[发明专利]岩石空心圆柱扭剪仪

说明书

技术领域

本发明涉及室内岩石力学试验装置，更具体涉及可实现复杂应力路径的岩石空心圆柱扭剪仪，属于岩土工程技术领域。

背景技术

工程岩体现场开挖过程中岩体内部的应力状态极为复杂，表现为：应力主轴方向不变情况下主应力大小变化、主应力大小不变情况下应力主轴旋转、应力主轴方向旋转及主应力大小变化。从宏观角度考虑，上述应力状态的改变会导致岩体产生塑性变形，弹性参数和强度参数发生改变；从微观角度考虑，岩体内部有微裂隙产生、贯通和扩展。因此，开展室内试验并研究复杂应力作用下岩石的强度、变形和破坏形态，这对于认识和治理岩体开挖扰动诱发的工程灾害具有重要意义。

目前，可以模拟应力路径的岩石室内试验装置主要有单轴压缩仪、常规三轴压缩仪、直剪仪、真三轴压缩仪等。单轴压缩仪可实现岩石在一个主应力作用方向加载的压缩破坏，可测定岩石单轴抗压强度，不能实现其他应力路径；常规三轴压缩仪可实现岩石在有围压情况下加载偏压的压缩破坏，不能实现三个大小不同的主应力作用条件的应力路径；直剪仪可实现岩石在给定剪切面的剪切破坏，但剪切力的输出方向与破坏面不在同一平面上，不能真实地反映岩石的剪切破坏；真三轴压缩仪可实现岩石在三个大小不同的主应力作用下的压缩破坏，但经常存在加压刚性板相互影响、端面摩擦等问题，且不能实现应力主轴旋转的应力路径。

依据空心圆柱的受力特点，岩土工程技术领域已开发出适用于土样的空心圆柱扭剪仪。但是，土与岩石是两种不同的工程材料，现有的作用于土样的空心圆柱扭剪仪不适用于岩石材料，主要表现为：1）土样黏聚力较低，并可用常规工具进行任意形状的切削重塑。因此，制作端面具有环状分布凹槽的土样较为方便，易于实现加载端面的扭矩传递。但是，岩石的黏聚力较高，无法制作重塑岩样，加工端面具有环状分布凹槽的岩样较为困难。因此，需要采用其他方法实现岩样扭矩的施加。2）相对岩石而言，土的强度极小，因此适用于土样的空心圆柱扭剪仪可输出的外力较小，并常用水压实现围压的加载，而岩样的围压加载常使用油压实现。另一方面，岩石破坏所需应力水平较高，这决定了适用于岩石试验的试验设备必须具有较高的应力承受能力。3）相对土而言，岩石的变形极小，需采用不同于土样的空心圆柱扭剪仪的变形测量装置和方法。4）现有的适用于土样的空心圆柱扭剪仪的轴向加载与扭矩加载结构存在相互影响的问题，比如轴向加载引起的摩擦效应。但由于施加于土样的外力水平相对较小，这种相互影响对于土样可忽略不计。当岩石的破坏必须施加较高应力水平时，轴向力的加载可产生较大的阻碍扭转运动的摩擦力，这种相互影响对于岩石而言较为突出。

综上所述，现有的岩石室内试验装置不可以实现应力主轴旋转等复杂的应力路径，试验功能较为单一；另一方面，适用于土样的空心圆柱扭剪仪无法应用于岩石试验，并且由于岩石和土的性质的不同，无法进行改造以应用于岩石试验。

发明内容

本发明的目的是在于提供自动化程度高、荷载输出系统可靠、测量系统准确、具有复杂加载路径能力的岩石空心圆柱扭剪仪。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：