CN103234838A - 一种柱状节理结构面剪切的实验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱状节理结构面剪切的实验方法，调节岩块结构面位于上下剪切盒的剪切缝内；将螺丝套套入五个内插垂直螺丝中，用塑料薄膜进行隔离包裹；通过调节杆使得内插垂直螺丝上下移动，使得柱状节理岩块的结构面位于剪切缝之间；选取比例的环氧树脂砂浆形成环氧树脂砂浆；用环氧树脂砂浆浇灌上下剪切盒进行冷却凝固。还公开了一种实验装置，包括上下剪切盒、内插垂直螺丝和调节杆，下剪切盒的底部设置有垂直螺丝口，下剪切盒的盒壁设置有水平螺丝口，调节杆与内插垂直螺丝接触的部分构成蜗杆结构。本发明实现岩块位置的微调，环氧树脂砂浆表面可始终保持为平面，成型较好；解决岩块在水泥砂浆中下沉的问题，使得岩块的结构面易于定位。

Description

一种柱状节理结构面剪切的实验方法及装置

技术领域

本发明属于岩石力学领域，尤其是一种柱状节理结构面剪切的实验方法，还涉及一种柱状节理结构面剪切的实验装置，适用于不规则岩块包含不规则节理面时的剪切实验场合。

背景技术

岩体中存在大量的结构面，导致岩体极易沿着这些结构面发生变形破坏，因此结构面的力学性质，尤其是抗剪强度的确定，一直是岩体力学性质研究的重点之一。而传统的剪切仪的上、下剪切盒主要是针对土的特点设计，对于岩石，比如柱状节理，不规则块体占多数，难以进行直接剪切实验，如果要进行剪切实验，就必须借助于剪切盒。但是采用传统的剪切盒，当需要沿着结构面进行剪切时，结构面与剪切缝之间的位置不好控制，而这也涉及到实验的成败，同时传统的水泥砂浆冷却速度慢，岩块在水泥砂浆中极易下沉，使得定位好的结构面位置极易错位，导致实验失败，因此设计一种针对不规则岩块的结构面剪切实验装置已经势在必行。

在剪切盒内加入不同长度的内插垂直螺丝，来初步控制岩块的位置，同时通过旋转内置的调节杆，使得调节杆上螺纹与垂直螺丝之间的旋转，从而实现岩块位置的微调，不同位置的调节杆可同时调节也可分别调节；采用环氧树脂砂浆代替水泥砂浆，环氧树脂砂浆不仅冷却速度快，而且作为流动的液体，表面可始终保持为平面，成型较好；将调节杆与环氧树脂相结合，即可解决岩块在水泥砂浆中下沉的问题，使得岩块的结构面易于定位。基于以上思想，设计了该种进行柱状节理剪切试验的实验方法及装置。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种柱状节理结构面剪切的实验装置，还提供了一种柱状节理结构面剪切的实验方法，解决了现有技术中不规则岩块中不规则节理面难以定位的问题。

一种柱状节理结构面剪切的实验方法， 

步骤1、将柱状节理岩块的结构面用红笔标出，放置在下剪切盒内，根据岩块的大小以及剪切面的位置，选择合适长度的内插垂直螺丝，同时调节内插垂直螺丝在下剪切盒内的高度，是使得岩块结构面位于剪切缝内；

步骤2、取下岩块，将螺丝套套入五个内插垂直螺丝中，用塑料薄膜将上剪切盒和下剪切盒内壁包裹，而后将岩块再次放入下剪切盒内；

步骤3、将调节杆从水平螺丝口内***，并与内插垂直螺丝接触，旋转调节杆，使得内插垂直螺丝上下移动，使得岩块上红线，即柱状节理岩块的结构面位于剪切缝之间；调节完成后，将调节杆从水平螺丝口内取出；

步骤4、环氧树脂砂浆组分的质量比为，环氧树脂：水泥：细砂：乙二胺：二丁酯=1：3.5~4：3~4：0.05~0.1：0.1，先按比例称取水泥、细砂，搅拌均匀后堆置备用，按比例依次称取环氧树脂、二丁酯、乙二胺后搅拌均匀形成环氧基液，将水泥和细砂的均匀物倒入，再次均匀搅拌，形成环氧树脂砂浆；

步骤5、固定上剪切盒的下沿与下剪切盒的上沿平行，固定上剪切盒的下沿与下剪切盒的上沿之间构成剪切缝，将环氧树脂砂浆倒入下剪切盒内，当环氧树脂砂浆液面到达下剪切盒的上沿时即可停止，冷却20 ~30小时；

步骤6、将石蜡填充到剪切缝内，同时使得石蜡与柱状节理岩块位于剪切缝处的部分贴合，往上剪切盒倒入环氧树脂砂浆，到达上剪切盒上沿时停止，冷却20 ~30小时；

步骤7、将该试样放置在试验机上，并施加相应的正应力即可进行剪切实验。 

一种柱状节理结构面剪切的实验装置，包括上剪切盒和下剪切盒，还包括内插垂直螺丝和调节杆，所述的下剪切盒为上开口，下剪切盒的底部设置有垂直螺丝口，下剪切盒的盒壁设置有水平螺丝口，内插垂直螺丝穿过垂直螺丝口且垂直放置，内插垂直螺丝的外螺纹与垂直螺丝口的内螺纹适配，调节杆穿过水平螺丝口与内插垂直螺丝接触，调节杆与内插垂直螺丝接触的部分构成蜗杆结构，通过调节杆的旋转可以带动内插垂直螺丝垂直上下升降，上剪切盒为下开口，上剪切盒放置距离下剪切盒10厘米的上方。

如上所述的内插垂直螺丝的个数为5个，均匀分布在下剪切盒内，调节杆的个数与内插垂直螺丝适配。

如上所述的上剪切盒长150毫米，宽150毫米，深度75毫米；所述的下剪切盒长150毫米，宽150毫米，深度75毫米；所述的内插垂直螺丝的长度为2厘米-8厘米。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明在剪切盒内加入不同长度的垂直螺丝，来初步控制岩块的位置，同时通过旋转内置的调节杆，使得调节杆上螺纹与垂直螺丝之间的旋转，从而实现岩块位置的微调，不同位置的调节杆可同时调节也可分别调节；采用环氧树脂砂浆代替水泥砂浆，环氧树脂砂浆不仅冷却速度快，而且作为流动的液体，表面可始终保持为平面，成型较好；将调节杆与环氧树脂相结合，即可解决岩块在水泥砂浆中下沉的问题，使得岩块的结构面易于定位。基于以上思想，设计了该种进行柱状节理剪切试验的实验装置及方法。其结构简单、操作方便、能有效迅速的得到柱状节理结构面的剪切试样。

附图说明

图1是本发明上剪切盒的结构示意图。

图2是本发明下剪切盒及内部结构示意图。

图中：1－上剪切盒；2－下剪切盒；3－垂直螺丝口；4－内插垂直螺丝；5 －水平螺丝口；6－调节杆； 8－塑料薄膜；9－螺丝套。

具体实施方式

一种柱状节理结构面剪切的实验装置，包括上剪切盒1（150mm×150mm×75mm）和下剪切盒2（150mm×150mm×75mm），在下剪切盒2底部平均分布五个垂直螺丝口3，可以内插垂直螺丝4，通过不同长度（2cm、4cm、6cm、8cm）的螺丝实现不同大小柱状节理岩块的初步调节；下剪切盒两端分布五个水平螺丝口5，可以内插调节杆6，水平螺丝口5直径略大于调节杆6的直径，使调节杆6在调节完成后可以拆下，通过旋转调节杆6，来实现调节杆6上螺纹与垂直螺丝4之间的旋转，实现岩块位置的微调，使其结构面与位于剪切缝（剪切缝高10cm，位于上剪切盒和下剪切盒中部）内，并平行于剪切缝；

上剪切盒1和下剪切盒2里面所放的凝固剂为环氧树脂砂浆；

环氧树脂为软胶，它是一种液型、双组份、软性自干型软胶，无色、透明、具有弹性，轻度划擦表面即自行恢复原形；

环氧树脂砂浆砂浆，是将环氧树脂与水泥砂浆按照一定比例混合的溶液，单纯的水泥冷凝时其结构稳定性主要取决于水化粒子间距和粒子间的相互作用力。而加入环氧树脂后，由于羟基、酯基等亲水基的作用，聚合物在固一液界面产生吸附，增强了溶液对固体的附着力。根据研究，环氧树脂砂浆各材料配比（质量比）为，环氧树脂：水泥：细砂：乙二胺：二丁酯=1：（3.5~4）：（3~4）：（0.05~0.1）：0.1，其中环氧树脂型号为E-44，所用水泥为普通硅酸盐水泥（型号：P·O 52.5），乙二胺是固化剂（型号：NG26-99），二丁酯是稀释剂（型号：NG26-99），所用细砂必须采用无水干砂，且用5mm筛过筛。

所述配比的环氧树脂砂浆，根据实验其冷却时间为24小时~48小时，而水泥砂浆（配比为水泥：砂：水=1:（2.5-3.5）:（0.5-0.7））一般需要两个星期，冷却时间缩短使得实验准备期大大缩短，利于实验批量进行。

水泥砂浆上表面由于不存在约束，冷凝时极易出现凹凸不平的平面，其起伏甚至超过剪切缝高度1cm，使得剪切实验测得参数不准，甚至导致实验失败，而所述配比的环氧树脂砂浆，其成型平面平整，坡度小于0.5%，满足剪切实验要求。

剪切缝放置的石蜡，是为了防止环氧树脂砂浆进入剪切缝，同时也可以为下剪切盒中的环氧树脂砂浆提供良好的冷却底面，石蜡要求粘附性较好，可用54号石蜡；

水平螺丝口5直径略大于调节杆6的直径，使调节杆6在调节完成后可以拆下。

塑料薄膜8是为了防止环氧树脂砂浆粘附在上剪切盒内壁、下剪切盒内壁、垂直螺丝外壁上，要求柔软度较好，可使用双向拉伸聚丙烯薄膜。

一种柱状节理结构面剪切的实验方法，包括如下步骤：

a．将柱状节理岩块的结构面用红笔标出，放置在下剪切盒2内，根据岩块的大小以及剪切面的位置，选择合适长度的内插垂直螺丝4，同时调节内插垂直螺丝4在下剪切盒2内的高度，是使得岩块结构面位于剪切缝内。

b．而后取下岩块，将螺丝套9套入五个内插垂直螺丝4中，套入螺丝套9后内插垂直螺丝4外壁不会粘附环氧树脂砂浆，便于从砂浆中取出，方便二次使用，用塑料薄膜8将上剪切盒1和下剪切盒2内壁包裹，使得上剪切盒1内壁、下剪切盒2内壁、内插垂直螺丝4和螺丝套9外壁不会粘附环氧树脂砂浆，而后将岩块再次放入下剪切盒2内。 

c．将调节杆6从水平螺丝口5内***，并与垂直螺丝4接触，旋转调节杆6，使得垂直螺丝4上下移动，调节的目的是使得岩块结构面不仅位于剪切缝3内，并且使得岩块上红线，即柱状节理岩块的结构面位于剪切缝3之间，五个调节杆6可同时调节；调节完成后，将调节杆6从水平螺丝口5内取出。

d．环氧树脂砂浆各材料配比（质量比）为，环氧树脂：水泥：细砂：乙二胺：二丁酯=1：（3.5~4）：（3~4）：（0.05~0.1）:0.1其中乙二胺是固化剂（型号：NG26-99），二丁酯是稀释剂（型号：NG26-99），按比例称取水泥、细砂，搅拌均匀后堆置备用，按比例依次称取环氧树脂、二丁酯、乙二胺后搅拌均匀形成环氧基液，将水泥和细砂的均匀物倒入，再次均匀搅拌，形成环氧树脂砂浆；

e．固定上剪切盒1的下沿与下剪切盒2的上沿平行，将环氧树脂砂浆倒入下剪切盒2内，当环氧树脂砂浆液面到达下剪切盒2的上沿时即可停止，在20℃-25℃下，冷却20 ~30小时；

f．将石蜡填充到剪切缝内，同时使得石蜡与柱状节理岩块位于剪切缝处的部分贴合，往上剪切盒1倒入环氧树脂砂浆，到达上剪切盒1上沿时停止，在20℃-25℃下，冷却20 ~30小时；

g．打开上剪切盒1和下剪切盒2，取出试样，由于试样与内插螺丝4之间有螺丝套9，取出试样时，可与内插螺丝4自动分离，这样就可以得到剪切试样，试样中带有螺丝套9，由于螺丝套强度低，不影响剪切实验。

将该试样放置在试验机上，并施加相应的正应力即可进行剪切实验。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种柱状节理结构面剪切的实验方法，包括以下步骤：

步骤1、将柱状节理岩块的结构面用红笔标出，放置在下剪切盒（2）内，根据岩块的大小以及剪切面的位置，选择合适长度的内插垂直螺丝（4），同时调节内插垂直螺丝（4）在下剪切盒（2）内的高度，是使得岩块结构面位于剪切缝内；

步骤2、取下岩块，将螺丝套（9）套入五个内插垂直螺丝（4）中，用塑料薄膜（8）将上剪切盒（1）和下剪切盒（2）内壁包裹，而后将岩块再次放入下剪切盒（2）内； 

步骤3、将调节杆（6）从水平螺丝口（5）内***，并与内插垂直螺丝（4）接触，旋转调节杆（6），使得内插垂直螺丝（4）上下移动，使得岩块上红线，即柱状节理岩块的结构面位于剪切缝（3）之间；调节完成后，将调节杆（6）从水平螺丝口（5）内取出；

步骤4、环氧树脂砂浆组分的质量比为，环氧树脂：水泥：细砂：乙二胺：二丁酯=1：3.5~4：3~4：0.05~0.1：0.1，先按比例称取水泥、细砂，搅拌均匀后堆置备用，按比例依次称取环氧树脂、二丁酯、乙二胺后搅拌均匀形成环氧基液，将水泥和细砂的均匀物倒入，再次均匀搅拌，形成环氧树脂砂浆；

步骤5、固定上剪切盒（1）的下沿与下剪切盒（2）的上沿平行，固定上剪切盒（1）的下沿与下剪切盒（2）的上沿之间构成剪切缝，将环氧树脂砂浆倒入下剪切盒（2）内，当环氧树脂砂浆液面到达下剪切盒（2）的上沿时即可停止，冷却20 ~30小时；

步骤6、将石蜡填充到剪切缝内，同时使得石蜡与柱状节理岩块位于剪切缝处的部分贴合，往上剪切盒（1）倒入环氧树脂砂浆，到达上剪切盒（1）上沿时停止，冷却20 ~30小时；

步骤7、将该试样放置在试验机上，并施加相应的正应力即可进行剪切实验。

2.一种柱状节理结构面剪切的实验装置，包括上剪切盒（1）和下剪切盒（2），其特征在于，还包括内插垂直螺丝（4）和调节杆（6），所述的下剪切盒（2）为上开口，下剪切盒（2）的底部设置有垂直螺丝口（3），下剪切盒（2）的盒壁设置有水平螺丝口（5），内插垂直螺丝（4）穿过垂直螺丝口（3）且垂直放置，内插垂直螺丝（4）的外螺纹与垂直螺丝口（3）的内螺纹适配，调节杆（6）穿过水平螺丝口（5）与内插垂直螺丝（4）接触，调节杆（6）与内插垂直螺丝（4）接触的部分构成蜗杆结构，通过调节杆（6）的旋转可以带动内插垂直螺丝（4）垂直上下升降，上剪切盒（1）为下开口，上剪切盒（1）放置距离下剪切盒（2）10厘米的上方。

3.根据权利要求2所述的一种柱状节理结构面剪切的实验装置，所述的内插垂直螺丝（4）的个数为5个，均匀分布在下剪切盒（2）内，调节杆（6）的个数与内插垂直螺丝（4）适配。

4.根据权利要求2所述的一种柱状节理结构面剪切的实验装置，所述的上剪切盒（1）长150毫米，宽150毫米，深度75毫米；所述的下剪切盒（2）长150毫米，宽150毫米，深度75毫米；所述的内插垂直螺丝（4）的长度为2厘米-8厘米。

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