一種柱狀節理結構面剪切的實驗方法及裝置的製作方法

2023-11-12 05:11:07

專利名稱：一種柱狀節理結構面剪切的實驗方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於巖石力學領域，尤其是一種柱狀節理結構面剪切的實驗方法，還涉及一種柱狀節理結構面剪切的實驗裝置，適用於不規則巖塊包含不規則節理面時的剪切實驗場合。
背景技術：
巖體中存在大量的結構面，導致巖體極易沿著這些結構面發生變形破壞，因此結構面的力學性質，尤其是抗剪強度的確定，一直是巖體力學性質研究的重點之一。而傳統的剪切儀的上、下剪切盒主要是針對土的特點設計，對於巖石，比如柱狀節理，不規則塊體佔多數，難以進行直接剪切實驗，如果要進行剪切實驗，就必須藉助於剪切盒。但是採用傳統的剪切盒，當需要沿著結構面進行剪切時，結構面與剪切縫之間的位置不好控制，而這也涉及到實驗的成敗，同時傳統的水泥砂漿冷卻速度慢，巖塊在水泥砂漿中極易下沉，使得定位好的結構面位置極易錯位，導致實驗失敗，因此設計一種針對不規則巖塊的結構面剪切實驗裝置已經勢在必行。在剪切盒內加入不同長度的內插垂直螺絲，來初步控制巖塊的位置，同時通過旋轉內置的調節杆，使得調節杆上螺紋與垂直螺絲之間的旋轉，從而實現巖塊位置的微調，不同位置的調節杆可同時調節也可分別調節；採用環氧樹脂砂漿代替水泥砂漿，環氧樹脂砂漿不僅冷卻速度快，而且作為流動的液體，表面可始終保持為平面，成型較好；將調節杆與環氧樹脂相結合，即可解決巖塊在水泥砂漿中下沉的問題，使得巖塊的結構面易於定位。基於以上思想，設計了該種進行柱狀節理剪切試驗的實驗方法及裝置。

發明內容
本發明的目的是在於針對現有技術存在的上述問題，提供一種柱狀節理結構面剪切的實驗裝置，還提供了一種柱狀節理結構面剪切的實驗方法，解決了現有技術中不規則巖塊中不規則節理面難以定位的問題。一種柱狀節理結構面剪切的實驗方法，
步驟1、將柱狀節理巖塊的結構面用紅筆標出，放置在下剪切盒內，根據巖塊的大小以及剪切面的位置，選擇合適長度的內插垂直螺絲，同時調節內插垂直螺絲在下剪切盒內的高度，是使得巖塊結構面位於剪切縫內；
步驟2、取下巖塊，將螺絲套套入五個內插垂直螺絲中，用塑料薄膜將上剪切盒和下剪切盒內壁包裹，而後將巖塊再次放入下剪切盒內；
步驟3、將調節杆從水平螺絲口內插入，並與內插垂直螺絲接觸，旋轉調節杆，使得內插垂直螺絲上下移動，使得巖塊上紅線，即柱狀節理巖塊的結構面位於剪切縫之間；調節完成後，將調節杆從水平螺絲口內取出；
步驟4、環氧樹脂砂漿組分的質量比為，環氧樹脂:水泥:細砂:乙二胺:二丁酯=1:
3.5^4:3^4:0.05、.1:0.1，先按比例稱取水泥、細砂，攪拌均勻後堆置備用，按比例依次稱取環氧樹脂、二丁酯、乙二胺後攪拌均勻形成環氧基液，將水泥和細砂的均勻物倒入，再次均勻攪拌，形成環氧樹脂砂漿；
步驟5、固定上剪切盒的下沿與下剪切盒的上沿平行，固定上剪切盒的下沿與下剪切盒的上沿之間構成剪切縫，將環氧樹脂砂漿倒入下剪切盒內，當環氧樹脂砂漿液面到達下剪切盒的上沿時即可停止，冷卻20 30小時；
步驟6、將石蠟填充到剪切縫內，同時使得石蠟與柱狀節理巖塊位於剪切縫處的部分貼合，往上剪切盒倒入環氧樹脂砂漿，到達上剪切盒上沿時停止，冷卻20 30小時；
步驟7、將該試樣放置在試驗機上，並施加相應的正應力即可進行剪切實驗。一種柱狀節理結構面剪切的實驗裝置，包括上剪切盒和下剪切盒，還包括內插垂直螺絲和調節杆，所述的下剪切盒為上開口，下剪切盒的底部設置有垂直螺絲口，下剪切盒的盒壁設置有水平螺絲口，內插垂直螺絲穿過垂直螺絲口且垂直放置，內插垂直螺絲的外螺紋與垂直螺絲口的內螺紋適配，調節杆穿過水平螺絲口與內插垂直螺絲接觸，調節杆與內插垂直螺絲接觸的部分構成蝸杆結構，通過調節杆的旋轉可以帶動內插垂直螺絲垂直上下升降，上剪切盒為下開口，上剪切盒放置距離下剪切盒10釐米的上方。如上所述的內插垂直螺絲的個數為5個，均勻分布在下剪切盒內，調節杆的個數與內插垂直螺絲適配。如上所述的上剪切盒長150毫米，寬150毫米，深度75毫米；所述的下剪切盒長150毫米，寬150毫米，深度75毫米；所述的內插垂直螺絲的長度為2釐米-8釐米。本發明與現有技術相比，具有以下優點:本發明在剪切盒內加入不同長度的垂直螺絲，來初步控制巖塊的位置，同時通過旋轉內置的調節杆，使得調節杆上螺紋與垂直螺絲之間的旋轉，從而實現巖塊位置的微調，不同位置的調節杆可同時調節也可分別調節；採用環氧樹脂砂漿代替水泥砂漿，環氧樹脂砂漿不僅冷卻速度快，而且作為流動的液體，表面可始終保持為平面，成型較好；將調節杆與環氧樹脂相結合，即可解決巖塊在水泥砂漿中下沉的問題，使得巖塊的結構面易於定位。基於以上思想，設計了該種進行柱狀節理剪切試驗的實驗裝置及方法。其結構簡單、操作方便、能有效迅速的得到柱狀節理結構面的剪切試樣。


圖1是本發明上剪切盒的結構示意圖。圖2是本發明下剪切盒及內部結構示意圖。圖中:1 一上剪切盒；2—下剪切盒；3 —垂直螺絲口；4 一內插垂直螺絲；5 —水平螺絲口 ；6 —調節杆；8 一塑料薄膜；9 一螺絲套。
具體實施例方式一種柱狀節理結構面剪切的實驗裝置，包括上剪切盒I (150mmX150mmX75mm)和下剪切盒2 (150mmX 150mmX 75mm)，在下剪切盒2底部平均分布五個垂直螺絲口 3，可以內插垂直螺絲4，通過不同長度(2Cm、4Cm、6Cm、8Cm)的螺絲實現不同大小柱狀節理巖塊的初步調節；下剪切盒兩端分布五個水平螺絲口 5，可以內插調節杆6，水平螺絲口 5直徑略大於調節杆6的直徑，使調節杆6在調節完成後可以拆下，通過旋轉調節杆6，來實現調節杆6上螺紋與垂直螺絲4之 間的旋轉，實現巖塊位置的微調，使其結構面與位於剪切縫(剪切縫高10cm，位於上剪切盒和下剪切盒中部)內，並平行於剪切縫；
上剪切盒I和下剪切盒2裡面所放的凝固劑為環氧樹脂砂漿；
環氧樹脂為軟膠，它是一種液型、雙組份、軟性自幹型軟膠，無色、透明、具有彈性，輕度劃擦表面即自行恢復原形；
環氧樹脂砂漿砂漿，是將環氧樹脂與水泥砂漿按照一定比例混合的溶液，單純的水泥冷凝時其結構穩定性主要取決於水化粒子間距和粒子間的相互作用力。而加入環氧樹脂後，由於羥基、酯基等親水基的作用，聚合物在固一液界面產生吸附，增強了溶液對固體的附著力。根據研究，環氧樹脂砂漿各材料配比(質量比)為，環氧樹脂:水泥:細砂:乙二胺:二丁酯=1:(3.5^4):(3^4):(0.05、.1):0.1，其中環氧樹脂型號為E-44，所用水泥為普通矽酸鹽水泥(型號:Ρ.0 52.5)，乙二胺是固化劑(型號:NG26-99)，二丁酯是稀釋劑(型號:NG26-99),所用細砂必須米用無水幹砂,且用5mm篩過篩。所述配比的環氧樹脂砂漿，根據實驗其冷卻時間為24小時 48小時，而水泥砂漿(配比為水泥:砂:水=1: (2.5-3.5): (0.5-0.7)) 一般需要兩個星期，冷卻時間縮短使得實驗準備期大大縮短，利於實驗批量進行。水泥砂漿上表面由於不存在約束，冷凝時極易出現凹凸不平的平面，其起伏甚至超過剪切縫高度1cm，使得剪切實驗測得參數不準，甚至導致實驗失敗，而所述配比的環氧樹脂砂漿，其成型平面平整，坡度小於0.5%，滿足剪切實驗要求。剪切縫放置的石蠟，是為了防止環氧樹脂砂漿進入剪切縫，同時也可以為下剪切盒中的環氧樹脂砂漿提供良好的冷卻底面，石蠟要求粘附性較好，可用54號石蠟；
水平螺絲口 5直徑略大於調節杆6的直徑，使調節杆6在調節完成後可以拆下。
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塑料薄膜8是為了防止環氧樹脂砂漿粘附在上剪切盒內壁、下剪切盒內壁、垂直螺絲外壁上，要求柔軟度較好，可使用雙向拉伸聚丙烯薄膜。一種柱狀節理結構面剪切的實驗方法，包括如下步驟:
a.將柱狀節理巖塊的結構面用紅筆標出，放置在下剪切盒2內，根據巖塊的大小以及剪切面的位置，選擇合適長度的內插垂直螺絲4，同時調節內插垂直螺絲4在下剪切盒2內的高度，是使得巖塊結構面位於剪切縫內。b.而後取下巖塊，將螺絲套9套入五個內插垂直螺絲4中，套入螺絲套9後內插垂直螺絲4外壁不會粘附環氧樹脂砂漿，便於從砂漿中取出，方便二次使用，用塑料薄膜8將上剪切盒I和下剪切盒2內壁包裹，使得上剪切盒I內壁、下剪切盒2內壁、內插垂直螺絲4和螺絲套9外壁不會粘附環氧樹脂砂漿，而後將巖塊再次放入下剪切盒2內。c.將調節杆6從水平螺絲口 5內插入，並與垂直螺絲4接觸，旋轉調節杆6，使得垂直螺絲4上下移動，調節的目的是使得巖塊結構面不僅位於剪切縫3內，並且使得巖塊上紅線，即柱狀節理巖塊的結構面位於剪切縫3之間，五個調節杆6可同時調節；調節完成後，將調節杆6從水平螺絲口 5內取出。d.環氧樹脂砂漿各材料配比(質量比)為，環氧樹脂:水泥:細砂:乙二胺:二丁酯=1:(3.5 4): (3 4): (0.05 0.1):0.1其中乙二胺是固化劑(型號:NG26_99)，二丁酯是稀釋劑(型號:NG26-99)，按比例稱取水泥、細砂，攪拌均勻後堆置備用，按比例依次稱取環氧樹月旨、二丁酯、乙二胺後攪拌均勻形成環氧基液，將水泥和細砂的均勻物倒入，再次均勻攪拌，形成環氧樹脂砂漿；e.固定上剪切盒I的下沿與下剪切盒2的上沿平行，將環氧樹脂砂漿倒入下剪切盒2內，當環氧樹脂砂漿液面到達下剪切盒2的上沿時即可停止，在20°C -25°C下，冷卻20 30小時；
f.將石蠟填充到剪切縫內，同時使得石蠟與柱狀節理巖塊位於剪切縫處的部分貼合，往上剪切盒I倒入環氧樹脂砂漿，到達上剪切盒I上沿時停止，在20°C -25°C下，冷卻20 30小時；
g.打開上剪切盒I和下剪切盒2，取出試樣，由於試樣與內插螺絲4之間有螺絲套9，取出試樣時，可與內插螺絲4自動分離，這樣就可以得到剪切試樣，試樣中帶有螺絲套9，由於螺絲套強度低，不影響剪切實驗。將該試樣放置在試驗機上，並施加相應的正應力即可進行剪切實驗。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發 明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。
權利要求
1.一種柱狀節理結構面剪切的實驗方法，包括以下步驟: 步驟1、將柱狀節理巖塊的結構面用紅筆標出，放置在下剪切盒(2)內，根據巖塊的大小以及剪切面的位置，選擇合適長度的內插垂直螺絲(4)，同時調節內插垂直螺絲(4)在下剪切盒(2)內的高度，是使得巖塊結構面位於剪切縫內； 步驟2、取下巖塊，將螺絲套(9)套入五個內插垂直螺絲(4)中，用塑料薄膜(8)將上剪切盒(I)和下剪切盒(2)內壁包裹，而後將巖塊再次放入下剪切盒(2)內； 步驟3、將調節杆(6)從水平螺絲口(5)內插入，並與內插垂直螺絲(4)接觸，旋轉調節杆(6)，使得內插垂直螺絲(4)上下移動，使得巖塊上紅線，即柱狀節理巖塊的結構面位於剪切縫(3)之間；調節完成後，將調節杆(6)從水平螺絲口(5)內取出； 步驟4、環氧樹脂砂漿組分的質量比為，環氧樹脂:水泥:細砂:乙二胺:二丁酯=1:3.5^4:3^4:0.05、.1:0.1，先按比例稱取水泥、細砂，攪拌均勻後堆置備用，按比例依次稱取環氧樹脂、二丁酯、乙二胺後攪拌均勻形成環氧基液，將水泥和細砂的均勻物倒入，再次均勻攪拌，形成環氧樹脂砂漿； 步驟5、固定上剪切盒(I)的下沿與下剪切盒(2)的上沿平行，固定上剪切盒(I)的下沿與下剪切盒(2)的上沿之間構成剪切縫，將環氧樹脂砂漿倒入下剪切盒(2)內，當環氧樹脂砂漿液面到達下剪切盒(2)的上沿時即可停止，冷卻20 30小時； 步驟6、將石蠟填充到剪切縫內，同時使得石蠟與柱狀節理巖塊位於剪切縫處的部分貼合，往上剪切盒(I)倒入環氧樹脂砂漿，到達上剪切盒(I)上沿時停止，冷卻20 30小時；步驟7、將該試樣放置在試驗機上，並施加相應的正應力即可進行剪切實驗。
2.一種柱狀節理結構面剪切的實驗裝置，包括上剪切盒(I)和下剪切盒(2)，其特徵在於，還包括內插垂直螺絲(4 )和調節杆(6 )，所述的下剪切盒(2 )為上開口，下剪切盒(2 )的底部設置有垂直螺絲口(3)，下剪切盒(2)的盒壁設置有水平螺絲口(5)，內插垂直螺絲(4)穿過垂直螺絲口(3)且垂直放置，內插垂直螺絲(4)的外螺紋與垂直螺絲口(3)的內螺紋適配，調節杆(6)穿過水平螺絲口(5)與內插垂直螺絲(4)接觸，調節杆(6)與內插垂直螺絲(4)接觸的部分構成蝸杆結構，通過調節杆(6)的旋轉可以帶動內插垂直螺絲(4)垂直上下升降，上剪切盒(I)為下開口，上剪切盒(I)放置距離下剪切盒(2)10釐米的上方。
3.根據權利要求2所述的一種柱狀節理結構面剪切的實驗裝置，所述的內插垂直螺絲(4)的個數為5個，均勻分布在下剪切盒(2)內，調節杆(6)的個數與內插垂直螺絲(4)適配。
4.根據權利要求2所述的一種柱狀節理結構面剪切的實驗裝置，所述的上剪切盒(I)長150毫米，寬150毫米，深度75毫米；所述的下剪切盒(2)長150毫米，寬150毫米，深度75毫米；所述的內插垂直螺絲(4)的長度為2釐米-8釐米。
全文摘要
本發明公開了一種柱狀節理結構面剪切的實驗方法，調節巖塊結構面位於上下剪切盒的剪切縫內；將螺絲套套入五個內插垂直螺絲中，用塑料薄膜進行隔離包裹；通過調節杆使得內插垂直螺絲上下移動，使得柱狀節理巖塊的結構面位於剪切縫之間；選取比例的環氧樹脂砂漿形成環氧樹脂砂漿；用環氧樹脂砂漿澆灌上下剪切盒進行冷卻凝固。還公開了一種實驗裝置，包括上下剪切盒、內插垂直螺絲和調節杆，下剪切盒的底部設置有垂直螺絲口，下剪切盒的盒壁設置有水平螺絲口，調節杆與內插垂直螺絲接觸的部分構成蝸杆結構。本發明實現巖塊位置的微調，環氧樹脂砂漿表面可始終保持為平面，成型較好；解決巖塊在水泥砂漿中下沉的問題，使得巖塊的結構面易於定位。
文檔編號G01N3/24GK103234838SQ20131012458
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月11日 優先權日2013年4月11日
發明者馮夏庭 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所