本实用新型涉及材料力学性能试验设备领域，具体而言，涉及一种应用于岩爆试验的试件固定装置。
背景技术：
岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，是深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象，当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。
由于岩爆直接威胁地下工程中施工人员和设备的安全，国内外研究人员已对岩爆进行了广泛的研究。在实验室中，通常利用真三轴试验设备对岩石试件进行三向六面加载及单向卸载，使岩块中积聚的能量得以突然释放，发生岩爆破坏。现有的岩爆试验机由于其试件固定装置的结构限制，在岩爆试验机单向卸载瞬间，岩石试件难以迅速形成自由面，使得岩石试件的应力途径与真实岩爆的应力途径并不完全吻合，导致试验结果存在较大误差。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种用于岩爆试验的试件固定装置，所述试件固定装置在岩爆试验机单向卸载瞬间，能使岩石试件的卸载方向迅速形成自由面，进而提高对真实岩爆的模拟程度，缩小试验误差。
为了实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：一种用于岩爆试验的试件固定装置，包括用于安装并固定试件的试件盒、用于向试件传递加载并可自由落体使试件形成自由面的第一压块、和用于托举所述第一压块的油缸；
所述试件盒为长方体结构，所述试件盒的其中两个相对立的侧面镂空，其余四个面上均设置有通孔，所述通孔处设置有用于向试件传递加载的压力传递装置；加载期间所述第一压块设置于试件盒的镂空面，所述第一压块的一端用于与试件挤压接触，所述第一压块的另一端用于直接承受加载；所述油缸设置于第一压块的下方，油缸行程的方向为竖直向上或竖直向下。
岩爆试验前，首先利用所述试件盒固定试件，油缸举升所述第一压块至试件高度。岩爆试验期间，岩爆试验机的加载装置预压在四个压力传递装置及两个相对立的第一压块上时，第一压块与试件和加载装置之间的摩擦力可平衡第一压块的自重；然后用于托举第一压块的油缸下降，与第一压块脱离；此时作用于第一压块上的加载装置迅速卸载，并离开第一压块，则第一压块会自由落体使试件形成自由面。通过第一压块自由落体的方式，使试件迅速形成自由面，且此时试件与加载装置之间的间距足够，不影响试件变形和岩爆。从而解决了现有试验机难以使得试件迅速形成自由面的问题。
进一步地，所述油缸上设置有用于测量油缸行程的位移传感器；所述油缸的活塞杆的顶部设置有水平的支撑板，所述支撑板用于支撑第一压块，并使第一压块呈水平状态；所述支撑板上设置有至少两个竖直向上的销轴，所述第一压块的底部设置有对应所述销轴的销孔；油缸托举第一压块时，支撑板支撑第一压块，且销轴插入销孔。通过位移传感器的设置，可精确控制油缸行程，进而控制第一压块与试件之间的高度误差；通过支撑板的设置，可使第一压块保持水平状态；通过至少两个销轴与销孔的设置，可用于定位第一压块，防止第一压块发生前后左右的偏移和旋转。
进一步地，所述第一压块直接承受加载的一面为内凹半球面结构。通过将第一压块的该面设计为内凹半球面结构，同时将加载装置的作用面设计为外凸半球面结构，通过所述球面自定心的设计，可补偿加载方向与第一压块表面的不垂直度误差，利于降低加载期间的荷载偏心程度。
优选的，所述内凹半球面结构的球面深度为3～4mm。当加载装置的走行速度为5～10mm/s，且所述内凹半球面结构的球面深度为3～4mm时，第一压块掉落至试件完全暴露的时间约为200ms。
进一步地，所述压力传递装置包括压头、压轴和第二压块；所述压头设置于试件盒各面的外侧，所述第二压块设置于试件盒各面的内侧；所述压轴通过所述试件盒上的通孔，一端连接压头，另一端连接第二压块；所述压头用于直接承受加载，并依次通过压轴和第二压块将加载传递给试件；所述第二压块用于与试件挤压接触并固定试件；
所述压力传递装置还包括导杆，所述导杆固定并垂直于试件盒的表面，所述压头上设置有与导杆对应的导向孔，所述压头可沿所述导杆的轴向移动。通过导杆的设置，使压头仅沿垂直于试件盒表面的方向移动，则第二压块的端面与试件盒的表面平行而不发生偏斜，进而保证试件相对试件盒不发生倾斜。
进一步地，所述压力传递装置还包括用于预紧试件的第一螺钉，所述第一螺钉连接试件盒的表面和所述压头，预紧期间压头与试件盒表面之间的间隙由垫块填充。通过用于第一螺钉的设置，加载前预紧第一螺钉，预紧期间利用形状尺寸固定的垫块填充压头与试件盒表面之间的空隙，则四个方向的压头及与压头连接的第二压块距离盒体表面的距离由垫块所控制，进而保证试件的几何中心与试件盒的几何中心重合。
进一步地，所述用于岩爆试验的试件固定装置还包括有试件安装架，所述试件安装架用于支撑并固定所述试件盒，所述试件盒与试件安装架之间设置有调平装置。通过调平装置的设置，用于补偿试件安装架的高度误差，进而保证试件盒在加载前处于水平状态。
进一步地，所述用于岩爆试验的试件固定装置还包括有用于固定所述油缸的固定板，所述油缸通过螺栓固定于所述固定板上，所述固定板固定于所述试件安装架上，所述固定板与试件安装架之间设置有调平装置。通过固定板的设置，固定板不仅可作为油缸的反力支点，同时固定板可减轻油缸因长距离顶升而产生的较大压杆挠度。
进一步地，所述第一压块为中合金高强度钢块体，且所述第一压块的表面设置有渗碳层。通过渗碳层的设置，提高了第一压块的表面硬度，避免第一压块自由落体期间因碰撞试验机其他部件而发生变形。
进一步地，所述试件盒的顶面上设置有用于起吊试件盒的吊耳。吊耳的设置方便起吊装卸所述试件盒。
与现有技术相比，本实用新型所述用于岩爆试验的试件固定装置具有以下有益效果：
1、利用压块的自由坠落，可使试件表面迅速形成自由面，解决了现有试验机难以使得试件迅速形成自由面的问题。本实用新型提供的技术方案使试验对真实岩爆的模拟程度更高，进而利于缩小试验误差。
2、压块掉落后，试件与加载装置之间的间距至少不小于试件的长度，所述间距不影响试件变形和岩爆。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关附图。
图1所示为本实用新型所述试件盒的结构示意图。
图2所示为本实用新型所述第一压块的结构示意图。
图3所示为本实用新型所述油缸的结构示意图。
图4所示为本实用新型所述用于岩爆试验的试件固定装置的结构示意图。
图中标号说明：
10-试件盒；11-支撑架；12-吊耳；20-第一压块；21-销孔；30-油缸；31-位移传感器；32-支撑板；33-销轴；40-压力传递装置；41-压头；42-压轴；43-第二压块；44-导杆；46-第一螺钉；47-垫块；50-试件安装架；51-基础板；52-立柱；60-调平装置；70-固定板；80-试件。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
请参阅图1至图4，本实施例提供了一种用于岩爆试验的试件固定装置。所述试件固定装置的目的旨在解决现有试验机在单向卸载瞬间，岩石试件难以迅速形成自由面的问题。
所述试件固定装置包括试件盒10、第一压块20和油缸30。所述试件盒10用于安装并固定试件80，所述第一压块20用于向试件80传递加载并可自由落体使试件80形成自由面，所述油缸30用于在第一压块20自由落体前支撑第一压块20。
所述试件盒10采用其中两个相对立的侧面镂空，其余四面封闭的结构形式。封闭的四个面上均设置有通孔，通孔处设置有压力传递装置40。所述压力传递装置40可沿垂直于试件盒10表面的方向移动，试验机的加载装置直接作用于所述压力传递装置40，所述压力传递装置40将加载传递给试件80。此外，所述压力传递装置40还通过预紧试件80的方式以定位试件80。
所述油缸30选用伺服液压油缸，所述油缸30设置于镂空面的侧下方，加载前油缸30的活塞杆顶着第一压块20向上走行，并将第一压块20顶升至试件80高度，第一压块20与活塞杆之间并无连接关系。加载期间，所述第一压块20的一端与试件80挤压接触，另一端用于直接承受加载。
当岩爆试验机的加载装置预压在四个压力传递装置40及两个相对立的第一压块20上时，第一压块20与试件80和加载装置之间的摩擦力可平衡第一压块20的自重；然后用于托举第一压块20的油缸30下降，与第一压块20脱离；此时作用于第一压块20上的加载装置迅速卸载，并离开第一压块20，则第一压块20会自由落体使试件80形成自由面。通过第一压块20自由落体的方式，使试件80迅速形成自由面，且此时试件80与加载装置之间的间距足够，不影响试件80变形和岩爆。从而解决了现有试验机在单向卸载瞬间，试件80难以迅速形成自由面的问题。
考虑到由于第一压块20用于向试件80传递加载，第一压块20的定位误差会直接导致加载偏心，进而引起较大的试验误差。为此本实施例所提供的用于岩爆试验的试件80固定装置还可具有以下4个技术特征，以解决第一压块20的定位问题。
1、所述油缸30上设置有用于测量油缸30行程的位移传感器31，作为举例，所述位移传感器31选用磁致伸缩位移传感器。本领域技术人员容易理解的，由于所述磁致伸缩位移传感器应用于测量油缸行程已是成熟的现有技术，所以不再详细描述。通过位移传感器31的设置，可精确控制油缸30行程，进而控制第一压块20与试件80之间的高度误差。
2、所述油缸30的活塞杆顶端设置有水平的T型的支撑板32，油缸30托举第一压块20时，所述支撑板32用于支撑第一压块20，并使第一压块20保持水平状态。
3、所述支撑板32上设置有至少两个竖直向上的销轴33，所述第一压块20的底面设置有对应所述销轴33的销孔21，油缸30托举第一压块20时，销轴33插入销孔21。销轴33和销孔21的设置防止压块产生前后左右的偏移与倾斜。
4、此外，还可将所述第一压块20直接承受加载的一面设计为内凹半球面结构。相对应的，同时将加载装置的作用面设计为外凸半球面结构，通过所述球面自定心的设计，可补偿加载方向与第一压块20表面的不垂直度误差，利于降低加载期间的荷载偏心程度。考虑到现有加载装置的最大走行速度为5～10mm/s，则所述内凹半球面结构的球面深度优选于3～4mm，此条件下，从加载器开始卸载至试件80完全暴露的时间约为200ms。
考虑到由于试件80的定位误差，同样会导致加载偏心，进而引起较大的试验误差。为此本实施例所提供的用于岩爆试验的试件固定装置还可具有以下3个技术特征，以解决试件80的定位问题。
1、作为举例，所述压力传递装置40包括压头41、压轴42和第二压块43。所述压头41呈圆柱状结构，所述压头41设置于试件盒10四个封闭面的外侧。所述第二压块43用于挤压接触试件80并固定试件80，所述第二压块43与试件80接触的一面为平面，所述第二压块43设置于试件盒10四个封闭面的内侧。所述压轴42为圆柱状结构，其穿过所述试件盒10上的通孔，一端与压头41通过螺栓连接，另一端与压块通过导向键和止口可拆卸地连接。所述压头41直接承受加载，并依次通过压轴42和第二压块43将加载传递给试件80。
此外，所述压力传递装置40还包括垂直于试件盒10表面的导杆44，所述导杆44一端固定于试件盒10的表面，另一端自由。相对应的，所述压头41上设置有导向孔，导杆44穿入导向孔，使压头41能沿所述导杆44的轴向滑动，进而实现了压力传递装置40可沿垂直于试件盒10表面的方向移动这一技术特征。优选的，所述导杆44为圆柱形杆，且不低于两根。
通过导杆44的设置，使压头41仅沿垂直于试件盒10表面的方向移动，则第二压块43的端面与试件盒10的表面平行而不发生偏斜，进而保证试件80相对试件盒10不发生倾斜。
本实施例中，所述试件80的尺寸可以是50×50×100cm、100×100×100cm或者100×100×200cm三种规格。不同规格的试件80，所对应的第一压块20和第二压块43的形状尺寸也不相同。
2、在上述举例的基础上，所述压力传递装置40还包括用于预紧试件80的第一螺钉46。所述压头41上开始有第一连接孔，第一连接孔的内壁光滑。所述试件盒10的表面开设有第二连接孔，第二连接孔为螺纹孔。
预紧试件80的方法如下：首先将第一螺钉46穿入第一、第二连接孔，但不旋紧。然后将定制的形状规格固定的垫块47塞入压头41与试件盒10表面之间的空隙中，并旋紧螺钉。此时由于垫块47的尺寸控制，使四个封闭面上的每块压头41距离试件盒10表面的距离相等，则每块第二压块43距离试件盒10表面的距离也相等，则挤压在四块第二压块43中间的试件80的几何中心，与试件盒10的几何中心重合。
3、并且本实施例中，所述用于岩爆试验的试件固定装置还包括有试件安装架50。作为举例，所述试件安装架50包括基础板51，和呈正方形分布的四根立柱52，所述立柱52的底端固定于所述基础板51上。与四根立柱52相对应的，所述试件盒10还包括有呈十字交叉结构的支撑架11，所述支撑架11固定地设置于盒体的底部，所述支撑架11的四个端部分别与四根立柱52的顶端连接。应当理解的，所述试件安装架50的结构形式并不局限于上述举例，所述试件安装架50的结构形式还可以有其他选择，例如桁架结构。
由于试件安装架50在安装期间可能存在高度误差，为了补偿所述高度误差，所述试件盒10与试件安装架50之间设置有调平装置60。本实施例中，所述调平装置60设置于支撑架11的端部与立柱52的顶端之间。本领域技术人员容易理解的，所述调平装置60为现有成熟技术，所以不再对其结构进行详细描述。通过调平装置60的设置，用于补偿试件安装架50的高度误差，进而保证试件盒10在加载前处于水平状态。
在上述技术方案的基础上，本实施例中所述的用于岩爆试验的试件固定装置还包括有用于固定所述油缸30的固定板70。所述固定板70的两端分别固定在上述立柱52的顶端，且所述固定板70可利用上述调平装置60进行调平。所述固定板70上开设有通孔，通孔周围设置有四个第一螺纹孔；所述油缸30的缸筒顶端设置有一圈外缘板，所述外缘板上开设有四个第二螺纹孔。缸筒穿过通孔，并利用螺栓连接第一螺纹孔和第二螺纹孔，将油缸30固定在固定板70上。所述固定板70不仅可作为油缸30的反力支点，同时固定板70可减轻油缸30因长距离顶升而产生的较大压杆挠度。
基于所述固定板70，位于油缸30活塞杆顶端的T型的支撑板32上设置有第二导向孔，固定板70上固定地设置有第二导杆，第二导杆与固定板70的表面垂直。第二导杆穿入第二导向孔，使支撑板32可沿第二导杆的轴向移动，保证了支撑板32的水平状态。
考虑到第一压块20在岩爆试验中会产生自由落体，并不可避免地与试验机的其他部件相互碰撞。所以在本实施例中，所述第一压块20可选用中合金高强度钢制成，且所述第一压块20的表面设置有渗碳层。通过渗碳层的设置，提高了第一压块20的表面硬度，避免第一压块20自由落体期间因碰撞试验机其他部件而发生变形。
考虑到所述试件盒10加试件80的重量沉重，为了方便装拆所述试件盒10，本实施例中，可在所述试件盒10的顶面上设置用于起吊试件盒10的吊耳12。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应该涵盖在本实用新型的保护范围内。