一种点荷载试验仪及点荷载试验方法与流程

本发明涉及点荷载试验设备，尤其是一种具备试样固定装置的点荷载试验仪及点荷载试验方法。

背景技术：

为了得到岩石的单轴抗压强度，一般需要将岩石加工成标准岩石试样，在室内采用压力机对岩石试样进行抗压试验。加工标准岩石试样的过程难免会对原始岩石造成二次破坏，例如：破坏了岩石本身内部细微构造，从而一定程度上影响了试验结果的准确性。而点荷载试验不需要对原始岩石进行加工就可以对岩石试块进行试验，具备一定的优势。

点荷载试验被广泛应用到各个工程领域，例如：矿山工程、土木工程及地质工程等。点荷载试验相比较室内岩石力学试验，具有便携性、快速性、低廉性等特点。点荷载试验过程中，采用点荷载试验仪完成岩石试块的强度测定，主要有底座、手摇液压泵、锥形压头、以及固定杆等部件组成。在工作现场，选取要测定的岩石试块，放在点荷载试验仪的上下两个加压锥形头之间，手摇液压千斤顶压杆直至岩石试块破坏后，停止加压(即停止操作压杆)。

现有的点荷载试验仪存在以下缺陷：

1、岩石试块在试验前靠人工手持定位，用手抓持岩石试样并送至靠近上锥形压头底部的位置，由于上锥形压头不能保持试块的稳定，需要下部锥形压头压到岩石试块时，使试块不动后才能够松手，一方面，锥头容易压到手，存在较大安全隐患；另一方面，在下部锥形压头压到岩石试块之前，一只手固定住岩石试块不能松开，而另一只手需要操作液压千斤顶压杆使下部锥形头上升，具有很大的不便捷性。

2、将岩石试块固定后，继续手摇液压千斤顶直至试块压坏后，停止加压。这个过程，岩石试块由于受到压力，容易产生崩裂，加压后的岩石试块具备了能量，岩石试块碎屑会向四周飞溅，一方面极容易伤害到试验操作人员；另一方面，崩裂的岩石试块飞溅至四周后，各分裂后的块体位置发生变化，较难找到分裂后的块体在试验前的整体试块上的原始位置，尤其是对于本身脆性较大的岩石，崩裂后产生的小块体数量多，很难对试验后的破碎小块体进行拼接复原，进而不能针对崩裂后的岩石试块的形态、裂纹破坏等情况与试验前的整体试块进行对比分析，影响研究工作的开展。

专利cn201320808075.3公开了一种带径向夹持的点荷载试验装置，它包括用于加荷的液压式压力试验机和与压力试验机配套使用的试件夹持装置以及上、下加荷锥；试件夹持装置结构是：在液压式压力试验机的液压油缸柱头的中心轴上设有高度能调的垫柱，垫柱上设有垫板；垫板两端对称设有能上下调节的左、右纵向杆；在左、右纵向杆上的对称位置分别设有能水平推拉的横向杆，两根横向杆的内端头分别设有弧形的弹性夹持垫，要求两个夹持垫的弧形对应。该专利主要是设计了一种径向夹持装置，在一定程度上达到了安全测试的目的，但专利cn201320808075.3仍存在以下几点不足之处：

1、结构复杂，操作繁琐。使用专利cn201320808075.3公开的夹持装置最少需要前后左右4个连接杆才能达到固定岩石试块的目的，结构较为复杂；且为了夹持一个岩石试块可能需要调节4次垫板连接杆，且左右都要调节，如果调节位置不合适，还会对试验结果造成影响。一般点荷载试验会开展成百上千次岩石试块试验，每次试验都要调整垫板连接杆，这就无形中增加了试验时间。

2、安全性不高。专利cn201320808075.3仅仅在岩石试块左右两边设置了夹持装置，没有在岩石试块前后两侧设置夹持装置，但岩石试块在被锥形头加压的过程中，其破坏后向四周飞溅，崩落方向具有很大的不确定性，所以岩石试块破坏后该装置并不能完全防止破碎后的块石从前后两侧方向崩落伤人，尤其对于脆性较大的岩石试块。

3、影响测试结果。专利cn201320808075.3公开的夹持装置中的夹持垫从左右方向上夹紧岩石试块，但夹持垫对岩石试块的夹紧力难以准确评估和控制，在试验过程中夹持垫对岩石试块的夹紧力无形中就给岩石试块施加了一个围压，此时该实验装置测的力学参数不是单轴抗压强度，而是在一定围压作用下的强度。

因此，现有技术中仍然需要一种方案，来解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种点荷载试验仪及点荷载试验方法，以解决背景技术中提出的问题。

一种点荷载试验仪，包括支撑装置、加载装置、测力装置和岩石试块固定装置，所述支撑装置包括横向支架和竖向支架，所述加载装置包括千斤顶25、下锥形压头27和上锥形压头28，所述测力装置包括设在上锥形压头上的压力传感器及与压力传感器电性连接的显示器29，所述岩石试块固定装置包括用于放置和固定岩石试块4的承载盒1及用于支撑连接承载盒的连接部件3，所述连接部件用于将所述承载盒连接在所述支撑装置上，所述承载盒包括上板11、下板12、侧板13与弹性连接件14，所述上板上设置有通孔一15，所述下板上设置有通孔二16，所述上板、下板和侧板的板材任选地为无孔板和/或网孔板，且所述无孔板包括平板或弧板，所述上板与侧板构成承载盒主体且用于与所述连接部件连接以及用于遮挡压裂后的岩石碎块飞溅，所述下板通过所述弹性连接件与所述承载盒主体弹性连接以便所述岩石试块在承载盒内的放入和取出，所述下板上设置的通孔二处用于放置待试验的岩石试块且通孔二设置为可供下锥形压头27向上伸入承载盒内部，通孔一设置为可供上锥形压头28向下伸入承载盒内部，且所述通孔一和通孔二在竖直方向上相对设置，所述上板位于靠近上锥形压头底部的位置，所述弹性连接件的弹力大于岩石试块与下板的重力之和，使得将岩石试块放置于下板上的通孔二的位置处且对准上锥形压头之后，岩石试块可在弹性连接件的弹力作用下随下板向上移动至最终与上锥形压头相抵，从而使岩石试块被固定。弹性连接件的弹力不需要过大，只需刚刚能将岩石试块向上托起，既可以固定岩石试块，又不会影响测试结果。

所述支撑装置包括上下分布的两个横向支架及左右分布的两根竖向支撑杆，两竖向支撑杆平行设置且两者的下端分别与位于下方的横向支架的两端固定连接，两竖向支撑杆上端穿设在位于上方的横向支架预设的导向孔中，并通过两个定位螺母26锁紧定位，松开定位螺母26后，上横向支架可沿左竖向支撑杆与右竖向支撑杆上下滑移，使得上下两个横向支架之间的竖向距离可调整，下方的横向支架的中间部位与加载装置固定连接。

在做点荷载试验时，所述上板的位置设置为高于上锥形压头底部，高出的高度大于或等于岩石试块与上锥形压头接触处的凹陷深度，亦即上锥形压头底部经通孔一伸入承载盒中，以使得表面凹陷的岩石试块在试验过程中始终位于上板下方，起到良好的防崩溅效果。

所述承载盒为矩形盒，弹性连接件对称分布在承载盒的四个角，每个角至少设置一根，一起对岩石试块提供均衡的支撑力。

所述弹性连接件采用弹簧，弹簧上端与承载盒主体部分的上板连接，弹簧下端与下板连接。

所述侧板的顶边与上板边缘固定在一起，侧板的高度h小于岩石试块沿上下锥形压头轴向方向的高度尺寸h，防止在岩石试块与上锥形压头相抵前，侧板底边与下板发生干涉而影响岩石试块的定位，同时又防止岩石试块裂开后形成的小块体完全散开，有助于后期的拼接复原工作。

所述侧板的高度h大于或等于岩石试块沿上下锥形压头轴向方向的高度尺寸h的1/2，以使侧板在岩石试块外围形成足够的防溅遮挡区域。

所述通孔一与通孔二均为圆孔，通孔一与通孔二的圆心均位于上下锥形压头的轴心线上，通孔一孔径大于上锥形压头的直径1～3mm，通孔二的孔径大于下锥形压头的直径1～3mm，以防止通孔一、通孔二的边缘与上下锥形压头侧壁干涉，将通孔一与通孔二的尺寸设置成合适的大小，又可以使上板在岩石试块上方形成足够的防溅遮挡区域，使下板对岩石试块提供足够稳定的支撑面积。通孔一与通孔二的孔径不能过小，也不能过大，过小会与上下锥形压头干涉，过大又会影响岩石试块的放置与固定，由于试验过程中选取的岩石试块的尺寸一般会大于上下锥形压头的直径，将通孔一与通孔二的尺寸设置成比上下锥形压头的尺寸大1～3mm，基本上能保证岩石试块的尺寸大于通孔一与通孔二的尺寸。

所述连接部件与支撑装置的连接为可拆卸的连接，如螺栓连接或卡扣连接，以使得连接部件与承载盒的安装位置可以根据需要进行调整。

所述连接部件为连接杆，且连接杆为对称设置在承载盒两侧的两根，所述连接杆优选为y形连接杆，每根连接杆上有两个连接点与所述承载盒主体连接，而另一个连接点与支撑装置连接。将连接杆设置为y形结构，可增加承载盒的稳定性，防止承载盒发生上下摆动甚至发生偏斜。

所述y形连接杆由两块折弯板镜像连接构成，两块折弯板中间部位贴合并用螺栓固定或焊接固定，两块折弯板用于连接承载盒主体的一端叉分成45～90度的角度并分别与承载盒侧板焊接在一起，所述竖向支架包括左右竖向支撑杆，两块折弯板用于连接左右竖向支撑杆的一端设置有与竖向支撑杆外柱面匹配的仿形面，两块折弯板用于连接左右竖向支撑杆的一端通过螺钉17抱紧竖向支撑杆而实现与竖向支撑杆的连接。

所述侧板为无孔板，所述上板除通孔一之外的部位均为无孔结构，所述下板采用带网孔121的网板，网孔用于使岩石试块裂开形成的碎屑及时漏出，以免影响下一试块的试验。由于点荷载试验一般要进行成百上千次试验，每一块岩石试块产生的碎屑能及时排出，将大大减轻总体工作强度，提高工作效率。或者所述下板为丝网结构，且丝网结构中的丝线直径为0.5～5mm，优选1～3mm，丝网结构中的孔大小为单向尺寸(如长度、宽度或直径等单个方向的尺寸)为3～30mm，优选5～20mm。

所述连接部件、上板、下板与侧板的材质采用金属材料，如不锈钢、合金、碳钢或铁。

本发明还提供了一种点荷载试验方法，使用所述点荷载试验仪，包括以下步骤：

1)岩石试块固定装置的安装：将连接有连接部件的承载盒置于上锥形压头下方，将承载盒向上移动，至上锥形压头底部经通孔一伸入承载盒内3～8mm，将所述连接部件用于连接支撑装置的一端通过螺钉17固定在支撑装置上，使岩石试块固定装置固定住；

2)岩石试块的固定：向下拉开下板，将岩石试块4放入承载盒的通孔二位置处，依靠弹性连接件14的拉力拉动下板将岩石试块固定；

3)开启压力传感器与显示器，摇动千斤顶的压杆、下锥形压头在千斤顶活塞杆的驱动下上升，经通孔二进入承载盒内并将力传递给岩石试块，至岩石试块破裂后停止摇动压杆，经显示器读取岩石试块的点荷载强度；

4)向下缩回千斤顶活塞杆与下锥形压头，向下拉开下板，取出破碎后的得到的小块体，放到指定位置待后期开展对比研究，进行下一个岩石试块的点荷载试验。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明通过在承载盒的上板与下板之间设置弹性连接件，将下板设置成可沿厚度方伸缩的活动式结构，当需要放置岩石试块时，拉开下板即可放入，将岩石试块放置在通孔二位置处，下板可载动岩石试块向上至与上锥形压头相抵，试验过程中，不再需要人工用手去抓持岩石试块，消除了安全陷患，且整个装置结构精简，操作便捷，操作人员可空出一只手用来压千斤顶或做其他工作，下锥形压头上升过程中，不再需要为了保持岩石试块位置固定而使身体保持某种固定的姿势，操作人员的目光也不用再盯着下锥形压头是否接触到岩石试块，转而可以观察压力传感器通过显示器显示的强度数值，使得以往需要两个人配合完成的点荷载试验可以由一人完成，保护了试验人员的安全，提高操作的便捷性，节省人力。

本发明通过承载盒的上板与侧板对岩石试块起防溅作用、增强试验安全性的同时，还杜绝了岩石试块裂开后形成的小块体发生崩落与长距离的移动的可能性，方便小块体后期的拼接复原，最大程度的保证了小块体拼接后的完整性，与试验前的整体试块进行对比分析。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的点荷载试验仪主视图；

图2是本发明优选实施例的岩石试块固定装置立体结构图(上板在图2中显示为透明结构)；

图中：1-承载盒，11-上板，12-下板，121-网孔，13-侧板，14-弹性连接件(弹簧)，15-通孔一，16-通孔二，17-螺钉；

20-底座，21-上横向支架，22-下横向支架，23-左竖向支撑杆，24-右竖向支撑杆，25-千斤顶，26-定位螺母，27-下锥形压头，28-上锥形压头，29-显示器；

3-连接部件，4-岩石试块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

一种点荷载试验仪，包括岩石试块固定装置，所述岩石试块固定装置设置于液压式点荷载试验仪主体2上，参见图1，所述点荷载试验仪还包括支撑装置、底座20及设置在底座上的加载装置，本实施例中，加载装置包括千斤顶25，千斤顶大油缸缸体上固定连接有所述支撑装置，支撑装置包括横向支架与竖向支架，所述横向支架包括上横向支架21与下横向支架22，所述竖向支架包括左竖向支撑杆23与右竖向支撑杆24，左竖向支撑杆与右竖向支撑平行设置且两者的下端分别与下横向支架两端固定连接，上端穿设在上横向支架预设的导向孔中，并通过两个定位螺母26锁紧定位，松开定位螺母26后，上横向支架可沿左竖向支撑杆与右竖向支撑杆上下滑移，使得上横向支架与下横向支架之间的竖向距离可调整，下横向支架的中间部位与千斤顶大油缸缸体固定连接，下横向支架与千斤顶大油缸缸体固定连接部设有供千斤顶大油缸活塞杆向上伸出的过孔(图1中未示出)；下锥形压头27设置在千斤顶大油缸活塞杆顶部，上锥形压头28固定在上横向支架底部，上锥形压头与下锥形压头竖向设置并保持同轴的位置关系；本实施例中，加载装置还包括上锥形压头中嵌设的压力传感器(图1中未示出)，及与压力传感器电性连接的用于显示实时强度数值的显示器29，本发明所提出的岩石试块固定装置设置在左竖向支撑杆23与右竖向支撑杆24之间。

参见图2的岩石试块固定装置，包括用于放置岩石试块4的承载盒1及用于支撑连接承载盒的连接部件3。

所述连接部件一端与所述承载盒的侧板13连接，另一端与点荷载试验仪的支撑装置连接，参见图1及图2，岩石试块固定装置的连接部件3为左右对称分布的两根y形连接杆，连接部件的宽度方向沿上下锥形压头的轴向方向设置，左边的连接部件左端通过螺钉17可拆卸连接到左竖向支撑杆上，右端的两个连接点与承载盒的左边侧板焊接固定在一起；右边的连接部件右端通过螺钉17可拆卸连接到右竖向支撑杆上，左端的两个连接点与承载盒的右侧板焊接固定在一起。每一根y形连接杆由两块折弯板镜像连接构成，两块折弯板中间部位贴合并用螺栓固定或焊接固定，两块折弯板用于连接承载盒主体的一端叉分成60度的角度并分别与承载盒侧板焊接在一起，所述竖向支架包括左右竖向支撑杆，两块折弯板用于连接左右竖向支撑杆的一端设置有与左右竖向支撑杆外柱面匹配的仿形面，两块折弯板用于连接左右竖向支撑杆的一端通过螺钉17抱紧左右竖向支撑杆而实现与左右竖向支撑杆的连接，根据岩石试块的大小，可调节连接部件在左右竖向支撑杆上的高低位置，而使岩石试块4能够接触到上锥形压头28。

所述承载盒为矩形盒，承载盒包括上板11、下板12与侧板13，侧板可为一块折弯的整板，也可以为四块平直板拼接而成，上板边缘与侧板四条顶边焊接构成承载盒主体，上板位于靠近上锥形压头28底部的位置，承载盒主体作为固定部分与连接部件3连接，下板作为活动部分通过弹性连接件14与承载盒主体连接，所述上板上于对应上锥形压头的位置设置有可供上锥形压头28向下伸入承载盒内部的通孔一15，所述下板上于对应下锥形压头的位置设置有可供下锥形压头27向上伸入承载盒内部的通孔二16，所述弹性连接件的弹力方向沿上下方向设置，所述弹性连接件的弹力大于岩石试块与下板的重力之和，使得将岩石试块放置于下板上的通孔二的位置处且对准上锥形压头之后，岩石试块可在弹性连接件的弹力作用下随下板向上移动至最终与上锥形压头相抵，从而完成岩石试块的定位。

由于弹性连接件的存在，下板对岩石试块的承托是一种在随岩石试块崩裂后自动向上移动的动态承托，可有效的避免岩石试块发生类似自由落体式的跌落，从而最大程度的保证了岩石试块崩裂后形成的小块体的原始状态，有助于后期的拼接复原与对比分析工作。本发明中，通孔二在作为供下锥形压头通过的通道的同时，对岩石试块还具有辅助定位作用，向下拉开下板，将岩石试块放置于通孔二处，即能保证岩石试块位于通孔一与上锥形压头的下方，后续只需对岩石试块的位置进行微调或基本上不需要调整岩石试块位置，省时省力，提高试验效率。

所述上板的位置设置为高于上锥形压头底部3～8mm，亦即上锥形压头底部经通孔一伸入承载盒中约3～8mm，优选5mm，此高底一般能大于岩石试块与上锥形压头接触处的凹陷深度，以使得表面凹陷的岩石试块在试验过程中始终位于上板下方，起到良好的防崩溅效果，确保实验人员的安全。

参见图2，本实施例中，弹性连接件对称分布在承载盒的四个角，每个角设置一根弹性系数为，弹簧的弹性系数在100～300n/m之间的弹簧，优选200n/m，一起对岩石试块提供均衡的支撑力。

所述弹性连接件采用弹簧，弹簧上端与承载盒主体部分的上板连接，弹簧下端与下板连接。

所述侧板的顶边与上板边缘焊接固定在一起，侧板的高度h小于岩石试块沿上下锥形压头轴向方向的高度尺寸h，防止在岩石试块与上锥形压头相抵前，侧板底边与下板发生干涉而影响岩石试块的定位，同时又防止岩石试块裂开后形成的小块体完全散开，有助于后期的拼接复原工作。

所述侧板的高度h或等于岩石试块沿上下锥形压头轴向方向的高度尺寸h的1/2，以使侧板在岩石试块外围形成足够的防溅遮挡区域。

所述通孔一与通孔二均为圆孔，通孔一与通孔二的圆心均位于上下锥形压头的轴心线上，通孔一孔径大于上锥形压头的直径2mm，通孔二的孔径大于下锥形压头的直径2mm，以防止通孔一、通孔二的边缘与上下锥形压头侧壁干涉，并使上板在岩石试块上方形成足够的防溅遮挡区域，使下板对岩石试块提供足够稳定的支撑面积。

本实施例中，所述侧板为无孔板，所述上板除通孔一之外的部位均为无孔结构，所述下板采用带网孔121的铁质丝网，网孔用于使岩石试块裂开形成的碎屑及时漏出，以免影响下一试块的试验。由于点荷载试验一般要进行成百上千次试验，每一块岩石试块产生的碎屑能及时排出，将大大减轻总体工作强度，提高工作效率。当然，如果所述下板为无网孔的板材时，可以在每次点荷载试验之后将压裂岩石试块产生的碎屑及时扫除。本实施例中，连接部件、上板、下板与侧板均为铁质板材。

本实施例中，承载盒的尺寸大小为长10cm×宽10cm×高2cm，下板网孔尺寸为1cm×1cm，下板铁丝直径为2mm，下板与上板尺寸一致，均为长10cm×宽10cm，四块侧板尺寸均为长10cm×宽2cm。下板铁丝网四个角通过四个小型弹簧14与上板的四个角相连接，下板能够上下浮动，便于放入岩石试块4，也能够固定岩石试块，承载盒中不放置岩石试块时，下板在弹簧的拉动下与侧板底边接触。

使用本发明的岩石试块固定装置进行点荷载试验的过程大致如下：

将岩石试块固定装置安装至点荷载试验仪上，拧松螺钉17调整好岩石试块固定装置的位置，待上锥形压头底部伸入承载盒内5mm左右即可拧紧螺钉17固定好承载盒。打开测力系统，将原始数据归零。

向下拉开下板，将岩石试块4放入承载盒的通孔二位置处，依靠弹簧14的拉力拉动下板将岩石试块固定。

打开千斤顶油阀，摇动千斤顶压杆进行加载，待岩石试块破裂后停止加载，通过显示器29读取岩石试块的点荷载强度，缩回下锥形压头，向下拉开下板，取出破碎后的得到的小块体，放到指定位置待后期开展对比研究，进行下一个岩石试块的点荷载试验。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。