[发明专利]一种岩石三轴直接剪切实验装置和方法

说明书

一种岩石三轴直接剪切实验装置和方法，其装置包括围压平衡剪切机构和软质试样密封套,试样的两端均固定有围压平衡剪切机构,软质试样密封套套设于试样及其两端的围压平衡剪切机构的外侧,围压平衡剪切机构包括剪切基座,剪切基座与试样端部的一侧接触,剪切基座、试样端部的另一侧和软质试样密封套之间成形腔室，腔室内设置有与腔室形状相适配的弹性空腔体，剪切基座上开设有平衡管路，平衡管路的一端与弹性空腔体内部的空腔连通，平衡管路的另一端与软质试样密封套外部连通，两个围压平衡剪切机构反向设置；本发明在试样外周和端部施加可自平衡的围压，同时对试样进行剪切实验，实现了对深部工程岩体剪切力学行为的评估实验，降低了实验误差。

技术领域

本发明属于岩石实验技术领域，具体涉及一种岩石三轴直接剪切实验装置和方法。

背景技术

岩石在地层中都是受到三向地应力作用。岩石在三向应力下的剪切破坏过程和抗剪强度是岩石工程设计中普遍需要关注的问题。目前岩石的抗剪强度一般是通过剪切盒、常规三轴直接剪切实验的方式近似确定，现有在有围压(即法向力)作用下发生较大剪切变形时，。现有剪切盒实验装置和岩石常规直接剪切装置无法在加载面上实现围压自平衡，从而导致高围压下的三轴直接剪切实验易产生偏转端部挤压效应，在位移较大时测量的应力和位移均存在很大误差，导致抗剪强度无法准确获取。

发明内容

本发明目的在于提供一种岩石三轴直接剪切实验装置和方法，用于获取岩石三轴应力下的抗剪强度和三轴剪切破坏过程，为岩石工程设计和建设安全提供准确的评价方法和依据。

本发明技术方案如下：

一种岩石三轴直接剪切实验装置，包括围压自平衡剪切部件和软质试样密封套,待测试样的两端分别设置有围压自平衡剪切部件,软质试样密封套套设于待测试样及其两端的围压自平衡剪切部件的外侧，所述围压自平衡剪切部件包括剪切基座、金属垫板以及围压自平衡体,所述的剪切基座与待测试样端面的轴线一侧平面接触,接触面积为试样端部面积的1/2，剪切基座上开设有一直角弯导孔，所述围压自平衡体为一端设置有引出管路的薄壁空腔体，其引出管路通过剪切基座上设置的导孔与待测试样外部连通，所述金属垫板为一薄片金属板，其横截面为待测试样横截面的1/2，围压自平衡体的侧面与剪切基座紧密贴合接触，围压自平衡体的底面与待测试样端面的轴线另一侧通过金属垫片紧密贴合接触，两个围压自平衡剪切部件以待测试样的中心为中心反对称设置。

围压自平衡体的引出管路与剪切基座上的导孔的连接处设置有密封圈。

所述软质试样密封套和围压自平衡体均采用高强度柔性材质制成。

可选的，所述软质试样密封套和围压自平衡体均采用橡胶材质制成。

一种岩石三轴直接剪切实验方法，采用前述的一种岩石三轴直接剪切实验装置，包括以下步骤：

步骤1、将围压自平衡体的引出管路插入到剪切基座上的导孔内，放置金属垫板于待测试样表面，将剪切基座、围压自平衡体、金属垫片和待测试样相互位置固定，将软质试样密封套套设于待测试样及其两端的围压自平衡部件的外侧，并保证剪切基座上的导孔不被软质试样密封套覆盖，并在软质密封套的两个末端外侧用箍环箍紧，使得软质试样密封套与剪切基座紧密贴合，将安装好的含待测试样的剪切实验装置放置于普通三轴实验装置的待测试样放置处；

步骤2、在整个实验装置外部利用液压油施加围压，围压数值可等于待测试岩石所处原位地应力的平均值，一方面液压油通过软质试样密封套向试样外周施加侧向压力，并通过剪切基座向试样端部轴线一侧施加轴向压力，另一方面液压油通过剪切基座上的导孔进入围压自平衡体内部，通过围压自平衡体向试样两端施加等值于径向围压的轴向围压；

步骤3、维持围压数值恒定，在两个剪切基座上同时逐步施加轴向剪切力直至试样破坏，并记录试样破坏过程中的剪切力和变形，即得到试样三轴剪切破坏过程的应力应变曲线，并获取试样的三轴剪切强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：