一种岩石试样变形测量装置及方法

1.本发明涉及岩石破裂测试技术领域，具体为一种岩石试样变形测量装置及方法。


背景技术：

2.近年来，随着科学技术的发展，地下工程的开挖深度与长度不断增加，因而所面临的工程问题也越来越多。其中，围岩的破坏便是主要的工程问题之一。所以在地下工程开挖时，充分了解岩石的物理性质和力学性质就显得尤为重要。探究岩石相关性质的方法主要有原位试验和实验室试验，原位试验可以更精确的得到岩石相关性质的参数，但原位试验投入太大也过于耗费时间，适用于一些精度要求高的重大工程，实验室试验精确度不如原位试验，但其所得参数对于许多工程来说足以满足其要求，尤其是实验室试验投入小、耗时短的优点使得它被广泛使用。目前，实验室中主要采用单轴压缩试验、普通三轴压缩试验和真三轴压缩试验来探测岩石的相关性质，其中，单轴压缩试验和普通三轴压缩试验投入较低，所得结果同样能满足要求而被着重使用。
3.单轴压缩试验和普通三轴压缩试验主要使用电液伺服岩石三轴压力实验机，所得参数主要为力、轴向位移和径向位移。因此，评价岩石相关性质是否正确的标准就是所得力和位移的数据是否准确。目前，对力的探测并没有太大问题，但对位移的探测则仍需改进。就位移探测而言，现在主要以收集岩石试样整体径向位移为主，忽略了岩石试样在不同方位上径向位移不同的情况。岩石本身就是一种非均质材料，具有各向异性，若将其看做均质材料，以各向同性来测量其径向位移，所得出的泊松比与岩石本身的泊松比相比较就相去甚远，而由此所推测的岩石相关性质，其误差也同样较大，那么对于工程的指导意义也就相继减弱，或许会因此出现工程事故而造成一定的损失。岩石试样轴向位移主要为直线型位移，没有多方位变化，所以目前的探测精度仍然适用。现有轴向位移计和径向位移计存在安装复杂、径向位移测量单一、整体结构不统一、对试样大小与类型的局限性较高和设备出现故障维修困难等问题。因此，开发一种新技术，将轴向位移和径向位移测量融为一体；能够实现多方位径向位移测量；并能准确、高效的测量多种岩石试样的相关性质参数，具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种岩石试样变形测量装置及方法，可以将轴向位移测量和径向位移测量融为一体、实现多方位径向位移测量、能满足不同类型和大小的试样进行实验、安装维修简单、所得结果准确。
5.为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以解决：
6.一种岩石试样变形测量装置，包括荷载施加模块和径轴向位移监测模块，岩石试样位于整个装置中心，
7.所述荷载施加模块包括顶部钢性压块、底部钢性压块、刚性垫片、定位螺纹杆，和三轴电液伺服试验机；所述三轴电液伺服试验机提供的轴向压力直接作用在顶部钢性压块
与底部钢性压块上；
8.所述径轴向位移监测模块共四个，呈环形对称分布在岩石试样四周，径轴向位移监测模块包括半月牙转动装置、半月牙转动装置安装座、径轴向位移装置和外环装置；
9.所述半月牙转动装置包括半月牙刚性本体，所述半月牙刚性本体呈半圆柱体状，所述半月牙刚性本体上方靠矩形面一侧设有横向定位通孔，所述半月牙刚性本体的弧形面中部设有t形刚性绝缘滑轨，所述t形刚性绝缘滑轨中央设有滑触片ⅰ，所述半月牙刚性本体顶部中央设有信号采集机构ⅰ。
10.所述半月牙转动装置安装座包括安装座本体，所述安装座本体呈半圆柱体状，所述安装座本体内侧矩形面对称设有两个安装半月牙转动装置的安装腔ⅰ，所述安装腔ⅰ中部设有半月牙t形滑动凹槽，所述半月牙t形滑动凹槽表面设有弧形电阻片，所述安装座本体顶部设有信号采集机构ⅱ，所述安装座本体背侧弧形面通过轴向滑动机构与所述径轴向位移装置连接。
11.所述径轴向位移装置包括位移装置本体，所述位移装置本体设有安装半月牙转动装置安装座的安装腔ⅱ，所述位移装置本体背侧面设有可贯穿位移装置本体并伸进安装腔ⅱ的定位螺栓，所述位移装置本体两侧面对称设有安装卡口；
12.所述外环装置包括外环装置本体，所述外环装置本体设有安装径轴向位移装置的安装腔ⅲ，所述外环装置本体外周设有定位螺纹通孔ⅱ，所述外环装置本体一侧设有卡块，外环装置本体另一侧对称位置设有卡块槽，外环装置本体顶部设有信号采集机构ⅲ，所述安装腔ⅲ的相对两侧面对称设有径向滑动机构，外环装置通过径向滑动机构与所述径轴向位移装置连接。
13.进一步的，所述顶部钢性压块包括刚性承压柱ⅰ，所述刚性承压柱ⅰ外周连接有固定圆盘ⅰ，所述固定圆盘ⅰ外周上均匀分布有四个定位螺纹通孔ⅰ，所述固定圆盘ⅰ上表面设有水准器ⅰ；所述底部钢性压块结构与顶部钢性压块相似，包括刚性承压柱ⅱ、固定圆盘ⅱ、定位光滑圆形通孔、水准器ⅱ；所述刚性垫片的外形与所述岩石试样相匹配，且横截面相同；所述刚性承压柱ⅰ与所述刚性承压柱ⅱ相对面的中央分别设有相同的螺纹孔ⅰ与螺纹孔ⅱ；所述刚性垫片中央设有螺纹柱，且所述螺纹柱分别与螺纹孔ⅰ、螺纹孔ⅱ相匹配。
14.进一步的，所述轴向滑动机构包括轴向滑动凹槽，所述轴向滑动凹槽的表面设有电阻片ⅰ，所述轴向滑动凹槽内腔底部螺纹连接轴向螺纹柱，所述轴向螺纹柱外周套设有轴向弹簧，所述轴向弹簧顶端与贯穿轴向螺纹柱的挡板ⅰ连接，所述挡板ⅰ上方承接有贯穿轴向螺纹柱的轴向滑块，所述轴向滑块上方通过与轴向螺纹柱顶端螺纹连接的防脱螺帽ⅰ挡住，所述轴向滑块外侧设有螺纹孔，所述轴向滑块内侧中央设有滑触片ⅱ。
15.进一步的，所述径向滑动机构包括径向滑动凹槽，所述径向滑动凹槽表面设有电阻片ⅱ，所述径向滑动凹槽内腔底部螺纹连接径向螺纹柱，所述径向螺纹柱外周套设有径向弹簧，所述径向弹簧顶部与贯穿径向螺纹柱的挡板ⅱ连接，所述挡板ⅱ上方承接有贯穿径向螺纹柱的径向滑块，所述径向滑块两端设有定位螺纹孔，所述径向滑块上方通过与径向螺纹柱顶端螺纹连接的防脱螺帽ⅱ挡住，所述径向滑块外侧设有卡接头，所述径向滑块内侧中央设有滑触片ⅲ，所述外环装置本体设有连通径向滑动凹槽的螺纹孔ⅲ，所述螺纹孔ⅲ位于径向螺纹杆一侧且与径向螺纹杆平行。
16.进一步的，所述定位螺纹杆共两根且对称安装在岩石试样两侧，定位螺纹杆分别
与所述顶部钢性压块的定位螺纹通孔ⅰ、所述外环装置的定位螺纹通孔ⅱ、所述底部钢性压块的定位光滑圆形通孔相匹配。
17.进一步的，所述轴向螺纹柱与所述径向螺纹柱的长度分别不大于所述轴向弹簧与所述径向弹簧的长度。
18.进一步的，所述信号采集机构ⅰ、信号采集机构ⅱ及信号采集机构ⅲ均自带电源、正负极接线端头、处理器和存储器；所述信号采集机构ⅰ可以通过导线ⅰ、导线ⅱ分别与滑触片ⅰ、弧形电阻片电连接，构成闭合回路；所述信号采集机构ⅱ可以通过导线ⅲ、导线ⅳ分别与电阻片ⅰ、滑触片ⅱ电连接，构成闭合回路；所述信号采集机构ⅲ可以通过导线
ⅴ
、导线ⅵ分别与电阻片ⅱ、滑触片ⅲ电连接，构成闭合回路。
19.进一步的，所述岩石试样外形呈圆柱体或长方体；当所述岩石试样外形呈长方体时：所述半月牙转动装置安装座内安装的两个半月牙转动装置配有一根固定杆，所述固定杆贯穿两半月牙转动装置的横向定位通孔且两端通过防脱螺帽ⅲ固定，且所述信号采集机构ⅰ关闭；当所述岩石试样外形呈圆柱体时：所述外环装置两侧的螺纹孔ⅲ均配有一根定位螺杆，所述定位螺杆穿过螺纹孔ⅲ与径向滑块一端的定位螺纹孔螺纹连接，且所述信号采集机构ⅲ关闭。
20.本发明公布了一种岩石试样径向八方位变形测量方法，应用所述的测量装置测量圆柱体岩石试样时，包括以下步骤：
21.s1、将底部钢性压块水平放置在装配台上，然后依次在底部钢性压块的刚性承压柱ⅱ上依次放置刚性垫片、岩石试样、刚性垫片、顶部钢性压块；
22.s2、组装半月牙转动装置、半月牙转动装置安装座、径轴向位移装置和外环装置，组装整体即径轴向位移监测模块呈圆环状，岩石试样位于圆环中心；
23.s3、径轴向位移监测模块组装完毕后调整其高度至岩石试样中部，然后将定位螺纹杆依次穿过顶部钢性压块的定位螺纹通孔ⅰ、外环装置的定位螺纹通孔ⅱ和底部钢性压块的光滑圆形通孔，从而将整个装置固定；
24.s4、通过三轴电液伺服试验机挤压岩石试样两端的顶部钢性压块和底部钢性压块给岩石试样施加应变，分别通过信号采集机构ⅰ和信号采集机构ⅱ记录弧形电阻片和电阻片ⅰ上的电流iⅰ和iⅱ，利用公式计算岩石试样的径向位移，式中：r为弧形电阻片的半径，uⅰ为信号采集机构ⅰ自带电源的电压，ρⅰ为弧形电阻片的电阻率，sⅰ为弧形电阻片的横截面积，iⅰ1
为弧形电阻片上初始电流，iⅰ2
为岩石试样变形时弧形电阻片上的电流；利用公式计算岩石试样的轴向位移，式中：uⅱ为信号采集机构ⅱ自带电源的电压，ρⅱ为电阻片ⅰ的电阻率，sⅱ为电阻片ⅰ的横截面积，iⅱ1
为电阻片ⅰ上初始电流，iⅱ2
为岩石试样变形时电阻片ⅰ上的电流。
25.本发明公布了一种岩石试样径向八方位变形测量方法，应用所述的测量装置测量长方体岩石试样时，包括以下步骤：
26.s1、将底部钢性压块水平放置在装配台上，然后依次在底部钢性压块的刚性承压柱ⅱ上依次放置刚性垫片、岩石试样、刚性垫片、顶部钢性压块；
27.s2、组装半月牙转动装置、半月牙转动装置安装座、径轴向位移装置和外环装置，组装整体即径轴向位移监测模块呈圆环状，岩石试样位于圆环中心；
28.s3、径轴向位移监测模块组装完毕后调整其高度至岩石试样中部，然后将定位螺纹杆依次穿过顶部钢性压块的定位螺纹通孔ⅰ、外环装置的定位螺纹通孔ⅱ、和底部钢性压块的光滑圆形通孔，从而将整个装置固定；
29.s4、通过三轴电液伺服试验机挤压岩石试样两端的顶部钢性压块和底部钢性压块给岩石试样施加应变，分别通过信号采集机构ⅱ和信号采集机构ⅲ记录电阻片ⅰ和上电阻片ⅱ的电流iⅱ和iⅲ，利用公式计算岩石试样的轴向位移，式中：uⅱ为信号采集机构ⅱ自带电源的电压，ρⅱ为电阻片ⅰ的电阻率，sⅱ为电阻片ⅰ的横截面积，iⅱ1
为电阻片ⅰ上初始电流，iⅱ2
为岩石试样变形时电阻片ⅰ上的电流；利用公式计算岩石试样的径向位移，式中：uⅲ为信号采集机构ⅲ自带电源的电压，ρⅲ为电阻片ⅱ的电阻率，sⅲ为电阻片ⅱ的横截面积，iⅲ1
为电阻片ⅱ上初始电流，iⅲ2
为岩石试样变形时电阻片ⅱ上的电流。
30.本发明上述技术方案的有益效果如下：
31.1.本测量装置结构简单，组装方便，仅通过径轴向位移监测模块一个整体结构，即可同时测量岩石试样的径向变形和轴向变形，测量效率高且测量结果准确。本发明测量径向变形和轴向变形的径轴向位移监测模块是由半月牙转动装置、半月牙转动装置安装座、径轴向位移装置和外环装置组装成的整体结构，测量过程中径轴向位移监测模块仅通过定位螺纹柱即可稳定固定，整个测量装置结构简单，组装方便，并且稳定性高可以保证测量结果的精准度。
32.2.本发明不仅可以测量圆柱体岩石试样的径向变形与轴向变形，也可以测量长方体岩石试样的径向变形与轴向变形，具有适用范围广的优点。本发明测量圆柱体与长方体两种外形的岩石试样的径向变形与轴向变形时，均是通过由半月牙转动装置、半月牙转动装置安装座、径轴向位移装置和外环装置组装成的径轴向位移监测模块来完成测量，测量时仅需对径轴向位移监测模块进行局部微调。具体的，当岩石试样外形呈长方体时，仅需用固定杆贯穿半月牙转动装置安装座内的两个半月牙转动装置的横向定位通孔将其固定，并关闭信号采集机构ⅰ即可；当岩石试样外形呈圆柱体时，仅需用定位螺杆伸入外环装置两侧的螺纹孔ⅲ，与径向滑块一端的定位螺纹孔螺纹连接将其固定，并关闭信号采集机构ⅲ即可。
33.3.本发明径轴向位移监测模块共四个，可以从四个不同方向测量岩石试样的变形数据，测量结果误差小、准确度高。
34.4.本发明仅通过监测电流信号即可推导出岩石试样的实时径向变形和轴向变形，因为监测的变量少，所以测量结果误差小、准确度高。具体的，当测量圆柱体岩石试样时，分别通过信号采集机构ⅰ和信号采集机构ⅱ记录弧形电阻片和电阻片ⅰ上的电流iⅰ和iⅱ，利用公式计算岩石试样的径向位移，式中：r为弧形电阻片的半
径，uⅰ为信号采集机构ⅰ自带电源的电压，ρⅰ为弧形电阻片的电阻率，sⅰ为弧形电阻片的横截面积，iⅰ1
为弧形电阻片上初始电流，iⅰ2
为岩石试样变形时弧形电阻片上的电流；利用公式为岩石试样变形时弧形电阻片上的电流；利用公式计算岩石试样的轴向位移，式中：uⅱ为信号采集机构ⅱ自带电源的电压，ρⅱ为电阻片ⅰ的电阻率，sⅱ为电阻片ⅰ的横截面积，iⅱ1
为电阻片ⅰ上初始电流，iⅱ2
为岩石试样变形时电阻片ⅰ上的电流；当测量长方体岩石试样时，分别通过信号采集机构ⅱ和信号采集机构ⅲ记录电阻片ⅰ和上电阻片ⅱ的电流iⅱ和iⅲ，利用公式计算岩石试样的轴向位移，式中：uⅱ为信号采集机构ⅱ自带电源的电压，ρⅱ为电阻片ⅰ的电阻率，sⅱ为电阻片ⅰ的横截面积，iⅱ1
为电阻片ⅰ上初始电流，iⅱ2
为岩石试样变形时电阻片ⅰ上的电流；利用公式计算岩石试样的径向位移，式中：uⅲ为信号采集机构ⅲ自带电源的电压，ρⅲ为电阻片ⅱ的电阻率，sⅲ为电阻片ⅱ的横截面积，iⅲ1
为电阻片ⅱ上初始电流，iⅲ2
为岩石试样变形时电阻片ⅱ上的电流。
附图说明
35.附图作为本技术的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。在附图中：
36.图1为本发明测量圆柱体状岩石试样时的整体结构示意图；
37.图2为本发明测量长方体状岩石试样时的整体结构示意图；
38.图3为本发明顶部钢性压块结构示意图；
39.图4为本发明底部钢性压块结构示意图；
40.图5为本发明刚性垫片结构示意图；
41.图6为本发明半月牙转动装置结构示意图；
42.图7为本发明半月牙转动装置整体结构示意图；
43.图8为本发明半月牙转动装置安装座矩形面处的结构示意图；
44.图9为本发明半月牙转动装置安装座弧形面处的结构示意图；
45.图10为本发明半月牙转动装置安装座轴向滑动凹槽处的局部结构示意图；
46.图11为本发明半月牙转动装置安装座轴向滑块的结构示意图；
47.图12为本发明半月牙转动装置安装座局部结构放大图；
48.图13为本发明测量圆柱体状岩石试样时半月牙转动装置与半月牙转动装置安装座组装后的局部结构示意图；
49.图14为本发明径轴向位移装置结构示意图；
50.图15为本发明外环装置整体结构示意图；
51.图16为本发明测量圆柱体状岩石试样时外环装置径向滑动机构处的剖面示意图；
52.图17为本发明径向滑动机构的径向滑动凹槽处局部结构示意图；
53.图18为本发明径向滑动机构的径向滑块结构示意图；
54.图19为本发明测量圆柱体状岩石试样时外环装置局部结构示意图；
55.图20为本发明外环装置径向滑动机构处局部结构示意图；
56.图21为本发明测量圆柱体状岩石试样时半月牙转动装置、半月牙转动装置安装座、径轴向位移装置、外环装置装配成的径轴向位移监测模块的结构示意图；
57.图22为本发明测量长方体状岩石试样时半月牙转动装置、半月牙转动装置安装座、径轴向位移装置、外环装置装配成的径轴向位移监测模块的结构示意图。
58.图中：1、岩石试样；2、顶部钢性压块；21、刚性承压柱ⅰ；22、固定圆盘ⅰ；23、定位螺纹通孔ⅰ；24、水准器ⅰ；25、螺纹孔ⅰ；3、底部钢性压块；31、刚性承压柱ⅱ；32、固定圆盘ⅱ；33、光滑圆形通孔；34、水准器ⅱ；35、螺纹孔ⅱ；4、刚性垫片；41、螺纹柱；5、定位螺纹杆；6、半月牙转动装置；61、半月牙刚性本体；62、横向定位通孔；63、t形刚性绝缘滑轨；64、滑触片ⅰ；65、信号采集机构ⅰ；66、导线ⅰ；67、固定杆；7、半月牙转动装置安装座；71、安装座本体；72、安装腔ⅰ；73、半月牙t形滑动凹槽；74、弧形电阻片；75、导线ⅱ；76、信号采集机构ⅱ；77、轴向滑动机构；771、轴向滑动凹槽；772、电阻片ⅰ；773、导线ⅲ；774、轴向螺纹柱；775、轴向弹簧；776、挡板；777、轴向滑块；7771、螺纹孔；7772、滑触片ⅱ；778、防脱螺帽ⅰ；78、导线ⅳ；8、径轴向位移装置；81、位移装置本体；82、安装腔ⅱ；83、定位螺栓；84、安装卡口；9、外环装置；91、外环装置本体；92、安装腔ⅲ；93、定位螺纹通孔ⅱ；94、卡块；95、卡块槽；96、信号采集机构ⅲ；97、径向滑动机构；971、径向滑动凹槽；972、电阻片ⅱ；973、径向螺纹柱；974、径向弹簧；975、挡板ⅱ；976、径向滑块；9761、卡接头；9762、滑触片ⅲ；9763、定位螺纹孔；977、防脱螺帽ⅱ；98、导线
ⅴ
；99、导线ⅵ；910、螺纹孔ⅲ；911、定位螺杆。
59.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
60.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
61.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
62.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
63.如图1-22所示，一种岩石试样变形测量装置，包括荷载施加模块和径轴向位移监测模块，岩石试样1位于整个装置中心，
64.荷载施加模块包括顶部钢性压块2、底部钢性压块3、刚性垫片4、定位螺纹杆5，和三轴电液伺服试验机；顶部钢性压块2包括刚性承压柱ⅰ21，刚性承压柱ⅰ21外周连接有固定
圆盘ⅰ22，固定圆盘ⅰ22外周上均匀分布有四个定位螺纹通孔ⅰ23，固定圆盘ⅰ22上表面设有水准器ⅰ24，水准器ⅰ24可以方便调整刚性承压柱ⅰ21及固定圆盘ⅰ22至水平；底部钢性压块3包括刚性承压柱ⅱ31，刚性承压柱ⅱ31外周连接有固定圆盘ⅱ32，固定圆盘ⅱ32外周上均匀分布有四个定位光滑圆形通孔33,固定圆盘ⅱ32上表面设有水准器ⅱ34，水准器ⅱ34可以方便调整刚性承压柱ⅱ31及固定圆盘ⅱ32至水平；三轴电液伺服试验机提供的轴向压力直接作用在顶部钢性压块2的刚性承压柱ⅰ21与底部钢性压块3的刚性承压柱ⅱ31上；
65.径轴向位移监测模块共四个，呈环形对称分布在岩石试样1四周；径轴向位移监测模块包括半月牙转动装置6、半月牙转动装置安装座7、径轴向位移装置8和外环装置9；组成径轴向位移监测模块的每个部分的组装过程如下：首先将两个半月牙转动装置6安装到半月牙转动装置安装座7上，然后将两个半月牙转动装置6与半月牙转动装置安装座7的组装整体安装到径轴向位移装置8上，最后将上述两个半月牙转动装置6、半月牙转动装置安装座7与径轴向位移装置8组装的整体安装到外环装置9上。每个部分组装好后，将四个径轴向位移监测模块的外环装置9进行拼接即可组装成圆环状。
66.半月牙转动装置6包括半月牙刚性本体61，半月牙刚性本体61呈半圆柱体状，半月牙刚性本体61上方靠矩形面一侧设有横向定位通孔62，半月牙刚性本体61的弧形面中部设有t形刚性绝缘滑轨63，t形刚性绝缘滑轨63中央设有滑触片ⅰ64，半月牙刚性本体61顶部中央设有信号采集机构ⅰ65，信号采集机构ⅰ65与滑触片ⅰ64之间通过导线ⅰ66电连接。
67.半月牙转动装置安装座7包括安装座本体71，安装座本体71呈半圆柱体状，安装座本体71内侧矩形面对称设有两个安装半月牙转动装置6的安装腔ⅰ72，安装腔ⅰ72中部设有半月牙t形滑动凹槽73，半月牙t形滑动凹槽73表面设有弧形电阻片74，弧形电阻片74内端头通过导线ⅱ75连接信号采集机构ⅰ65，半月牙转动装置6安装到半月牙转动装置安装座7时：半月牙转动装置6的t形刚性绝缘滑轨63嵌入半月牙转动装置安装座7的安装腔ⅰ72中部的半月牙t形滑动凹槽73内，半月牙转动装置6在安装腔ⅰ72内转动时t形刚性绝缘滑轨63中央的滑触片ⅰ64始终与半月牙t形滑动凹槽73表面的弧形电阻片74接触。信号采集机构ⅰ65、导线ⅰ66、滑触片ⅰ64、弧形电阻片74、导线ⅱ75可以组成闭合回路；安装座本体71顶部设有信号采集机构ⅱ76，安装座本体71背侧弧形面设有轴向滑动机构77，轴向滑动机构77包括轴向滑动凹槽771，轴向滑动凹槽771的表面设有电阻片ⅰ772，电阻片ⅰ772顶端通过导线ⅲ773连接信号采集机构ⅱ76，轴向滑动凹槽771内腔底部螺纹连接轴向螺纹柱774，轴向螺纹柱774外周套设有轴向弹簧775，轴向弹簧775顶端与贯穿轴向螺纹柱774的挡板ⅰ776连接，挡板ⅰ776上方承接有贯穿轴向螺纹柱774的轴向滑块777，轴向滑块777上方通过与轴向螺纹柱774顶端螺纹连接的防脱螺帽ⅰ778挡住，轴向滑块777外侧设有螺纹孔7771，轴向滑块777内侧中央设有滑触片ⅱ7772，滑触片ⅱ7772与信号采集机构ⅱ76通过导线ⅳ78电连接；信号采集机构ⅱ76、导线ⅳ78、滑触片ⅱ7772、电阻片ⅰ772、导线ⅲ773可以组成闭合回路。轴向滑动机构77的组装过程如下：先将轴向螺纹柱774底端的螺纹齿拧进轴向滑动凹槽771内腔底部的螺纹孔内，接着依次将轴向弹簧775及挡板ⅰ776的连接体、轴向滑块777穿过轴向螺纹柱774，最后将防脱螺帽ⅰ778螺纹连接到轴向螺纹柱774顶端的螺纹齿上挡住轴向滑块777防止其从轴向螺纹柱774上脱落，此时弹簧775处于压缩状态，在轴向弹簧775弹力下轴向滑块777紧贴防脱螺帽ⅰ778。
68.径轴向位移装置8包括位移装置本体81，位移装置本体81设有安装半月牙转动装
置安装座7的安装腔ⅱ82，位移装置本体81背侧面设有可贯穿位移装置本体81并伸进安装腔ⅱ82的定位螺栓83，位移装置本体81两侧面对称设有安装卡口84；半月牙转动装置安装座7安装到径轴向位移装置8的安装腔ⅱ82时：将半月牙转动装置安装座7放入安装腔ⅱ82，然后将定位螺栓83拧进轴向滑块777外侧的螺纹孔7771内即可将半月牙转动装置安装座7与径轴向位移装置8连接。
69.外环装置9包括外环装置本体91，外环装置本体91设有安装径轴向位移装置8的安装腔ⅲ92，外环装置本体91外周设有定位螺纹通孔ⅱ93，外环装置本体91一侧面设有卡块94，外环装置本体91另一侧面对称位置设有卡块槽95，外环装置本体91顶部设有信号采集机构ⅲ96，外环装置本体91的安装腔ⅲ92的相对两侧面对称设有径向滑动机构97；径向滑动机构97包括径向滑动凹槽971，径向滑动凹槽971表面设有电阻片ⅱ972，电阻片ⅱ972内端部通过导线
ⅴ
98连接信号采集机构ⅲ96，径向滑动凹槽971内腔底部螺纹连接径向螺纹柱973，径向螺纹柱973外周套设有径向弹簧974，径向弹簧974顶部与贯穿径向螺纹柱973的挡板ⅱ975连接，挡板ⅱ975上方承接有贯穿径向螺纹杆973的径向滑块976，挡板ⅱ975上有供定位螺杆911穿过的通孔，径向滑块976两端设有定位螺纹孔9763，径向滑块976上方通过与径向螺纹柱973顶端螺纹连接的防脱螺帽ⅱ977挡住，径向滑块976外侧设有卡接头9761，径向滑块976内侧中央设有滑触片ⅲ9762，滑触片ⅲ9762通过导线ⅵ99与信号采集机构ⅲ96电连接，信号采集机构ⅲ96、导线ⅵ99、滑触片ⅲ9762、电阻片ⅱ972、导线
ⅴ
98可以组成闭合回路；环装置本体91设有连通径向滑动凹槽971的螺纹孔ⅲ910，螺纹孔ⅲ910位于径向螺纹柱973一侧且与径向螺纹柱973平行。径轴向位移装置8安装到外环装置9的安装腔ⅲ92的过程如下：将径向螺纹柱973底端的螺纹齿拧进径向滑动凹槽971内腔底部的螺纹孔内，接着将径向弹簧974及挡板ⅱ975的连接体穿过径向螺纹柱973；然后将外环装置9的两径向滑块976的卡接头9761放进径轴向位移装置8两侧的安装卡口84，接着将径轴向位移装置8两侧安装的径向滑块976穿进外环装置本体91的两径向滑动机构97的径向螺纹柱973上，然后将防脱螺帽ⅱ977螺纹连接到径向螺纹柱973顶端的螺纹齿上挡住径向滑块976防止其从径向螺纹柱973上脱落，此时径轴向位移装置8即安装到外环装置9的安装腔ⅲ92内，径向弹簧974处于压缩状态，在径向弹簧974弹力下径向滑块976紧贴防脱螺帽ⅱ977。
70.岩石试样1外形呈圆柱体或长方体；本测量装置能测量圆柱体岩石试样和长方体岩石试样的径向变形和轴向变形。刚性垫片4的外形与岩石试样1相匹配，且横截面相同，当岩石试样1为圆柱体岩石试样时，选用与其横截面相同的圆柱体状刚性垫片4；当岩石试样1为长方体岩石试样时，选用与其横截面相同的长方体状刚性垫片4。刚性承压柱ⅰ21与刚性承压柱ⅱ31相对面的中央分别设有相同的螺纹孔ⅰ25与螺纹孔ⅱ35；刚性垫片4中央设有螺纹柱41，且螺纹柱41分别与螺纹孔ⅰ25、螺纹孔ⅱ35相匹配；螺纹柱41与螺纹孔ⅰ25、螺纹孔ⅱ35螺纹连接，可以实现刚性垫片4与刚性承压柱ⅰ21、刚性承压柱ⅱ31的紧密稳定贴合，这样在试验过程中刚性垫片4与刚性承压柱ⅰ21、刚性承压柱ⅱ31之间就不会出现滑动，有利于保证测量结果的准确性。径轴向位移监测模块共四个，呈环形对称分布在岩石试样1四周，径轴向位移监测模块包括半月牙转动装置6、半月牙转动装置安装座7、径轴向位移装置8和外环装置9。径轴向位移监测模块的外环装置9组装时，先两两进行组装，一个外环装置9侧面的卡块94插进另一个外环装置9侧面的卡块槽95即可实现两者的拼接；然后将两两拼接的整体按相同方法进行拼接即可将四个外环装置9拼接成圆环状。定位螺纹杆5共两根且
对称安装在岩石试样1两侧，定位螺纹杆5分别与顶部钢性压块2的定位螺纹通孔ⅰ23、外环装置9的定位螺纹通孔ⅱ93、底部钢性压块3的定位光滑圆形通孔33相匹配；定位螺纹杆5能够依次穿过定位螺纹通孔ⅰ23、定位光滑圆形通孔33和定位螺纹通孔ⅱ93。径轴向位移监测模块组装在岩石试样1外周后可以通过荷载施加模块的定位螺纹杆5进行固定，具体过程如下：首先将底部钢性压块3水平放置在装配台上，依次在底部钢性压块3的刚性承压柱ⅱ31上依次放置刚性垫片4、岩石试样1、刚性垫片4、顶部钢性压块2；然后组装半月牙转动装置6、半月牙转动装置安装座7、径轴向位移装置8和外环装置9，组装整体即径轴向位移监测模块呈圆环状，岩石试样1位于圆环中心；径轴向位移监测模块组装完毕后调整其高度至岩石试样1中部；接着将定位螺纹杆5依次穿过顶部钢性压块2的定位螺纹通孔ⅰ23、外环装置9的定位螺纹通孔ⅱ93和底部钢性压块3的光滑圆形通孔33后用螺帽ⅰ51固定，从而将整个装置固定。轴向螺纹柱774与径向螺纹柱973均是两端带螺纹齿的圆杆，且轴向螺纹柱774与所向螺纹柱973的长度分别不大于轴向弹簧775与径向弹簧974的长度，这一设计保证轴向滑动机构77和径向滑动机构97组装完毕后，轴向弹簧775与径向弹簧974均处于压缩状态，可以分别对轴向滑块777、径向滑块976施加弹力，这样径向滑块976在弹力作用下就可以通过推动径轴向位移装置8和半月牙转动装置安装座7使半月牙转动装置6与岩石试样1紧密接触。
71.信号采集机构ⅰ65、信号采集机构ⅱ76及信号采集机构ⅲ96均自带电源、正负极接线端头、处理器和存储器；信号采集机构ⅰ65的自带电源可以为弧形电阻片74供电，信号采集机构ⅰ65的处理器可以采集弧形电阻片74上的电信号并进行数据处理，然后通过存储器存储数据；信号采集机构ⅱ76的自带电源可以为电阻片ⅰ772供电，信号采集机构ⅱ76的处理器可以采集电阻片ⅰ772上的电信号并进行数据处理，然后通过存储器存储数据；信号采集机构ⅲ96的自带电源可以为电阻片ⅱ972供电，信号采集机构ⅲ96的处理器可以采集电阻片ⅱ972上的电信号并进行数据处理，然后通过存储器存储数据。
72.述岩石试样1外形呈长方体时：半月牙转动装置安装座7内安装的两个半月牙转动装置6配有一根固定杆67，固定杆67贯穿两半月牙转动装置6的横向定位通孔62且两端通过防脱螺帽ⅲ固定，且信号采集机构ⅰ65关闭；当岩石试样1外形呈圆柱体时：外环装置9两侧的螺纹孔ⅲ910均配有一根定位螺杆911，定位螺杆911依次穿过螺纹孔ⅲ910、挡板ⅱ975与径向滑块976一端的定位螺纹孔9763螺纹连接，这样即可通过定位螺杆911将径向滑块976固定，且所述信号采集机构ⅲ96关闭。
73.应用本发明的测量装置测量圆柱体状岩石试样1的方法如下：
74.s1、将底部钢性压块3水平放置在装配台上，然后依次在底部钢性压块3的刚性承压柱ⅱ31上依次放置刚性垫片4、岩石试样1、刚性垫片4、顶部钢性压块2；
75.s2、组装半月牙转动装置6、半月牙转动装置安装座7、径轴向位移装置8和外环装置9，组装整体即径轴向位移监测模块呈圆环状，岩石试样1位于圆环中心；
76.s3、径轴向位移监测模块组装完毕后调整其高度至岩石试样1中部，然后将定位螺纹柱5依次穿过顶部钢性压块2的定位螺纹通孔ⅰ23、外环装置9的定位螺纹通孔ⅱ93和底部钢性压块3的光滑圆形通孔33，从而将整个装置固定；
77.s4、通过三轴电液伺服试验机挤压岩石试样1两端的顶部钢性压块2和底部钢性压块3给岩石试样1施加应变，分别通过信号采集机构ⅰ65和信号采集机构ⅱ76记录弧形电阻
片74和电阻片ⅰ772上的电流iⅰ和iⅱ，利用公式，利用公式计算岩石试样的径向位移，式中：r为弧形电阻片74的半径，uⅰ为信号采集机构ⅰ65自带电源的电压，ρⅰ为弧形电阻片74的电阻率，sⅰ为弧形电阻片74的横截面积，iⅰ1
为弧形电阻片74上初始电流，iⅰ2
为岩石试样1变形时弧形电阻片74上的电流；利用公式计算岩石试样的轴向位移，式中：uⅱ为信号采集机构ⅱ76自带电源的电压，ρⅱ为电阻片ⅰ772的电阻率，sⅱ为电阻片ⅰ772的横截面积，iⅱ1
为电阻片ⅰ772上初始电流，iⅱ2
为岩石试样1变形时电阻片ⅰ772上的电流。
78.其中，计算岩石试样径向位移的公式的推导过程如下：
79.测量圆柱体状岩石试样1径向变形时，信号采集机构ⅰ65、导线ⅰ66、滑触片ⅰ64、弧形电阻片74、导线ⅱ75可以组成闭合回路；圆柱体状岩石试样1在压力作用下发生径向变形时，圆柱体状岩石试样1的径向变形传递给与其紧密接触的半月牙转动装置6，导致半月牙转动装置6在半月牙转动装置安装座7的安装腔ⅰ72中部的半月牙t形滑动凹槽73内转动，半月牙转动装置6顺时针转动和逆时针转动时，弧形电阻片74接入电路长度都会改变，转动过程中t形刚性绝缘滑轨63中央的滑触片ⅰ64滑动到弧形电阻片74不同位置时，弧形电阻片74接入电路的长度发生改变，进而会导致弧形电阻片74上通过的电流iⅰ发生变化；
80.假设圆柱体状岩石试样1发生径向变形时，半月牙转动装置6转动的角度为n，转动角度n对应的弧形电阻片74所在的扇形面积为sn；ln弧长变化为ln，根据面积公式：
[0081][0082][0083]
联立公式(1)、(2)可得弧长公式：
[0084][0085]
同时根据弧形电阻片74上的电流iⅰ、电压uⅰ、电阻率ρⅰ同电阻片长度ln和截面积sⅰ的关系式为：
[0086][0087]
联立公式(3)、(4)可得转动角度n表达式：
[0088][0089]
根据公式(5)由三角函数可得径向位移ε表达式：
[0090][0091]
通过信号采集机构ⅰ65监测到：初始状态弧形电阻片74上的初始电流为iⅰ1
，岩石试
样1变形时弧形电阻片74上的电流为iⅰ2
；则径向变形为：
[0092][0093]
其中：sn为转动角度n对应的弧形电阻片74所在的扇形面积；ln为转动角度n对应的弧长变化；n为转动角度；ε
x
为径向变形；r为弧形电阻片74的半径；uⅰ为信号采集机构ⅰ65自带电源的电压，ρⅰ为弧形电阻片74的电阻率，sⅰ为弧形电阻片74的横截面积，iⅰ1
为弧形电阻片74上初始电流，iⅰ2
为岩石试样1变形时弧形电阻片74上的电流。
[0094]
综上，即可推导出计算岩石试样径向位移的公式
[0095]
计算圆柱体状岩石试样轴向变形的公式的推导过程如下：
[0096]
测量圆柱体状岩石试样1轴向变形时，信号采集机构ⅱ76、导线ⅳ78、滑触片ⅱ7772、电阻片ⅰ772、导线ⅲ773可以组成闭合回路。圆柱体状岩石试样1在压力作用下发生轴向压缩变形时，因为定位螺纹杆5分别与顶部钢性压块2的定位螺纹通孔ⅰ23、外环装置9的定位螺纹通孔ⅱ93螺纹连接，所以定位螺纹杆5与顶部钢性压块2、外环装置9组成的整体结构会向下移动，移动时定位螺纹杆5可以穿过底部钢性压块3的定位光滑圆形通孔33；因为外环装置9与径轴向位移装置8是通过径向滑块976与安装卡口84进行的刚性连接，在轴向不能发生相对移动，所以外环装置9会带动径轴向位移装置8向下移动；因为径轴向位移装置8的定位螺栓83与半月牙转动装置安装座7的轴向滑块777外侧的螺纹孔7771螺纹连接，所以径轴向位移装置8向下移动时会带动轴向滑块777沿着轴向螺纹柱774向下移动，轴向滑块777的滑触片ⅱ7772停留在电阻片ⅰ772上不同位置时，电阻片ⅰ772接入电路的长度会发生变化；电阻片ⅰ772接入电路长度变化的绝对值即为岩石试样1的轴向变形。
[0097]
根据电阻片ⅰ772上的电流iⅱ、电压uⅱ，电阻片ⅰ772的电阻率ρⅱ同电阻片ⅰ772接入电路的长度ln和电阻片ⅰ772横截面积sⅱ的关系式为：
[0098][0099]
初始状态电阻片ⅰ772接入电路的长度为l1，对应电阻片ⅰ772上的电流为iⅱ1
；岩石试样1变形后电阻片ⅰ772接入电路的长度为l2，对应电阻片ⅰ772上的电流为iⅱ2
，则岩石试样的轴向变形lⅱ即为：
[0100]
lⅱ＝|l
1-l2|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0101]
联立公式(8)、(9)即可推导出轴向变形的计算公式：
[0102]
其中：lⅱ为径向变形；uⅱ为信号采集机构ⅱ76自带电源的电压，ρⅱ为电阻片ⅰ772的电阻率，sⅱ为电阻片ⅰ772的横截面积，iⅱ1
为电阻片ⅰ772上初始电流，iⅱ2
为岩石试样1变形时电阻片ⅰ772上的电流。
[0103]
应用本发明的测量装置测量长方体状岩石试样1的方法如下：
[0104]
s1、将底部钢性压块3水平放置在装配台上，然后依次在底部钢性压块3的刚性承压柱ⅱ31上依次放置刚性垫片4、岩石试样1、刚性垫片4、顶部钢性压块2；
[0105]
s2、组装半月牙转动装置6、半月牙转动装置安装座7、径轴向位移装置8和外环装置9，组装整体即径轴向位移监测模块呈圆环状，岩石试样1位于圆环中心；
[0106]
s3、径轴向位移监测模块组装完毕后调整其高度至岩石试样1中部，然后将定位螺纹杆5依次穿过顶部钢性压块2的定位螺纹通孔ⅰ23、外环装置9的定位螺纹通孔ⅱ93和底部钢性压块3的光滑圆形通孔33，从而将整个装置固定；
[0107]
s4、通过三轴电液伺服试验机挤压岩石试样1两端的顶部钢性压块2和底部钢性压块3给岩石试样1施加应变，分别通过信号采集机构ⅱ76和信号采集机构ⅲ96记录电阻片ⅰ772和上电阻片ⅱ972的电流iⅱ和iⅲ，利用公式，利用公式计算岩石试样的轴向位移，式中：uⅱ为信号采集机构ⅱ76自带电源的电压，ρⅱ为电阻片ⅰ772的电阻率，sⅱ为电阻片ⅰ772的横截面积，iⅱ1
为电阻片ⅰ772上初始电流，iⅱ2
为岩石试样1变形时电阻片ⅰ772上的电流；利用公式计算岩石试样的径向位移，式中：uⅲ为信号采集机构ⅲ96自带电源的电压，ρⅲ为电阻片ⅱ972的电阻率，sⅲ为电阻片ⅱ972的横截面积，iⅲ1
为电阻片ⅱ972上初始电流，iⅲ2
为岩石试样1变形时电阻片ⅱ972上的电流。
[0108]
其中，计算岩石试样径向位移的公式的推导过程如下：
[0109]
测量长方体状岩石试样1径向变形时，信号采集机构ⅲ96、导线ⅵ99、滑触片ⅲ9762、电阻片ⅱ972、导线
ⅴ
98可以组成闭合回路。测量径向变形时：将固定杆67贯穿两半月牙转动装置6的横向定位通孔62，并在两端用螺帽ⅱ671固定，且信号采集机构ⅰ65关闭，这样即可将两个半月牙转动装置6固定，此时半月牙转动装置安装座7同其安装腔ⅰ72内安装的两个半月牙转动装置6组成一个整体结构，且半月牙转动装置6的矩形面贴合长方体状岩石试样1；同时因为径轴向位移装置8的定位螺栓83与半月牙转动装置安装座7的轴向滑块777外侧的螺纹孔7771螺纹连接，所以径轴向位移装置8与半月牙转动装置安装座7之间不会在径向上发生相对移动；这样长方体状岩石试样1的径向变形就能够依次通过半月牙转动装置6与半月牙转动装置安装座7的整体结构传递给径轴向位移装置8；因为外环装置9与径轴向位移装置8是通过径向滑块976与安装卡口84进行的刚性连接，在轴向不能发生相对移动，所以径轴向位移装置8的径向移动只能传递给径向滑块976；径向滑块976沿着径向螺纹柱973在径向移动，径向滑块976的滑触片ⅲ9762停留在电阻片ⅱ972上不同位置时，电阻片ⅱ972接入电路的长度发生变化；电阻片ⅱ972接入电路长度变化的绝对值即为长方体状岩石试样1的径向变形。
[0110]
根据电阻片ⅱ972上的电流iⅲ、电压uⅲ，电阻片ⅱ972的电阻率ρⅲ同电阻片ⅱ972接入电路的长度ln和电阻片ⅱ972横截面积sⅲ的关系式为：
[0111][0112]
初始状态电阻片ⅱ972接入电路的长度为l1，对应电阻片ⅱ972上的电流为iⅲ1
；岩石试样1变形后电阻片ⅱ972接入电路的长度为l2，对应电阻片ⅱ972上的电流为iⅲ2
，则圆柱体状岩石试样的径向变形lⅲ即为：
[0113]
lⅲ＝|l
1-l2|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0114]
联立公式(10)、(11)即可推导出轴向变形的计算公式：
[0115]
其中：lⅲ为径向变形，uⅲ为信号采集机构ⅲ96自带电源的电压，ρⅲ为电阻片ⅱ972的电阻率，sⅲ为电阻片ⅱ972的横截面积，iⅲ1
为电阻片ⅱ972上初始电流，iⅲ2
为岩石试样1变形时电阻片ⅱ972上的电流。。
[0116]
计算长方体状岩石试样轴向变形的公式的推导过程如下：
[0117]
测量圆柱体状岩石试样1轴向变形时，信号采集机构ⅱ76、导线ⅳ78、滑触片ⅱ7772、电阻片ⅰ772、导线ⅲ773可以组成闭合回路。圆柱体状岩石试样1在压力作用下发生轴向压缩变形时，因为定位螺纹杆5分别与顶部钢性压块2的定位螺纹通孔ⅰ23、外环装置9的定位螺纹通孔ⅱ93螺纹连接，所以定位螺纹杆5与顶部钢性压块2、外环装置9组成的整体结构会向下移动，移动时定位螺纹杆5可以穿过底部钢性压块3的定位光滑圆形通孔33；因为外环装置9与径轴向位移装置8是通过径向滑块976与安装卡口84进行的刚性连接，在轴向不能发生相对移动，所以外环装置9会带动径轴向位移装置8向下移动；因为径轴向位移装置8的定位螺栓83与半月牙转动装置安装座7的轴向滑块777外侧的螺纹孔7771螺纹连接，所以径轴向位移装置8向下移动时会带动轴向滑块777沿着轴向螺纹柱774向下移动，轴向滑块777的滑触片ⅱ7772停留在电阻片ⅰ772上不同位置时，电阻片ⅰ772接入电路的长度会发生变化；电阻片ⅰ772接入电路长度变化的绝对值即为岩石试样1的轴向变形。
[0118]
根据电阻片ⅰ772上的电流iⅱ、电压uⅱ，电阻片ⅰ772的电阻率ρⅱ同电阻片ⅰ772接入电路的长度ln和电阻片ⅰ772横截面积sⅱ的关系式为：
[0119][0120]
初始状态电阻片ⅰ772接入电路的长度为l1，对应电阻片ⅰ772上的电流为iⅱ1
；岩石试样1变形后电阻片ⅰ772接入电路的长度为l2，对应电阻片ⅰ772上的电流为iⅱ2
，则岩石试样的轴向变形lⅱ即为：
[0121]
lⅱ＝|l
1-l2|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0122]
联立公式(12)、(13)即可推导出轴向变形的计算公式：
[0123]
其中：lⅱ为径向变形；uⅱ为信号采集机构ⅱ76自带电源的电压，ρⅱ为电阻片ⅰ772的电阻率，sⅱ为电阻片ⅰ772的横截面积，iⅱ1
为电阻片ⅰ772上初始电流，iⅱ2
为岩石试样1变形时电阻片ⅰ772上的电流。
[0124]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。