一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法制造方法及图纸

一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法，在岩样中对称布置两个孔道，两孔道外端部留有平行于孔轴线的切缝，每一孔道内部套有压力气囊，该试验装置还包括试样固定装置、拉应力施加装置、剪应力施加装置，岩样上端连接有测量岩样法向位移量的竖向位移表盘；岩样侧面连接有测量岩样横向位移量的水平位移表盘。本发明专利技术一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法，具备结构简单易行、性能可靠、试验结果精确的优点。

A Testing Device and Method for Rock Tensile and Tensile Shear

【技术实现步骤摘要】
一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法
本专利技术涉及岩石拉伸和拉剪破坏试验
，具体涉及一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法。
技术介绍
岩石拉伸和拉剪破坏是岩体工程中常见的破坏模式。例如：深部洞室开挖使边墙法向地应力卸荷而切向地应力集中，当卸荷非常强烈时可能发生拉伸或拉剪破坏。又如岩质边坡的开挖卸荷可导致上部坡体产生拉应力区，该区域岩体一般处于即受拉又受剪的拉剪复合应力状态。再如大量自重作用下的滑坡和地震滑坡表明，坡体后缘往往发生以拉伸为主的破坏。因此，研究岩石拉剪力学特性对岩体工程设计施工及稳定性评价与控制具有重要意义。目前获取岩石抗剪强度参数的重要手段，岩石压剪试验(包括室内和原位试验)已广泛应用于岩土工程中。但由于技术上的困难，岩石拉剪试验开展较少，拉剪力学特性的研究也较压剪力学特性少的多，通常的做法是将压剪试验得到的摩尔库伦强度准则拟合直线延伸至法向应力轴负半轴，作为岩石在拉剪应力下的强度准则，而这种处理是缺乏试验数据支撑的。目前关于岩石介质拉剪强度的测试方法研究较少，而且已有的研究成果大多试验过程繁琐、不易操作、精度不高、亟待改进。许多岩石在拉力的直接控制上十分不便以及拉力的施加方式，因此需要对岩样的拉力施加方式进行改进。目前，岩石压剪力学行为的研究无论在数量上还是深度上均占压倒性优势，而对拉剪强度的研究则很少，但日益受到重视。研究岩石拉剪应力下的变形破坏行为一般采用直接拉剪实验，但有较多的局限，比如拉力的直接控制上十分不便，难以实现复杂应力环境等。由于关于拉剪的试验数据非常稀少，理论模型和实验数据缺乏系统的校对。已有的研究成果大多试验过程繁琐，不易操作，精度不高，亟待改进。
技术实现思路
本专利技术提供一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法，具备结构简单易行、性能可靠、试验结果精确的优点。本专利技术采取的技术方案为：一种岩石拉伸和拉剪试验装置，在岩样中对称布置两个孔道，两孔道外端部留有平行于孔轴线的切缝，每一孔道内部套有压力气囊，该试验装置还包括试样固定装置、拉应力施加装置、剪应力施加装置。所述试样固定装置用于固定岩样；岩样上端连接有测量岩样法向位移量的竖向位移表盘；岩样侧面连接有测量岩样横向位移量的水平位移表盘。所述拉应力施加装置包括压力气囊、充气接头、输气管道、加压泵、气源；气源连接加压泵，加压泵通过输气管道连接充气接头，充气接头向用于压力气囊充气，使孔道内壁形成均匀内压，孔道之间岩桥形成向上的均布拉力；所述剪应力施加装置包括垫块、传感器、千斤顶、L型传力件、加压管道、压力泵；岩样上部放置L型传力件，千斤顶与L型传力件接触，千斤顶连接传感器，压力泵设置有压力表。所述试样固定装置包括左挡板、右挡板、三角形挡板，固定螺杆、螺帽；左挡板、右挡板放置岩样左右两端，通过固定螺杆将左、右挡板相连，左挡板处放置三角形挡板，三角形挡板抵靠在左竖直立板上。所述孔道中部放置云母垫片，云母垫片上涂抹黄油或凡士林，所述竖向位移表盘连接顶板，所述水平位移表盘连接左竖直立板，左竖直立板、右竖直立板安装在底板上，与顶板形成一封闭的空间，岩样放在底板上。所述压力气囊是一种橡胶气囊，其一端设有上、下两个对称的充气接头。所述L型传力件的剪切口为尖端凸起状，施加剪切荷载时，千斤顶和传感器的中轴线与切缝、L型传力件的剪切口，处于同一水平线。一种岩石拉剪试验方法，包括以下步骤：第一步：制作长×宽为2.3d×1.2d的岩样,在岩样中对称布置两个孔道，孔道直径为d,两个孔道直径岩桥距离为0.1d，两个孔道外端部留有平行于孔轴线的切缝，切缝长度为0.1d,每一孔道内部套有压力气囊，压力气囊一端设有上、下两个对称的充气接头，孔道中部放置云母垫片；第二步：将左、右竖直立板安装在底板上，接着安装顶板形成一封闭的空间；第三步：将改进后的岩样放在底板上，将左、右挡板放在岩样两侧，再通过固定螺杆将左、右挡板相连，左挡板处放三角形挡板并抵靠在左竖直立板，防止岩样滑动，以此来固定岩样；第四步：打开气源，与加压泵相连的输气管道对充气接头充气，使孔道内壁形成均匀内压，孔道之间岩桥形成向上的均布拉力，来施加法向荷载；第五步：在岩样上部放置L型传力件，伸长千斤顶，千斤顶和传感器的中轴线与岩样剪缝、L型传力件的剪切口处于同一水平线，从而施加横向荷载；第六步：观察竖向位移表盘、水平位移表盘和压力表的变化数值，在岩样达到规范要求剪切位移后即可停止实验，实验过程中记录并保存数据。本专利技术一种岩石拉伸和拉剪试验装置及方法，优点在于：1：本专利技术装置结构简单易行，性能可靠，通过对岩样性状进行了改变，通过充气接头向岩样孔道内的气囊上的充气接头充气，使孔道内壁受均匀内压，孔道之间的岩桥近似于均布受拉，来实现法向荷载的施加。固定装置左右挡板以及螺栓的连接使试样安装和拆卸方便。本专利技术得到的试验结果精确度有保证。2：凡是岩土工程中可能碰到拉-剪破坏的地方，都可以采用本专利技术方法进行测试分析，从而为岩土介质发生拉-剪破坏的测试、预测提供可靠的依据。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明：图1为本专利技术岩石拉剪试验装置的整体结构示意图。图2为本专利技术岩样固定装置的左视结构示意图；图3为本专利技术岩样固定装置的俯视结构示意图；图4为本专利技术岩样固定装置的主视结构示意图。图5为本专利技术岩样制备示意图。图6为本专利技术的孔道对称布置图；图7为岩桥部分切向应力分布图；图8为岩桥部分切向应力叠加分布图。具体实施方式原理分析：在拉剪试验中，剪切荷载的施加相对比较容易，关键是如何实现拉应力的施加。1：根据力学知识可知，在圆形孔道中实现均布压力之后，其孔壁周围会产生沿径向的拉力，因此可以考虑此方法来应用于岩石拉剪试验下的拉应力的施加，为此需要对岩样性状进行专门设计。2：根据弹性力学理论可知，对于单独的孔道，承受均布内压的孔道径向应力和切向应力公式为：其中，径向应力σρ为压应力，切向应力为拉应力，r为孔道内半径，q为孔道内荷载，R为孔道外半径，ρ为某一点距孔道中心的距离。基于此，如图6所示，当岩样中对称布置两个孔道，直径为d，孔间岩桥长度为0.1d时。取孔道直径d为50mm,两孔间距为5mm,即为0.1倍的孔道直径，根据公式(2)计算孔道间岩桥部分所受拉应力分布及叠加后的应力分布值如下表1所示：表1孔道间岩桥部分所受拉应力分布及叠加应力分布值表中，ρ左为某一点距左孔道中心的距离，ρ右为某一点距右孔道中心的距离，σ左为距左孔道中心某一点的拉应力，σ右为距右孔道中心某一点的拉应力，其中σ总为孔道间岩桥部分拉应力叠加值。两孔道间岩桥部分所受拉应力分布图如图7所示：由于孔道和荷载均是对称分布的，岩桥部分的切向应力可以直接进行叠加，如图8所示，可以看出，在两边对称荷载作用下，岩桥部分受到近似均布拉应力作用如图8所示：由上表1可知，孔道间岩桥拉应力的叠加值的最小值为19.05q，最大值为19.28q，均值为19.13q，其差值为0.077q，则两孔道间岩桥部分所受拉应力可以满足应力均匀的要求，同时根据圣维南原理，两侧岩体中切缝不会影响到中间受拉部分岩桥的应力分布。由以上分析可知，往孔道内部充气压，当孔道内压均布荷载为q时，两孔间岩桥部分会形成近似均匀分布的法向拉应力，其大小为19.13q，进行拉剪试验时，需要施加多大的法向拉力可由以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩石拉伸和拉剪试验装置，其特征在于：该试验装置包括试样固定装置、拉应力施加装置、剪应力施加装置；所述试样固定装置用于固定岩样（26）；岩样（26）上端连接有测量岩样（26）法向位移量的竖向位移表盘（5）；岩样（26）侧面连接有测量岩样（26）横向位移量的水平位移表盘（6）；所述拉应力施加装置包括压力气囊（27）、充气接头（18）、输气管道（20）、加压泵（21）、气源（23）；气源（23）连接加压泵（21），加压泵（21）通过输气管道（20）连接充气接头（18），充气接头（18）向用于压力气囊（27）充气，使孔道内壁形成均匀内压，孔道之间岩桥形成均布拉力；所述剪应力施加装置包括垫块（7）、传感器（8）、千斤顶（9）、L型传力件（10）、加压管道（11）、压力泵（12）；岩样（26）上部放置L型传力件（10），千斤顶（9）与L型传力件（10）接触，千斤顶（9）连接传感器（8）。

【技术特征摘要】
1.一种岩石拉伸和拉剪试验装置，其特征在于：该试验装置包括试样固定装置、拉应力施加装置、剪应力施加装置；所述试样固定装置用于固定岩样（26）；岩样（26）上端连接有测量岩样（26）法向位移量的竖向位移表盘（5）；岩样（26）侧面连接有测量岩样（26）横向位移量的水平位移表盘（6）；所述拉应力施加装置包括压力气囊（27）、充气接头（18）、输气管道（20）、加压泵（21）、气源（23）；气源（23）连接加压泵（21），加压泵（21）通过输气管道（20）连接充气接头（18），充气接头（18）向用于压力气囊（27）充气，使孔道内壁形成均匀内压，孔道之间岩桥形成均布拉力；所述剪应力施加装置包括垫块（7）、传感器（8）、千斤顶（9）、L型传力件（10）、加压管道（11）、压力泵（12）；岩样（26）上部放置L型传力件（10），千斤顶（9）与L型传力件（10）接触，千斤顶（9）连接传感器（8）。2.根据权利要求1所述一种岩石拉伸和拉剪试验装置，其特征在于：所述试样固定装置包括左挡板（25）、右挡板（24）、三角形挡板（25），固定螺杆（17）、螺帽（15）；左挡板（25）、右挡板（24）放置岩样（26）左右两端，通过固定螺杆（17）将左、右挡板相连，左挡板（25）处放置三角形挡板（16），三角形挡板（16）抵靠在左竖直立板上。3.根据权利要求1所述一种岩石拉伸和拉剪试验装置，其特征在于：所述孔道中部放置云母垫片（19），云母垫片（19）上涂抹黄油或凡士林，根据权利要求1所述一种岩石拉伸和拉剪试验装置，其特征在于：所述竖向位移表盘（5）连接顶板（2），所述水平位移表盘（6）连接左竖直立板（3），左竖直立板（3）、右竖直立板（4）安装在底板（1）上，与顶板（2）形成一封闭的空间，岩样（26）放在底板（1）上。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓华锋，齐豫，熊雨，李涛，段玲玲，潘登，支永艳，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42