一种可在三轴压缩试验机上使用的岩石三轴拉压试验装置的制作方法

本发明涉及本发明涉及岩土力学领域，尤其涉及一种可在三轴压缩试验机上使用的岩石三轴拉压试验装置。

背景技术：

自然状态下，岩体一般处于三轴受压稳定状态，而地震发生时，横波和纵波的传播在岩体内会产生拉应力。尤其在地表岩体，例如陡峭边坡、危石等，由于岩体自重应力较小，强地震波产生的拉伸变形会远大于其原来稳定时的压缩变形，导致其内部沿某一方向产生较大的拉应力，其他方向仍处于受压状态。此时在地震荷载作用下易产生拉压应力破坏。岩体在拉压应力作用下的强度、变形、裂纹扩展等特征与三轴压缩条件下会有明显区别。因此三轴拉压应力作用下岩石力学性质的研究对地震荷载下边坡稳定性及滑坡防治均具有重要意义。

目前对三轴拉压应力下岩石力学性质的试验研究相对较少，主要是因为现有试验技术很难实现拉应力和压应力的独立施加，现在进行三轴拉压试验的方法主要有两种：1、采用“狗骨”型试样，试样处于高压液体环境，高压液体同时提供侧向压力和竖向拉力；2、封闭空间内注入高压液体，高压液体施加侧向压力，同时给予上下拉头压力，上下压头竖向移动对试样产生拉伸作用。然而，这两种方法都是采用高压液体同时提供侧向压力和竖向拉力，两种力无法独立施加，换言之，两种方法均不能测试任意侧向压力作用下的岩石拉压性质。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种构造简单、测试结果准确、能够进行任意围压作用下岩石拉伸试验的装置及其使用方法，以解决现有技术中无法独立施加侧向压力和竖向拉力的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种可在三轴压缩试验机上使用的岩石三轴拉压试验装置，包括框架Ⅰ、框架Ⅱ、连接板、拉头Ⅰ、拉头Ⅱ和底板。

所述框架Ⅰ包括横梁Ⅰ、支撑柱Ⅰ和支撑柱Ⅱ。所述横梁Ⅰ连接在支撑柱Ⅰ和支撑柱Ⅱ之间。所述横梁Ⅰ、支撑柱Ⅰ和支撑柱Ⅱ合围半包围空间ⅠS。所述横梁Ⅰ、支撑柱Ⅰ和支撑柱Ⅱ为一个整体。

所述横梁Ⅰ顶面上具有沉头通孔Ⅰ。

所述支撑柱Ⅰ上开有贯穿其顶底面的矩形孔Ⅰ。所述支撑柱Ⅰ的底面上去除一个长方体A形成缺口Ⅰ。所述缺口Ⅰ连通矩形孔Ⅰ和支撑柱Ⅰ的一个侧面。所述缺口Ⅰ的一个出口在半包围空间ⅠS内。所述支撑柱Ⅰ的底面还具有若干个螺纹孔Ⅰ。

所述支撑柱Ⅱ上开有贯穿其顶底面的矩形孔Ⅱ。所述支撑柱Ⅱ的底面上去除一个长方体B形成缺口Ⅱ。所述缺口Ⅱ连通矩形孔Ⅱ和支撑柱Ⅱ的一个侧面。所述缺口Ⅱ的一个出口在半包围空间ⅠS内。所述支撑柱Ⅱ的底面还具有若干个螺纹孔Ⅱ。

所述框架Ⅱ包括横梁Ⅱ、立柱Ⅰ和立柱Ⅱ。所述横梁Ⅱ连接在立柱Ⅰ和立柱Ⅱ之间。所述横梁Ⅱ、立柱Ⅰ和立柱Ⅱ合围半包围空间ⅡS。所述横梁Ⅱ、立柱Ⅰ和立柱Ⅱ为一个整体。

所述横梁Ⅱ底面上具有沉头通孔Ⅱ。

所述立柱Ⅰ的顶面上具有若干个螺纹孔Ⅲ。

所述立柱Ⅱ的顶面上具有若干个螺纹孔Ⅳ。

所述连接板两端分别搭设在立柱Ⅰ和立柱Ⅱ的顶面上。所述连接板的板面上具有若干个沉头通孔Ⅲ。这些沉头通孔Ⅲ中具有内六角螺栓。这些内六角螺栓穿过沉头通孔Ⅲ后旋入螺纹孔Ⅲ或螺纹孔Ⅳ中，将连接板和框架Ⅱ固定连接。所述连接板的上板面还具有滚珠阵列。

所述框架Ⅰ、框架Ⅱ和连接板构成组合件。所述组合件中，横梁Ⅰ位于横梁Ⅱ的上方，连接板位于横梁Ⅰ的上方。所述立柱Ⅰ插入矩形孔Ⅰ中。所述立柱Ⅱ插入矩形孔Ⅱ中。所述横梁Ⅱ的两端分别嵌入缺口Ⅰ和缺口Ⅱ中。所述半包围空间ⅠS和半包围空间ⅡS组合成空间S。所述框架Ⅱ可竖向运动。

所述拉头Ⅰ为刚性圆柱体。所述拉头Ⅰ的上表面具有螺纹孔Ⅴ。所述拉头Ⅱ为刚性圆柱体。所述拉头Ⅱ的下表面具有螺纹孔Ⅵ。

试样是一个置于空间S内的圆柱体。这个圆柱体的上表面粘贴拉头Ⅰ的下表面，下表面粘贴拉头Ⅱ的上表面。

所述拉头Ⅰ通过内六角螺栓与横梁Ⅰ连接，这些内六角螺栓穿过沉头通孔Ⅰ后，旋入螺纹孔Ⅴ中。所述拉头Ⅱ通过内六角螺栓与横梁Ⅱ连接，这些内六角螺栓穿过沉头通孔Ⅱ后，旋入螺纹孔Ⅵ中。

所述底板的板面上具有若干个沉头通孔Ⅳ。所述沉头通孔Ⅳ中具有内六角螺栓。这些内六角螺栓穿过沉头通孔Ⅳ后旋入螺纹孔Ⅰ或螺纹孔Ⅱ中，将底板固定在框架Ⅰ下方。

所述组合件置于压力室内。所述压力室为三轴试验机的液压室。所述组合件的上方和下方分别与试验机加载头Ⅰ和试验机加载头Ⅱ接触。

所述试验机加载头Ⅰ的下端作用于连接板。所述试验机加载头Ⅱ的上端搁置底板。

试验时，框架Ⅱ向下运动，带动拉头Ⅱ向下运动。

本发明还公开一种关于上述可在三轴压缩试验机上使用的岩石三轴拉压试验装置的使用方法，包括以下步骤：

1)将拉头Ⅰ和拉头Ⅱ与试样对中。试样上下表面采用强力胶分别粘贴拉头Ⅰ与拉头Ⅱ，形成组装体。

2)待强力胶完全凝固后，采用热缩管包裹所述组装体。使用热风机加热热缩管。热缩管收缩后，贴附于组装体表面。

3)将组装体置于空间S内。通过内六角螺栓将拉头Ⅰ与横梁Ⅰ连接，拉头Ⅱ与横梁Ⅱ连接。

4)将组合件置于压力室内，采用试验机围压加载系统加载围压至设定值。

5)通过试验机加载头Ⅰ和试验机加载头Ⅱ施加竖向荷载，直到试样破坏。试样破坏后立即关闭试验机加载系统。

进一步，所述拉头Ⅰ和拉头Ⅱ的直径与试样直径相同。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.结构简易，性能可靠；

B.框架设计将试验机竖向压力转为岩石试样的拉应力，操作简单，易于控制；

C.本发明装置可在现有三轴压缩试验机上使用，无需专门配备试验系统，大幅降低试验成本的同时保证了试验结果的准确；

D.本发明可以进行任意围压作用下的岩石试样拉伸试验，轴向拉力和围压相互独立。

附图说明

图1为试验加载示意图；

图2为框架Ⅰ结构示意图；

图3为框架Ⅰ剖面图；

图4为框架Ⅰ仰视图；

图5为框架Ⅱ结构示意图；

图6为连接板俯视图；

图7为组合件结构示意图；

图8为拉头Ⅰ结构示意图；

图9为拉头Ⅱ仰视图；

图10为垫板仰视图。

图中：半包围空间ⅠS1、半包围空间ⅡS2、空间S、框架Ⅰ1、横梁Ⅰ101、沉头通孔Ⅰ1011、支撑柱Ⅰ102、矩形孔Ⅰ1021、缺口Ⅰ1022、螺纹孔Ⅰ1023、支撑柱Ⅱ103、矩形孔Ⅱ1031、缺口Ⅱ1032、螺纹孔Ⅱ1033、框架Ⅱ2、横梁Ⅱ201、沉头通孔Ⅱ2011、立柱Ⅰ202、螺纹孔Ⅲ2021、立柱Ⅱ203、螺纹孔Ⅳ2031、连接板3、滚珠阵列Ⅰ301、沉头通孔Ⅲ302、拉头Ⅰ4、螺纹孔Ⅴ401、拉头Ⅱ40、螺纹孔Ⅵ4001、底板5、沉头通孔Ⅳ501、试样6、试验机加载头Ⅰ7、试验机加载头Ⅱ70、压力室8、热缩管9。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种可在三轴压缩试验机上使用的岩石三轴拉压试验装置，包括框架Ⅰ1、框架Ⅱ2、连接板3、拉头Ⅰ4、拉头Ⅱ40和底板5。

参见图2、图3和图4，所述框架Ⅰ1包括横梁Ⅰ101、支撑柱Ⅰ102和支撑柱Ⅱ103。所述横梁Ⅰ101连接在支撑柱Ⅰ102和支撑柱Ⅱ103之间，三者上表面平齐。所述横梁Ⅰ101、支撑柱Ⅰ102和支撑柱Ⅱ103合围半包围空间ⅠS1。所述横梁Ⅰ101、支撑柱Ⅰ102和支撑柱Ⅱ103为一个整体。

所述横梁Ⅰ101顶面上具有沉头通孔Ⅰ1011。所述沉头通孔Ⅰ1011中具有内六角螺栓。

所述支撑柱Ⅰ102上开有贯穿其顶底面的矩形孔Ⅰ1021。所述支撑柱Ⅰ102的底面上去除一个长方体A形成缺口Ⅰ1022。所述缺口Ⅰ1022连通矩形孔Ⅰ1021和支撑柱Ⅰ102的一个侧面。所述缺口Ⅰ1022的一个出口在半包围空间ⅠS1内。所述支撑柱Ⅰ102的底面还具有若干个螺纹孔Ⅰ1023。

所述支撑柱Ⅱ103上开有贯穿其顶底面的矩形孔Ⅱ1031。所述支撑柱Ⅱ103的底面上去除一个长方体B形成缺口Ⅱ1032。所述缺口Ⅱ1032连通矩形孔Ⅱ1031和支撑柱Ⅱ103的一个侧面。所述缺口Ⅱ1032的一个出口在半包围空间ⅠS1内。所述支撑柱Ⅱ103的底面还具有若干个螺纹孔Ⅱ1033。

参见图5，所述框架Ⅱ2包括横梁Ⅱ201、立柱Ⅰ202和立柱Ⅱ203。所述横梁Ⅱ201连接在立柱Ⅰ202和立柱Ⅱ203之间，三者底面平齐。所述横梁Ⅱ201、立柱Ⅰ202和立柱Ⅱ203合围半包围空间ⅡS2。所述横梁Ⅱ201、立柱Ⅰ202和立柱Ⅱ203为一个整体。

所述横梁Ⅱ201底面上具有沉头通孔Ⅱ2011。所述沉头通孔Ⅱ2011中具有内六角螺栓。

所述立柱Ⅰ202的顶面上具有若干个螺纹孔Ⅲ2021。

所述立柱Ⅱ203的顶面上具有若干个螺纹孔Ⅳ2031。

参见图6，所述连接板3两端分别搭设在立柱Ⅰ202和立柱Ⅱ203的顶面上。所述连接板3和框架Ⅱ2构成口字型。所述连接板3的板面上具有若干个沉头通孔Ⅲ302。这些沉头通孔Ⅲ302中具有内六角螺栓。所述内六角螺栓穿过沉头通孔Ⅲ302后旋入螺纹孔Ⅲ2021或螺纹孔Ⅳ2031中，将连接板3和框架Ⅱ2固定连接。所述连接板3的上板面还具有滚珠阵列301。所述滚珠阵列301中的滚珠可自由转动。

参见图7，所述框架Ⅰ1、框架Ⅱ2和连接板3构成组合件。所述组合件中，横梁Ⅰ101位于横梁Ⅱ201的上方，连接板3位于横梁Ⅰ101的上方。所述立柱Ⅰ202插入矩形孔Ⅰ1021中。所述立柱Ⅱ203插入矩形孔Ⅱ1031中。所述横梁Ⅱ201的两端分别嵌入缺口Ⅰ1022和缺口Ⅱ1032中。所述半包围空间ⅠS1和半包围空间ⅡS2组合成空间S。所述立柱Ⅰ202的截面尺寸与矩形孔Ⅰ1021的截面尺寸相匹配，立柱Ⅱ203的截面尺寸与矩形孔Ⅱ1031的截面尺寸相匹配。所述矩形孔Ⅰ1021的截面尺寸与矩形孔Ⅱ1031的截面尺寸相同。所述框架Ⅱ2可竖向运动。

参见图8和图9，所述拉头Ⅰ4为刚性圆柱体。所述拉头Ⅰ4的上表面具有螺纹孔Ⅴ401。所述拉头Ⅱ40为刚性圆柱体。所述拉头Ⅱ40的下表面具有螺纹孔Ⅵ4001。

试样6是一个置于空间S内的圆柱体。这个圆柱体的上表面粘贴拉头Ⅰ4的下表面，下表面粘贴拉头Ⅱ40的上表面。

参见图1，所述拉头Ⅰ4通过内六角螺栓与横梁Ⅰ101连接，这些内六角螺栓穿过沉头通孔Ⅰ1011后，旋入螺纹孔Ⅴ401中。所述拉头Ⅱ40通过内六角螺栓与横梁Ⅱ201连接，这些内六角螺栓穿过沉头通孔Ⅱ2011后，旋入螺纹孔Ⅵ4001中。

参见图10，所述底板5的板面上具有若干个沉头通孔Ⅳ501。这些沉头通孔Ⅳ501中具有内六角螺栓。所述内六角螺栓穿过沉头通孔Ⅳ501后旋入螺纹孔Ⅰ1016或螺纹孔Ⅱ1026中，将底板5固定在框架Ⅰ1下方。

参见图1，所述组合件置于压力室8内。所述压力室8为三轴试验机的液压室。所述压力室8内充满高压液体。高压液体提供侧向压力。所述组合件的上方和下方分别与试验机加载头Ⅰ7和试验机加载头Ⅱ70接触。

所述试验机加载头Ⅰ7的下端作用于连接板3。所述试验机加载头Ⅱ70的上端搁置底板5。

当进行试验时，框架Ⅱ2向下运动。横梁Ⅱ201带动拉头Ⅱ40向下运动。横梁Ⅱ201对拉头Ⅱ40施加向下的力，横梁Ⅰ101对拉头Ⅰ4施加向上的力。进而，拉头Ⅰ4对试样6产生向上的拉力，拉头Ⅱ40对试样6产生向下的拉力。这样，就将试验机加载头Ⅰ7和试验机加载头Ⅱ70对框架Ⅰ和框架Ⅱ2施加的压力转化为拉头Ⅰ4和拉头Ⅱ40对试样6施加的拉力。

实施例2：

本实施例公开一种关于实施例1所述可在三轴压缩试验机上使用的岩石三轴拉压试验装置的使用方法，包括以下步骤：

1)将拉头Ⅰ4和拉头Ⅱ40与试样6对中。试样6上下表面采用强力胶分别粘贴拉头Ⅰ4与拉头Ⅱ40，形成组装体。其中，所述拉头Ⅰ4和拉头Ⅱ40的直径与试样6直径相同。

2)待强力胶完全凝固后，采用热缩管9包裹所述组装体。使用热风机加热热缩管9。热缩管9收缩后，贴附于组装体表面。

3)将组装体置于空间S内。通过内六角螺栓将拉头Ⅰ4与横梁Ⅰ101连接，拉头Ⅱ40与横梁Ⅱ201连接。

4)将组合件置于压力室8内，采用试验机围压加载系统加载围压至设定值。

5)通过试验机加载头Ⅰ7和试验机加载头Ⅱ70施加竖向荷载，框架Ⅱ2向下运动带动拉头Ⅰ4竖向运动，从而对试样6施加拉力，直到试样6破坏。试样6破坏后立即关闭试验机加载系统。