一种测试类岩石材料粘聚力和内摩擦角的方法技术

本发明专利技术公开了一种测试类岩石材料粘聚力和内摩擦角的方法，属于岩石力学参数测定技术领域；包括以下步骤：制作长方体结构的贯通单裂隙岩体模型，分别设计60

【技术实现步骤摘要】
一种测试类岩石材料粘聚力和内摩擦角的方法


[0001]本专利技术属于岩石力学参数测定
，具体涉及一种测试类岩石材料粘聚力和内摩擦角的方法。

技术介绍

[0002]粘聚力及内摩擦角是岩石力学性质的两个重要指标，是基坑、地基、边坡、隧道等工程围岩稳定性分析、数值模拟及支护结构设计所需的重要参数，也是岩土工程、地质工程等专业在岩石力学理论学习及教学过程中所需熟知及测定的重要参数，通常采用室内或现场试验测试。
[0003]目前，在室内试验针对岩石粘聚力及内摩擦角的测试方法主要包括常规三轴试验、压剪试验及直剪试验三种类型，但三种类型的试验方法分别存在有以下不同的缺点：
[0004]1)三轴试验通过测定不同围压条件下岩石的抗压强度，根据莫尔
‑
库伦破坏准则，及轴向破坏应力与围压之间呈线性关系，根据包络线定理，通过求解三轴试验应力圆包络线，得到粘聚力及内摩擦角计算公式，该方法对设备的要求较高、试验操作较为困难且费时、失败率高；
[0005]2)压剪试验通过测定不同轴压压力作用下岩石的抗剪强度，拟合轴压与抗剪强度之间的关系，得到粘聚力及内摩擦角，该方法需对压剪试样提供不同的稳定轴压及剪切荷载，测定设备需要同时提供稳定轴向荷载及剪切荷载，对测试设备也具有较高的要求；
[0006]3)直剪试验是目前测试手段中最为简单的方法，该方法主要通过测试岩石试样在不同角度剪切破坏面条件下的破坏荷载，然后通过分析计算不同角度下岩石破坏面的轴向应力及剪切应力，通过拟合岩石破坏面轴向应力及剪切应力关系，拟合参数计算粘聚力及内摩擦角，测试过程中不同角度剪切面需通过特定的岩石试样夹具来形成，该方法在现阶段虽然对测试设备要求较低，但仍需借助特定的岩石试样夹具来形成不同的剪切破坏面开展试验。
[0007]因此，亟需一种测试岩石粘聚力和内摩擦角的新方法，简化操作步骤，同时能够不借助特定的岩石试样夹具完成试验。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是：克服现有岩石室内试验测定其粘聚力及内摩擦角对试验设备要求较高的问题，提供一种测试类岩石材料粘聚力和内摩擦角的方法，该方法通过制备预制不同角度贯通裂隙试样，直接将岩石试样放置于单轴压缩试验机上测试开展压剪试验，试样将沿着预制裂隙倾角形成破坏面，不用借助岩石夹具形成不同角度岩石试样破坏面，操作方法简便易行，尤其针对类岩石相似材料粘聚力及内摩擦的测定更为方便。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种测试类岩石材料粘聚力和内摩擦角的方法，包括以下步骤：
[0010]S1、设计不同倾角的贯通裂隙试样：
[0011]制作长方体结构的贯通单裂隙岩体模型，贯通单裂隙位于模型中部并呈上下方向倾斜设置，分别设计60
°
、72
°
、77
°
及90
°
的四种不同裂隙倾角的贯通裂隙试样开展试验；裂隙左右两侧各留设10mm胶结岩体，裂隙试样宽度与左右两侧胶结宽度和之比为4:1，贯通单裂隙岩体模型的上下两个端面上均设置有错动台阶，上下两个错动台阶对应分布在贯通单裂隙的两侧；
[0012]S2、贯通裂隙试样的制作：
[0013]对于类岩石材料采用裂隙试样模具来制作贯通裂隙试样，裂隙试样模具包括四块侧板、一块底板、一块裂隙钢板和可移动固定装置，模具底板上表面设置有不同裂隙倾角对应的铣槽，裂隙钢板的上部由可移动固定装置来固定裂隙钢板的倾角；
[0014]贯通裂隙试样制作包括以下步骤：
[0015]S21)根据裂隙试样模具的结构组成组装连接裂隙试样模具，对应错动台阶的设计位置在模具底部添加台阶橡胶片，并根据裂隙倾角来固定裂隙钢板的位置；
[0016]S22)在裂隙试样模具内及裂隙钢板上均匀涂上一层润滑油，填筑混合均匀的类岩石材料于模具内振动捣实，并在裂隙上部的侧边放置台阶橡胶垫；
[0017]S23)在类岩石材料固结过程中间歇性抽拔裂隙钢板，当裂隙试样固结强度较高时将裂隙钢板抽拔出，并取下上下台阶橡胶垫片，拆除模具；
[0018]S24)采用打磨机对试样表面、上下错动台阶面的平整度进行打磨，然后将试样放入养护箱内养护至龄期，制备得到不同裂隙倾角的贯通裂隙试样；
[0019]S3、贯通裂隙试样的压剪试验：
[0020]采用单轴压缩试验机进行贯通裂隙试样的压剪试验，试验前在试样的上下错动台阶表面和装载板底部施加凡士林，将制备好的贯通裂隙试样置于装载板上方进行加载试验，直至试样被破坏此时停止加载并卸载荷载，试验过程中记录轴向荷载及位移信息；更换试样重复上述操作步骤，进行不同裂隙倾角的贯穿裂隙试样试验；
[0021]S4、试验数据处理：
[0022]根据上述步骤S3中记录的不同试样上的轴向荷载和位移，绘制试样的轴向荷载
‑
位移曲线，提取不同裂隙倾角贯穿裂隙最大压剪破坏荷载P
cd
，根据不同裂隙倾角θ下的贯穿裂隙试样胶结面在压剪错断过程中的受力状态，将轴向应力σ
cd
分解为沿裂隙面的剪切应力τ和垂直于裂隙面的法向应力σ，
[0023]载荷计算公式为：τ＝σ
cd
*sinθ，σ＝σ
cd
*cosθ，式中，A
s
＝A0/sinθ，A0为90
°
倾角裂隙试样两侧胶接错断面的面积；
[0024]根据公式：通过拟合不同裂隙角度下的法向应力σ及剪切应力τ换算得到粘聚力c和内摩擦角
[0025]所述步骤S1中，所述贯通裂隙试样的尺寸大小为长*宽*高＝100mm*100mm*120mm，裂隙的宽度为80mm，错动台阶的下陷高度为5mm。
[0026]所述步骤S2中，裂隙试样模具由厚度12mm以上的钢板加工而成，板与板之间通过螺栓固定紧实。
[0027]所述步骤S2中，类岩石材料为以水：石膏：水泥：石英砂的质量比为4：1：3：6制备的
相似材料。
[0028]所述步骤S2中，制作不同开度的裂隙采用不同厚度的钢板来实现，根据底板缝隙与上方约束配合制作不同尺寸的预制裂隙。
[0029]所述步骤S3中，将制备好的贯通裂隙试样置于装载板上方后，使试样位于压头中心落下压头，先施加少量荷载进行预压，使压头与试样紧密接触，再按照加载位移1.5mm/min的速率设定加载方案进行试验。
[0030]本专利技术的有益效果是：
[0031]1)本专利技术方法通过制备预制不同角度贯通裂隙试样，直接将岩石试样放置于单轴压缩试验机上测试开展压剪试验，试样将沿着预制裂隙倾角形成破坏面，不用借助岩石夹具形成不同角度岩石试样破坏面，改变了传统测试方法中对试验机要求高的不利因素，操作方法简便易行，尤其针对类岩石相似材料粘聚力及内摩擦的测定更为方便。
[0032]2)本专利技术提供一种岩石粘聚力和内摩擦角的测试新方法，该方法对岩石相似材料力学性质的测定更为合理、有效，试样采用相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测试类岩石材料粘聚力和内摩擦角的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、设计不同倾角的贯通裂隙试样：制作长方体结构的贯通单裂隙岩体模型，贯通单裂隙位于模型中部并呈上下方向倾斜设置，分别设计60
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、72
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、77
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及90
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的四种不同裂隙倾角的贯通裂隙试样开展试验；裂隙左右两侧各留设10mm胶结岩体，裂隙试样宽度与左右两侧胶结宽度和之比为4:1，贯通单裂隙岩体模型的上下两个端面上均设置有错动台阶，上下两个错动台阶对应分布在贯通单裂隙的两侧；S2、贯通裂隙试样的制作：对于类岩石材料采用裂隙试样模具来制作贯通裂隙试样，裂隙试样模具包括四块侧板、一块底板、一块裂隙钢板和可移动固定装置，模具底板上表面设置有不同裂隙倾角对应的铣槽，裂隙钢板的上部由可移动固定装置来固定裂隙钢板的倾角；贯通裂隙试样制作包括以下步骤：S21)根据裂隙试样模具的结构组成组装连接裂隙试样模具，对应错动台阶的设计位置在模具底部添加台阶橡胶片，并根据裂隙倾角来固定裂隙钢板的位置；S22)在裂隙试样模具内及裂隙钢板上均匀涂上一层润滑油，填筑混合均匀的类岩石材料于模具内振动捣实，并在裂隙上部的侧边放置台阶橡胶垫；S23)在类岩石材料固结过程中间歇性抽拔裂隙钢板，当裂隙试样固结强度较高时将裂隙钢板抽拔出，并取下上下台阶橡胶垫片，拆除模具；S24)采用打磨机对试样表面、上下错动台阶面的平整度进行打磨，然后将试样放入养护箱内养护至龄期，制备得到不同裂隙倾角的贯通裂隙试样；S3、贯通裂隙试样的压剪试验：采用单轴压缩试验机进行贯通裂隙试样的压剪试验，试验前在试样的上下错动台阶表面和装载板底部施加凡士林，将制备好的贯通裂隙试样置于装载板上方进行加载试验，直至试样被破坏此时停止加载并卸载荷载，试验过程中记录轴向荷载及位移信息；更换试样重复上述操作步骤，进行不同裂隙倾角的贯穿裂隙试样试验；S4、试验数据处理：根据上述步骤S3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文学，姜兴基，许海峰，苏凌煜，聂天宇，薛景元，许家强，张若晨，金家明，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：