[发明专利]岩石直剪实验试件、试件夹具及其剪切测试方法

说明书

岩石直剪实验试件、试件夹具及其剪切测试方法，属于岩石力学测试技术领域。该试件能够直接用于三轴试验机，包括长方体本体，本体下侧左部设置有第一切槽，第一切槽从边侧沿水平方向向本体内部延伸，还包括第二切槽，第一切槽与第二切槽以本体中心为中心呈中心对称分布，切槽长度与其所在长方体本体的边侧长度相同，切槽宽度不长于底面边长的一半。结构简单轻便，能够在只能进行压缩的三轴力学实验机上开展岩石的直剪试验，丰富三轴力学实验机试验用途，通过围压油源提供的围压加载提供试件表面压应力，压应力分布比传统直剪试验选用的轴向集中荷载加载更加均匀，提高应力分布均匀性，能够后续开展高温岩石直剪试验，适用于开展岩石直剪试验研究。

技术领域

本发明属于岩石力学测试技术领域，涉及一种能够用于常规三轴试验机的岩石直剪试验试件、试件夹具、岩石剪切试验的压头单元以及基于该试件的剪切试验方法。

背景技术

剪切破坏是由剪应力引起的使剪切面两侧岩体发生错动或膨胀等的破坏现象，是工程岩体主要失稳破坏的主要方式之一。在剪切载荷作用下，岩石抵抗剪切破坏的最大剪应力称为岩石的抗剪强度。岩石的抗剪强度代表了岩石抵抗剪切破坏及滑动的能力，因此研究岩石的抗剪强度有着重大的研究意义。目前研究岩石抗剪强度的方法分为室内和现场两大类试验，其中室内试验通常采用直接剪切试验、楔形剪切试验、三轴剪切试验等测定岩石的抗剪强度，而现场试验主要以直接剪切试验为主。

传统的岩石直接剪切试验主要采用平推法进行。所采用的试验仪器为直接剪切仪，其主要由上、下两个刚性匣子所组成。试件在平面内的尺寸规定为150cm*15cm～30cm*30cm，并规定剪切面上下岩石的厚度分别约为断面尺寸的1/2左右，一般可用5cm*5cm尺寸的。在制备试件的时候，需要沿着试件四周将其切成凹槽状，将制备好的试件放入剪切仪的上、下匣之间，上、下匣的错动面就是岩石的剪切面。直接剪切试验将试件在所选定的平面内进行剪切。每次试验时，先在试件上施加垂直荷载P，然后在水平方向上逐渐施加水平剪切力T，直至达到最大值Tmax时发生破坏，从而计算出岩石试件的剪切强度。传统的岩石直接剪切试验步骤简单，易于操作，无需其他特殊设备进行辅助测量，除了能够测定岩石整体抗剪强度及软弱结构面强度外，还可以测定不同岩石之间的剪切强度。然而，传统直接剪切测试方法需要具备能提供两个方向加载力的特定剪切设备，造价高，功能单一。楔形剪切测试技术也可实现岩石剪切强度测试，但使用该测试方法时，试件表面正向压力和切向推力等比例增加，无法获得某个正向压力下的岩石剪切破坏行为(即试样的切应力-位移曲线)。

三轴压力机是测试岩石破坏行为和强度的基本测试设备，目前在国内得到广泛使用；利用三轴压力机开测试岩石剪切强度和剪切破坏行为十分普遍，但现有技术无法测试特定正向压力下的岩石剪切强度，也无法获取岩石切应力与剪切位移之间的关系；尤其是针对横观各向同性岩石，传统的利用三轴压力机开展岩石剪切强度测试的技术难以确定准确的剪切破坏面，无法计算该类岩石的粘聚力和内摩擦角，不利于开展横观各向同性岩石的剪切强度测试。此外，由于三轴压力机无法提供直剪试验的剪力，因此难以直接把现有技术的试件放在传统三轴试验机上进行岩石的直剪试验。

因此，亟需一种能够用于常规三轴试验机的岩块直剪试件、试件夹具、岩石剪切试验的压头单元以及基于前述部件的试验方法，从而能够结合岩石常规三轴力学试验机开展岩石剪切强度和剪切行为测试，和绘制切应力-剪切位移曲线，提升岩石三轴压力机附加值，为岩石剪切测试技术增加一种新方法。此外，结合加载式CT扫描等新型测量手段，可利用该方法进一步探索岩块试件在直剪过程中宏观及微观裂纹的产生、扩展和贯通过程，并可以结合三轴试验机围压油加热功能开展高温岩石直剪试验，为岩石剪切破坏行为科学研究提供新途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了填补现有岩石剪切测试技术的不足，提供一种岩石直剪试验试件、试件夹具、岩石剪切试验的压头单元及基于前述部件的剪切试验方法，该试件能够直接用于常规三轴试验进行直剪试验，充分利用了传统试验机的功能、提升了其附加值，并为探索岩石剪切破坏行为提供了新途径。