一種不規則巖體節理面剪切試驗試件預製的模具的製作方法

2023-11-12 05:00:37

專利名稱:一種不規則巖體節理面剪切試驗試件預製的模具的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種不規則巖體節理面剪切試驗試件預製的模具。包括一底板、兩個側壁板和兩個側擋板；兩個側壁板分別固定於底板的相對設置的端部；每個側壁板的內壁上設有兩個平行設置的凹槽；每個側擋板通過嵌入兩個側壁板上相應位置處的兩個凹槽內，固定於底板上，且側擋板垂直於側壁板；側壁板上於凹槽與其邊緣之間設有通孔，兩個側壁板上相應位置處的兩個通孔之間連接螺栓，且螺栓從側壁板延伸出；螺栓的兩端部通過螺母固定；側壁板上設有觀察孔，觀察孔設於兩個側擋板之間。本實用新型解決了對於鑽井獲取的不規則圓柱形巖心無法在常規剪切試驗機上開展剪切試驗的困難，能夠更加客觀準確的對地下巖體裂隙進行分析研究，為地下工程的安全穩定性評價提供了關鍵的分析參數。
【專利說明】一種不規則巖體節理面剪切試驗試件預製的模具

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種不規則巖體節理面剪切試驗試件預製的模具，屬於石油工程 巖石力學領域。

【背景技術】
[0002] 巖石是地殼和上地幔主要的組成物質。其對地表的上部建構築物可充當堅固的承 載地基，也對地下的結構形成穩固的掩體。受巖石產狀和地質力學等因素的影響，在地下深 埋的掩體中，存在有大量的巖體節理裂隙系統，其發育特徵決定了地下巖體的安全與穩定 性。在石油和天然氣工業中的鑽井及地下硐室的開挖中，廣泛涉及到巖體鑽進和巖體開挖 成硐等施工過程。在此過程中，巖體的節理裂隙特性控制了施工的安全穩定性。
[0003] 因此，在巖石相關的地下工程可行性研宄及施工方案確定中，必須對地下相關巖 層的巖體力學特性進行準確的判定和分析，尤其是含裂隙巖體的力學特性對工程安全具有 至關重要的控制作用。基於此，在工程勘探過程中，必須鑽採地下含節理裂隙的巖體進行巖 石力學試驗測試，以確定巖體節理裂隙的力學參數，如節理面的法向剛度、切向剛度、粘聚 力和內摩擦角等。這樣才能對地下巖體的安全穩定性做到有效的評價，為工程設計和成功 建造提供可靠的安全保障。
[0004] 目前，廣泛採用的巖石節理裂隙參數的測試方法為，利用巖石剪切試驗機進行剪 切試驗測試。而在試驗測試過程中，對巖石試件的形狀要求必須為邊長100mm、150mm或 200mm的標準立方體試件，而且要求試件目標測試面的法向加載面和切向加載面必須平滑 且平行，否則在加載過程中會出現偏壓或應力集中現象，導致測試結果不準確或失敗。
[0005] 而採用鑽井勘探技術對巖體進行鑽探取芯的過程中，只能根據鑽井方向來鑽取地 下節理面走向各異的含節理裂隙巖體，且受取芯鑽頭尺寸的控制，使得獲得的巖樣，尺寸較 小，裂隙面與巖心的軸向呈不同的角度分布，則無法預製成理想的標準巖塊開展裂隙參數 測試的剪切試驗。 實用新型內容
[0006] 本實用新型的目的是提供一種不規則巖體節理面剪切試驗試件預製的模具，利用 該模具可將小尺寸、不規則巖心試樣預製成能夠順利開展剪切試驗並能準確測得巖石節理 面力學參數的標準試件。
[0007]本實用新型所提供的不規則巖體節理面剪切試驗試件預製的模具，包括一底板、 兩個側壁板和兩個側擋板；
[0008] 兩個所述側壁板分別固定於所述底板的相對設置的端部；每個所述側壁板的內壁 上設有兩個平行設置的凹槽，所述凹槽沿所述側壁板的豎直方向從其頂部延伸至其底部；
[0009] 每個所述側擋板通過嵌入兩個所述側壁板上相應位置處的兩個所述凹槽內，固定 於所述底板上，且所述側擋板垂直於所述側壁板；
[0010] 所述側壁板上於所述凹槽與其邊緣之間設有通孔，兩個所述側壁板上相應位置處 的兩個所述通孔之間連接一螺栓，且所述螺栓從所述側壁板延伸出；所述螺栓的兩端部通 過螺母固定；
[0011] 所述側壁板上設有觀察孔，所述觀察孔設於兩個所述側擋板之間。
[0012] 所述的模具中，所述側壁板的外壁與所述底板的端部的邊緣位於一條直線上。
[0013] 所述的模具中，所述螺栓上套設有一彈簧，所述彈簧的自由長度大於兩個所述側 壁板之間的垂直間距，以控制所述側壁板平穩移動並避免向內側移動，從而方便地控制所 述側壁板與所述底板之間的配合；
[0014] 所述彈簧剛度係數可選擇為10?100N/mm。
[0015] 所述的模具中，所述螺母可為蝶形螺母，以方便手動調整；所述螺栓與所述螺母的 螺距均為〇? 5?2謹。
[0016] 所述的模具中，所述側擋板與所述底板之間的間隙不超過0. 01mm ;
[0017] 所述凹槽的深度為1?3mm。
[0018] 所述的模具中，所述底板、所述側壁板和所述側擋板的厚度一致，且均為5? 10mm ；
[0019] 所述底板、所述側壁板和所述側擋板的材質均為鋼板，具體如不鏽鋼，利於延長使 用壽命方便維護保養，降低維修成本。
[0020] 所述的模具中，所述通孔設於所述凹槽與所述側壁板的邊緣之間的中部；
[0021] 所述通孔為螺孔；
[0022] 所述通孔與所述螺栓之間的配合方式為間隙配合或過盈配合。
[0023] 所述的模具中，所述螺栓的長度比兩個所述側壁板的外壁之間的間距大至少 20mm，以方便所述螺母進行固定。
[0024] 所述的模具中，所述螺栓上設有標尺；
[0025] 所述標尺的刻度精度為0. 1?0. 5mm。
[0026] 所述的模具中，所述觀察孔為條形通孔；
[0027] 所述觀察孔的長度為一個所述側壁板上的兩個所述凹槽之間的橫向間距的1/3， 其高度為3?10mm 〇
[0028] 根據常規巖石剪切試驗機的規格，本實用新型模具製作標準立方體試件的邊長為 100 ?200mm〇
[0029] 本實用新型不規則巖體節理面剪切試驗試件預製的模具沿所述底板的縱向中心 線和橫向中心線均對稱。
[0030] 本實用新型提供的不規則巖體節理面剪切試驗試件預製模具的工作方式，即利用 本實用新型模具進行標準試件的預製過程如下：
[0031] 1、首先將兩塊所述側壁板豎起，同時將所述側擋板插入到所述側壁板上設置的凹 槽中，確保兩側全部吻合；然後將定位螺栓穿過所述側壁板上設置的螺栓對所述側壁板進 行固定，根據兩個所述側壁板的距離要求進行所述螺栓的鬆緊調整，以保證所述側壁板與 所述底板達到允許的垂直狀態。
[0032] 2、採用C50高強混凝土，根據水泥和粉細砂顆粒級配確定標準配合比，調製高強 水泥砂漿，並對每組水泥砂漿進行標準試件（直徑50mm，高100mm的圓柱體三軸抗壓強度試 驗標準試件）預製。通過對養護標準時間的三軸強度試件測試（時間計劃根據試驗進度進 行安排，最少7天，28天最佳，否則需按照養護時間長短進行折算）確定高強混凝土的強度 指標。
[0033] 3、利用取樣後的高強水泥砂漿進行試件澆築預製：首先在本實用新型模具內灌注 一定量的水泥砂漿（接近預留觀測孔的高度範圍）作為底層打底砂漿；然後將中間含有節 理裂隙的小尺寸巖心試件放置於水泥砂漿內，確保放置位置準確，巖塊裂隙懸露於砂漿外 1?2_，且裂隙面儘可能與砂漿表面平行；將預製的5mm厚泡沫按模具平面和試件間空隙 的形狀放置在巖石裂隙面與模具中間進行填充，起到隔離裂隙面與上下層砂漿的作用，目 的使裂隙面處於懸空狀態，防止砂漿影響裂隙面的試驗測試。處理完成後開始澆築上層覆 蓋砂漿層；最後對上層砂漿層進行抹平處理。
[0034] 4、將預製好的剪切試件預製件以三軸壓縮試驗的圓柱體標準試件的同等環境 (養護時間、環境溫度和溼度基本一致）進行養護。
[0035] 5、待到設計養護時間後，開展剪切試驗，測試巖石節理面的強度。
[0036] 6、得到原始試驗數據後，利用標準水泥砂漿試件試驗測得的水泥砂漿力學參數對 數據進行修正（修正公式如下），值Q為最終確定的節理面裂隙力學參數；
[0037] Q=P-W
[0038] 其中，Q為節理面力學參數值；
[0039] P為剪切試驗測試的力學參數初始值；
[0040]W為圓柱體三軸抗壓強度試驗測試的修正數值。
[0041] 利用本實用新型模具及高強混凝土對試件進行試驗前預製，在模具中心位置設置 了裂隙定位孔，可以通過水平觀察確保不規則的含裂隙巖體節理正好處於剪切位置，則可 將任意形狀的含裂隙巖塊製成標準形狀試件準確開展剪切試驗，測試節理面力學參數。本 實用新型模具解決了對於鑽井獲取的不規則圓柱形巖心無法在常規剪切試驗機上開展剪 切試驗的困難，能夠更加客觀準確的對地下巖體裂隙進行分析研宄，為地下工程的安全穩 定性評價提供了關鍵的分析參數。

【附圖說明】

[0042] 圖1為本實用新型模具的結構示意圖。
[0043] 圖2為本實用新型模具的俯視圖。
[0044] 圖3為本實用新型模具中側壁板的立面圖
[0045] 圖4為本實用新型模具中底板的俯視圖。
[0046] 圖5為本實用新型模具中側擋板的立面圖。
[0047] 圖6為本實用新型中螺栓定位系統圖。
[0048] 圖中各標記如下：
[0049] 1底板、2側壁板、3側擋板、4折頁、5凹槽、6螺孔、7定位螺栓、8螺母、9彈簧、10 標尺、11觀察孔。

【具體實施方式】
[0050] 下面結合附圖對本實用新型做進一步說明，但本實用新型並不局限於以下實施 例。
[0051] 如圖1所示，為本實用新型不規則巖體節理面剪切試驗試件預製的模具，它包括 一個底板1、2個側壁板2和2個側擋板3,底板1、側壁板2和側擋板3的厚度一致，且均為 5?10mm，底板1、側壁板2和側擋板3的材質均為不鏽鋼，利於延長使用壽命方便維護保 養，降低維修成本。2個側壁板2通過折頁4連接在底板1的兩個端部，且折頁4與底板1 和側壁板2之間均為焊接。底板1與側壁板2為垂直設置，如圖2所示，側壁板2的外壁面 均與底板1的端部齊平。底板1的俯視圖如圖4所示。
[0052] 如圖3所示，每個側壁板2的內壁上設有兩個平行設置的凹槽5,凹槽5的深度為 1?3_。每個凹槽5沿側壁板2的豎直方向從其頂部延伸至其底部。每個側擋板2通過 嵌入兩個側壁板2上相應位置處的兩個凹槽5內，固定於底板1上，且側擋板3垂直於側壁 板2,且側擋板3與底板1之間的間隙不超過0. 01mm。側擋板3的立面圖如圖5所示。
[0053] 如圖1和圖3所示，側壁板2上於凹槽5與其邊緣之間設有螺孔6,螺孔6設於凹 槽5與側壁板2的邊緣之間的中部。兩個側壁板2上相應位置處的兩個螺孔6之間連接一 個定位螺栓7,且定位螺栓7從側壁板2延伸出，延伸出的定位螺栓7的兩端部通過螺母8 進行固定，螺母8可選擇蝶形螺母，以方便手動調整，定位螺栓7與螺母8的螺距均為0. 5? 2_，兩者之間的配合採用間隙配合或過盈配合的方式。該定位螺栓7的長度比兩個側壁板 2的外壁之間的間距大至少20mm，以方便螺母8的固定。如圖6所示，在該定位螺栓7上設 有標尺10,標尺10的刻度精度為〇. 1?〇. 5_。定位螺栓7上套設有一個彈簧9,如圖6所 示，彈簧9的剛度係數選擇為10?100N/mm。該彈簧9的自由長度大於兩個側壁板2之間 的垂直間距，以控制側壁板2平穩移動並避免向內側移動，從而方便地控制側壁板2與底板 1之間的配合。
[0054] 如圖1和圖3所示，在側壁板2上設有一條形的觀察孔11，且該觀察孔11設於兩 個側擋板3之間，其長度為一個側壁板2上的兩個凹槽5之間的橫向間距的1/3,其高度為 3 ?10mm〇
[0055] 本實用新型不規則巖體節理面剪切試驗試件預製的模具沿所述底板的縱向中心 線和橫向中心線均對稱。
[0056] 根據常規巖石剪切試驗機的規格，本實用新型模具製作標準立方體試件的邊長可 為 100 ?200mm。
[0057] 利用本實用新型不規則巖體節理面剪切試驗試件預製的模具進行標準試件的預 制過程如下：
[0058] 1、採用C50高強混凝土，根據水泥和粉細砂顆粒級配確定標準配合比，調製高強 水泥砂漿，並對每組水泥砂漿進行標準試件（直徑50mm，高100mm的圓柱體三軸抗壓強度試 驗標準試件）預製。通過對養護標準時間的三軸強度試件測試（時間計劃根據試驗進度進 行安排，最少7天，28天最佳，否則需按照養護時間長短進行折算）確定高強混凝土的強度 指標。
[0059]2、利用取樣後的高強水泥砂漿進行試件澆築預製：首先在本實用新型的模具內灌 注一定量的水泥砂漿（接近預留觀察孔11的高度範圍）作為底層打底砂漿；然後將中間 含有節理裂隙的小尺寸巖心試件放置於水泥砂漿內，確保放置位置準確，巖塊裂隙懸露於 砂漿外1?2_，且裂隙面儘可能與砂漿表面平行；將預製的5_厚泡沫按模具平面和試件 間空隙的形狀放置在巖石裂隙面與模具中間進行填充，起到隔離裂隙面與上下層砂漿的作 用，目的使裂隙面處於懸空狀態，防止砂漿影響裂隙面的試驗測試。處理完成後開始澆築上 層覆蓋砂漿層；最後對上層砂漿層進行抹平處理。
[0060] 3、將預製好的剪切試件預製件以三軸壓縮試驗的圓柱體標準試件的同等環境 (養護時間、環境溫度和溼度基本一致（養護時間最少7天，28天最佳，溫度在20°C以上，飽 和水環境）進行養護。
[0061] 4、待到設計養護時間後，開展剪切試驗（該剪切試驗為通過巖石力學試驗的剪切 試驗機對含節理面的巖體進行剪切測試，獲得剪切面的力學參數），測試巖石節理面的強 度。
[0062] 5、得到原始試驗數據後，利用標準水泥砂漿試件試驗測得的水泥砂漿力學參數對 數據進行修正（修正公式如下），值Q(包括節理面的法向剛度、切向剛度、粘聚力和內摩擦 角等參數）為最終確定的節理面裂隙力學參數；
[0063] Q=P-ff
[0064] 其中，Q為節理面力學參數值；
[0065] P為剪切試驗測試的力學參數初始值；
[0066] W為圓柱體三軸抗壓強度試驗測試的修正數值。
[0067] 通過本實用新型的模具可以獲得巖石節理面的力學參數，如法向剛度、切向剛度、 粘聚力和內摩擦角等，但具體值和巖石及裂隙面的力學特性有關。以某工程中地下811米 處含節理裂隙面花崗巖測試結果為例，其力學參數測試結果如表1中所示。
[0068] 表1地下811米處含節理裂隙面花崗巖測試結果
[0069]

【權利要求】
1. 一種不規則巖體節理面剪切試驗試件預製的模具，其特徵在於：所述模具包括一底 板、兩個側壁板和兩個側擋板； 兩個所述側壁板分別固定於所述底板的相對設置的端部；每個所述側壁板的內壁上設 有兩個平行設置的凹槽，所述凹槽沿所述側壁板的豎直方向從其頂部延伸至其底部； 每個所述側擋板通過嵌入兩個所述側壁板上相應位置處的兩個所述凹槽內，固定於所 述底板上，且所述側擋板垂直於所述側壁板； 所述側壁板上於所述凹槽與其邊緣之間設有通孔，兩個所述側壁板上相應位置處的兩 個所述通孔之間連接一螺栓，且所述螺栓從所述側壁板延伸出；所述螺栓的兩端部通過螺 母固定； 所述側壁板上設有觀察孔，所述觀察孔設於兩個所述側擋板之間。2. 根據權利要求1所述的模具，其特徵在於：所述側壁板的外壁與所述底板的端部的 邊緣位於一條直線上。3. 根據權利要求1或2所述的模具，其特徵在於：所述螺栓上套設有一彈簧，所述彈簧 的自由長度大於兩個所述側壁板之間的垂直間距。4. 根據權利要求3所述的模具，其特徵在於：所述側擋板與所述底板之間的間隙不超 過 0. Olmm ; 所述凹槽的深度為1?3mm〇5. 根據權利要求4所述的模具，其特徵在於：所述底板、所述側壁板和所述側擋板的厚 度均為5?IOmm ; 所述底板、所述側壁板和所述側擋板的材質均為鋼板。6. 根據權利要求5所述的模具，其特徵在於：所述通孔設於所述凹槽與所述側壁板的 邊緣之間的中部； 所述通孔為螺孔； 所述通孔與所述螺栓之間的配合方式為間隙配合或過盈配合。7. 根據權利要求6所述的模具，其特徵在於：所述螺栓的長度比兩個所述側壁板的外 壁之間的間距大至少20mm。8. 根據權利要求7所述的模具，其特徵在於：所述螺栓上設有標尺； 所述標尺的刻度精度為〇. 1?〇. 5_。9. 根據權利要求8所述的模具，其特徵在於：所述觀察孔為條形通孔； 所述觀察孔的長度為一個所述側壁板上的兩個所述凹槽之間的橫向間距的1/3,其高 度為3?10_。
【文檔編號】G01N3-24GK204302070SQ201420735065
【發明者】段品佳, 單彤文, 屈長龍, 張超, 肖立, 黃歡, 鍾曦 [申請人]中國海洋石油總公司, 中海石油氣電集團有限責任公司