一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種巖石三軸壓縮儀，具體涉及一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮儀的組合模具，適用于礦山、水利、資源與環(huán)境等領(lǐng)域中巖石室內(nèi)剪切試驗(yàn)。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)深部礦產(chǎn)資源開采、高陡邊坡穩(wěn)定性分析、水利水電資源開發(fā)以及核廢料處置，均普遍涉及復(fù)雜環(huán)境下圍巖變形穩(wěn)定問題，巖石抗剪強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度參數(shù)是進(jìn)行圍巖變形數(shù)值模擬和穩(wěn)定性分析的前提和基礎(chǔ)。巖石室內(nèi)剪切試驗(yàn)是獲取抗剪強(qiáng)度及其相關(guān)參數(shù)的重要手段，目前對(duì)于巖石抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法有直剪試驗(yàn)、傾斜壓模剪切法和三軸壓縮試驗(yàn)等。
[0003]巖石直剪試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法比較簡(jiǎn)單，能得到巖石在單向圍壓作用下抗剪強(qiáng)度，然后根據(jù)摩爾理論可以得到巖石的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。但是在直剪試驗(yàn)過程中存在很多難以克服的不足，嚴(yán)重影響了試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。例如，在直剪試驗(yàn)過程中，隨著剪切荷載的增加，試樣上的法向應(yīng)力很難穩(wěn)定，試樣的實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境與模型存在一定的差距；試樣在直剪儀中只能沿著既定的滑面發(fā)生破壞，而真正決定巖石破壞面位置和破壞強(qiáng)度大小的是試樣內(nèi)部的缺陷，因此直剪試驗(yàn)限制了巖石的自由破壞；當(dāng)直剪試驗(yàn)法向應(yīng)力較大時(shí)，容易出現(xiàn)磨框現(xiàn)象，使得試驗(yàn)值較真實(shí)值偏大。
[0004]傾斜壓模剪切法是通過改變加載力與試件之間的夾角，改變巖石試樣的正應(yīng)力和剪應(yīng)力大小，從而得到巖石的剪切破壞強(qiáng)度和強(qiáng)度參數(shù)，該方法可以克服直剪試驗(yàn)中磨框現(xiàn)象和法向應(yīng)力不穩(wěn)的問題，然而由于巖石試樣與傾斜壓模之間的剛度不同，導(dǎo)致在試驗(yàn)過程中，試樣與壓模之間產(chǎn)生了較大的摩擦力，改變了試樣內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，影響了測(cè)試結(jié)果的可靠性。
[0005]三軸壓縮試驗(yàn)通過改變圍壓條件得到巖石的三維抗壓強(qiáng)度，然后根據(jù)摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則繪制巖石破壞包絡(luò)線，對(duì)包絡(luò)線進(jìn)行線性回歸得到試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，該試驗(yàn)方法克服了諸多不利因素，因此得到的數(shù)據(jù)相對(duì)可靠。但是該方法屬于間接測(cè)量方法，也并未考慮壓頭的變形情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型的目的，就是為了針對(duì)現(xiàn)有巖石三軸壓縮儀及三軸壓縮試驗(yàn)存在的上述問題，提出一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具，使三軸試驗(yàn)儀可以直接測(cè)量巖石的抗剪強(qiáng)度。
[0007]為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的上述目的，本實(shí)用新型一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具采用以下技術(shù)方案:
[0008]本實(shí)用新型一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具，包括千斤頂壓頭、一對(duì)圓柱形墊板、用于安裝巖石試樣的壓力室，所述的千斤頂壓頭的下部形狀、尺寸與壓力室的圓柱型內(nèi)腔相匹配，所述的一對(duì)圓柱形墊板的形狀、尺寸也與壓力室的圓柱型內(nèi)腔相匹配。其特點(diǎn)是:它還含有一對(duì)剛性半圓柱墊板、一對(duì)柔性半圓柱墊板，所述的一對(duì)剛性半圓柱墊板、一對(duì)柔性半圓柱墊板的高度、直徑相等。
[0009]所述的一對(duì)剛性半圓柱墊板、一對(duì)柔性半圓柱墊板的高度、直徑與所述的一對(duì)圓柱形墊板的高度、直徑相等為佳。
[0010]上述圓柱形墊板可選擇彈性模量210MPa的合金鋼，上述柔性半圓柱墊板可選擇彈性模量l05MPa的鋁青銅。當(dāng)然，也可以選擇其他彈性模量不同的其他金屬材料，只要二者的彈性模量不同就可。
[0011]該組合模具及巖石試樣的安裝方法為:
[0012]1)將一塊圓柱形墊板安放到到壓力室的底部；
[0013]2)將一塊剛性半圓柱墊板、一塊柔性半圓柱墊板組合成下部圓柱型配合體安放到1)步驟所述圓柱形墊板的上面
[0014]3)將巖石試樣安放到2)步奏所述下部圓柱型配合體的上面；
[0015]4)再將另一塊剛性半圓柱墊板、另一塊柔性半圓柱墊板構(gòu)成的上部圓柱型配合體安放到巖石試樣的上面，接著將另一塊圓柱形墊板安放到所述上部圓柱型配合體的上面；
[0016]所述的一塊剛性半圓柱墊板位于巖石試樣的左上面，另一塊剛性半圓柱墊板位于巖石試樣的右下面；所述的一塊柔性半圓柱墊板位于巖石試樣的右上面，所述的另一塊柔性半圓柱墊板位于巖石試樣的左下面；
[0017]5)然后將千斤頂壓頭的下部安放到步奏4)之另一塊圓柱形墊板上面的壓力室內(nèi)。
[0018]本實(shí)用新型一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具，由于兩種模塊(墊板)的剛度不同，根據(jù)材料的變形量與所受外力、自身剛度、尺寸規(guī)格之間的關(guān)系，結(jié)合試驗(yàn)過程中巖石與模塊(墊板)的變形協(xié)調(diào)，反算巖石試樣受到來自不同模塊(墊板)的作用力大小，得到剪切面兩側(cè)的剪力差值，進(jìn)而得到巖石的三維抗剪強(qiáng)度，通過繪制抗剪強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系曲線，得到巖石的強(qiáng)度參數(shù)。
[0019]本實(shí)用新型一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具，在具體試驗(yàn)過程中，只需要增加一套壓頭墊板裝置，即可完成巖石三軸儀對(duì)巖石的三軸抗壓試驗(yàn)和抗剪試驗(yàn)的集成，豐富了試驗(yàn)儀器的功能，有效提高了裝置的性價(jià)比。
[0020]采用三軸儀進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，獲得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠。相比于直剪儀和傾斜壓膜機(jī)，本實(shí)用新型方法避免了巖石試樣與實(shí)驗(yàn)裝置的摩擦，減小了實(shí)驗(yàn)裝置帶來的系統(tǒng)誤差；本實(shí)用新型方法采用的專用組合模具傳承了巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，通過壓力室向巖石試樣提供了一個(gè)穩(wěn)定的圍壓，軸壓加載速率由電腦控制，因此可以更加穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集也更為精細(xì)；通過三軸儀的伺服加載系統(tǒng)，可以獲取巖石剪切破壞后的剪切破壞曲線。
【附圖說明】
[0021]圖1為現(xiàn)有的巖石三軸壓縮試驗(yàn)圖；
[0022]圖2為本實(shí)用新型一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具的三軸剪切試驗(yàn)圖；
[0023]圖3為本實(shí)用新型采用的組合模塊圖；
[0024]圖4是本實(shí)用新型一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具的三軸剪切試驗(yàn)巖石試樣受力不意圖。
[0025]附圖標(biāo)記為:1-千斤頂壓頭，2-壓力室，3-巖石試樣，4-圓柱形墊板(改進(jìn)前使用的)，5-剛性半圓柱墊板，6-柔性半圓柱墊板。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為進(jìn)一步描述本實(shí)用新型，下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0027]由圖1所示的現(xiàn)有的巖石三軸壓縮試驗(yàn)圖看出，將第一塊圓柱形墊板4、巖石試樣3、第二塊圓柱形墊板4自下而上放入壓力室2中，將千斤頂壓頭1的下部安放到第二塊圓柱形墊板4的上面之壓力室2內(nèi)進(jìn)行施壓。
[0028]由圖2所示的本實(shí)用新型一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具的三軸剪切試驗(yàn)圖并結(jié)合圖3、圖4看出，本實(shí)用新型一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具包括千斤頂壓頭1、一對(duì)圓柱形墊板4、用于安裝巖石試樣3的壓力室2，所述的千斤頂壓頭1的下部形狀、尺寸與壓力室2的圓柱型內(nèi)腔相匹配，所述的一對(duì)圓柱形墊板4的形狀、尺寸也與壓力室2的圓柱型內(nèi)腔相匹配，其特征在于:該組合模具還包括一對(duì)剛性半圓柱墊板5、一對(duì)柔性半圓柱墊板6，所述的一對(duì)剛性半圓柱墊板5、一對(duì)柔性半圓柱墊板6的高度、直徑相等；所述的一對(duì)剛性半圓柱墊板5、一對(duì)柔性半圓柱墊板6的高度、直徑與所述的一對(duì)圓柱形墊板4的高度、直徑相等。
[0029]該組合模具及巖石試樣3的安裝方法為:
[0030]1)將一塊圓柱形墊板4安放到到壓力室2的底部；
[0031]2)將一塊剛性半圓柱墊板5、一塊柔性半圓柱墊板6組合成下部圓柱型配合體安放到1)步驟所述圓柱形墊板4的上面；
[0032]3)將巖石試樣3安放到2)步奏所述下部圓柱型配合體的上面；
[0033]4)再將另一塊剛性半圓柱墊板5、另一塊柔性半圓柱墊板6構(gòu)成的上部圓柱型配合體安放到巖石試樣3的上面，接著將另一塊圓柱形墊板4安放到所述上部圓柱型配合體的上面；
[0034]所述的一塊剛性半圓柱墊板5位于巖石試樣3的左上面，另一塊剛性半圓柱墊板5位于巖石試樣3的右下面；所述的一塊柔性半圓柱墊板6位于巖石試樣3的右上面，所述的另一塊柔性半圓柱墊板6位于巖石試樣3的左下面；
[0035]5)然后將千斤頂壓頭1的下部安放到步奏4)之另一塊圓柱形墊板4上面的壓力室2內(nèi)；
[0036]對(duì)巖石試樣抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定的試驗(yàn)方法為:
[0037]1)分別測(cè)試剛性半圓柱墊板5的彈性模量E1、柔性半圓柱墊板6的彈性模量E2;利用千斤頂壓頭1、壓力室2，給巖石試樣3施加預(yù)定的圍壓值，并使之穩(wěn)定；
[0038]2)逐步施加軸壓，并觀察應(yīng)變儀數(shù)值變化，確定破壞點(diǎn)和破壞時(shí)軸力大小，并記錄破壞力大小F ；
[0039]3)根據(jù)巖石試樣3破壞時(shí)軸力大小，結(jié)合剛性半圓柱墊板5的彈性模量E:、柔性半圓柱墊板6的彈性模量E2，分別計(jì)算出剛性半圓柱墊板5對(duì)巖石試樣3施加的壓力FpF4及柔性半圓柱墊板6對(duì)巖石試樣3施加的壓力F2、F3，進(jìn)而確定巖石剪切面上的剪力Λ F大??；
[0040] 4)根據(jù)剪切面上剪力與剪切面積的關(guān)系得到巖石的抗剪強(qiáng)度τ。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具，包括千斤頂壓頭(1)、一對(duì)圓柱形墊板(4)、用于安裝巖石試樣(3)的壓力室(2)，所述的千斤頂壓頭(1)的下部形狀、尺寸與壓力室(2)的圓柱型內(nèi)腔相匹配，所述的一對(duì)圓柱形墊板(4)的形狀、尺寸也與壓力室(2)的圓柱型內(nèi)腔相匹配，其特征在于:它還含有一對(duì)剛性半圓柱墊板(5)、一對(duì)柔性半圓柱墊板(6 )，所述的一對(duì)剛性半圓柱墊板(5 )、一對(duì)柔性半圓柱墊板(6 )的高度、直徑相等。2.如權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具，其特征在于:所述的一對(duì)剛性半圓柱墊板(5)、一對(duì)柔性半圓柱墊板(6)的高度、直徑與所述的一對(duì)圓柱形墊板(4)的高度、直徑相等。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種改進(jìn)型的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的組合模具，包括千斤頂壓頭（1）、一對(duì)圓柱形墊板（4）、用于安裝巖石試樣（3）的壓力室（2），所述的千斤頂壓頭（1）的下部形狀、尺寸與壓力室（2）的圓柱型內(nèi)腔相匹配，所述的一對(duì)圓柱形墊板（4）的形狀、尺寸也與壓力室（2）的圓柱型內(nèi)腔相匹配，其特征在于：它還含有一對(duì)剛性半圓柱墊板（5）、一對(duì)柔性半圓柱墊板（6），所述的一對(duì)剛性半圓柱墊板（5）、一對(duì)柔性半圓柱墊板（6）的高度、直徑相等。本實(shí)用新型在具體試驗(yàn)過程中，只需要增加一套壓頭墊板裝置，即可完成巖石三軸儀對(duì)巖石的三軸抗壓試驗(yàn)和抗剪試驗(yàn)的集成，豐富了試驗(yàn)儀器的功能，有效提高了裝置的性價(jià)比。
【IPC分類】G01N3/02
【公開號(hào)】CN205049403
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520726756
【發(fā)明人】熊齊歡, 刁虎, 代永新, 李如忠, 盧敬標(biāo), 趙蒙生, 趙武鹍, 張春, 曹曉鈞, 李林丹
【申請(qǐng)人】中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司, 華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司, 中鋼集團(tuán)馬鞍山礦院工程勘察設(shè)計(jì)有限公司
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年9月18日