一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的改进方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验方法和设备，尤其是涉及岩石 三维应力状态下的抗剪强度、强度参数的试验方法和试验设备改进，适用于矿山、水利、资 源与环境等领域中岩石室内剪切试验。
【背景技术】
[0002] 我国深部矿产资源开采、高陡边坡稳定性分析、水利水电资源开发以及核废料处 置，均普遍涉及复杂环境下围岩变形稳定问题，岩石抗剪强度、抗剪强度参数是进行围岩变 形数值模拟和稳定性分析的前提和基础。岩石室内剪切试验是获取抗剪强度及其相关参数 的重要手段，目前对于岩石抗剪强度的试验方法有直剪试验、倾斜压模剪切法和三轴压缩 试验等。
[0003] 岩石直剪试验装置和试验方法比较简单，能得到岩石在单向围压作用下抗剪强 度，然后根据摩尔理论可以得到岩石的内摩擦角和内聚力。但是在直剪试验过程中存在很 多难以克服的不足，严重影响了试验结果的真实性与准确性。例如，在直剪试验过程中，随 着剪切荷载的增加，试样上的法向应力很难稳定，试样的实际试验环境与模型存在一定的 差距；试样在直剪仪中只能沿着既定的滑面发生破坏，而真正决定岩石破坏面位置和破坏 强度大小的是试样内部的缺陷，因此直剪试验限制了岩石的自由破坏；当直剪试验法向应 力较大时，容易出现磨框现象，使得试验值较真实值偏大。
[0004] 倾斜压模剪切法是通过改变加载力与试件之间的夹角，改变岩石试样的正应力和 剪应力大小，从而得到岩石的剪切破坏强度和强度参数，该方法可以克服直剪试验中磨框 现象和法向应力不稳的问题，然而由于岩石试样与倾斜压模之间的刚度不同，导致在试验 过程中，试样与压模之间产生了较大的摩擦力，改变了试样内部的应力状态，影响了测试结 果的可靠性。
[0005] 三轴压缩试验通过改变围压条件得到岩石的三维抗压强度，然后根据摩尔库伦准 则绘制岩石破坏包络线，对包络线进行线性回归得到试样的抗剪强度参数，该试验方法克 服了诸多不利因素，因此得到的数据相对可靠。但是该方法属于间接测量方法，也并未考虑 压头的变形情况。
[0006] 《岩土工程界》2003年第11期发表的"浅淡影响三轴压缩试验结果的因素"论文中 也指出："作为提供土的力学参数的三轴压缩试验，其试验结果的准确与否尤为重要。然 而由于岩土自身的不均匀性以及三轴试验对取样和试验过程要求较高，在实际操作中又 难免会出现这样那样的问题，往往导致试验结果的离散性较大，所以分析导致试验离散性 的原因，总结和改善试验过程中的不妥之处，从而保证抗剪强度指标的准确性是土试人员 的重要职责"。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的，就是为了针对现有岩石三轴压缩仪及三轴压缩试验存在的上述问 题，通过对三轴压缩试验机压头垫板进行改进，直接求解不同围压作用下岩石的抗剪强度， 从而提出一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的改进方法，使三轴试验仪可以直接 测量岩石的抗剪强度。
[0008] 为实现本发明的上述目的，本发明一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的 改进方法采用以下技术方案： 本发明一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的第一种改进方法为： 所采用的岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具包括千斤顶压头、用于安装岩石试样的 压力室，所述的千斤顶压头的下部形状、尺寸与压力室的圆柱型内腔相匹配。该组合模具还 包括一对刚性台阶式圆柱形垫板、一对柔性半圆柱垫板，所述的柔性半圆柱垫板的形状、尺 寸与刚性台阶式圆柱形垫板的台阶部分相匹配；所述的刚性台阶式圆柱形垫板、柔性半圆 柱垫板的直径与岩石试样的直径、压力室的内径相等。
[0009] 该组合模具及岩石试样的安装方法为： 1) 先后将一块刚性台阶式圆柱形垫板、一块柔性半圆柱垫板安放到压力室的底部，二 者形成下部圆柱型配合体； 2) 将岩石试样安放在下部圆柱型配合体的上面； 3) 再将另一块柔性半圆柱垫板、另一块刚性台阶式圆柱形垫板构成的上部圆柱型配合 体安放到岩石试样的上面； 所述的一块柔性半圆柱垫板位于岩石试样的左下面，所述的另一块柔性半圆柱垫板位 于岩石试样的右上面； 4) 然后将千斤顶压头的下部安放到上部圆柱型配合体上面的压力室内。
[0010] 上述刚性台阶式圆柱形垫板可选择弹性模量210MPa的合金钢，上述柔性半圆柱 垫板可选择弹性模量l〇5MPa的铝青铜。当然，也可以选择其他弹性模量不同的其他金属材 料。
[0011] 对岩石试样抗剪强度进行测定的试验方法为： 1) 分别测试刚性台阶式圆柱形垫板的弹性模量E1、柔性半圆柱垫板弹性模量E2;利用 千斤顶压头、压力室，给岩石试样施加预定的围压值，并使之稳定； 2) 逐步施加轴压，并观察应变仪数值变化，确定破坏点和破坏时轴力大小，并记录破坏 力大小F ; 3) 根据岩石试样破坏时轴力大小，结合刚性台阶式圆柱形垫板的弹性模量E1、柔性半 圆柱垫板弹性模量E 2，计算出两块刚性台阶式圆柱形垫板对岩石试样施加的压力匕及 两块柔性半圆柱垫板对岩石试样施加的压力F2、F 3，进而确定岩石剪切面上的剪力Λ F大 小； 4) 根据剪切面上剪力与剪切面积的关系得到岩石的抗剪强度τ。
[0012] 所述的刚性台阶式圆柱形垫板的高度是柔性半圆柱垫板高度的2倍为佳。
[0013] 本发明一种利用岩石三轴压缩仪进行岩石剪切试验的第二种改进方法为： 所采用的岩石三轴压缩仪剪切试验的组合模具包括千斤顶压头、一对圆柱形垫板、用 于安装岩石试样的压力室，所述的千斤顶压头的下部形状、尺寸与压力室的圆柱型内腔相 匹配，所述的一对圆柱形垫板的形状、尺寸也与压力室的圆柱型内腔相匹配。该组合模具还 包括一对刚性半圆柱垫板、一对柔性半圆柱垫板，所述的一对刚性半圆柱垫板、一对柔性半 圆柱垫板的高度、直径相等。
[0014] 上述圆柱形垫板可选择弹性模量2IOMPa的合金钢，上述柔性半圆柱垫板可选择 弹性模量I 05MPa的铝青铜。当然，也可以选择其他弹性模量不同的其他金属材料，只要二 者的弹性模量不同就可。
[0015] 该组合模具及岩石试样的安装方法为： 1) 将一块圆柱形垫板安放到到压力室的底部； 2) 将一块刚性半圆柱垫板、一块柔性半圆柱垫板组合成下部圆柱型配合体安放到1)步 骤所述圆柱形垫板的上面 3) 将岩石试样安放到2)步奏所述下部圆柱型配合体的上面； 4) 再将另一块刚性半圆柱垫板、另一块柔性半圆柱垫板构成的上部圆柱型配合体安放 到岩石试样的上面，接着将另一块圆柱形垫板安放到所述上部圆柱型配合体的上面； 所述的一块刚性半圆柱垫板位于岩石试样的左上面，另一块刚性半圆柱垫板位于岩石 试样的右下面；所述的一块柔性半圆柱垫板位于岩石试样的右上面，所述的另一块柔性半 圆柱垫板位于岩石试样的左下面； 5) 然后将千斤顶压头的下部安放到步奏4)之另一块圆柱形垫板上面的压力室内。
[0016] 对岩石试样抗剪强度进行测定的试验方法为： 1) 分别测试刚性半圆柱垫板的弹性模量E1'、柔性半圆柱垫板的弹性模量E2';利用 千斤顶压头、压力室，给岩石试样施加预定的围压值，并使之稳定； 2) 逐步施加轴压，并观察应变仪数值变化，确定破坏点和破坏时轴力大小，并记录破坏 力大小Fr ; 3) 根据岩石试样（3)破坏时轴力大小，结合刚性半圆柱垫板的弹性模量E/、柔