一種可控表面粗糙度人工巖石節(jié)理制備裝置及其應(yīng)用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可控表面粗糙度人工巖石節(jié)理制備裝置及其應(yīng)用方法，其特征在于包括巖樣水平夾持系統(tǒng)、水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)、含滑槽底座和可控比例加載方法。本發(fā)明采用普通壓力機(jī)即可完成。首先水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)在巖樣一端施加水平預(yù)設(shè)壓力，依據(jù)作用力與反作用力原理，在水平夾持系統(tǒng)和水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)共同作用下試樣水平向受力均勻，消除傳統(tǒng)劈裂試驗(yàn)兩端受力不均影響；然后普通壓力機(jī)施加垂直預(yù)設(shè)壓力，待穩(wěn)定后瞬間釋放垂直壓力，巖樣由于能量突然釋放沿水平夾持系統(tǒng)與巖樣接觸線劈裂形成粗糙節(jié)理；同時(shí)，根據(jù)巖性不同可以調(diào)整垂直和水平壓力比例來制備相同粗糙度巖石節(jié)理。本發(fā)明裝置操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，可普遍用于各尺寸巖石節(jié)理的制備。
【專利說明】
一種可控表面粗糙度人工巖石節(jié)理制備裝置及其應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及室內(nèi)巖石試樣制備裝置，更具體涉及一種可控表面粗糙度人工巖石節(jié)理制備裝置及其應(yīng)用方法，屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國水電開發(fā)、深部采礦、石油天然氣開采等工程建設(shè)的展開，將普遍涉及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下巖體的變形與穩(wěn)定等復(fù)雜技術(shù)問題，這些問題的核心和基礎(chǔ)均涉及巖體中節(jié)理面的力學(xué)特性方面的科學(xué)問題，如地下工程圍巖的穩(wěn)定涉及復(fù)雜邊界條件下節(jié)理面的變形與強(qiáng)度特性?；诠こ虒?shí)踐的需求，研究節(jié)理面在受剪條件下的變形破壞機(jī)制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是天然粗糙節(jié)理面的不可重復(fù)性使得在采用天然節(jié)理巖體材料開展試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的解釋往往變得非常復(fù)雜;采用類巖石材料時(shí)各力學(xué)與變形指標(biāo)又難以精確控制，無法準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況;室內(nèi)傳統(tǒng)劈裂試驗(yàn)是一種制備粗糙巖石節(jié)理的有效途徑，但由于普通壓力機(jī)加載過程中完整巖樣兩端受力不均勻使得巖樣劈裂難以沿著預(yù)設(shè)節(jié)理方向劈裂，且多組試樣粗糙度難以保證一致。因此，嚴(yán)重制約了相關(guān)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展和設(shè)計(jì)指標(biāo)的獲取。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可控表面粗糙度人工巖石節(jié)理制備裝置及其應(yīng)用方法。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種可控表面粗糙度人工巖石節(jié)理制備裝置，其特征在于包括巖樣水平夾持系統(tǒng)、水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)、含滑槽底座；
所述的巖樣水平夾持系統(tǒng)，包括:連接板、支撐擋板、滑動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸、楔形夾持器和巖樣固定底座;支撐擋板、滑動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸、楔形夾持器各有兩個(gè)，連接板共有四個(gè);連接板將支撐擋板與巖樣固定底座通過螺栓進(jìn)行連接;滑動(dòng)軸承外徑與支撐擋板上圓孔直徑相匹配;滑動(dòng)軸直徑與滑動(dòng)軸承內(nèi)徑相匹配;楔形夾持器方形端尺寸與滑動(dòng)軸方形端尺寸相匹配，楔形夾持器楔形端與完整巖樣中部位置接觸，巖樣將沿著接觸線劈裂;巖樣固定底座上設(shè)有可以調(diào)節(jié)高度的滾動(dòng)輪，便于巖樣固定底座的固定安裝；
所述的水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)，包括:手動(dòng)液壓栗、反力板和連接反力桿;手動(dòng)液壓栗和反力板各有兩個(gè)，連接反力桿共有四根;手動(dòng)液壓栗外徑尺寸與反力板中圓孔直徑尺寸相匹配，為巖樣提供水平加載力；四根連接反力桿通過螺栓與反力板連接;反力板底部安裝有滾動(dòng)輪，且反力板底部距含滑槽底座有一定距離，防止反力板與含滑槽底座接觸影響試驗(yàn)結(jié)果;連接反力桿、反力板與含滑槽底座在手動(dòng)液壓栗的作用下通過作用力與反作用力原理實(shí)現(xiàn)巖樣兩端受力均勻，使得巖樣劈裂能夠沿著預(yù)設(shè)節(jié)理方向劈裂，提高節(jié)理試樣制備的成功率。
[0005]本發(fā)明裝置的應(yīng)用方法是: 1)將巖樣水平夾持系統(tǒng)和水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)依次安置在含滑槽底座上，并在壓力機(jī)上安裝就位，同時(shí)將加工完整的巖樣放置在巖樣固定底座上，調(diào)整滑動(dòng)軸的位置使得楔形夾持器與巖樣水平接觸，并調(diào)整手動(dòng)液壓栗使其加載端與滑動(dòng)軸端部微接觸；
2)將手動(dòng)液壓栗壓力釋放，按照預(yù)先設(shè)定壓力對(duì)巖樣一端施加水平方向壓力，根據(jù)作用力與反作用力原理，水平夾持系統(tǒng)和水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)的共同作用保證了巖樣水平夾持兩個(gè)端面的受力均勻；
3)待水平向壓力施加穩(wěn)定后，通過壓力機(jī)按照水平與垂直方向壓力成一定比例來施加巖樣垂直向壓力;待壓力施加穩(wěn)定后，瞬間釋放垂直向壓力，巖樣會(huì)由于突然能量釋放而沿著楔形夾持器與巖樣的接觸線水平劈裂，最終形成粗糙節(jié)理。根據(jù)巖性不同可以調(diào)整兩個(gè)方向壓力比例，從而可以制備不同巖性相同粗糙度的巖石節(jié)理。
[0006]由于采用了以上技術(shù)方案，該可控表面粗糙度人工巖石節(jié)理制備裝置及其應(yīng)用方法有以下優(yōu)點(diǎn):
1)巖樣兩端受力不均勻易導(dǎo)致巖樣劈裂位置不可控，根據(jù)作用力與反作用力原理，水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)保證了巖樣兩端受力完全一致，使得巖樣沿著楔形夾持器與巖樣接觸線(巖樣中間)位置劈裂，保證了節(jié)理試樣的完整性；
2)普通壓力機(jī)單向壓力劈裂試驗(yàn)難以保證多組巖石節(jié)理具有相同粗糙度，本發(fā)明垂直向壓力和水平向壓力按照設(shè)定比例施加，待施加穩(wěn)定后垂直向壓力瞬間釋放，保證不同巖性巖樣劈裂成相同粗糙度的巖石節(jié)理。
[0007]本發(fā)明的可控表面粗糙度人工巖石節(jié)理制備裝置結(jié)構(gòu)合理，在普通壓力機(jī)上即可完成，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，可以普遍用于不同尺寸巖石節(jié)理的制備。
[0008]本發(fā)明的原理是:
1)連接板、支撐擋板、巖樣固定底座依靠螺栓組成水平夾持系統(tǒng)框架，滑動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸與楔形夾持器組成夾持系統(tǒng)核心部分;楔形夾持器方形端尺寸與滑動(dòng)軸方形端尺寸相匹配，楔形夾持器楔形端與完整巖樣中部位置接觸，保證試樣將沿著接觸線劈裂；
2)反力板、連接反力桿組成水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)核心部分，手動(dòng)液壓栗實(shí)現(xiàn)裝置的水平加載;連接反力桿、反力板與含滑槽底座在手動(dòng)液壓栗作用下通過作用力與反作用力原理實(shí)現(xiàn)巖塊兩端受力均勻，保證了巖樣加載時(shí)穩(wěn)定劈裂；
3)垂直向加載在普通壓力機(jī)即可完成。垂直向壓力通過壓力機(jī)按照水平與垂直向壓力成一定比例的方式施加;待壓力穩(wěn)定后，瞬間釋放垂直向壓力，巖樣會(huì)由于兩個(gè)水平面能量突然釋放而沿應(yīng)力集中線(楔形夾持器與巖塊的接觸線)水平劈裂，最終形成粗糙節(jié)理。根據(jù)巖性不同可以調(diào)整兩個(gè)方向壓力比例，從而實(shí)現(xiàn)不同巖性相同粗糙度的巖石節(jié)理。
【附圖說明】
[0009]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)正視示意圖；
圖2為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)俯視示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。[0011 ]結(jié)合附圖1、附圖2，一種可控表面粗糙度人工巖石節(jié)理制備裝置及其應(yīng)用方法，包括巖樣水平夾持系統(tǒng)、水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)、含滑槽底座。
[0012]所述的巖樣水平夾持系統(tǒng)，包括:連接板1、支撐擋板2、滑動(dòng)軸承3、滑動(dòng)軸4、楔形夾持器5和巖樣固定底座6;支撐擋板2、滑動(dòng)軸承3、滑動(dòng)軸4、楔形夾持器5各有兩個(gè)，連接板I共有四個(gè);連接板I將支撐擋板2與巖樣固定底座6通過螺栓進(jìn)行連接;滑動(dòng)軸承3外徑與支撐擋板2上圓孔直徑相匹配;滑動(dòng)軸4直徑與滑動(dòng)軸承3內(nèi)徑相匹配;楔形夾持器5方形端尺寸與滑動(dòng)軸4方形端尺寸相匹配，楔形夾持器5楔形端與完整巖樣中部位置接觸，巖樣將沿著接觸線劈裂;巖樣固定底座6上設(shè)有可以調(diào)節(jié)高度的滾動(dòng)輪，便于巖樣固定底座的固定安裝。
[0013]所述的水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)，包括:手動(dòng)液壓栗7、反力板8和連接反力桿9;手動(dòng)液壓栗7和反力板8各有兩個(gè)，連接反力桿9共有四根;手動(dòng)液壓栗7外徑尺寸與反力板8中圓孔直徑尺寸相匹配，為巖樣提供水平加載力；四根連接反力桿9通過螺栓與反力板8連接;反力板8底部安裝有滾動(dòng)輪，且反力板8底部距含滑槽底座10有一定距離，防止反力板8與含滑槽底座10接觸影響試驗(yàn)結(jié)果;連接反力桿9、反力板8與含滑槽底座10在手動(dòng)液壓栗7的作用下通過作用力與反作用力原理實(shí)現(xiàn)巖樣兩端受力均勻，使得巖樣劈裂能夠沿著預(yù)設(shè)節(jié)理方向劈裂，提高節(jié)理試樣制備的成功率。
[0014]本發(fā)明裝置的應(yīng)用方法是:
1)將巖樣水平夾持系統(tǒng)和水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)依次安置在含滑槽底座10上，并在壓力機(jī)上安裝就位，同時(shí)將加工完整的巖樣放置在巖樣固定底座6上，調(diào)整滑動(dòng)軸4的位置使得楔形夾持器5與巖樣水平接觸，并調(diào)整手動(dòng)液壓栗7使液壓栗加載端與滑動(dòng)軸4端部微接觸；
2)將手動(dòng)液壓栗7壓力釋放，按照預(yù)先設(shè)定壓力對(duì)巖樣一端施加水平方向壓力，根據(jù)作用力與反作用力原理，水平夾持系統(tǒng)和水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)的共同作用保證了巖樣水平夾持兩個(gè)端面的受力均勻；
3)待水平向壓力施加穩(wěn)定后，通過壓力機(jī)按照水平與垂直方向壓力成一定比例來施加巖樣垂直向壓力;待壓力施加穩(wěn)定后，瞬間釋放垂直向壓力，巖樣會(huì)由于突然能量釋放而沿著楔形夾持器與巖塊的接觸線水平劈裂，最終形成粗糙節(jié)理。根據(jù)巖性不同可以調(diào)整兩個(gè)方向壓力比例，從而實(shí)現(xiàn)不同巖性相同粗糙度的巖石節(jié)理。
[0015]以上所述實(shí)施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體的實(shí)施方式的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可控表面粗糙度人工巖石節(jié)理制備裝置，其特征在于包括巖樣水平夾持系統(tǒng)、水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)、含滑槽底座； 所述的巖樣水平夾持系統(tǒng)，包括:連接板、支撐擋板、滑動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸、楔形夾持器和巖樣固定底座;支撐擋板、滑動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸、楔形夾持器各有兩個(gè)，連接板共有四個(gè);連接板將支撐擋板與巖樣固定底座通過螺栓進(jìn)行連接;滑動(dòng)軸承外徑與支撐擋板上圓孔直徑相匹配;滑動(dòng)軸直徑與滑動(dòng)軸承內(nèi)徑相匹配;楔形夾持器方形端尺寸與滑動(dòng)軸方形端尺寸相匹配;巖樣固定底座上設(shè)有可以調(diào)節(jié)高度的滾動(dòng)輪，便于巖樣固定底座的固定安裝； 所述的水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)，包括:手動(dòng)液壓栗、反力板和連接反力桿;手動(dòng)液壓栗和反力板各有兩個(gè)，連接反力桿共有四根;手動(dòng)液壓栗外徑尺寸與反力板中圓孔直徑尺寸相匹配；四根連接反力桿通過螺栓與反力板連接;反力板底部安裝有滾動(dòng)輪，且反力板底部距含滑槽底座有一定距離。2.如權(quán)利要求1所述的可控表面粗糙度人工巖石節(jié)理制備裝置應(yīng)用方法，其特征在于: 第一步:將巖樣水平夾持系統(tǒng)和水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)依次安置在含滑槽底座上，并在壓力機(jī)上安裝就位，同時(shí)將加工完整的巖樣放置在巖樣固定底座上，調(diào)整滑動(dòng)軸的位置使得楔形夾持器與巖樣水平接觸，并調(diào)整手動(dòng)液壓栗使液壓栗加載端與滑動(dòng)軸端部微接觸；第二步:將手動(dòng)液壓栗壓力釋放，按照預(yù)先設(shè)定壓力對(duì)巖樣一端施加水平方向壓力，根據(jù)作用力與反作用力原理，水平夾持系統(tǒng)和水平滑動(dòng)加載系統(tǒng)的共同作用保證了巖樣水平夾持兩個(gè)端面的受力均勻； 第三步:待水平向壓力施加穩(wěn)定后，通過壓力機(jī)按照水平與垂直方向壓力成一定比例來施加巖樣垂直向壓力;待壓力施加穩(wěn)定后，瞬間釋放垂直向壓力，巖樣會(huì)由于能量突然釋放而沿著楔形夾持器與巖塊的接觸線水平劈裂，最終形成粗糙節(jié)理;根據(jù)巖性不同可以調(diào)整兩個(gè)方向壓力比例，從而實(shí)現(xiàn)不同巖性相同粗糙度的巖石節(jié)理。
【文檔編號(hào)】G01N1/28GK105973675SQ201610526786
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年7月6日
【發(fā)明人】蔣宇靜, 張學(xué)朋, 李博
【申請(qǐng)人】山東科技大學(xué)