劈裂形成多角度岩石节理面的模具及节理试样制作方法技术

本发明专利技术提供了一种劈裂形成多角度岩石节理面的模具及节理试样制作方法，涉及岩石力学试验领域，可以用于圆柱形岩石试样多角度节理面的制作。模具包括用来承受压力的上盒体和下盒体，在上盒体的下端面和下盒体的上端面分别开设半圆槽，半圆槽的内壁上可以设置与半圆槽轴线夹角分别为30°、45°和60°的弧形槽。下盒体半圆槽底部对称开设有垂直于下盒体底面的弹簧固定孔，用于放置弹簧。上盒体左右两侧的外壁上分别对称布置有两个矩形导向柱，下盒体左右两侧的外壁内侧分别对称布置有两个矩形导向槽。利用该模具可以制作出与圆柱岩石试样轴线方向呈30°、45°和60°等多角度的具有复杂三维形貌特征的新鲜节理面。

【技术实现步骤摘要】
劈裂形成多角度岩石节理面的模具及节理试样制作方法
本专利技术涉及岩石力学试验
，尤其是一种劈裂形成多角度岩石节理面的模具及节理试样制作方法。
技术介绍
在水利、交通、采矿、钻井等岩体工程施工过程中，经常遇到不同规模和尺度的节理面(节理、层理、断层等)，节理的存在使岩体具有非均质性、各向异性和非连续性，节理的力学性质是影响岩体宏观力学性能(如强度特征、渗透特征)的关键因素。节理面由于其较低的剪切强度，岩体沿着节理面发生剪切破坏是一种常见的工程灾变形式。在浅埋岩体工程中，如边坡、隧道等，岩体埋深较浅、地应力较小，结构岩体内部积聚的能量较少，因此当岩体沿着节理面剪切破坏时，释放的能量较少，属于静力剪切破坏。在深部采矿、深埋隧洞、深部油气开采等深埋岩体工程中，较高的地应力与局部的构造应力叠加，导致岩体内积聚大量的能量，当沿着节理面剪切破坏时，面壁咬合的起伏体被突然剪断，瞬时释放出大量的能量，导致岩体发生动力失稳破坏，如滑移型岩爆、诱发地震等灾害。大量边坡失稳、隧道围岩坍塌、路基路面破坏以及岩爆等工程灾害均与岩体沿着内部节理面的滑移失稳破坏有关，因此开展不同应力条件下含节理岩体力学特性的研究具有重要的科学意义和工程意义。当前节理力学特性的试验研究主要采用直剪试验和常规三轴压缩试验。直剪试验采用立方体试件，节理面在试样中间，试样尺寸一般较大，可以采用现场采集的原岩节理、劈裂形成的人工节理或相似材料(如石膏、砂浆)制作的节理。受所用材料本身的压缩强度限制，直剪试验所施加的法向压力不能太大(一般低于20MPa)，过大的法向压力会造成试样在法向加载过程中因缺少侧向限制而发生大量的内部损伤，影响后续剪切试验的试验结果。三轴压缩试验一般采用圆柱形试样，试样尺寸较小，节理面呈倾斜方向以不同倾角布置在试样内部，可通过施加高围压实现高应力环境，试样尺寸越小，所达到的围压、节理面法向压力越高(最高可达上百MPa)，因此采用圆柱形试样开展不同围压的三轴压缩试验是研究高应力下节理面诱发岩体失稳破坏(如岩质边坡失稳、滑移型岩爆、诱发地震等)机理的重要手段。三轴试验中节理一般通过如下方法制作：(1)相似材料预制节理，具体是采用模型材料，如砂浆、石膏等类岩石材料代替岩石，并且通过圆柱形的模具制作标准圆柱试样(直径50毫米，高度100毫米)，在制作试样过程中，在指定位置插入不同粗糙程度的锯齿状或者不规则的薄铁片预制节理面，待试样初凝后，将薄贴片取出；(2)将钻取的圆柱岩样沿一定倾斜角度切割成平坦节理。即利用切割机沿着预定方向把完整岩石切割成节理面，再用打磨机将节理面打磨平整；(3)从现场选取含有贯通节理的岩块，使其倾斜一定的角度并固定牢靠，利用钻机钻取岩芯，再加工成含有原生节理面的标准圆柱试样。但是现有的岩石节理面的试样制作具有以下问题：①相似材料与天然岩石性质差别很大(脆性低、强度小、弹性模量小)，无法反映天然岩石的真实力学特性，尤其在高应力下相似材料与天然硬脆岩石性质差别较大；另外预制节理面形貌(如锯齿状)与天然节理形貌差别较大；②天然节理面通常具有不同的粗糙度和起伏度，这种不规则的表面形貌特征往往是节理强度、变形、渗透等特性的决定性因素；采用岩石切割形成节理面无法反映天然岩石节理面的复杂三维形貌特点；③大量的现场采集试样造价高、成功率低，钻取含天然节理试样时岩石不易固定，并且极易对天然岩样造成扰动，改变其固有结构进而影响测得的力学参数。
技术实现思路
为了实现圆柱岩石试样复杂三维形貌特征的新鲜节理面制作，简化节理面制作步骤，制作符合工程实际的不同节理面，本专利技术提供了一种劈裂形成多角度岩石节理面的模具及节理试样制作方法，具体技术方案如下。一种劈裂形成多角度岩石节理面的模具，包括用于承受载荷的上盒体和下盒体，所述上盒体的下端面和下盒体的上端面分别设置有半圆槽，上盒体和下盒体的半圆槽配合形成圆柱形试样腔体；所述上盒体和下盒体半圆槽内壁上开设有多个弧形槽，各个弧形槽与半圆槽轴线之间的夹角都在30-60°之间，钢丝绳配置在弧形槽内；所述下盒体的半圆槽底部对称的设置两个弹簧固定孔，弹簧固定孔内配置有弹簧；所述上盒体两侧的外壁上分别对称布置两个导向柱，下盒体两侧设置有与导向柱配合的导向槽。优选的是，上盒体和下盒体半圆槽内壁上开设有3个弧形槽，各个弧形槽所在平面与半圆槽轴线之间的夹角分别为30°、45°和60°。优选的是，钢丝绳卡合固定在弧形槽内，弧形槽的深度大小等于钢丝绳直径的三分之一。还优选的是，弹簧的高度大于弹簧固定孔的深度，弹簧高出弹簧固定孔的高度为钢丝绳直径的三分之二，岩石试样放置在下壳体的半圆槽内，弹簧支撑所述岩石试样。还优选的是，上盒体的导向柱为矩形导向柱，下盒体上的矩形导向槽限位导向柱，下盒体的耳部支架限位上盒体的轴向移动。一种劈裂形成多角度岩石节理面的试样制作方法，利用上述的一种劈裂形成多角度岩石节理面的模具，包括：步骤A.确定节理面角度，选择与节理面角度相同的弧形槽，在下盒体的弧形槽内放置并固定钢丝绳；步骤B.将尺寸与圆柱形试样腔体配合的岩石试件放置在下盒体的半圆槽内，保持岩石试样处于水平状态；步骤C.在上盒体与节理面角度相同的弧形槽内放置并固定钢丝绳；步骤D.对齐上盒体的导向柱和下盒体的导向槽，缓慢下放上盒体，钢丝绳和岩石试样紧密接触；步骤E.通过上盒体传递竖向载荷，完成劈裂试验。优选的是，所述步骤A中选择弧形槽对应的节理面角度，制作多角度的节理面的试样；所述劈裂试验在巴西劈裂试验机上进行。本专利技术提供的劈裂形成多角度岩石节理面的模具及节理试样制作方法有益效果包括：(1)模具通过上盒体和下盒体形成圆柱体的试验腔，并且分别在上盒体和下盒体的内表面设置弧形槽，弧形槽可以分布在多个平面内，每个平面与试验腔的轴线呈不同的夹角，并且弧形槽的深度小于钢丝绳的直径，作用在试样上的力为线性载荷，从而形成确定角度的劈裂破坏，避免了点载荷无法劈裂形成规则角度的节理面的问题。(2)利用该劈裂模具可以直接在巴西劈裂试验机上制作，直接取样制作，成本低并且步骤简单；模具通过上盒体和下盒体的弧形槽固定钢丝绳，同一平面内的钢丝绳劈裂试样形成不同节理面的试样；利用该模具制作得到的试样具有复杂的三维形貌特征，所以更加符合工程实际。附图说明图1是劈裂形成岩石节理面的模具结构示意图；图2是上盒体俯视图；图3是上盒体的侧视图；图4是上盒体的立体图；图5是下盒体的俯视图；图6是下盒体的侧视图；图7是下盒体的立体图；图中：1-上盒体，2-下盒体，3-半圆槽，4-弧形槽，5-弹簧固定孔，6-弹簧，7-导向柱，8-导向槽，9-耳部支架。具体实施方式结合图1至图7所示，对本专利技术提供的一种劈裂形成多角度岩石节理面的模具及节理试样制作方法具体实施方式进行说明。一种劈裂形成多角度岩石节理面的模具，用于制作不同岩石节理面的试样，其具体包括用于承受载荷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种劈裂形成多角度岩石节理面的模具，包括用于承受载荷的上盒体和下盒体，其特征在于，所述上盒体的下端面和下盒体的上端面分别设置有半圆槽，上盒体和下盒体的半圆槽配合形成圆柱形试样腔体；所述上盒体和下盒体半圆槽内壁上开设有多个弧形槽，各个弧形槽与半圆槽轴线之间的夹角都在30-60°之间，钢丝绳配置在弧形槽内；所述下盒体的半圆槽底部对称的设置两个弹簧固定孔，弹簧固定孔内配置有弹簧；所述上盒体两侧的外壁上分别对称布置两个导向柱，下盒体两侧设置有与导向柱配合的导向槽。/n

【技术特征摘要】
1.一种劈裂形成多角度岩石节理面的模具，包括用于承受载荷的上盒体和下盒体，其特征在于，所述上盒体的下端面和下盒体的上端面分别设置有半圆槽，上盒体和下盒体的半圆槽配合形成圆柱形试样腔体；所述上盒体和下盒体半圆槽内壁上开设有多个弧形槽，各个弧形槽与半圆槽轴线之间的夹角都在30-60°之间，钢丝绳配置在弧形槽内；所述下盒体的半圆槽底部对称的设置两个弹簧固定孔，弹簧固定孔内配置有弹簧；所述上盒体两侧的外壁上分别对称布置两个导向柱，下盒体两侧设置有与导向柱配合的导向槽。


2.根据权利要求1所述的一种劈裂形成多角度岩石节理面的模具，其特征在于，所述上盒体和下盒体半圆槽内壁上开设有3个弧形槽，各个弧形槽所在平面与半圆槽轴线之间的夹角分别为30°、45°和60°。


3.根据权利要求1所述的一种劈裂形成多角度岩石节理面的模具，其特征在于，所述钢丝绳卡合固定在弧形槽内，弧形槽的深度大小等于钢丝绳直径的三分之一。


4.根据权利要求1所述的一种劈裂形成多角度岩石节理面的模具，其特征在于，所述弹簧的高度大于弹簧固定孔的深度，弹簧高出弹簧固定孔的高度为钢丝绳直径的三分之二...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟凡震，宋杰，王在泉，张黎明，王肖珊，于立夫，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37