一种岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种岩石三轴压缩仪，尤其是涉及一种岩石三维应力状态下的抗 剪强度、强度参数的试验设备，适用于矿山、水利、资源与环境等领域中岩石室内剪切试验。
【背景技术】
[0002] 我国深部矿产资源开采、高陡边坡稳定性分析、水利水电资源开发以及核废料处 置，均普遍涉及复杂环境下围岩变形稳定问题，岩石抗剪强度、抗剪强度参数是进行围岩变 形数值模拟和稳定性分析的前提和基础。岩石室内剪切试验是获取抗剪强度及其相关参数 的重要手段，目前对于岩石抗剪强度的试验方法有直剪试验、倾斜压模剪切法和三轴压缩 试验等。
[0003] 岩石直剪试验装置和试验方法比较简单，能得到岩石在单向围压作用下抗剪强 度，然后根据摩尔理论可以得到岩石的内摩擦角和内聚力。但是在直剪试验过程中存在很 多难以克服的不足，严重影响了试验结果的真实性与准确性。例如，在直剪试验过程中，随 着剪切荷载的增加，试样上的法向应力很难稳定，试样的实际试验环境与模型存在一定的 差距；试样在直剪仪中只能沿着既定的滑面发生破坏，而真正决定岩石破坏面位置和破坏 强度大小的是试样内部的缺陷，因此直剪试验限制了岩石的自由破坏；当直剪试验法向应 力较大时，容易出现磨框现象，使得试验值较真实值偏大。
[0004] 倾斜压模剪切法是通过改变加载力与试件之间的夹角，改变岩石试样的正应力和 剪应力大小，从而得到岩石的剪切破坏强度和强度参数，该方法可以克服直剪试验中磨框 现象和法向应力不稳的问题，然而由于岩石试样与倾斜压模之间的刚度不同，导致在试验 过程中，试样与压模之间产生了较大的摩擦力，改变了试样内部的应力状态，影响了测试结 果的可靠性。
[0005] 三轴压缩试验通过改变围压条件得到岩石的三维抗压强度，然后根据摩尔库伦准 则绘制岩石破坏包络线，对包络线进行线性回归得到试样的抗剪强度参数，该试验方法克 服了诸多不利因素，因此得到的数据相对可靠。但是该方法属于间接测量方法，也并未考虑 压头的变形情况。
【发明内容】
[0006] 本实用新型的目的，就是为了针对现有岩石三轴压缩仪及用其进行三轴压缩试验 中存在的上述问题，通过对三轴压缩试验机压头垫板进行改进，从而提出一种岩石三轴压 缩仪剪切试验的组合模具，使三轴试验仪可以直接测量岩石的抗剪强度。
[0007] 为实现本实用新型的上述目的，本实用新型一种岩石三轴压缩仪剪切试验的组合 模具采用以下技术方案：
[0008] 本实用新型一种岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具包括千斤顶压头、用于安装 岩石试样的压力室，所述的千斤顶压头的下部形状、尺寸与压力室的圆柱型内腔相匹配。该 组合模具还包括一对刚性台阶式圆柱形垫板、一对柔性半圆柱垫板，所述的柔性半圆柱垫 板的形状、尺寸与刚性台阶式圆柱形垫板的台阶部分相匹配。
[0009] 所述的刚性台阶式圆柱形垫板的高度是柔性半圆柱垫板高度的2倍为佳。
[0010] 所述的刚性台阶式圆柱形垫板、柔性半圆柱垫板的直径与岩石试样的直径、压力 室的内径相等。
[0011] 该组合模具及岩石试样的安装方法为：
[0012] 1)先后将一块刚性台阶式圆柱形垫板、一块柔性半圆柱垫板安放到压力室的底 部，二者形成下部圆柱型配合体；
[0013] 2)将岩石试样安放在下部圆柱型配合体的上面；
[0014] 3)再将另一块柔性半圆柱垫板、另一块刚性台阶式圆柱形垫板构成的上部圆柱型 配合体安放到岩石试样的上面；
[0015] 所述的一块柔性半圆柱垫板位于岩石试样的左下面，所述的另一块柔性半圆柱垫 板位于岩石试样的右上面；
[0016] 4)然后将千斤顶压头的下部安放到上部圆柱型配合体上面的压力室内。
[0017] 上述刚性台阶式圆柱形垫板可选择弹性模量210MPa的合金钢，上述柔性半圆柱 垫板可选择弹性模量l〇5MPa的铝青铜。当然，也可以选择其他弹性模量不同的其他金属材 料，只要二者的弹性模量不同就可。
[0018] 本实用新型一种岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具，在具体试验过程中，只需 要增加一套压头垫板装置，即可完成岩石三轴仪对岩石的三轴抗压试验和抗剪试验的集 成，丰富了试验仪器的功能，有效提高了装置的性价比。
[0019] 采用三轴仪进行剪切实验，获得的数据更加准确、可靠。相比于直剪仪和倾斜压膜 机，本实用新型方法避免了岩石试样与实验装置的摩擦，减小了实验装置带来的系统误差； 本实用新型方法采用的专用组合模具传承了岩石三轴压缩实验的优点，通过压力室向岩石 试样提供了一个稳定的围压，轴压加载速率由电脑控制，因此可以更加稳定，数据采集也更 为精细；通过三轴仪的伺服加载系统，可以获取岩石剪切破坏后的剪切破坏曲线。
【附图说明】
[0020] 图1为现有的岩石三轴压缩试验图；
[0021] 图2为本实用新型一种岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具的三轴剪切试验图；
[0022] 图3为本实用新型采用的组合模块图；
[0023] 图4是本实用新型一种岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具的三轴剪切试验岩 石试样受力示意图。
[0024] 附图标记为：1_千斤顶压头，2-压力室，3-岩石试样，4-圆柱形垫板(改进前使用 的)，5-刚性台阶式圆柱形垫板，6-柔性半圆柱垫板。
【具体实施方式】
[0025] 为进一步描述本实用新型，下面结合附图对本实用新型一种岩石三轴压缩仪剪切 试验的组合模具作进一步详细描述。
[0026] 由图1所示的现有的岩石三轴压缩试验图看出，将第一块圆柱形垫板4、岩石试样 3、第二块圆柱形垫板4自下而上放入压力室2中，将千斤顶压头1的下部安放到第二块圆 柱形垫板4的上面之压力室2内进行施压。
[0027] 由图2所示的本实用新型一种岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具的三轴剪切 试验图并结合图3、图4看出，本实用新型本实用新型一种岩石三轴压缩仪剪切试验的组合 模具包括千斤顶压头1、用于安装岩石试样3的压力室2,所述的千斤顶压头1的下部形状、 尺寸与压力室2的圆柱型内腔相匹配，该组合模具还包括一对刚性台阶式圆柱形垫板5、一 对柔性半圆柱垫板6,所述的柔性半圆柱垫板6的形状、尺寸与刚性台阶式圆柱形垫板5的 台阶部分相吻合；所述的刚性台阶式圆柱形垫板5、柔性半圆柱垫板6的直径与岩石试样3 的直径、压力室2的内径相等；所述的刚性台阶式圆柱形垫板5的高度是柔性半圆柱垫板6 高度的2倍。
[0028] 该组合模具及岩石试样3的安装方法为：
[0029] 1)先后将一块刚性台阶式圆柱形垫板5、一块柔性半圆柱垫板6安放到压力室2 的底部，二者形成下部圆柱型配合体；
[0030] 2)将岩石试样3安放在下部圆柱型配合体的上面；
[0031] 3)再将另一块柔性半圆柱垫板6、另一块刚性台阶式圆柱形垫板5构成的上部圆 柱型配合体安放到岩石试样3的上面；
[0032] 所述的一块柔性半圆柱垫板6位于岩石试样3左下面，所述的另一块柔性半圆柱 垫板6位于岩石试样3右上面；
[0033] 4)然后将千斤顶压头1的下部安放到上部圆柱型配合体上面的压力室2内。
[0034] 对岩石试样抗剪强度进行测定的试验方法为：
[0035] 1)分别测试刚性台阶式圆柱形垫板的弹性模量Ei、柔性半圆柱垫板弹性模量E2; 利用千斤顶压头1、压力室2,给岩石试样3施加预定的围压值，并使之稳定；
[0036] 2)逐步施加轴压，并观察应变仪数值变化，确定破坏点和破坏时轴力大小，并记录 破坏力大小F ;
[0037] 3)根据岩石试样3破坏时轴力大小，结合刚性台阶式圆柱形垫板5的弹性模量 柔性半圆柱垫板6的弹性模量E2，分别计算出两块刚性台阶式圆柱形垫板5对岩石试样3 施加的压力匕、匕及两块柔性半圆柱垫板6对岩石试样3施加的压力F2、F3，进而确定岩石 剪切面上的剪力ΛF大小；
[0038] 其中：
[0042] 式中名:--上部刚性台阶式圆柱形垫板5与岩石试样3之间的作用力大小，单位 Ν；
[0043] :一一右上部柔性半圆柱垫板6与岩石试样3之间的作用力大小，单位Ν ;
[0044] -一左下部柔性半圆柱垫板6与岩石试样3之间的作用力大小，单位Ν ;
[0045] ◎一一下部刚性台阶式圆柱形垫板5与岩石试样3之间的作用力大小，单位Ν ;
[0046] F--千斤顶压头1所施加的压力大小，单位N ;
[0047] f,.·一一刚性台阶式圆柱形垫板5的弹性模量大小，单位GPa ;
[0048] 琴免--柔性半圆柱垫板6的弹性模量大小，单位GPa ;
[0049] 遂F--剪切面上剪力大小，单位N ;
[0050] 4)根据剪切面上剪力与剪切面积的关系得到岩石的抗剪强度τ，其中：
[0052] 式中：--抗剪强度大小，单位Pa ;
[0053] B--圆柱试样的直径大小，单位m ;
[0054] |l--圆柱试样的高度大小，单位m。
【主权项】
1. 一种岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具，包括千斤顶压头（1)、用于安装岩石试 样（3)的压力室（2)，所述的千斤顶压头（1)的下部形状、尺寸与压力室（2)的圆柱型内腔相 匹配，其特征在于：它还含有一对刚性台阶式圆柱形垫板（5)、一对柔性半圆柱垫板（6)，所 述的柔性半圆柱垫板（6)的形状、尺寸与刚性台阶式圆柱形垫板（5)的台阶部分相吻合。2. 如权利要求1所述的一种岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具，其特征在于：所述 的刚性台阶式圆柱形垫板（5)的高度是柔性半圆柱垫板（6)高度的2倍。3. 如权利要求1或2所述的一种岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具，其特征在于： 所述的刚性台阶式圆柱形垫板（5)、柔性半圆柱垫板（6)的直径与岩石试样（3)的直径、压 力室（2)的内径相等。
【专利摘要】本实用新型公开了一种岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具，包括千斤顶压头（1）、用于安装岩石试样（3）的压力室（2），所述的千斤顶压头（1）的下部形状、尺寸与压力室（2）的圆柱型内腔相匹配，它还含有一对刚性台阶式圆柱形垫板（5）、一对柔性半圆柱垫板（6），所述的柔性半圆柱垫板（6）的形状、尺寸与刚性台阶式圆柱形垫板（5）的台阶部分相吻合。本实用新型在具体试验过程中，只需要增加一套压头垫板装置，即可完成岩石三轴仪对岩石的三轴抗压试验和抗剪试验的集成，丰富了试验仪器的功能，有效提高了装置的性价比。
【IPC分类】G01N3/10, G01N3/24
【公开号】CN205049425
【申请号】CN201520726728
【发明人】刁虎, 熊齐欢, 代永新, 李如忠, 卢敬标, 赵蒙生, 张春, 赵武鹍, 李林丹
【申请人】中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司, 华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司, 中钢集团马鞍山矿院工程勘察设计有限公司
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年9月18日