一种测定不同片理角度岩样抗剪强度指标的装置及测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测定不同片理角度岩样抗剪强度指标的装置及测定方法。
【背景技术】
[0002] 岩土的抗剪强度指标测定方法有许多，常用的有直剪仪(剪切盒)压剪试验(单面 剪），立方体试件单面剪试验，试件端部受压双面剪试验，角模压剪试验(变角剪切试验)等。 这些测试方法均采用立方体试件，无法测定圆柱体岩土的抗剪强度指标，而实际工程中的 钻探取样都是圆柱体，且大多数室内岩石试验系统均采用圆柱形试件，如RMT-150C岩石力 学试验系统，法国TOP INDUSTRIE公司岩石三轴流变仪等。在进行岩石试验数据分析时，经 常需要将各种试验测得的数据进行比较分析，若以常规立方体剪切试验数据与其它岩石力 学试验仪器所获的圆柱形试件试验数据进行比对分析，其由于试件大小、规格的不统一，显 然会造成不可忽视的误差。另外，对于一些层状、片状类岩体，其力学指标受控于其片理特 征，为准确分析该类岩体的破坏特征，经常需要获得其不同片理角度下的剪切强度参数，而 传统常规的试验仪器和方法均不能方便、经济、准确的获得。
[0003] 现有的岩土抗剪强度指标测定方法具有如下几点不足之处：
[0004] (1)试验试件均采用立方体试样，需要专门制取，且数据无法直接用于与其他试验 仪器所获试验数据的比较分析；
[0005] (2)剪切破坏时剪切缝不能唯一确定，导致理论计算值和实际值有较大偏差；
[0006] (3)对于一些有特殊要求的剪切试验，如测定不同片理角度下的岩石抗剪强度试 验，需要先制取筛选大量符合条件的岩样，耗时耗力；
[0007] (4)岩样无法重复利用，采用多个岩样测定时难免存在较大离散型。
[0008] 基于此，需要设计既简单经济而又能较快获得不同片理角度岩样抗剪强度指标的 抗剪强度指标的装置及方法。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是提供一种测定不同片理角度岩样抗剪强度指标的 装置及测定方法，可以解决现有装置测定不同片理角度下的剪切强度参数中的缺陷，无需 进行大量岩样制取筛选，高效简易，既能大幅度降低试验成本，又能提高试验结果的准确 性。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种测定不同片理角度岩样 抗剪强度指标的装置，
[0011] 它包括水平底座，水平底座的上水平面上设置有多个滚轴；
[0012] 多个滚轴上放置有岩样剪切组件；
[0013] 岩样剪切组件中，刻有角度刻度盘的上半圆形凹槽通过紧固螺栓固定安装于承压 面下方，承压面上设有与角度刻度相配合的指示箭头，下半圆凹槽与上半圆形凹槽拼接组 合形成一个圆柱体，圆柱体的中部形成放置岩样的装样槽，装样槽内放置有至少一个试样 套，试样套由两个半圆形套体拼接组成，下半圆凹槽与上半圆形凹槽的拼接处形成齿合缝； 下半圆凹槽底部沿圆周方向开设有多个与上半圆形凹槽上的角度刻度相配合的安装孔，剪 切盒通过带螺栓的薄板及安装孔固定在下半圆凹槽上；
[0014] 岩样剪切组件的剪切盒放置在水平底座的多个滚轴上；
[0015] 承压面上设置有千斤顶压头。
[0016] 试样套的数量为多个，活动套接于装样槽内。
[0017] 水平底座的左端与剪切盒的左端平齐，水平底座的右端与下半圆凹槽的外圈在同 一竖直面上。
[0018] -种采用上述装置进行岩样抗剪强度指标测定的方法，其特征在于该方法包括以 下步骤：
[0019] 1)选定待测岩样:选择特定片理角度的岩样；
[0020] 2)第一次装样:将岩样放入装样槽中，将上半圆形凹槽和下半圆凹槽拼接固定，使 上半圆形凹槽和下半圆凹槽拼接时齿合缝与水平底座的底边所成夹角m，50° 70°，得 到第一剪切面；
[0021 ] 3)第一次剪切:通过千斤顶压头对岩样施加荷载，直至岩样刚好被剪坏，记下此时 的压力值?:，获得第一次剪切破坏时最大荷载Fi;
[0022] 4)岩样胶结:取出经步骤2)破坏的岩样，在其破坏面上均匀涂抹胶结物质，压合后 使其接触面基本无空隙，两端面保存平整，侧面光滑，尽可能将岩样恢复到破坏前状态，放 置一定时间待其接触面胶结物质固结；
[0023] 5)第二次装样：向装置的装样槽中装入经步骤3)胶结后的岩样，再调整上半圆形 凹槽和下半圆凹槽位置，将上半圆形凹槽和下半圆凹槽拼接固定，使上半圆形凹槽和下半 圆凹槽拼接时齿合缝与水平底座的底边所成夹角a 2,50° <a2<70°，ai^a2,得到第二剪切 面；
[0024] 6)岩样第二次剪切:通过千斤顶压头对岩样施加荷载，直至岩样刚好被剪坏，记下 此时的压力值F2，获得第二次剪切破坏时最大荷载F2;
[0025] 7)计算该特定片理角度岩样的剪切强度指标:通过对加载力的正交分解，依据库 伦定律的抗剪强度公式n + aUinp，通过列式计算，得到该片理角度下岩样的粘聚力c和 内摩擦角
[0026] 即计算得到该特定片理角度岩样的剪切强度指标。
[0027] 步骤7)中，若使用的测定装置的下半圆凹槽与上半圆形凹槽的拼接处形成齿合缝 之间没有缝隙，即下半圆凹槽与上半圆形凹槽的拼接处完全接触，计算方法如下：
[0028] 通过对加载力的正交分解，同时考虑到下半圆凹槽与上半圆形凹槽之间的摩擦阻 力f，该阻力f通过不放置岩样时使下半圆凹槽与上半圆形凹槽错开的加载力测得，可知岩 样破坏时正应力〇 = F cos α/DL，剪应力t = (F sin a-f)/DL，
[0029] 其中，a为上半圆形凹槽和下半圆凹槽拼接时齿合缝与水平底座的底边所成夹角；
[0030] D为岩样直径，L为岩样高度；
[0031] 依据库伦定律的抗剪强度公式r = c + €rtanp，通过列式计算，即可得到该片理(层 理)角度下岩样的粘聚力c和内摩擦角供的数值如下：
[0034]步骤7)中，若使用的测定装置的下半圆凹槽与上半圆形凹槽的拼接处形成齿合缝 之间存在缝隙，即下半圆凹槽与上半圆形凹槽的拼接处并未完全接触，计算方法如下： [0035]通过对加载力的正交分解，无需考虑到下半圆凹槽与上半圆形凹槽之间的摩擦阻 力f，
[0036] 可知岩样破坏时正应力〇=F cos α/DL，剪应力t=F sin a/DL，
[0037] 其中，a为上半圆形凹槽和下半圆凹槽拼接时齿合缝与水平底座的底边所成夹角； [0038] D为岩样直径，L为岩样高度；
[0039]依据库伦定律的抗剪强度公式r = c + CJtanp，通过列式计算，即可得到该片理角 度下岩样的粘聚力c和内摩擦角P的数值如下：
[0042] 步骤1)中，选择特定片理角度的岩样有以下三种：
[0043] 第一种:岩样的片理面与岩样轴向平行，其片理面与岩样轴向之间的夹角β = 0°;
[0044] 第二种:岩样的片理面与岩样轴向之间的夹角β，0°<β<90° ;
[0045] 第三种:岩样的片理面与岩样轴向之间的夹角β，β = 90°。
[0046] 步骤4)中，胶结面积占整个劈裂面总面积的1%以下，胶结物质的厚度是固结后的 厚度应小于劈裂面长度的5%。
[0047] 本发明提供的一种测定不同片理角度岩样抗剪强度指标的装置及测定方法，通过 设计特定的装置实现岩样的旋转，使片理面与剪切面呈任意需求角度，而无需进行大量岩 样制取筛选，另外，通过破坏后岩样的胶结再利用，大大减少了试验数据离散型；可以解决 现有装置测定不同片理角度下的剪切强度参数中的缺陷，高效简易，既能大幅度降低试验 成本，又能提高试验结果的准确性。
【附图说明】
[0048]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0049] 图1为本发明装置结构示意图；
[0050] 图2为本发明装置承压面的示意图；
[0051 ]图3为本发明装置薄板的示意图；
[0052]图4为本发明装置上半圆形凹槽和下半圆凹槽的示意图；
[0053]图5为本发明方法步骤4)装样后第一次剪切的受力图；
[0054] 图6为本发明方法步骤6)装样后第二次剪切的受力图；
[0055] 图7为本发明方法选择第一种岩样的示意图；
[0056] 图8为本发明方法选择第二种岩样的示意图；
[0057] 图9为本发明方法选择第三种岩样的示意图。
【具体实施方式】 [0058] 实施例一
[0059]如图1-4所示，一种测定岩土圆柱样抗剪强度指标的装置，
[0060] 它包括水平底座13,水平底座13的上水平面上设置有多个滚轴12;
[0061]多个滚轴12上放置有岩土圆柱样剪切组件；
[0062] 岩土圆柱样剪切组件中，刻有角度刻度盘3的上半圆形凹槽4通过紧固螺栓14固定 安装于承压面2下方，承压面2上设有与角度刻度相配合的指示箭头，下半圆凹槽6与上半圆 形凹槽4拼接组合形成一个圆柱体，圆柱体的中部形成放置岩土圆柱样的装样槽7,装样槽7 内放置有至少一个试样套8,试样套8由两个半圆形套体拼接组成，下半圆凹槽6与上半圆形 凹槽4的拼接处形成齿合缝5;下半圆凹槽6底部沿圆周方向开设有多个与上半圆形凹槽4上 的角度刻度相配合的安装孔9,剪切盒10通过带螺栓的薄板11及安装孔9固定在下半圆凹槽 6上；
[0063] 岩土圆柱样剪切组件的剪切盒10放置在水平底座13的多个滚轴12上；
[0064] 承压面2上设置有千斤顶压头1。
[0065] 试样套8的数量为多个，活动套接于装样槽7内。
[0066] 水平底座13的左端与剪切盒10的左端平齐，水平底座13的右端与下半圆凹槽6的 外圈在同一竖直面上。
[0067] 实施例二
[0068] 上述装置的安装过程如下：
[0069] 先将承压面2与上半圆形凹槽4按预先设计好的角度(上半圆形凹槽和下半圆凹槽 拼接时齿合缝5与水平底座的底边所成夹角a，50° < a < 70°，根据指示箭头所指角度调整）， 通过紧固螺栓14连在一起，然后根据上半圆形凹槽4设计好的角度，将下半圆凹槽6和剪切 盒10转动到相应的角度，使之与上半圆形凹槽4吻合；
[0070] 接着将下半圆凹槽6和剪切盒10通过通过带螺栓的薄板11及安装孔9连接固定在 一起；
[0071] 进行岩土圆柱样剪切试验时，
[0072] 将准备好的岩样放入下半凹槽中6,如果岩样的直径较小，可以通过增加不同直径 钢套8的数量使岩样7和钢套8整体可以和下半圆凹槽6刚好接触在一起；
[0073] 将上半圆形凹槽4和承压面2盖在岩样7和下半圆凹槽6组成的的整体之上;岩土圆 柱样剪切组件组装完成，再将岩土