[发明专利]一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置及方法

权利要求书

1.一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置，其特征在于：包括滚珠承压板、上剪切盒、下剪切盒和剪切头；所述上剪切盒底部中央设有剪切头卡槽，剪切头卡槽的长度、宽度与剪切头的长度、宽度一致，剪切头卡槽深度略小于剪切头的高度；所述下剪切盒呈“L”形，其高度等于或略小于所测试的岩石试件的高度，根据岩石试件规格进行加工制作，防止施加法向压力时上剪切盒与下剪切盒接触受力；所述剪切头嵌于上剪切盒底部中央的剪切头卡槽中，剪切头底面长度为a，宽度为b，剪切头底面有两个向外凸起的齿部，齿部高度为h、齿部角度为α，两个齿部的距离为d；所述装置进行岩石粘聚力和内摩擦角测试时，与岩石室内直剪仪配合完成测试工作。

2.根据权利要求1所述的一种岩石粘聚力和内摩擦角测试装置，其特征在于：所述上剪切盒的中央设置有螺栓孔，螺栓孔直径小于剪切头宽度，剪切头磨损后，使用螺栓从上剪切盒上部拧入，挤出剪切头并进行更换。

3.根据权利要求1～2任意一项所述的岩石粘聚力和内摩擦角测试装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、岩石试件加工制作

当取样获得的岩石块度较大或规整性较好时，将岩石加工成Ⅰ类岩石试件，Ⅰ类岩石试件为立方体试件；当取样获得的岩石块度较小或不规则时，采用岩石试件制作装置将岩石加工成Ⅱ类岩石试件，所述岩石试件制作装置由岩石试件制作装置上盖板和岩石试件制作装置主体两部分组成，所述岩石试件制作装置主体上设置有树脂输送孔，岩石试件制作装置上盖板和岩石试件制作装置主体由螺栓通过螺栓连接孔进行组合；岩石试件加工时，首先将不规则的岩石材料沿选定截面进行切割，将切割后的岩石材料平整面朝下放置于岩石试件制作装置主体中，将树脂材料倒入岩石试件制作装置主体2/3高度，倒入时用玻璃棒进行搅拌，防止产生气泡；待树脂材料凝固后，盖上岩石试件制作装置上盖板，并使用螺栓将岩石试件制作装置上盖板与岩石试件制作装置主体紧密连接；将岩石试件制作装置侧放，通过树脂输送孔继续输入树脂材料，充填满整个岩石试件制作装置；待树脂材料凝固后，拆卸岩石试件制作装置上盖板，取出试件，即完成单个Ⅱ类岩石试件的加工制作；Ⅰ类岩石试件和Ⅱ类岩石试件均可用于下一步岩石剪切试验；

步骤2、岩石剪切试验

将下剪切盒置于岩石室内直剪仪底部承载装置上，并使其侧面紧贴岩石室内直剪仪切向固定装置,然后将加工制作好的岩石试件至于下剪切盒中，将剪切头置于上剪切盒底部中央剪切头卡槽处，将上剪切盒置于岩石试件上方，使得剪切头齿部与岩石试件相接触且位于岩石试件上表面中央，然后将滚珠承压板置于上剪切盒上方，启动岩石直剪试验机，按照预先设定的加载方案，先通过岩石室内直剪仪法向加压装置对滚珠承压板、上剪切盒和剪切头施加预定法向力P，将剪切头齿部压入岩石试件，然后再通过岩石室内直剪仪切向加压装置对上剪切盒和剪切头施加切向力Q，直至剪切头与岩石试件之间产生明显滑移，此时停止加载，先卸载切向力，后卸载法向力，记录试验数据；取下嵌有剪切头的上剪切盒，更换岩石试件，此时Ⅱ类岩石试件整个需进行更换，Ⅰ类岩石试件可更换岩石试件与剪切头的接触面，然后重复之前的实验操作步骤，进行多次试验；

步骤3、试验数据记录与处理

记录不同法向力P下发生剪切破坏时的峰值切向力Q，结合剪切头底面长度a和宽度b，根据公式(1)和公式(2)计算得到相对应的法向应力σ及切向应力τ；

然后根据公式(3)拟合出反映岩石发生剪切破坏的强度曲线可得到岩石试件的c、值。

4.根据权利要求3所述的岩石粘聚力和内摩擦角测试装置的使用方法，其特征在于：岩石剪切试验时，施加的法向压力应控制在合适的压力范围，使得剪切头的齿部完全压入岩体试件，同时剪切头下表面不得压入岩体试件。

5.根据权利要求3所述的岩石粘聚力和内摩擦角测试装置的使用方法，其特征在于：所述树脂材料为环氧树脂，其力学参数σ_t＝28.149MPa，σ_c＝107.593MPa，E＝4.070GPa，μ＝0.357。

6.根据权利要求3所述的岩石粘聚力和内摩擦角测试装置的使用方法，其特征在于：所述Ⅰ类岩石试件的每个表面均可进行一次试验。