岩土介质拉剪强度测试分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩土介质拉剪技术，尤其涉及一种岩土介质拉剪强度测试分析方法。 凡是岩土工程中可能出现拉剪组合应力状态的地方都是此技术的潜在应用领域，如井筒工 程、锚锭工程、隧道工程、边坡工程和地下厂房等。
【背景技术】
[0002] 许多岩土工程的实践日益表明，岩土所受到的应力路径和应力状态极其复杂，卸 载和加载的不同路径可能导致岩土介质处于拉剪应力状态，从而发生拉剪破坏的场合越来 越多。如在矿山开采、隧道和地下厂房等地下工程中，由于岩土的非均质非弹性，卸荷应力 路径必定会在某些部位形成一种由差异变形而产生的拉应力。在桥梁工程中，一些桥梁 (如丰都长江大桥、重庆鹅公岩长江大桥、重庆忠县长江大桥和万州长江二桥等）的设计方 案采用了隧道式锚碇，而锚碇-围岩系统的破坏必定是锚体带动后部周边一定范围岩体一 起发生整体拉剪破坏。危岩是三峡库区以及我国整个西部地区的主要地质灾害，危岩稳定 性的评价和治理需求日益增多，拉剪破坏型危岩是其中的主要类型。此外，随着新型地下工 程的日益涌现，如深部地热的致裂增渗开发，各种类型的开发井筒（水平井、大位移井等）， 也面临着岩土拉剪行为研究的迫切需求。
[0003]目前，岩土的压剪力学行为的研究无论在数量上还是深度上均占压倒性优势，而 对拉剪强度的研究则很少，但日益受到重视。研究岩土介质拉剪应力下的变形破坏行为一 般采用直接拉剪实验，但有较多的局限，如许多岩石在拉力的直接控制上十分不便，难以实 现复杂应力环境等。对岩土拉剪破坏的刻画一般是在压剪破坏准则的压剪破坏线延伸至拉 应力区并作跌落或线性延伸处理。由于关于拉剪的试验数据非常稀少，理论模型和实验数 据缺乏系统的校对，目前关于岩土介质拉剪强度的测试方法研究较少，而且已有的研究成 果大多试验过程繁琐，不易操作，精度不高，亟待改进。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种岩土介质拉剪强度 测试分析方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] 一、设计思路
[0007] 在工作实践中，首次发现了传统的厚壁筒水力压裂方法可以在空心圆柱试样中实 现拉剪应力状态，并且发现拉剪破坏先于纯拉破坏发生，因此可以考虑应用于测试岩土介 质的拉剪强度。
[0008] 由于在厚壁圆筒致裂仪上进行砂岩压裂的试验时发现，许多试样在压裂时出现了 倾斜裂纹，并且意外地发现，随着轴压的变化，试样破裂面角度呈现出规律性的变化。单纯 的拉破坏已经无法充分地解释这一现象的发生。再结合弹性力学的应力分析可以知道，任 意斜截面上都存在应力，这样必然在有些界面上存在拉-剪组合应力状态。因此，只要调整 好轴压、围压和内压的值就可以控制拉-剪应力状态的出现。当岩土介质破坏时，只要测量 破坏面的产状（位置、角度），然后根据斜截面的应力公式得到拉-剪破坏面的解析解。不 同的外力组合得到不同的拉-剪破坏面，从而得到应力空间不同的破坏点。也就是加载的 时候，试样的相当一部分斜截面为拉剪应力区，这为进行岩石拉剪破坏研究提供了可能。具 体分析如下：
[0009] 1、通过对厚壁圆筒形岩土试样在均匀轴压、围压、内压组合作用下应力状态的弹 性力学分析，发现内压大于围压是产生拉-剪应力状态的必要条件，且轴压不利于产生拉 应力，故可不施加围压，简化实验，且轴压值不宜过大。
[0010] 2、利用厚壁圆筒式致裂仪，使空心圆柱体岩土试样在无围压，轴压恒定，内压加载 系统恒流速施加内压直至压力读数突然降低发生破坏；改变轴压，重复试验；
[0011] 3、利用拉剪点捕获装置（比如声发射等），使不同轴压下岩土试件发生拉-剪破坏 时的内压值得以捕获；
[0012] 4、利用破坏面产状测量装置（如扫描、摄像等），使不同轴压下岩土试件发生 拉-剪破坏时的破裂面位置、角度得以测量；
[0013] 5、通过拟合不同轴压下岩土试件发生拉-剪破坏时破裂面上的正应力和切应力 组合，即可确定岩土介质的拉-剪强度。
[0014] 二、技术方案
[0015] 1、岩土介质拉剪强度测试分析装置一一厚壁圆筒式致裂仪
[0016] 本装置包括试样、试样夹持器、轴压系统、内压系统和拉剪点捕获装置；
[0017] 在试样夹持器内安装试样；
[0018] 轴压系统和试样连接，加载和记录轴压；
[0019] 内压系统和试样连接，加载和记录内压；
[0020] 拉剪点捕获装置和试样连接，实现拉剪点的捕获。
[0021] 2、岩土介质拉剪强度测试分析方法
[0022] ①利用厚壁圆筒式致裂仪实现岩土拉剪破坏试验
[0023] A、将试样安装在试样夹持器内，采用热收缩管包裹空心圆柱形岩土试样的内壁和 外周；
[0024] B、连接管线并安装好试样夹持器，连接轴压系统和内压系统；
[0025] C、不施加外部围压（外部围压为零），通过轴压系统加载轴压q至设定值，内压系 统施加内压？1直至压力读数突然降低，试样破坏，试验结束；
[0026] D、试验过程中，通过拉剪点捕获装置捕获试样发生拉剪破坏的时机，同时读取此 时的内压值和轴压值；
[0027] E、（利用扫描或摄像等技术）量测拉剪破坏面的位置和角度的几何信息；
[0028] F、对于一组内的其他试样，重复以上步骤，获取不同轴压下试样拉剪破坏的多组 数据；
[0029] ②拉剪强度计算方法及拉剪强度曲线绘制
[0030] 将测得的破裂面角度转换为破坏面法线与直角坐标系中三个坐标轴X、y、z夹角 的余弦值]^、π^，捕捉不同轴压q下岩土试件发生拉剪破坏时的内压值Pi，则计算出 岩土介质发生拉剪破坏时破坏面上的正应力σ ^。和切应力τ ^ n： CN 105181453 A 说明书 3/4 页
[0033] 其中，Y1为岩土试样的内半径。与外半径L之比的平方，即
[0034] 其余符号与上述操作步骤中提及的一致；
[0035] 将不同轴压下试样发生拉剪破坏时破坏面上的正应力切应力的多个组合（σ ' n， τ ' n)绘制在正应力-剪应力坐标系下，得到该类型岩土介质的拉剪强度曲线，通过拟合 可得拉剪强度的模型和参数。
[0036] 本发明具有以下特点和积极效果：
[0037] ①发现厚壁筒水力压裂实验中，在一些条件下，拉剪破坏先于拉破坏发生，故可利 用厚壁圆筒式致裂仪实现岩土介质的拉剪组合应力状态及拉剪破坏；
[0038] ②采用厚壁圆筒式致裂仪可以方便地实现不同轴压和内压的加载；
[0039] ③在拉剪破坏瞬间，还可认为材料处于弹性状态，因此，利用空间轴对称问题的弹 性力学解析解获得介质