[发明专利]制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具及方法

说明书

本发明涉及岩体力学及岩体物理仿真模拟技术领域，尤其涉及一种制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具及方法，旨在解决类岩石岩样裂隙位置、倾角、张开度、宽度等几何特征难以准确控制的问题。本发明提供的模具包括模具主体、控制台和钢片组件；模具主体设置有上端开口的容纳空间；控制台安装于模具主体的侧壁，可绕垂直于模具主体的侧壁的方向旋转；控制台包括倾角固定杆，倾角固定杆可摆动并卡接于模具主体的侧壁；钢片组件包括钢片和钢套，钢套插装于控制台，钢片插装于钢套和容纳空间。通过旋转控制台和更换钢片可精确控制裂隙的倾角、张开度和宽度；通过控制台位置的设置，可精确控制裂隙的位置，从而提高试验结果的可靠性。

技术领域

本发明涉及岩体力学及岩体物理仿真模拟技术领域，尤其涉及一种制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具及方法。

背景技术

自然界的岩体由完整岩石(即岩桥)与裂隙两种介质体共同组成。与完整岩石相比，裂隙的力学性质明显低很多。因此，岩体中裂隙的存在极大程度上削弱了岩体的质量，增加了岩体变形和破坏的可能性。根据裂隙在岩体内部的延伸程度，可将裂隙分为贯通结裂隙和断续裂隙。工程实践表明，含断续裂隙的岩体失稳路径是由原生裂隙和沿岩桥端部扩展所形成的断面共同组成。岩桥在端部易形成应力集中区，进而引起新裂纹沿端部开裂、扩展、贯通以及滑移，最终导致岩体的破坏。

岩体的抗剪强度参数对岩土工程的稳定性评价以及设计至关重要。岩体的失稳破坏往往会经过多条断续裂隙，每条裂隙的规模以及产出状态均会导致岩体抗剪强度的不同。可以看出，断续裂隙在岩体内部的数量、组合方式和几何特征对其抗剪强度起着关键的主导作用。

通常，自然界的岩体主要是赋存于压应力和剪应力共同作用的力学环境中。对于含断续裂隙的岩体而言，岩桥和裂隙面的剪切破坏同时受这两种应力的控制。直剪试验可以有效地模拟岩体所处的这种压剪应力状态，故它是一种被广泛用于确定岩体的抗剪强度参数的试验手段。

研究含断续裂隙的抗剪强度参数，必须充分考虑岩体内裂隙的几何发育特征。岩体的直剪试验属于破坏性试验，岩体被破坏后无法进行复原，即无法做到多次利用，因此每个岩样只能进行一次剪切试验。为了探索不同几何形态和产出特征的裂隙对岩体综合抗剪强度的影响，需要在野外采集包含不同发育特征的裂隙。然而，现场发育的裂隙形状、尺寸等特征迥异，无法实现试验中控制变量法的要求。此外，现场取样的费用高，运输过程困难，且室内对样品加工的过程是一项非常繁琐而复杂的工作，难以满足试验批量制作的需求。因此，对这种结构岩体的力学试验研究，国内外学者们常采用类岩石材料来模拟岩体。

目前，在室内直剪试验类岩石岩样中预制断续裂隙的手段主要是钢片抽条法，即将类岩石材料兑水混合均匀后倒入特定的模具内，在材料初凝前根据预先设定的裂隙几何特征将钢片插入到材料中，待材料静置完全凝固后将钢片抽出，可制作成含断续裂隙的类岩石岩样。

上述操作过程虽然简单，但缺乏精确衡量裂隙具体位置、倾角、张开度等几何特征的标尺，可能导致实际加工后的裂隙几何特征与设计参数之间存在一定的偏差，难以保证裂隙位置、倾角、张开度、宽度以及数量等几何特征的准确控制，造成后续试验结果的可靠性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具及方法，以解决裂隙位置、倾角、张开度、宽度等几何特征难以准确控制的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：

一种制备含复杂断续裂隙的直剪试验类岩石岩样模具，包括模具主体、控制台和钢片组件；模具主体设置有上端开口的容纳空间；控制台安装于模具主体的侧壁，配置为可绕垂直于模具主体的侧壁的方向旋转；控制台包括倾角固定杆；倾角固定杆配置为可沿垂直于模具主体的侧壁的方向摆动并可卡接于模具主体的侧壁；钢片组件包括钢片和钢套，钢套插装于控制台，钢片插装于钢套和容纳空间。