一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種巖石三軸壓縮儀，具體涉及一種改進型的巖石三軸壓縮儀的組合模具，適用于礦山、水利、資源與環境等領域中巖石室內剪切試驗。
【背景技術】
[0002]我國深部礦產資源開采、高陡邊坡穩定性分析、水利水電資源開發以及核廢料處置，均普遍涉及復雜環境下圍巖變形穩定問題，巖石抗剪強度、抗剪強度參數是進行圍巖變形數值模擬和穩定性分析的前提和基礎。巖石室內剪切試驗是獲取抗剪強度及其相關參數的重要手段，目前對于巖石抗剪強度的試驗方法有直剪試驗、傾斜壓模剪切法和三軸壓縮試驗等。
[0003]巖石直剪試驗裝置和試驗方法比較簡單，能得到巖石在單向圍壓作用下抗剪強度，然后根據摩爾理論可以得到巖石的內摩擦角和內聚力。但是在直剪試驗過程中存在很多難以克服的不足，嚴重影響了試驗結果的真實性與準確性。例如，在直剪試驗過程中，隨著剪切荷載的增加，試樣上的法向應力很難穩定，試樣的實際試驗環境與模型存在一定的差距；試樣在直剪儀中只能沿著既定的滑面發生破壞，而真正決定巖石破壞面位置和破壞強度大小的是試樣內部的缺陷，因此直剪試驗限制了巖石的自由破壞；當直剪試驗法向應力較大時，容易出現磨框現象，使得試驗值較真實值偏大。
[0004]傾斜壓模剪切法是通過改變加載力與試件之間的夾角，改變巖石試樣的正應力和剪應力大小，從而得到巖石的剪切破壞強度和強度參數，該方法可以克服直剪試驗中磨框現象和法向應力不穩的問題，然而由于巖石試樣與傾斜壓模之間的剛度不同，導致在試驗過程中，試樣與壓模之間產生了較大的摩擦力，改變了試樣內部的應力狀態，影響了測試結果的可靠性。
[0005]三軸壓縮試驗通過改變圍壓條件得到巖石的三維抗壓強度，然后根據摩爾庫倫準則繪制巖石破壞包絡線，對包絡線進行線性回歸得到試樣的抗剪強度參數，該試驗方法克服了諸多不利因素，因此得到的數據相對可靠。但是該方法屬于間接測量方法，也并未考慮壓頭的變形情況。
【發明內容】
[0006]本實用新型的目的，就是為了針對現有巖石三軸壓縮儀及三軸壓縮試驗存在的上述問題，提出一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具，使三軸試驗儀可以直接測量巖石的抗剪強度。
[0007]為實現本實用新型的上述目的，本實用新型一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具采用以下技術方案:
[0008]本實用新型一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具，包括千斤頂壓頭、一對圓柱形墊板、用于安裝巖石試樣的壓力室，所述的千斤頂壓頭的下部形狀、尺寸與壓力室的圓柱型內腔相匹配，所述的一對圓柱形墊板的形狀、尺寸也與壓力室的圓柱型內腔相匹配。其特點是:它還含有一對剛性半圓柱墊板、一對柔性半圓柱墊板，所述的一對剛性半圓柱墊板、一對柔性半圓柱墊板的高度、直徑相等。
[0009]所述的一對剛性半圓柱墊板、一對柔性半圓柱墊板的高度、直徑與所述的一對圓柱形墊板的高度、直徑相等為佳。
[0010]上述圓柱形墊板可選擇彈性模量210MPa的合金鋼，上述柔性半圓柱墊板可選擇彈性模量l05MPa的鋁青銅。當然，也可以選擇其他彈性模量不同的其他金屬材料，只要二者的彈性模量不同就可。
[0011]該組合模具及巖石試樣的安裝方法為:
[0012]1)將一塊圓柱形墊板安放到到壓力室的底部；
[0013]2)將一塊剛性半圓柱墊板、一塊柔性半圓柱墊板組合成下部圓柱型配合體安放到1)步驟所述圓柱形墊板的上面
[0014]3)將巖石試樣安放到2)步奏所述下部圓柱型配合體的上面；
[0015]4)再將另一塊剛性半圓柱墊板、另一塊柔性半圓柱墊板構成的上部圓柱型配合體安放到巖石試樣的上面，接著將另一塊圓柱形墊板安放到所述上部圓柱型配合體的上面；
[0016]所述的一塊剛性半圓柱墊板位于巖石試樣的左上面，另一塊剛性半圓柱墊板位于巖石試樣的右下面；所述的一塊柔性半圓柱墊板位于巖石試樣的右上面，所述的另一塊柔性半圓柱墊板位于巖石試樣的左下面；
[0017]5)然后將千斤頂壓頭的下部安放到步奏4)之另一塊圓柱形墊板上面的壓力室內。
[0018]本實用新型一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具，由于兩種模塊(墊板)的剛度不同，根據材料的變形量與所受外力、自身剛度、尺寸規格之間的關系，結合試驗過程中巖石與模塊(墊板)的變形協調，反算巖石試樣受到來自不同模塊(墊板)的作用力大小，得到剪切面兩側的剪力差值，進而得到巖石的三維抗剪強度，通過繪制抗剪強度與圍壓的關系曲線，得到巖石的強度參數。
[0019]本實用新型一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具，在具體試驗過程中，只需要增加一套壓頭墊板裝置，即可完成巖石三軸儀對巖石的三軸抗壓試驗和抗剪試驗的集成，豐富了試驗儀器的功能，有效提高了裝置的性價比。
[0020]采用三軸儀進行剪切實驗，獲得的數據更加準確、可靠。相比于直剪儀和傾斜壓膜機，本實用新型方法避免了巖石試樣與實驗裝置的摩擦，減小了實驗裝置帶來的系統誤差；本實用新型方法采用的專用組合模具傳承了巖石三軸壓縮實驗的優點，通過壓力室向巖石試樣提供了一個穩定的圍壓，軸壓加載速率由電腦控制，因此可以更加穩定，數據采集也更為精細；通過三軸儀的伺服加載系統，可以獲取巖石剪切破壞后的剪切破壞曲線。
【附圖說明】
[0021]圖1為現有的巖石三軸壓縮試驗圖；
[0022]圖2為本實用新型一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具的三軸剪切試驗圖；
[0023]圖3為本實用新型采用的組合模塊圖；
[0024]圖4是本實用新型一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具的三軸剪切試驗巖石試樣受力不意圖。
[0025]附圖標記為:1-千斤頂壓頭，2-壓力室，3-巖石試樣，4-圓柱形墊板(改進前使用的)，5-剛性半圓柱墊板，6-柔性半圓柱墊板。
【具體實施方式】
[0026]為進一步描述本實用新型，下面結合附圖對本實用新型一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具作進一步詳細描述。
[0027]由圖1所示的現有的巖石三軸壓縮試驗圖看出，將第一塊圓柱形墊板4、巖石試樣3、第二塊圓柱形墊板4自下而上放入壓力室2中，將千斤頂壓頭1的下部安放到第二塊圓柱形墊板4的上面之壓力室2內進行施壓。
[0028]由圖2所示的本實用新型一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具的三軸剪切試驗圖并結合圖3、圖4看出，本實用新型一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具包括千斤頂壓頭1、一對圓柱形墊板4、用于安裝巖石試樣3的壓力室2，所述的千斤頂壓頭1的下部形狀、尺寸與壓力室2的圓柱型內腔相匹配，所述的一對圓柱形墊板4的形狀、尺寸也與壓力室2的圓柱型內腔相匹配，其特征在于:該組合模具還包括一對剛性半圓柱墊板5、一對柔性半圓柱墊板6，所述的一對剛性半圓柱墊板5、一對柔性半圓柱墊板6的高度、直徑相等；所述的一對剛性半圓柱墊板5、一對柔性半圓柱墊板6的高度、直徑與所述的一對圓柱形墊板4的高度、直徑相等。
[0029]該組合模具及巖石試樣3的安裝方法為:
[0030]1)將一塊圓柱形墊板4安放到到壓力室2的底部；
[0031]2)將一塊剛性半圓柱墊板5、一塊柔性半圓柱墊板6組合成下部圓柱型配合體安放到1)步驟所述圓柱形墊板4的上面；
[0032]3)將巖石試樣3安放到2)步奏所述下部圓柱型配合體的上面；
[0033]4)再將另一塊剛性半圓柱墊板5、另一塊柔性半圓柱墊板6構成的上部圓柱型配合體安放到巖石試樣3的上面，接著將另一塊圓柱形墊板4安放到所述上部圓柱型配合體的上面；
[0034]所述的一塊剛性半圓柱墊板5位于巖石試樣3的左上面，另一塊剛性半圓柱墊板5位于巖石試樣3的右下面；所述的一塊柔性半圓柱墊板6位于巖石試樣3的右上面，所述的另一塊柔性半圓柱墊板6位于巖石試樣3的左下面；
[0035]5)然后將千斤頂壓頭1的下部安放到步奏4)之另一塊圓柱形墊板4上面的壓力室2內；
[0036]對巖石試樣抗剪強度進行測定的試驗方法為:
[0037]1)分別測試剛性半圓柱墊板5的彈性模量E1、柔性半圓柱墊板6的彈性模量E2;利用千斤頂壓頭1、壓力室2，給巖石試樣3施加預定的圍壓值，并使之穩定；
[0038]2)逐步施加軸壓，并觀察應變儀數值變化，確定破壞點和破壞時軸力大小，并記錄破壞力大小F ；
[0039]3)根據巖石試樣3破壞時軸力大小，結合剛性半圓柱墊板5的彈性模量E:、柔性半圓柱墊板6的彈性模量E2，分別計算出剛性半圓柱墊板5對巖石試樣3施加的壓力FpF4及柔性半圓柱墊板6對巖石試樣3施加的壓力F2、F3，進而確定巖石剪切面上的剪力Λ F大小；
[0040] 4)根據剪切面上剪力與剪切面積的關系得到巖石的抗剪強度τ。
【主權項】
1.一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具，包括千斤頂壓頭(1)、一對圓柱形墊板(4)、用于安裝巖石試樣(3)的壓力室(2)，所述的千斤頂壓頭(1)的下部形狀、尺寸與壓力室(2)的圓柱型內腔相匹配，所述的一對圓柱形墊板(4)的形狀、尺寸也與壓力室(2)的圓柱型內腔相匹配，其特征在于:它還含有一對剛性半圓柱墊板(5)、一對柔性半圓柱墊板(6 )，所述的一對剛性半圓柱墊板(5 )、一對柔性半圓柱墊板(6 )的高度、直徑相等。2.如權利要求1所述的一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具，其特征在于:所述的一對剛性半圓柱墊板(5)、一對柔性半圓柱墊板(6)的高度、直徑與所述的一對圓柱形墊板(4)的高度、直徑相等。
【專利摘要】本實用新型公開了一種改進型的巖石三軸壓縮試驗的組合模具，包括千斤頂壓頭（1）、一對圓柱形墊板（4）、用于安裝巖石試樣（3）的壓力室（2），所述的千斤頂壓頭（1）的下部形狀、尺寸與壓力室（2）的圓柱型內腔相匹配，所述的一對圓柱形墊板（4）的形狀、尺寸也與壓力室（2）的圓柱型內腔相匹配，其特征在于：它還含有一對剛性半圓柱墊板（5）、一對柔性半圓柱墊板（6），所述的一對剛性半圓柱墊板（5）、一對柔性半圓柱墊板（6）的高度、直徑相等。本實用新型在具體試驗過程中，只需要增加一套壓頭墊板裝置，即可完成巖石三軸儀對巖石的三軸抗壓試驗和抗剪試驗的集成，豐富了試驗儀器的功能，有效提高了裝置的性價比。
【IPC分類】G01N3/02
【公開號】CN205049403
【申請號】CN201520726756
【發明人】熊齊歡, 刁虎, 代永新, 李如忠, 盧敬標, 趙蒙生, 趙武鹍, 張春, 曹曉鈞, 李林丹
【申請人】中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司, 華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司, 中鋼集團馬鞍山礦院工程勘察設計有限公司
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年9月18日