[發明專利]一種巖石粘聚力和內摩擦角測試裝置及方法

有效

• 申請號: 202010650900.6
• 申請日: 2020-07-08
• 公開（公告）號: CN111781058B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 胡建華;溫觀平;龐樂;楊東杰;秦亞光;馬少維
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02;G01N3/24;G01N1/28
• 代理公司: 武漢卓越志誠知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42266
• 代理人: 戴寶松

1.一種巖石粘聚力和內摩擦角測試裝置，其特征在于：包括滾珠承壓板、上剪切盒、下剪切盒和剪切頭；所述上剪切盒底部中央設有剪切頭卡槽，剪切頭卡槽的長度、寬度與剪切頭的長度、寬度一致，剪切頭卡槽深度略小于剪切頭的高度；所述下剪切盒呈“L”形，其高度等于或略小于所測試的巖石試件的高度，根據巖石試件規格進行加工制作，防止施加法向壓力時上剪切盒與下剪切盒接觸受力；所述剪切頭嵌于上剪切盒底部中央的剪切頭卡槽中，剪切頭底面長度為a，寬度為b，剪切頭底面有兩個向外凸起的齒部，齒部高度為h、齒部角度為α，兩個齒部的距離為d；所述裝置進行巖石粘聚力和內摩擦角測試時，與巖石室內直剪儀配合完成測試工作。

2.根據權利要求1所述的一種巖石粘聚力和內摩擦角測試裝置，其特征在于：所述上剪切盒的中央設置有螺栓孔，螺栓孔直徑小于剪切頭寬度，剪切頭磨損后，使用螺栓從上剪切盒上部擰入，擠出剪切頭并進行更換。

3.根據權利要求1～2任意一項所述的巖石粘聚力和內摩擦角測試裝置的使用方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1、巖石試件加工制作

當取樣獲得的巖石塊度較大或規整性較好時，將巖石加工成Ⅰ類巖石試件，Ⅰ類巖石試件為立方體試件；當取樣獲得的巖石塊度較小或不規則時，采用巖石試件制作裝置將巖石加工成Ⅱ類巖石試件，所述巖石試件制作裝置由巖石試件制作裝置上蓋板和巖石試件制作裝置主體兩部分組成，所述巖石試件制作裝置主體上設置有樹脂輸送孔，巖石試件制作裝置上蓋板和巖石試件制作裝置主體由螺栓通過螺栓連接孔進行組合；巖石試件加工時，首先將不規則的巖石材料沿選定截面進行切割，將切割后的巖石材料平整面朝下放置于巖石試件制作裝置主體中，將樹脂材料倒入巖石試件制作裝置主體2/3高度，倒入時用玻璃棒進行攪拌，防止產生氣泡；待樹脂材料凝固后，蓋上巖石試件制作裝置上蓋板，并使用螺栓將巖石試件制作裝置上蓋板與巖石試件制作裝置主體緊密連接；將巖石試件制作裝置側放，通過樹脂輸送孔繼續輸入樹脂材料，充填滿整個巖石試件制作裝置；待樹脂材料凝固后，拆卸巖石試件制作裝置上蓋板，取出試件，即完成單個Ⅱ類巖石試件的加工制作；Ⅰ類巖石試件和Ⅱ類巖石試件均可用于下一步巖石剪切試驗；

步驟2、巖石剪切試驗

將下剪切盒置于巖石室內直剪儀底部承載裝置上，并使其側面緊貼巖石室內直剪儀切向固定裝置,然后將加工制作好的巖石試件至于下剪切盒中，將剪切頭置于上剪切盒底部中央剪切頭卡槽處，將上剪切盒置于巖石試件上方，使得剪切頭齒部與巖石試件相接觸且位于巖石試件上表面中央，然后將滾珠承壓板置于上剪切盒上方，啟動巖石直剪試驗機，按照預先設定的加載方案，先通過巖石室內直剪儀法向加壓裝置對滾珠承壓板、上剪切盒和剪切頭施加預定法向力P，將剪切頭齒部壓入巖石試件，然后再通過巖石室內直剪儀切向加壓裝置對上剪切盒和剪切頭施加切向力Q，直至剪切頭與巖石試件之間產生明顯滑移，此時停止加載，先卸載切向力，后卸載法向力，記錄試驗數據；取下嵌有剪切頭的上剪切盒，更換巖石試件，此時Ⅱ類巖石試件整個需進行更換，Ⅰ類巖石試件可更換巖石試件與剪切頭的接觸面，然后重復之前的實驗操作步驟，進行多次試驗；

步驟3、試驗數據記錄與處理

記錄不同法向力P下發生剪切破壞時的峰值切向力Q，結合剪切頭底面長度a和寬度b，根據公式(1)和公式(2)計算得到相對應的法向應力σ及切向應力τ；

然后根據公式(3)擬合出反映巖石發生剪切破壞的強度曲線可得到巖石試件的c、值。

4.根據權利要求3所述的巖石粘聚力和內摩擦角測試裝置的使用方法，其特征在于：巖石剪切試驗時，施加的法向壓力應控制在合適的壓力范圍，使得剪切頭的齒部完全壓入巖體試件，同時剪切頭下表面不得壓入巖體試件。

5.根據權利要求3所述的巖石粘聚力和內摩擦角測試裝置的使用方法，其特征在于：所述樹脂材料為環氧樹脂，其力學參數σ_t＝28.149MPa，σ_c＝107.593MPa，E＝4.070GPa，μ＝0.357。

6.根據權利要求3所述的巖石粘聚力和內摩擦角測試裝置的使用方法，其特征在于：所述Ⅰ類巖石試件的每個表面均可進行一次試驗。