柱样；

步骤二：切割薄板

①、在标高岩石柱样的端面上画出矩形的切割标记线，切割标记线与层面呈β夹角；

②、将画好切割标记线的标高岩石柱样置于线切割机平台上，沿着切割标记线将标高岩石柱样切割成长方体岩石试样；

③、将切割好的长方体岩石试样置于线切割机平台上，沿着长方体岩石试样的长度方向，将长方体岩石试样切割成若干厚度相等的薄板试样，此时的薄板试样的实际尺寸与设计尺寸规格相比留有1～2mm的打磨余量；

步骤三：打磨成型

①、先将薄板试样固定到相配套的打磨夹具中；

②、在薄板试样的待打磨表面涂抹上油漆作为打磨标记；

③、将涂抹了油漆的薄板试样连同打磨夹具一起置于研磨抛光机的研磨盘上；

④、向研磨盘上添加研磨液，启动研磨抛光机，将研磨盘的转速控制在100～150r/min，对薄板试样的其中一个待打磨表面进行研磨，直到待打磨表面的油漆全部消失；

⑤、将薄板试样连同打磨夹具翻转180°，重复步骤④，完成薄板试样另一个待打磨表面的打磨；

⑥、更换打磨夹具，重复步骤①至步骤④，直至完成薄板试样其余四个表面的打磨，使薄板试样满足设计尺寸规格。

所述研磨液由刚玉磨料和水混合而成，刚玉磨料与水的体积比为40％～60％；所述研磨液分为五种，五种研磨液中的刚玉磨料目数依次为120目、300目、600目、1000目及3000目，五种研磨液按照刚玉磨料目数由小到大依次向研磨盘中进行添加，且在添加每一种刚玉磨料目数的研磨液之前，均需要先将研磨盘和薄板试样待打磨表面用清水冲洗干净。

所述打磨夹具包括夹具主体和刚性垫片，夹具主体采用圆柱形结构，在夹具主体上均布有三处试样插槽，薄板试样位于试样插槽内，刚性垫片位于薄板试样与夹具主体之间，在刚性垫片外侧的夹具主体上安装有顶丝，通过旋紧顶丝使薄板试样固定在试样插槽内。

根据薄板试样装夹方式的不同，所述打磨夹具分为三种类型，包括试样加载面打磨夹具、试样非加载面打磨夹具以及试样观察面打磨夹具；所述试样加载面打磨夹具的夹具主体的轴向高度与薄板试样的长度相比至少低1mm；所述试样非加载面打磨夹具的夹具主体的轴向高度与薄板试样的宽度相比至少低1mm；所述试样观察面打磨夹具的夹具主体的轴向高度与薄板试样的厚度相比至少低1mm。

所述夹具主体配置有限位钢圈，限位钢圈套装在夹具主体外侧，限位钢圈与夹具主体之间为间隙配合。

在将涂抹了油漆的薄板试样连同打磨夹具一起置于研磨抛光机的研磨盘上后，需要在夹具主体上方放置一块圆柱形配重压块，然后执行研磨步骤。

一种层状岩石薄板试样加载方法，采用了通过所述的层状岩石薄板试样制作方法所制得的薄板试样，包括如下步骤：

步骤一：将打磨到设计尺寸规格的薄板试样用清水冲洗干净，再用酒精去除薄板试样残留的油漆，最后将薄板试样置于烘箱中进行烘干，或者将薄板试样置于室温下进行自然干燥；

步骤二：在薄板试样的两个加载面上涂抹减摩剂，再粘贴铜片；

步骤三：在压力机的下压头上固定球头加载机构，在球头加载机构顶端固定刚性垫板，在刚性垫板上表面设置有试样定位罩，在试样定位罩上表面开设有试样定位插槽，将薄板试样的一个加载面端插入试样定位插槽中，同时调整薄板试样的位置，使薄板试样的中轴线与球头加载机构的中轴线相重合；

步骤四：启动压力机，以位移控制方式或载荷控制方式对薄板试样进行预紧力加载，当采用位移控制方式时，位移加载速率为0.1～0.5mm/min，当采用载荷控制方式时，载荷加载速率为2～10n/min，直至达到设定的预紧力，并保持预紧力恒定；

步骤五：对预紧力进行清零，以位移控制方式对薄板试样进行加载，此时的位移加载速率为0.01～0.05mm/min，直至试样发生破坏。

所述试样定位罩由3d打印方式制作而成，试样定位罩与刚性垫板罩接部分的壁厚为0.2mm～0.5mm，试样定位罩与刚性垫板罩接部分之间留有0.2mm的间隙，试样定位插槽与薄板试样之间留有0.1mm～0.3mm的插装间隙；刚性垫板的直径比薄板试样的宽度大1mm～2mm，在刚性垫板的侧表面对称安装有两个羊角螺栓，羊角螺栓通过钢丝绳与压力机机架连接在一起，防止刚性垫板在加载过程中发生飞出的意外；刚性垫板的表面需要依次经过120目、300目、600目、1000目、3000目的砂纸进行打磨，刚性垫板通过石蜡粘贴固定在球头加载机构顶端。

所述球头加载机构由两部分组成，包括球头件和内凹球面底座，球头件的上部为圆柱体结构，球头件的下部为球形结构，且球头件的直径小于薄板试样宽度的1.5倍；内凹球面底座整体为圆柱体结构，在内凹球面底座的上端面加工有球面内凹槽；在球头件的上部圆柱侧面以及在下部内凹球面底座的圆柱侧面均对称安装有两个羊角螺栓；全部羊角螺栓均通过钢丝绳与压力机机架连接在一起，防止球头件和内凹球面底座在加载过程中发生飞出的意外；球头件和内凹球面底座的球面需要依次经过120目、300目、600目、1000目、3000目、5000目的砂纸进行打磨；在内凹球面底座的上端面的球面内凹槽中添加有润滑油。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，通过本发明的试样制作方法，能够高效准确的制作出各种层理倾角的薄板试样，大幅度减小层状岩石不均质性产生的影响；通过本发明的试样加载方法，能够有效减少薄板试样发生屈曲、失稳及因端部摩擦力较大造成的不合理破坏现象，可获得较为稳定的破坏过程。

附图说明

图1为层状岩石标本置于切割机平台上的示意图；

图2为圆柱形岩石试样的钻取示意图；

图3为钻取得到的圆柱形岩石试样示意图；

图4为切割得到的标高岩石柱样示意图；

图5为标高岩石柱样的端面完成画线标记后的示意图；

图6为切割得到的长方体岩石试样示意图；

图7为切割得到的薄板试样示意图；

图8为研磨抛光机启动打磨时的示意图；

图9为试样加载面打磨夹具俯视图；

图10为图9中a-a剖视图；

图11为试样非加载面打磨夹具俯视图；

图12为图11中b-b剖视图；

图13为试样观察面打磨夹具俯视图；

图14为图13中c-c剖视图；

图15为压力机加载薄板试样时的示意图；

图中，1—层状岩石标本，2—钻机工作台，3—层面，4—圆柱形岩石试样，5—标高岩石柱样，6—切割标记线，7—长方体岩石试样，8—薄板试样，9—夹具主体，10—刚性垫片，11—顶丝，12—研磨盘，13—刚性垫板，14—试样定位罩，15—试样定位插槽，16—球头件，17—内凹球面底座，18—羊角螺栓，19—限位钢圈。

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。

以制作尺寸规格为40mm×20mm×5mm的层状岩石薄板试样为例。

一种层状岩石薄板试样制作方法，包括如下步骤：

步骤一：钻切柱样

①、如图1所示，将层状岩石标本1固定到钻机工作台2上，使层状岩石标本1的层面3与钻机工作台2保持垂直；

②、启动钻机，钻削方向垂直于水平面，如图2所示，并在层状岩石标本1上钻取圆柱形岩石试样4，如图3所示；

③、将钻取好的圆柱形岩石试样4置于切割机平台上，使圆柱形岩石试样4的中轴线平行于切割机平台；

④、启动切割机，切割方向垂直于圆柱形岩石试样4的中轴线，并在圆柱形岩石试样4上切割出若干长度为30mm的标高岩石柱样5，如图4所示；

步骤二：切割薄板

①、在标高岩石柱样5的端面上画出矩形(41mm×21mm)的切割标记线6，如图5所示，切割标记线6与层面3呈β夹角，β夹角可取0、30°、45°、60°或90°；

②、将画好切割标记线6的标高岩石柱样5置于线切割机平台上，沿着切割标记线6将标高岩石柱样5切割成长方体岩石试样7，如图6所示；

③、将切割好的长方体岩石试样7置于线切割机平台上，沿着长方体岩石试样7的长度方向，将长方体岩石试样7切割成若干厚度相等(6mm)的薄板试样8，如图7所示，此时的薄板试样8的实际尺寸与设计尺寸规格相比留有1～2mm的打磨余量；

步骤三：打磨成型

①、先将薄板试样8固定到相配套的打磨夹具中；

②、在薄板试样8的待打磨表面涂抹上油漆作为打磨标记；

③、将涂抹了油漆的薄板试样8连同打磨夹具一起置于研磨抛光机的研磨盘12上，如图8所示；

④、向研磨盘上添加研磨液，启动研磨抛光机，将研磨盘的转速控制在120r/min，对薄板试样8的其中一个待打磨表面进行研磨，直到待打磨表面的油漆全部消失；

⑤、将薄板试样8连同打磨夹具翻转180°，重复步骤④，完成薄板试样8另一个待打磨表面的打磨；

⑥、更换打磨夹具，重复步骤①至步骤④，直至完成薄板试样8其余四个表面的打磨，使薄板试样8满足40mm×20mm×5mm的设计尺寸规格。

所述研磨液由刚玉磨料和水混合而成，刚玉磨料与水的体积比为40％～60％；所述研磨液分为五种，五种研磨液中的刚玉磨料目数依次为120目、300目、600目、1000目及3000目，五种研磨液按照刚玉磨料目数由小到大依次向研磨盘中进行添加，且在添加每一种刚玉磨料目数的研磨液之前，均需要先将研磨盘和薄板试样8待打磨表面用清水冲洗干净。

所述打磨夹具包括夹具主体9和刚性垫片10，夹具主体9采用圆柱形结构，在夹具主体9上均布有三处试样插槽，薄板试样8位于试样插槽内，刚性垫片10位于薄板试样8与夹具主体9之间，在刚性垫片10外侧的夹具主体9上安装有顶丝11，通过旋紧顶丝11使薄板试样8固定在试样插槽内。本实施例中，刚性垫片10的厚度为1.5mm，刚性垫片10的宽度比试样插槽的宽度小0.5mm，刚性垫片10的高度与夹具主体9的高度相等，顶丝11数量为两个且沿薄板试样8长度方向均布。

根据薄板试样8装夹方式的不同，所述打磨夹具分为三种类型，包括试样加载面打磨夹具(如图9、10所示)、试样非加载面打磨夹具(如图11、12所示)以及试样观察面打磨夹具(如图13、14所示)；所述试样加载面打磨夹具的夹具主体9的轴向高度与薄板试样8的长度(40mm)相比至少低1mm；所述试样非加载面打磨夹具的夹具主体9的轴向高度与薄板试样8的宽度(20mm)相比至少低1mm；所述试样观察面打磨夹具的夹具主体9的轴向高度与薄板试样8的厚度(5mm)相比至少低1mm。

所述夹具主体9配置有限位钢圈19，限位钢圈19套装在夹具主体9外侧，限位钢圈19与夹具主体9之间为间隙配合。本实施例中，限位钢圈19与夹具主体9之间的间隙为0.2mm。

在将涂抹了油漆的薄板试样8连同打磨夹具一起置于研磨抛光机的研磨盘上后，需要在夹具主体9上方放置一块圆柱形配重压块，然后执行研磨步骤。

一种层状岩石薄板试样加载方法，采用了通过所述的层状岩石薄板试样制作方法所制得的薄板试样，包括如下步骤：

步骤一：将打磨到设计尺寸规格(40mm×20mm×5mm)的薄板试样8用清水冲洗干净，再用酒精去除薄板试样8残留的油漆，最后将薄板试样8置于烘箱中进行烘干，烘干温度设定为110℃，烘干时间设为2小时，或者将薄板试样8置于室温下至少3天进行自然干燥；

步骤二：在薄板试样8的两个加载面(20mm×5mm)上涂抹减摩剂，再粘贴铜片；

步骤三：在压力机的下压头上固定球头加载机构，在球头加载机构顶端固定刚性垫板13，在刚性垫板13上表面设置有试样定位罩14，在试样定位罩14上表面开设有试样定位插槽15，将薄板试样8的一个加载面端插入试样定位插槽15中，同时调整薄板试样8的位置，使薄板试样8的中轴线与球头加载机构的中轴线相重合，如图15所示；

步骤四：启动压力机，以位移控制方式或载荷控制方式对薄板试样8进行预紧力加载，当采用位移控制方式时，位移加载速率为0.1～0.5mm/min，当采用载荷控制方式时，载荷加载速率为2～10n/min，直至达到设定的预紧力，并保持预紧力恒定；本实施例中，预紧力为200n～500n；

步骤五：对预紧力进行清零，以位移控制方式对薄板试样8进行加载，此时的位移加载速率为0.02mm/min，直至试样发生破坏。

所述试样定位罩14由3d打印方式制作而成，试样定位罩14与刚性垫板13罩接部分的壁厚为0.2mm～0.5mm，试样定位罩14与刚性垫板13罩接部分之间留有0.2mm的间隙，试样定位插槽15与薄板试样8之间留有0.1mm～0.3mm的插装间隙；刚性垫板13的直径比薄板试样8的宽度(20mm)大1mm～2mm，在刚性垫板13的侧表面对称安装有两个羊角螺栓18，羊角螺栓18通过钢丝绳与压力机机架连接在一起，防止刚性垫板13在加载过程中发生飞出的意外；刚性垫板13的表面需要依次经过120目、300目、600目、1000目、3000目的砂纸进行打磨，刚性垫板13通过石蜡粘贴固定在球头加载机构顶端。

所述球头加载机构由两部分组成，包括球头件16和内凹球面底座17，球头件16的上部为圆柱体结构，球头件16的下部为球形结构，且球头件16的直径小于薄板试样8宽度(20mm)的1.5倍；内凹球面底座17整体为圆柱体结构，在内凹球面底座17的上端面加工有球面内凹槽；在球头件16的上部圆柱侧面以及在内凹球面底座17的圆柱侧面均对称安装有两个羊角螺栓18；全部羊角螺栓18均通过钢丝绳与压力机机架连接在一起，防止球头件16和内凹球面底座17在加载过程中发生飞出的意外；球头件16和内凹球面底座17的球面需要依次经过120目、300目、600目、1000目、3000目、5000目的砂纸进行打磨；在内凹球面底座17的上端面的球面内凹槽中添加有润滑油。

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。