用于对不平整岩石试件端面均匀加载的压头的制作方法

本发明涉及一种用于岩石力学试验的加载装置，尤其是对不平整岩石试件端面均匀加载的压头。

背景技术：

目前，岩石力学试验中用于对岩石试件加载的装置主要有如下三种：

第一种为刚性压头。该类压头一般为刚度较高的金属压块，加载时直接与岩石试件端面接触。这种压头操作方便，但对于页岩、煤岩等由于结构面发育而很难保证端面加工平整的试件来说，试件端面不能与刚性压头完全接触，导致试件受力不均匀，进而导致试验不能得到准确的岩石力学参数。一种处理方法为设置多个压头对同一个端面同时进行加载，在一定程度上能缓解受力不均的问题。但每一个压头的受力面积不可能太小，所以每一个受力面积范围内出现受力不均的问题仍然存在。

第二种为柔性压头。该类压头采用柔性垫层、气囊或液囊对岩石试件进行加载，与第一种压头相比能避免试件端面受力不均，但有如下四个弊端：(1)柔性压头在加载过程中会产生明显的侧向变形，从而对试件产生明显的端部摩擦效应；(2)柔性压头因为刚度过低，导致试验加载系统刚度降低，会导致岩石力学试验难以得到全应力应变曲线；(3)若岩石表面出现缺陷，柔性垫层、气囊或液囊在加载过程中会局部侵入岩石缺陷，致使缺陷周围受载复杂；(4)气囊或液囊在加载过程中易于受损破裂。

第三种直接采用油液加载。该种加载方式对于岩石试件均匀加载有很好的效果，但是液压各个方向压力相等，对于常规三轴试验只能用于围压加载，对于真三轴试验只能用于三个方向中某一个方向的加载。

由于上述目前岩石力学试验中各种加载装置的局限性，致使岩石力学试验结果的可信性受到限制，尤其是对由于结构发育而很难得到平整端面的岩石试件(如页岩、煤岩等)。这对于认识岩石力学性质，进而根据岩石力学性质进行工程设计及施工会造成很大的影响。

技术实现要素：

针对上述目前岩石力学试验中加载的问题，有必要设计一种加载装置，可以对不平整岩石试件端面均匀加载，且保证压头的刚性，同时降低试件的端部摩擦效应。

本发明是通过如下技术实现的：

用于对不平整岩石试件端面均匀加载的压头，包括刚性传力块、刚性护筒、刚性固体颗粒、柔性薄层、刚性调整片。刚性传力块可以在刚性护筒轴向自由移动。在刚性护筒的侧向约束下，刚性传力块将荷载传递至刚性固体颗粒，刚性固体颗粒外围由柔性薄层保护。当受压试件端面不平整时，刚性颗粒可以随之进行调整。柔性薄层外部(与试件接触面上)附着遍布的刚性调整片。刚性调整片之间预留间隙，保证在对不平整岩石端面加载时各个刚性调整片可以在不同的方向上自由调整，从而保证对不平整端面进行均匀加载且降低端部摩擦效应。

所述刚性传力块，可以是金属或其它材料加工成的强度及刚度均较高的块体。

所述刚性护筒，可以是金属或其它材料加工成的强度及刚度均较高的筒体。

所述刚性固体颗粒，可以根据实际需要选择适当粒径的金属圆球颗粒或细砂颗粒。

所述柔性薄层，可以是强度较高、延展性较好的金属材料或人工合成材料。

所述刚性调整片，可以是金属或其它材料加工成的强度及刚度均较高的块体，尺寸大小可根据岩石试件端面的不平整程度进行设计。

本发明的有益效果是：

本发明通过刚性固体颗粒调整压头与不平整岩石试件端面的接触以实现均匀受力，同时又保证压头的刚度，还可以通过刚性调整片来降低端部摩擦效应。

当动力源将荷载施加给本发明中的刚性传力块时，荷载将首先传递给充填于刚性护筒内的刚性固体颗粒。柔性薄层给予固体颗粒充分的自由度来调整其分布，来适应岩石试件的不平整端面。该设计既能实现传统柔性压头与试件端面全面接触，又通过密实的刚性固体颗粒保证了压头的刚度，克服了柔性压头刚度不足的问题。

本发明中附着在柔性薄层外部的刚性调整片，既能实现压头与试件不平整端面的均匀加载，又因其可以侧向移动从而降低了端部摩擦效应，克服了传统刚性及柔性压头中的端部摩擦所导致的端部效应问题。

本发明不仅可用于岩石的单轴压缩试验，也可以用于双轴及真三轴试验。多轴加载时可以各个方向同时使用，克服了油液加载在真三轴试验中仅能用于一个方向的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明“用于对不平整岩石试件端面均匀加载的压头”第一较佳实施方式的立体组装图；

图2是图1中平行于正立面所作的剖面图。

图3是图1所示压头与岩石试件端面接触部分的平面图。

图4是本发明“用于对不平整岩石试件端面均匀加载的压头”第二较佳实施方式的立体组装图；

图5是图4中平行于正立面所作的剖面图。

图6是图4所示压头与岩石试件端面接触部分的平面图。

图7是本发明压头在试验加载时的作用位置示意图，左右分别为第一及第二两种实施方式。

图中，1.刚性传力块，2.刚性护筒，3.柔性薄层，4.刚性调整片，5.刚性固体颗粒，6.千斤顶，7.球头支座，8.本发明压头，9.岩石试件。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。

实施方式一：

请参阅图1至图3所示的本发明第一较佳实施方式。该用于对不平整岩石试件端面均匀加载的压头包括刚性传力块(1)、刚性护筒(2)、柔性薄层(3)、刚性调整片(4)及刚性固体颗粒(5)。

所述刚性传力块(1)接受外部动力源荷载，在刚性护筒(2)内沿刚性护筒(2)轴线方向移动，将荷载传递给刚性固体颗粒(5)。刚性固体颗粒(5)可以根据实际需要选择适当粒径的金属圆球颗粒或细砂颗粒，充满在柔性薄层(3)形成的封闭囊中。柔性薄层(3)外在接触岩石试件端面的一侧附着遍布的刚性调整片(4)。刚性调整片(4)的布置方式如图3所示，其间留有间隙，可以保证受载时的移动调整。刚性调整片(4)的形状可以是正方形、三角形或多边形，其形状与尺寸以及刚性固体颗粒(5)的粒径可以根据岩石试件端面的不平整程度进行调整，从而实现最大程度的均匀加载。

图7中左图为该实施方式在试验加载时的压头位置示意图。刚性传力块(1)一侧通过球头支座(7)与千斤顶(6)连接。另外一侧，充满刚性固体颗粒(5)的柔性薄层(3)通过附着的刚性调整片(4)与岩石试件(9)端面相连。加载时，如果岩石试件(9)端面不平整，在荷载作用下刚性固体颗粒(5)会在刚性护筒(2)的侧向约束内产生调整，从而带动柔性薄层(3)外的刚性调整片(4)产生移动调整，适应岩石试件(9)的不平整端面，进而实现对不平整岩石端面的均匀加载。

在进行双轴加载或真三轴加载时，为避免不同方向压头接触并相互限制运动，一方面，将刚性护筒(2)在岩石试件端面一侧设置成如图2所示的倒斜角。另一方面，压头加载面，即柔性薄层(3)封闭囊的端面尺寸略小于岩石试件(9)端面尺寸。

实施方式二：

请参阅图4至图6所示的本发明第一较佳实施方式。该实施方式同样包括刚性传力块(1)、刚性护筒(2)、柔性薄层(3)、刚性调整片(4)及刚性固体颗粒(5)。

该实施方式与实施方式一的不同在于：刚性固体颗粒(5)并没有存在于柔性薄层(3)形成的封闭囊中，而是直接设置在刚性护筒(2)内，一侧直接与刚性传力块(1)接触，另一侧则与套封于刚性护筒(2)外的柔性薄层(3)接触。

图7中右图为实施方式二在试验加载时的压头位置示意图。侧向约束在刚性护筒(2)内的刚性固体颗粒(5)在受到刚性传力块(1)的传来的荷载时，会根据岩石试件(9)端面的不平整情况进行调整，柔性薄层(3)及附着在其外侧的刚性调整片(4)也会随之产生调整，从而实现对不平整岩石端面的均匀加载。

在进行双轴加载或真三轴加载时，为避免不同方向压头接触并相互限制运动，一方面，将刚性护筒(2)在岩石试件端面一侧设置成如图4所示的倒斜角。另一方面，压头加载面，即柔性薄层(3)加载侧端面尺寸略小于岩石试件(9)端面尺寸。