用于巖石純剪切試驗的巖塊試件的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供的用于巖石純剪切試驗的巖塊試件，其構(gòu)成由在長方體形試件本體下端面沿厚D度方向設(shè)置凹向試件本體內(nèi)部垂直貫通試件本體兩端面的長方體形凹槽，在上端面沿寬度方向設(shè)置垂直貫通試件本體兩端面與長方形體凹槽相對應(yīng)的長方體形凸臺而形成，所述凹槽的兩側(cè)壁面和凸臺的兩側(cè)壁面分別關(guān)于試件本體垂直于上下端面的同一中垂面對稱，且凹槽的兩側(cè)壁面之間的寬度和凸臺的兩側(cè)壁面之間的寬度相等，所述凹槽的底平面與凹槽兩側(cè)壁面體的端平面平行，所述凸臺的頂平面與凸臺兩側(cè)的臺階平面平行。本實用新型能實現(xiàn)真正的純剪試驗，獲得巖石的純剪切強度。
【專利說明】
用于巖石純剪切試驗的巖塊試件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于巖石類脆性材料剪切強度測試領(lǐng)域，特別設(shè)及用于純剪切試驗的 巖塊試件。
【背景技術(shù)】
[0002] 剪切破壞是巖體的主要破壞方式之一，巖石剪切強度代表了巖石自身抵抗剪切破 壞的能力，是工程建設(shè)中的基礎(chǔ)參數(shù)，開展巖石剪切強度測試方法研究是準確獲取巖石剪 切強度值的重要前提。目前用于測試巖石剪切強度的方法有直接剪切試驗、Ξ軸剪切試驗、 模形剪切(或稱為傾斜剪切)試驗、單面剪切試驗、雙面剪切試驗及沖孔剪切試驗等。運些方 法所用的巖石試驗均為規(guī)則的圓柱形、正方體形或長方體形。直接剪切試驗、Ξ軸剪切試 驗、模形剪切試驗等方法是最常應(yīng)用的，他們通過測得剪切破裂面上多組正應(yīng)力下的極限 剪應(yīng)力研究巖石剪切強度，但均無法實現(xiàn)真正的純剪切破壞（即剪切破裂面上不存在正應(yīng) 力，僅有剪應(yīng)力的情況）。單面剪切和雙面剪切對試驗機要求高，需要帶有?？趭A具的剪切 試驗機才能進行該試驗，且由于剪切面上存在較大彎矩，仍難W實現(xiàn)真正的純剪試驗。沖孔 剪切試驗是將扁平的圓盤狀巖塊試件固定在環(huán)狀支座上，頂面墊一個直徑等于制作內(nèi)經(jīng)的 圓柱狀壓頭，通過對圓柱塞施加沖擊力，使巖塊試件發(fā)生剪切破壞。該方法存在W下問題： 在剪切過程中壓頭和環(huán)狀支座與巖塊試件的表面接觸部位會存在較大的壓縮應(yīng)力集中區(qū)， 從而導(dǎo)致剪切部位受壓出現(xiàn)屈服破壞區(qū)，并且在沖剪過程中還易形成彎矩，整個應(yīng)力狀態(tài) 復(fù)雜，也不能保證破壞沿預(yù)定剪切破裂面發(fā)展。因此該方法在巖石剪切試驗中很難見到應(yīng) 用。可見，研究結(jié)構(gòu)形式簡單且可W便捷、有效地測試巖石純剪切強度的試件構(gòu)型及巖石純 剪切試驗方法十分必要，也是目前試驗測試和研究的難點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有巖石剪切強度測試技術(shù)的不足，本實用新型的目的是提供一種用于巖石 純剪切試驗的新型巖塊試件，W用于在現(xiàn)有常規(guī)巖石力學(xué)試驗機上進行巖石的純剪切試 驗，實現(xiàn)真正的純剪試驗，從而獲得巖石的純剪切強度。
[0004] 針對本實用新型的目的，本實用新型提供的用于純剪切試驗的巖塊試件，其構(gòu)成 由在長方體形試件本體下端面沿厚D度方向設(shè)置凹向試件本體內(nèi)部垂直貫通試件本體兩端 面的長方體形凹槽，在上端面沿寬度方向設(shè)置垂直貫通試件本體兩端面與長方形體凹槽相 對應(yīng)的長方體形凸臺而形成，所述凹槽的兩側(cè)壁面和凸臺的兩側(cè)壁面分別關(guān)于試件本體垂 直于上下端面的同一中垂面對稱，且凹槽的兩側(cè)壁面之間的寬度和凸臺的兩側(cè)壁面之間的 寬度相等，所述凹槽的底平面與凹槽兩側(cè)壁面體的端平面平行，所述凸臺的頂平面與凸臺 兩側(cè)的臺階平面平行。
[0005] 在本實用新型的上述技術(shù)方案中，試件本體的高度Η最好大于或等于巖石顆粒尺 寸的10倍。
[0006] 在本實用新型的上述技術(shù)方案中，試件本體的寬度W，優(yōu)選0.9H《W《1.甜。
[0007] 在本實用新型的上述技術(shù)方案中，試件本體的厚度D，優(yōu)選1. .細。
[0008] 在本實用新型的上述技術(shù)方案中，所述凹槽的兩側(cè)壁面之間的寬度和凸臺的兩側(cè) 壁面之間的寬度Wi，即凸臺和凹槽在上下端面上占據(jù)的寬度，優(yōu)選0.4W《Wi《0.7W。
[0009] 在本實用新型的上述技術(shù)方案中，所述凸臺高度此，優(yōu)選0.2H《此《0.5H;所述凹 槽的深度出，優(yōu)選0.3H《出《0.甜。
[0010] 在本實用新型的上述技術(shù)方案中，試件本體任意相鄰兩個面的夾角最好控制在 90° ±0.5°的范圍;試件本體任意方位的尺寸偏差最好不超過0.2mm。
[0011] 利用上述巖塊試件進行巖石純剪切試驗的方法，步驟如下：
[0012] (1)將巖塊試件凹槽向下放置在常規(guī)巖石力學(xué)試驗機的試驗臺上，使巖塊試件本 體除去凹槽剩下的下端面與試驗臺接觸;所述試件本體的寬度W方向最好面向試驗臺前方， W便于在加載過程中觀察試件的剪切破壞過程。
[0013] (2)手動控制巖石力學(xué)試驗機進行微小位移的調(diào)整，使試驗機上端壓頭與巖塊試 件上端面凸臺的頂面輕微接觸，并對試件安放進行檢查；
[0014] (3)操作巖石力學(xué)試驗機，通過巖塊試件凸臺頂面和試件本體除去凹槽剩下的下 端面對巖塊試件施加壓力，直至試件破壞完全失去承載能力。
[0015] 本實用新型所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件的制作方法：
[0016] 將從工程現(xiàn)場或野外采集的巖塊用巖石切割機加工成比所需尺寸略大的試件長 方體形本體，然后用磨床，將長方體形本體的上下端面按《工程巖體試驗方法標準》中的巖 石壓縮試驗試件端面加工精度要求進行加工。加工完成后的試件本體任意相鄰兩個面的夾 角范圍應(yīng)控制在90° ±0.5°，本體任意位置的尺寸應(yīng)該足夠均勻，偏差不超過0.2mm。然后用 金剛石砂輪加工長方體形本體的下端面凹槽W及上端面的凸臺。若條件允許，推薦使用虎 錯配合銳床進行上下端面加工。使用金剛石砂輪或銳床加工下端面凹槽及上端面凸臺時， 可W先快后慢，當(dāng)接近所需尺寸時，每次進刀小于1mm，直到打磨到所需尺寸。最終形成本實 用新型所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件。
[0017] 使用本實用新型所述巖塊試件和試驗方法對巖石進行純剪切強度測試時，試件上 端面凸臺的兩個側(cè)面與下端面凹槽兩個側(cè)面之間的試件本體部分承受純剪切力，巖塊試件 的純剪切破壞便發(fā)生在此處(見圖6)。
[0018] 上述試驗中，巖石剪切強度t需根據(jù)剪切試驗中記錄的峰值載荷Per及試件的幾何 尺寸化、出、D)進行計算，具體的計算公式如下：
[0019]
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有W下有益效果：
[0021] 1、本實用新型所述用于純剪切試驗的巖塊試件為新型試件，為巖石的剪切強度測 試增加了試件類型。
[0022] 2、本實用新型所述用于純剪切試驗的試件結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制作。
[0023] 3、使用本實用新型所述用于純剪切試驗的巖塊試件及試驗方法，在現(xiàn)有常規(guī)巖石 力學(xué)試驗機上可便捷、有效地進行巖石的剪切強度測試，獲得巖石的純剪切強度，解決了現(xiàn) 有技術(shù)中的試驗方法難W實現(xiàn)真正的純剪切及對測試設(shè)備有特定要求等難題。
[0024] 4、本實用新型所述用于純剪切試驗的巖塊試件及試驗方法跳出了傳統(tǒng)直剪試驗 方法w改變加載裝置為主的研究思路，提出了新的試件構(gòu)型，在常規(guī)巖石力學(xué)試驗機上即 可實現(xiàn)巖石的純剪切強度測試。
[0025] 5、本實用新型所述用于純剪切試驗的試件還可用于其他脆性和準脆性材料（例 如:混凝± ,ΡΜΜΑ，陶瓷和玻璃等)的剪切強度測試。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本實用新型所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2是本實用新型所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件的主視圖；
[0028] 圖3是本實用新型所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件的側(cè)視圖；
[0029] 圖4是本實用新型所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件的俯視圖；
[0030] 圖5是本實用新型所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件在巖石力學(xué)試驗機的試驗 臺上的安裝示意圖和加載圖；
[0031] 圖6是本實用新型所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件發(fā)生純剪切破壞的示意 圖。
[0032] 圖中，1-試件本體，2-凸臺，3-凹槽，Η-試件本體的高度，W-試件本體的寬度， D-試件本體的厚度，凸臺與凹槽的寬度，出一凸臺高度，出一凹槽深度。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖，通過實施例對本實用新型所述用于巖石純剪切試驗的新型巖塊試 件作進一步說明。W下實施例中所提到的方向用語，例如:上、下、左、右、前或后等，僅是參 考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本實用新型。
[0034] 下述各實施例中，巖石剪切強度測試所用試驗設(shè)備為MTS815巖石力學(xué)試驗機。
[0035] 實施例1
[0036] 本實施例所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件，試驗材料為砂巖，由在長方體形 試件本體1下端面沿厚D度方向設(shè)置凹向試件本體內(nèi)部垂直貫通試件本體兩端面的長方體 形凹槽3,在上端面沿寬度方向設(shè)置垂直貫通試件本體兩端面與長方形體凹槽相對應(yīng)的長 方體形凸臺2而形成，所述凹槽的兩側(cè)壁面和凸臺的兩側(cè)壁面分別關(guān)于試件本體垂直于上 下端面的同一中垂面對稱，且凹槽的兩側(cè)壁面之間的寬度和凸臺的兩側(cè)壁面之間的寬度相 等，所述凹槽的底平面與凹槽兩側(cè)壁面體的端平面平行，所述凸臺的頂平面與凸臺兩側(cè)的 臺階平面平行。
[0037] 試件本體的高度Η為80mm，寬度W為100mm，厚度D為90mm;試件上端面凸臺與下端面 凹槽的寬度Wi為50mm;試件上端面凸臺高度出為20mm，試件下端面凹槽深度出為30mm。
[0038] 用上述試件進行巖石純剪切試驗的方法如下：
[0039] (1)將巖塊試件凹槽向下放置在常規(guī)巖石力學(xué)試驗機的試驗臺上，使巖塊試件本 體除去凹槽剩下的下端面與試驗臺接觸(見圖5);
[0040] (2)手動控制試驗機進行微小位移的調(diào)整，W使試驗機上端壓頭與試件上端面凸 臺2的上表面有輕微接觸，對試件安放進行最后檢查；
[0041] (3)操作巖石力學(xué)試驗機，通過巖塊試件凸臺2頂面和試件本體除去凹槽3剩下的 下端面對巖塊試件施加壓力（見圖5)，直至試件破壞完全失去承載能力。加載速率為 ο. OOlmm/s，所加最大載荷為Ρα = 118.7kN。
[0042] 根據(jù)試驗中記錄的峰值載荷Per及試件的幾何尺寸化、出、D)，被測巖石的純剪切應(yīng) 力(強度)t的計算方法如下：
[0043]
[0044] 實施例2
[0045] 本實施例所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件，試驗材料為砂巖，與實施例1不同 之處是試件各部分的尺寸。本實施例中，試件各部分的尺寸如下:試件本體的高度Η為70mm， 寬度W為80mm，厚度D為90mm;試件上端面凸臺與下端面凹槽的寬度Wi為40mm;試件上端面凸 臺高度出為20mm，試件下端面凹槽的深度出為30mm。
[0046] 用上述試件進行巖石純剪切試驗的方法與實施例1的不同之處在于:步驟(3)中加 載速率為0.0 Olmm/s，所加最大載荷為Ρα = 98.2kN。
[0047] 根據(jù)試驗中記錄的峰值載荷Per及試件的幾何尺寸化、出、D)，被測巖石的純剪切應(yīng) 力(強度)t的計算方法如下：
[004引
【主權(quán)項】
1. 用于巖石純剪切試驗的巖塊試件，其特征在于由在長方體形試件本體（1)下端面沿 厚D度方向設(shè)置凹向試件本體內(nèi)部垂直貫通試件本體兩端面的長方體形凹槽(3)，在上端面 沿寬度方向設(shè)置垂直貫通試件本體兩端面與長方形體凹槽相對應(yīng)的長方體形凸臺（2)而形 成，所述凹槽的兩側(cè)壁面和凸臺的兩側(cè)壁面分別關(guān)于試件本體垂直于上下端面的同一中垂 面對稱，且凹槽的兩側(cè)壁面之間的寬度和凸臺的兩側(cè)壁面之間的寬度相等，所述凹槽的底 平面與凹槽兩側(cè)壁面體的端平面平行，所述凸臺的頂平面與凸臺兩側(cè)的臺階平面平行。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件，其特征在于試件本體的高度Η 大于或等于巖石顆粒尺寸的10倍。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件，其特征在于試件本體的寬度W 為0.9Η彡W彡1.5Η，Η為試件本體的高度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件，其特征在于試件本體的厚度D 為1. 1Η彡D彡1.6Η，Η為試件本體的高度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件，其特征在于所述凹槽的兩側(cè) 壁面之間的寬度和凸臺的兩側(cè)壁面之間的寬度1為0.4W彡WiSO. 7W，W為試件本體的寬度。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件，其特征在于所述凸臺高度出為 0.2H彡H2彡0.5H，H為試件本體的高度。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件，其特征在于所述凹槽的深度H3 為0.3H<H3彡0.5H，H為試件本體的高度。8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件，其特征在于試件本體 任意相鄰兩個面的夾角控制在90° ±0.5°的范圍。9. 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述用于巖石純剪切試驗的巖塊試件，其特征在于試件本體 任意位置的尺寸偏差不超過0.2mm。
【文檔編號】G01N3/24GK205620247SQ201620286981
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】羅毅, 任利, 謝凌志, 李存寶, 王俊, 高超
【申請人】四川大學(xué)