一種測(cè)定不同片理角度巖樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的裝置及測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測(cè)定不同片理角度巖樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的裝置及測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 巖土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)定方法有許多，常用的有直剪儀(剪切盒)壓剪試驗(yàn)(單面 剪），立方體試件單面剪試驗(yàn)，試件端部受壓雙面剪試驗(yàn)，角模壓剪試驗(yàn)(變角剪切試驗(yàn))等。 這些測(cè)試方法均采用立方體試件，無法測(cè)定圓柱體巖土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，而實(shí)際工程中的 鉆探取樣都是圓柱體，且大多數(shù)室內(nèi)巖石試驗(yàn)系統(tǒng)均采用圓柱形試件，如RMT-150C巖石力 學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，法國TOP INDUSTRIE公司巖石三軸流變儀等。在進(jìn)行巖石試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)，經(jīng) 常需要將各種試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，若以常規(guī)立方體剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其它巖石力 學(xué)試驗(yàn)儀器所獲的圓柱形試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，其由于試件大小、規(guī)格的不統(tǒng)一，顯 然會(huì)造成不可忽視的誤差。另外，對(duì)于一些層狀、片狀類巖體，其力學(xué)指標(biāo)受控于其片理特 征，為準(zhǔn)確分析該類巖體的破壞特征，經(jīng)常需要獲得其不同片理角度下的剪切強(qiáng)度參數(shù)，而 傳統(tǒng)常規(guī)的試驗(yàn)儀器和方法均不能方便、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的獲得。
[0003] 現(xiàn)有的巖土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)定方法具有如下幾點(diǎn)不足之處：
[0004] (1)試驗(yàn)試件均采用立方體試樣，需要專門制取，且數(shù)據(jù)無法直接用于與其他試驗(yàn) 儀器所獲試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較分析；
[0005] (2)剪切破壞時(shí)剪切縫不能唯一確定，導(dǎo)致理論計(jì)算值和實(shí)際值有較大偏差；
[0006] (3)對(duì)于一些有特殊要求的剪切試驗(yàn)，如測(cè)定不同片理角度下的巖石抗剪強(qiáng)度試 驗(yàn)，需要先制取篩選大量符合條件的巖樣，耗時(shí)耗力；
[0007] (4)巖樣無法重復(fù)利用，采用多個(gè)巖樣測(cè)定時(shí)難免存在較大離散型。
[0008] 基于此，需要設(shè)計(jì)既簡單經(jīng)濟(jì)而又能較快獲得不同片理角度巖樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種測(cè)定不同片理角度巖樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的 裝置及測(cè)定方法，可以解決現(xiàn)有裝置測(cè)定不同片理角度下的剪切強(qiáng)度參數(shù)中的缺陷，無需 進(jìn)行大量巖樣制取篩選，高效簡易，既能大幅度降低試驗(yàn)成本，又能提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確 性。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種測(cè)定不同片理角度巖樣 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的裝置，
[0011] 它包括水平底座，水平底座的上水平面上設(shè)置有多個(gè)滾軸；
[0012] 多個(gè)滾軸上放置有巖樣剪切組件；
[0013] 巖樣剪切組件中，刻有角度刻度盤的上半圓形凹槽通過緊固螺栓固定安裝于承壓 面下方，承壓面上設(shè)有與角度刻度相配合的指示箭頭，下半圓凹槽與上半圓形凹槽拼接組 合形成一個(gè)圓柱體，圓柱體的中部形成放置巖樣的裝樣槽，裝樣槽內(nèi)放置有至少一個(gè)試樣 套，試樣套由兩個(gè)半圓形套體拼接組成，下半圓凹槽與上半圓形凹槽的拼接處形成齒合縫； 下半圓凹槽底部沿圓周方向開設(shè)有多個(gè)與上半圓形凹槽上的角度刻度相配合的安裝孔，剪 切盒通過帶螺栓的薄板及安裝孔固定在下半圓凹槽上；
[0014] 巖樣剪切組件的剪切盒放置在水平底座的多個(gè)滾軸上；
[0015] 承壓面上設(shè)置有千斤頂壓頭。
[0016] 試樣套的數(shù)量為多個(gè)，活動(dòng)套接于裝樣槽內(nèi)。
[0017] 水平底座的左端與剪切盒的左端平齊，水平底座的右端與下半圓凹槽的外圈在同 一豎直面上。
[0018] -種采用上述裝置進(jìn)行巖樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)定的方法，其特征在于該方法包括以 下步驟：
[0019] 1)選定待測(cè)巖樣:選擇特定片理角度的巖樣；
[0020] 2)第一次裝樣:將巖樣放入裝樣槽中，將上半圓形凹槽和下半圓凹槽拼接固定，使 上半圓形凹槽和下半圓凹槽拼接時(shí)齒合縫與水平底座的底邊所成夾角m，50° 70°，得 到第一剪切面；
[0021 ] 3)第一次剪切:通過千斤頂壓頭對(duì)巖樣施加荷載，直至巖樣剛好被剪壞，記下此時(shí) 的壓力值?:，獲得第一次剪切破壞時(shí)最大荷載Fi;
[0022] 4)巖樣膠結(jié):取出經(jīng)步驟2)破壞的巖樣，在其破壞面上均勻涂抹膠結(jié)物質(zhì)，壓合后 使其接觸面基本無空隙，兩端面保存平整，側(cè)面光滑，盡可能將巖樣恢復(fù)到破壞前狀態(tài)，放 置一定時(shí)間待其接觸面膠結(jié)物質(zhì)固結(jié)；
[0023] 5)第二次裝樣：向裝置的裝樣槽中裝入經(jīng)步驟3)膠結(jié)后的巖樣，再調(diào)整上半圓形 凹槽和下半圓凹槽位置，將上半圓形凹槽和下半圓凹槽拼接固定，使上半圓形凹槽和下半 圓凹槽拼接時(shí)齒合縫與水平底座的底邊所成夾角a 2,50° <a2<70°，ai^a2,得到第二剪切 面；
[0024] 6)巖樣第二次剪切:通過千斤頂壓頭對(duì)巖樣施加荷載，直至巖樣剛好被剪壞，記下 此時(shí)的壓力值F2，獲得第二次剪切破壞時(shí)最大荷載F2;
[0025] 7)計(jì)算該特定片理角度巖樣的剪切強(qiáng)度指標(biāo):通過對(duì)加載力的正交分解，依據(jù)庫 倫定律的抗剪強(qiáng)度公式n + aUinp，通過列式計(jì)算，得到該片理角度下巖樣的粘聚力c和 內(nèi)摩擦角
[0026] 即計(jì)算得到該特定片理角度巖樣的剪切強(qiáng)度指標(biāo)。
[0027] 步驟7)中，若使用的測(cè)定裝置的下半圓凹槽與上半圓形凹槽的拼接處形成齒合縫 之間沒有縫隙，即下半圓凹槽與上半圓形凹槽的拼接處完全接觸，計(jì)算方法如下：
[0028] 通過對(duì)加載力的正交分解，同時(shí)考慮到下半圓凹槽與上半圓形凹槽之間的摩擦阻 力f，該阻力f通過不放置巖樣時(shí)使下半圓凹槽與上半圓形凹槽錯(cuò)開的加載力測(cè)得，可知巖 樣破壞時(shí)正應(yīng)力〇 = F cos α/DL，剪應(yīng)力t = (F sin a-f)/DL，
[0029] 其中，a為上半圓形凹槽和下半圓凹槽拼接時(shí)齒合縫與水平底座的底邊所成夾角；
[0030] D為巖樣直徑，L為巖樣高度；
[0031] 依據(jù)庫倫定律的抗剪強(qiáng)度公式r = c + €rtanp，通過列式計(jì)算，即可得到該片理(層 理)角度下巖樣的粘聚力c和內(nèi)摩擦角供的數(shù)值如下：
[0034]步驟7)中，若使用的測(cè)定裝置的下半圓凹槽與上半圓形凹槽的拼接處形成齒合縫 之間存在縫隙，即下半圓凹槽與上半圓形凹槽的拼接處并未完全接觸，計(jì)算方法如下： [0035]通過對(duì)加載力的正交分解，無需考慮到下半圓凹槽與上半圓形凹槽之間的摩擦阻 力f，
[0036] 可知巖樣破壞時(shí)正應(yīng)力〇=F cos α/DL，剪應(yīng)力t=F sin a/DL，
[0037] 其中，a為上半圓形凹槽和下半圓凹槽拼接時(shí)齒合縫與水平底座的底邊所成夾角； [0038] D為巖樣直徑，L為巖樣高度；
[0039]依據(jù)庫倫定律的抗剪強(qiáng)度公式r = c + CJtanp，通過列式計(jì)算，即可得到該片理角 度下巖樣的粘聚力c和內(nèi)摩擦角P的數(shù)值如下：
[0042] 步驟1)中，選擇特定片理角度的巖樣有以下三種：
[0043] 第一種:巖樣的片理面與巖樣軸向平行，其片理面與巖樣軸向之間的夾角β = 0°;
[0044] 第二種:巖樣的片理面與巖樣軸向之間的夾角β，0°<β<90° ;
[0045] 第三種:巖樣的片理面與巖樣軸向之間的夾角β，β = 90°。
[0046] 步驟4)中，膠結(jié)面積占整個(gè)劈裂面總面積的1%以下，膠結(jié)物質(zhì)的厚度是固結(jié)后的 厚度應(yīng)小于劈裂面長度的5%。
[0047] 本發(fā)明提供的一種測(cè)定不同片理角度巖樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的裝置及測(cè)定方法，通過 設(shè)計(jì)特定的裝置實(shí)現(xiàn)巖樣的旋轉(zhuǎn)，使片理面與剪切面呈任意需求角度，而無需進(jìn)行大量巖 樣制取篩選，另外，通過破壞后巖樣的膠結(jié)再利用，大大減少了試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散型；可以解決 現(xiàn)有裝置測(cè)定不同片理角度下的剪切強(qiáng)度參數(shù)中的缺陷，高效簡易，既能大幅度降低試驗(yàn) 成本，又能提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0048]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0049] 圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050] 圖2為本發(fā)明裝置承壓面的示意圖；
[0051 ]圖3為本發(fā)明裝置薄板的示意圖；
[0052]圖4為本發(fā)明裝置上半圓形凹槽和下半圓凹槽的示意圖；
[0053]圖5為本發(fā)明方法步驟4)裝樣后第一次剪切的受力圖；
[0054] 圖6為本發(fā)明方法步驟6)裝樣后第二次剪切的受力圖；
[0055] 圖7為本發(fā)明方法選擇第一種巖樣的示意圖；
[0056] 圖8為本發(fā)明方法選擇第二種巖樣的示意圖；
[0057] 圖9為本發(fā)明方法選擇第三種巖樣的示意圖。
【具體實(shí)施方式】 [0058] 實(shí)施例一
[0059]如圖1-4所示，一種測(cè)定巖土圓柱樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的裝置，
[0060] 它包括水平底座13,水平底座13的上水平面上設(shè)置有多個(gè)滾軸12;
[0061]多個(gè)滾軸12上放置有巖土圓柱樣剪切組件；
[0062] 巖土圓柱樣剪切組件中，刻有角度刻度盤3的上半圓形凹槽4通過緊固螺栓14固定 安裝于承壓面2下方，承壓面2上設(shè)有與角度刻度相配合的指示箭頭，下半圓凹槽6與上半圓 形凹槽4拼接組合形成一個(gè)圓柱體，圓柱體的中部形成放置巖土圓柱樣的裝樣槽7,裝樣槽7 內(nèi)放置有至少一個(gè)試樣套8,試樣套8由兩個(gè)半圓形套體拼接組成，下半圓凹槽6與上半圓形 凹槽4的拼接處形成齒合縫5;下半圓凹槽6底部沿圓周方向開設(shè)有多個(gè)與上半圓形凹槽4上 的角度刻度相配合的安裝孔9,剪切盒10通過帶螺栓的薄板11及安裝孔9固定在下半圓凹槽 6上；
[0063] 巖土圓柱樣剪切組件的剪切盒10放置在水平底座13的多個(gè)滾軸12上；
[0064] 承壓面2上設(shè)置有千斤頂壓頭1。
[0065] 試樣套8的數(shù)量為多個(gè)，活動(dòng)套接于裝樣槽7內(nèi)。
[0066] 水平底座13的左端與剪切盒10的左端平齊，水平底座13的右端與下半圓凹槽6的 外圈在同一豎直面上。
[0067] 實(shí)施例二
[0068] 上述裝置的安裝過程如下：
[0069] 先將承壓面2與上半圓形凹槽4按預(yù)先設(shè)計(jì)好的角度(上半圓形凹槽和下半圓凹槽 拼接時(shí)齒合縫5與水平底座的底邊所成夾角a，50° < a < 70°，根據(jù)指示箭頭所指角度調(diào)整）， 通過緊固螺栓14連在一起，然后根據(jù)上半圓形凹槽4設(shè)計(jì)好的角度，將下半圓凹槽6和剪切 盒10轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的角度，使之與上半圓形凹槽4吻合；
[0070] 接著將下半圓凹槽6和剪切盒10通過通過帶螺栓的薄板11及安裝孔9連接固定在 一起；
[0071] 進(jìn)行巖土圓柱樣剪切試驗(yàn)時(shí)，
[0072] 將準(zhǔn)備好的巖樣放入下半凹槽中6,如果巖樣的直徑較小，可以通過增加不同直徑 鋼套8的數(shù)量使巖樣7和鋼套8整體可以和下半圓凹槽6剛好接觸在一起；
[0073] 將上半圓形凹槽4和承壓面2蓋在巖樣7和下半圓凹槽6組成的的整體之上;巖土圓 柱樣剪切組件組裝完成，再將巖土