一种岩石双轴拉伸实验装置及其应用方法与流程

本发明涉及一种岩石力学参数测试设备，特别是涉及一种岩石双轴拉伸实验装置及其应用方法。

背景技术：

岩石作为一种非均质材料，在历经了亿万年的地质作用后，其力学性质也受到其内部矿物组合及微裂隙的影响，因此岩石材料的力学特性是评价地下工程结构稳定性的重要指标。传统的岩石力学性质测试包括单轴压缩、单轴拉伸以及剪切测试等等，通过这些实验测试手段所得到的力学参数能为一般的岩体工程设计与支护提供重要的参考。然而传统的力学性能测试参数无法反映所有的工程当中岩体的真实受力状态，如岩石薄板，在地下工程当中岩石薄板一般处于二向应力状态，薄板部分会受到明显的拉伸作用，而一般的单轴拉伸试验已经无法准确的描述岩石薄板的力学性质。

目前，一般的岩石试验机均无法进行双轴拉伸试验，大型试验机也无法进一步进行岩石双轴拉伸下的细观开裂行为及机理研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种测试准确可靠，能有效解决目前实验系统无法进行岩石双轴拉伸测试问题的双轴拉伸实验装置及其应用方法。

本发明提供的这种岩石双轴拉伸实验装置，岩石试样为长方体形样体。本装置包括底座、竖向的固定框架和活动框架、横向的可伸缩组件，底座横向布置，固定框架连接于底座的中心位置处，活动框架可上下运动的穿套连接于固定框架上，固定框架的上端位于活动框架的上、下端之间，固定框架的上端连接有上拉伸垫板，活动框架的下端连接有下拉伸垫板，可伸缩组件包括横向加载板及其连接的传力件，传力件对称连接于底座上，分置于固定框架的两侧，活动框架的上端和传力件之间联动，试样的顶面和底面分别与两拉伸垫板粘结、一对侧面分别与横向加载板粘结，给活动框架的上端施加向下的竖向荷载时，活动框架向下运动的同时带动传力件横向运动，对试样同时进行竖向和横向双轴拉伸。

上述技术方案的一种实施方式中，所述底座的上表面为水平面，所述固定框架包括水平顶板和连接于水平顶板下侧的支撑件，支撑件的下端连接于底座的上表面。

上述技术方案的一种实施方式中，所述活动框架包括矩形顶板、矩形底板和连接柱，矩形顶板的平面尺寸大于矩形底板的平面尺寸，两者均水平布置，矩形底板的四个角部分别固定有连接柱，连接柱的上端穿过所述固定框架的水平顶板后固定于矩形顶板上。

上述技术方案的一种实施方式中，所述固定框架的水平顶板上对应所述连接柱位置处安装有直线轴承，连接柱的上端从直线轴承中穿过，直线轴承给连接柱的上下运动导向。

上述技术方案的一种实施方式中，所述底座的上表面对应活动框架的矩形底板位置处有矩形凹槽，矩形底板位于该矩形凹槽中。

上述技术方案的一种实施方式中，所述可伸缩组件的传力件为横向拉伸杆，横向拉杆配套有滑轨，横向拉伸杆的一端连接所述横向加载板，另一端通过滑槽连接于滑轨上，滑轨关于固定框架对称连接于所述底座的上表面对应活动框架矩形顶板的长度方向中心面处。

上述技术方案的一种实施方式中，所述活动框架矩形顶板的两端分别和所述横向拉伸杆之间铰接有可伸缩的联动杆，联动杆的两端均可绕铰接处转动。

上述技术方案的一种实施方式中，所述活动框架的矩形底板上开设有t型槽，所述下拉伸垫板的横截面形状为工字型，下拉伸垫板的下翼板插接于t型槽中。

上述技术方案的一种实施方式中，所述上拉伸垫板为矩形板，其中心位置处连接有螺杆，螺杆穿过所述固定框架的水平顶板后通过螺母锁紧。

本发明提供的利用上述技术方案对岩石进行双轴拉伸实验的方法，包括以下步骤：

(1)将横向加载板粘结于试样的一对侧壁，将试样粘结于下拉伸垫板的上表面；

(2)将下拉伸垫板连接于活动框架的矩形底板上；

(3)将内框架向上提升，将横向加载板与传力组件连接；

(4)在试样与上拉伸垫板粘结；

(5)利用岩石剪切流变仪给活动框架的上端施加向下的竖向荷载，直至试样断裂破坏；加载过程中采用前置摄像机对试样内部的裂纹扩展过程进行拍摄，并记录实时载荷、位移及对破坏面进行观察与拍照；

(6)实验结束后对记录数据进行分析；

(7)更换试样，重复上述步骤，给试样施加不同的竖向荷载。

本发明的工作原理如下：试样的顶面通过上拉伸垫板及螺杆螺母与固定框架的水平顶板连接，试样的底面通过下拉伸垫板与活动框架的矩形底板连接，试样的一对侧壁分别与对称布置的可伸缩组件连接。活动框架的上端和可伸缩组件之间通过联动杆连为一体，所以当给活动框架的活动顶板施加竖向向下的荷载时，活动框架向下运动，其矩形底板通过下拉伸垫板将试样向下拉，而上拉伸垫板将试样向上拉。活动框架向下运动的同时，通过联动杆使可伸缩组件的横向拉伸杆沿滑轨往外滑动，同时给试样施加横向拉伸。也就是说，给活动框架的矩形顶板施加竖向荷载，即可同时实现对试样的竖向和横向双轴拉伸。

本发明的竖向的活动框架和横向的可伸缩组件之间联动，只需施加竖向荷载即可同时对试样进行竖向和横向双轴拉伸，活动框架和可伸缩组件的横向拉伸杆的运动均稳定可靠，所以具有结构简单，操作方便的优势。同时通过岩石轴向加载仪施加荷载，所以本装置对试样同时进行的双轴拉伸得出的实验数据真实可靠，可为地下工程开挖与设计提供科学的实验条件。

附图说明

图1为本发明一个实施例的正视示意图。

图2为图1的俯视示意图。

图3为图1的侧视示意图。

图4为图1中底座、固定框架及活动框架和上垫板的装配示意图。

图5为图1中可伸缩组件、可伸缩联动杆及活动框架的装配示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例公开的这种岩石双轴拉伸实验装置，岩石试样为长方体形样体。本实验装置主要包括底座1、固定框架2、活动框架3和可伸缩组件4、联动杆5、上拉升垫板6、下拉伸垫板7。

结合图1、图2可以看出，本实施例的底座1为矩形座，其上表面的长度方向中间位置处有矩形凹槽11，矩形凹槽的宽度与底座1的宽度一致。

结合图1、图3和图4所示，本实施例的固定框架2由水平顶板21及其下侧角部四块块支撑板组成，水平顶板的形状为矩形。

结合图1、图3和图4可以看出，固定框架2的四块支撑板下端固定于底座1上，水平顶板21的长度方向中心面与矩形凹槽11的长度方向中心面共面。

为了保证底座和固定框架的整体性能，可考虑将底座和固定框架采用凸字型的整体钢材切割成型。

从图1、图2和图4可以看出，活动框架3包括矩形顶板31、矩形底板32和连接柱33，矩形顶板的平面尺寸大于矩形底板的平面尺寸，两者沿水平面布置。矩形底板32位于底座1上的矩形凹槽中，其尺寸略小于矩形凹槽的尺寸。矩形顶板31位于固定框架2水平顶板21的上方，四根连接柱33的下端分别固定于矩形底板32的四个角部、上端分别穿过水平顶板21后与矩形顶板31连接固定。水平顶板上对应连接柱位置处安装有直线轴承，连接柱从直线轴承22中穿过。连接柱上下运动时，直线轴承不仅摩擦力小还可起导向作用。

结合图1、图2和图5可以看出，可伸缩组件4包括横向拉伸杆41、矩形加载板42和滑轨43，横向拉伸杆41的一端可拆卸垂直连接于矩形加载板42的中心位置处，另一端通过滑槽连接于滑轨43上，滑轨43关于底座1的长度方向中心面对称连接于底座1的上表面。滑轨在底座上的连接位置对应活动框架矩形顶板的长度方向中心面。

本实施例的滑轨43采用有轴向平面的圆柱，且圆柱的圆弧角约为3/4圆周角。横向拉伸杆41上的滑槽尽量将滑轨43包裹，以保证横向拉伸杆41在滑动过程中部脱轨。

结合图1、图3和图5可以看出，联动杆5的两端分别通过销轴与活动框架3的矩形顶板31和可伸缩组件4的横向拉伸杆41铰接。矩形顶板的长度方向中心面两端分别设置有铰接耳座，横向拉伸杆的外端设置有铰接槽。联动杆5的长度可调节。

如图1所示，上拉伸垫板6为矩形板，其平面尺寸与试样的顶面尺寸相同，其中心位置处连接有螺杆8，螺杆的上端穿过固定框架水平顶板上中心位置处的安装孔后通过蝶形螺母锁紧。上拉伸垫板的高度位置可通过螺杆调整。

如图1所示，活动框架3矩形底板上表面的长度方向中心面上开设有t形槽。下拉伸垫板7的横截面形状为工字型，其下翼板插接于t型槽中。

本装置的工作原理如下：试样的顶面通过上拉伸垫板及螺杆螺母与固定框架的水平顶板连接，试样的底面通过下拉伸垫板与活动框架的矩形底板连接，试样的一对侧壁分别与对称布置的可伸缩组件连接。活动框架的上端和可伸缩组件之间通过联动杆连为一体，所以当给活动框架的活动顶板施加竖向向下的荷载时，活动框架向下运动，其矩形底板通过下拉伸垫板将试样向下拉，而上拉伸垫板将试样向上拉。活动框架向下运动的同时，通过联动杆使可伸缩组件的横向拉伸杆沿滑轨往外滑动，同时给试样施加横向拉伸。也就是说，给活动框架的矩形顶板施加竖向荷载，即可同时实现对试样的竖向和横向双轴拉伸，结构简单、操作方便可靠。

活动框架和横向拉伸杆的运动均稳定可靠，同时通过岩石轴向加载仪施加荷载，所以本装置对试样同时进行的双轴拉伸得出的实验数据真实可靠。

本装置对试样进行双轴拉伸实验时，将整个装置置于岩石轴向加载机上，通过轴向加载台施加竖向荷载，实验具体步骤如下：

(1)在试样的一对侧壁涂上强力胶水，将横向加载板粘结于这对侧壁，然后在试样的底面涂上强力胶水，将试样粘结于下拉伸垫板的上翼板上。

(2)将下拉伸垫板的下翼板插接于活动框架矩形底板上的t型槽中。

(3)将内框架向上提升，将横向加载板与横向拉伸杆之间通过螺栓连接。

(4)在试样的顶面涂上强力胶水，通过上拉伸垫板连接的螺杆调整上拉伸垫板的高度位置，使上拉伸垫板与试样顶面粘结。

(5)利用岩石轴向加载仪给活动框架的矩形顶板施加向下的竖向荷载，加载速率为0.1mm/min，直至试样断裂破坏；加载过程中采用摄像机对试样内部的裂纹扩展过程进行拍摄，并记录实时载荷、位移及对破坏面进行观察与拍照。摄像机的设置对应试样另一对侧壁的正前方。

(6)实验结束后终于载荷、位移等参数均可通过excel保存和导出，研究人员可以利用这些数据分析岩石在双轴拉伸作用下的力学性质。

(7)更换试样，给试样施加不同的竖向荷载，重复实验得出相应数据。本发明不仅能够实现岩石双轴拉伸实验，还便于观察双轴拉伸测试下岩石内部裂纹起裂以及扩展过程。