一种岩石试样变形测量装置及方法与流程

本发明属于岩石力学测试技术领域，特别是涉及一种岩石试样变形测量装置及方法。

背景技术：

岩石变形试验是测定岩石试样在单轴压缩应力条件下的纵向及横向应变值，据此来计算岩石的弹性模量和泊松比，具体通过压力试验机对岩石试样加载单轴压缩应力，同时加载过程中实时测量力值、纵向应变值和横向应变值，力值测量依靠压力试验机的输出力或通过负荷传感器采集，而纵向应变值和横向应变值的测量方式分为两种，第一种是利用应变片进行测量，第二种是利用位移传感器进行测量，但上述两种测量方式仍然处在不足之处。

当利用应变片进行测量时，存在的不足之处有以下几点：

①、应变片测量变形信息主要反映的是岩石试样的局部变形特征，其反映岩石试样整体变形的能力较差，由于岩石存在不均匀性，岩石试样的局部变形不能代表其整体变形；

②、应变片测量属于一次性测量元件，在岩石试样破坏后，应变片也随之破坏，导致应变片无法重复利用；

③、在岩石试样受载过程中，可能出现岩石试样表面先发生破坏而整体未完全破坏的情况，从而会因岩石试样表面先破坏而导致应变片过早损坏，无法进行后续测量；

④、由于应变片需要通过粘贴方式固定在岩石试样表面，而胶水材料性能以及操作人员技术水平的差异，也会影响到测量数据的准确性。

因此，利用应变片进行测量纵向应变值和横向应变值时，将难以准确测量出岩石试样变形的全应力-应变曲线。

当利用位移传感器进行测量时，现有的测量方式为：对岩石试样的纵向变形量进行测量时，直接将位移传感器通过磁性表座固定到压力试验机的上下压头上；对岩石试样的横向变形量进行测量时，直接将位移传感器通过磁性表座固定到压力试验机的上压头上，且位移传感器的测量头直接顶靠在岩石试样表面，但上述测量方式存在严重不足之处：

①、对于所测得的纵向位移，其包含了压力试验机压头的变形成分，会导致测量数据存在误差；

②、对于所测得的横向变形，其包含了压力试验机压头扭转的变形成分，会导致测量数据存在误差；

③、对于硬脆类的岩石试样来说，在岩石试样破坏时，岩石试样会产生爆炸式开裂，而炸裂后飞溅的岩石碎块极易损坏位移传感器。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种岩石试样变形测量装置及方法，基于位移传感器对岩石试样的变形进行测量，可有效减小测量误差，在测量硬脆类岩石试样变形时，能够有效杜绝位移传感器被炸裂飞溅的岩石碎块损坏，保证位移传感器的安全，位移传感器能够多次重复使用，并可精确稳定的完成每一次测量任务。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种岩石试样变形测量装置，包括基架体、导向压杆、球形压块、纵向位移传感器及横向位移传感器；所述基架体竖直设置，在基架体的顶部开设有压杆导向孔，所述导向压杆竖直穿装于压杆导向孔内；在所述基架体的底部设有试样盛放台，岩石试样放置于试样盛放台上表面，所述球形压块位于岩石试样与导向压杆之间；在所述压杆导向孔侧方的基架体外表面设置有纵向位移传感器支架，在纵向位移传感器支架上开设有纵向位移传感器穿装孔，所述纵向位移传感器竖直穿装于纵向位移传感器穿装孔内，且纵向位移传感器的测量杆朝下，在纵向位移传感器与纵向位移传感器支架之间安装有纵向位移传感器定位螺钉；在所述球形压块侧方的基架体上开设有让位孔，在球形压块上设有压块延伸体，压块延伸体穿过让位孔并延伸至基架体外部，所述纵向位移传感器的测量杆顶端顶靠在压块延伸体上表面；在所述岩石试样侧方的基架体外表面固装有横向位移传感器支架，在横向位移传感器支架上开设有横向位移传感器穿装孔，所述横向位移传感器水平穿装于横向位移传感器穿装孔内，且横向位移传感器的测量杆朝向岩石试样，在横向位移传感器与横向位移传感器支架之间安装有横向位移传感器定位螺钉；在所述横向位移传感器与岩石试样之间的基架体上开设有横向测量孔，在横向测量孔内安装有横向变形转换器，所述横向位移传感器的测量杆顶端顶靠在横向变形转换器外端，横向变形转换器内端顶靠在岩石试样侧表面。

所述横向变形转换器包括变形转换顶杆、顶杆外套管、复位弹簧、内定位螺帽及外定位螺帽；所述变形转换顶杆一端设为球形顶尖，变形转换顶杆另一端设为平面，变形转换顶杆的球形顶尖与岩石试样侧表面顶靠接触，所述横向位移传感器的测量杆顶端与变形转换顶杆的平面端顶靠接触；所述顶杆外套管套装在变形转换顶杆上，在顶杆外套管与变形转换顶杆之间留有环向间隙，所述复位弹簧位于环向间隙内；在所述顶杆外套管的外表面设有外螺纹，所述内定位螺帽及外定位螺帽通过外螺纹连接在顶杆外套管的两端。

一种岩石试样变形测量方法，采用了所述的岩石试样变形测量装置，包括如下步骤：

步骤一：将岩石试样变形测量装置整体放置到压力试验机的下压头上，在压力试验机的上压头上以对中方式安装应变式负荷传感器；

步骤二：将岩石试样放置到基架体底部的试样盛放台上表面，调整横向变形转换器位置，通过复位弹簧对变形转换顶杆产生顶紧力，使变形转换顶杆的球形顶尖与岩石试样侧表面顶靠接触在一起；

步骤三：将横向位移传感器安装到横向位移传感器支架上，使横向位移传感器的测量杆顶端与变形转换顶杆的平面端顶靠接触在一起，设定好横向位移传感器的预压位移后旋紧横向位移传感器定位螺钉；

步骤四：将纵向位移传感器安装到纵向位移传感器支架上，使纵向位移传感器的测量杆顶端与压块延伸体的上表面顶靠接触在一起，设定好纵向位移传感器的预压位移后旋紧纵向位移传感器定位螺钉；

步骤五：将应变式负荷传感器、横向位移传感器支架及纵向位移传感器支架的信号输出端依次接入数据采集器和计算机；

步骤六：启动压力试验机，以位移控制方式对岩石试样进行加载，直至岩石试样破坏，通过采集的试验数据绘制岩石试样破坏过程的应力应变曲线。

本发明的有益效果：

本发明的岩石试样变形测量装置及方法，基于位移传感器对岩石试样的变形进行测量，可有效减小测量误差，在测量硬脆类岩石试样变形时，能够有效杜绝位移传感器被炸裂飞溅的岩石碎块损坏，保证位移传感器的安全，位移传感器能够多次重复使用，并可精确稳定的完成每一次测量任务。

附图说明

图1为本发明的一种岩石试样变形测量装置的构示意图；

图2为本发明的横向变形转换器的结构示意图；

图3为实施例中岩石试样破坏过程的应力应变曲线图；

图中，1—基架体，2—导向压杆，3—球形压块，4—纵向位移传感器，5—横向位移传感器，6—压杆导向孔，7—试样盛放台，8—岩石试样，9—纵向位移传感器支架，10—纵向位移传感器穿装孔，11—纵向位移传感器定位螺钉，12—让位孔，13—压块延伸体，14—横向位移传感器支架，15—横向位移传感器穿装孔，16—横向位移传感器定位螺钉，17—横向测量孔，18—横向变形转换器，19—变形转换顶杆，20—顶杆外套管，21—复位弹簧，22—内定位螺帽，23—外定位螺帽，24—球形顶尖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种岩石试样变形测量装置，包括基架体1、导向压杆2、球形压块3、纵向位移传感器4及横向位移传感器5；所述基架体1竖直设置，在基架体1的顶部开设有压杆导向孔6，所述导向压杆2竖直穿装于压杆导向孔6内；在所述基架体1的底部设有试样盛放台7，岩石试样8放置于试样盛放台7上表面，所述球形压块3位于岩石试样8与导向压杆2之间；在所述压杆导向孔6侧方的基架体1外表面设置有纵向位移传感器支架9，在纵向位移传感器支架9上开设有纵向位移传感器穿装孔10，所述纵向位移传感器4竖直穿装于纵向位移传感器穿装孔10内，且纵向位移传感器4的测量杆朝下，在纵向位移传感器4与纵向位移传感器支架9之间安装有纵向位移传感器定位螺钉11；在所述球形压块3侧方的基架体1上开设有让位孔12，在球形压块3上设有压块延伸体13，压块延伸体13穿过让位孔12并延伸至基架体1外部，所述纵向位移传感器4的测量杆顶端顶靠在压块延伸体13上表面；在所述岩石试样8侧方的基架体1外表面固装有横向位移传感器支架14，在横向位移传感器支架14上开设有横向位移传感器穿装孔15，所述横向位移传感器5水平穿装于横向位移传感器穿装孔15内，且横向位移传感器5的测量杆朝向岩石试样8，在横向位移传感器5与横向位移传感器支架14之间安装有横向位移传感器定位螺钉16；在所述横向位移传感器5与岩石试样8之间的基架体1上开设有横向测量孔17，在横向测量孔17内安装有横向变形转换器18，所述横向位移传感器5的测量杆顶端顶靠在横向变形转换器18外端，横向变形转换器18内端顶靠在岩石试样8侧表面。

所述横向变形转换器18包括变形转换顶杆19、顶杆外套管20、复位弹簧21、内定位螺帽22及外定位螺帽23；所述变形转换顶杆19一端设为球形顶尖24，变形转换顶杆19另一端设为平面，变形转换顶杆19的球形顶尖24与岩石试样8侧表面顶靠接触，所述横向位移传感器5的测量杆顶端与变形转换顶杆19的平面端顶靠接触；所述顶杆外套管20套装在变形转换顶杆19上，在顶杆外套管20与变形转换顶杆19之间留有环向间隙，所述复位弹簧21位于环向间隙内；在所述顶杆外套管20的外表面设有外螺纹，所述内定位螺帽22及外定位螺帽23通过外螺纹连接在顶杆外套管20的两端。

本实施例中，纵向位移传感器4及横向位移传感器5均设置两组，岩石试样8采用圆柱形试样，岩石试样8的直径为50mm，岩石试样8的高度为100mm。

一种岩石试样变形测量方法，采用了所述的岩石试样变形测量装置，包括如下步骤：

步骤一：将岩石试样变形测量装置整体放置到压力试验机的下压头上，在压力试验机的上压头上以对中方式安装应变式负荷传感器；

步骤二：将岩石试样8放置到基架体1底部的试样盛放台7上表面，调整横向变形转换器18位置，通过复位弹簧21对变形转换顶杆19产生顶紧力，使变形转换顶杆19的球形顶尖24与岩石试样8侧表面顶靠接触在一起；

步骤三：将横向位移传感器5安装到横向位移传感器支架14上，使横向位移传感器5的测量杆顶端与变形转换顶杆19的平面端顶靠接触在一起，设定好横向位移传感器5的预压位移后旋紧横向位移传感器定位螺钉16；本实施例中，横向位移传感器5的量程为5mm，预压位移的设定值为1mm；

步骤四：将纵向位移传感器4安装到纵向位移传感器支架9上，使纵向位移传感器4的测量杆顶端与压块延伸体13的上表面顶靠接触在一起，设定好纵向位移传感器4的预压位移后旋紧纵向位移传感器定位螺钉11；本实施例中，纵向位移传感器4的量程为10mm，预压位移的设定值为8mm；

步骤五：将应变式负荷传感器、横向位移传感器支架14及纵向位移传感器支架9的信号输出端依次接入数据采集器和计算机；

步骤六：启动压力试验机，以位移控制方式对岩石试样8进行加载，直至岩石试样8破坏，通过采集的试验数据绘制岩石试样8破坏过程的应力应变曲线。如图3所示，为本实施例中岩石试样8破坏过程的应力应变曲线图。

在岩石试样8进行加载过程中，岩石试样8的纵向位移直接体现为球形压块3的纵向位移，通过纵向位移传感器4可直接测量出压块延伸体13的纵向位移值，即球形压块3的纵向位移值，进而间接获取了岩石试样8的纵向位移数据。

在岩石试样8进行加载过程中，岩石试样8的横向变形直接体现为变形转换顶杆19的横向位移，通过横向位移传感器5可直接测量出变形转换顶杆19的横向位移值，进而间接接获取了岩石试样8的横向位移数据。

当岩石试样8加载至破坏时，在岩石试样8爆炸式开裂后，其飞溅的岩石碎块将全部被限制在基架体1内部，而纵向位移传感器4和横向位移传感器5均位于基架体1外部，因此杜绝了飞溅的岩石碎块损坏位移传感器情况的发生。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。