一种利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置的制造方法
【专利摘要】一种利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置，包括试样粘结组件、拉伸组件和支撑组件，试件粘结组件包括上槽板和下槽板，上槽板中心设有螺孔，所述拉伸组件包括第一顶板、第一底板以及连接杆，连接杆位于第一底板凹槽两侧的槽壁上，第一底板的凹槽的两侧槽壁上还开设有第一通孔，所述支撑组件包括螺钉、第二顶板、第二底板以及支柱，第二顶板中心开设有螺钉安装孔，支柱安装在拉伸组件的第一通孔中，第二顶板上还设有第二通孔，拉伸组件的连接杆安装在第二通孔中，螺钉安装在螺钉安装孔和螺孔中。该装置借助真三轴压力试验机能准确地测出岩石材料双轴拉压条件下的强度和变形。
【专利说明】
一种利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验装置，适用于拉压应力条件下岩石的变形破坏特性研究，属于岩石力学与工程技术领域。
【背景技术】
[0002]岩爆是高地应力地区由于地下工程开挖卸荷引起的围岩弹射性破裂的地质灾害现象。岩爆的发生通常导致人员的伤亡、仪器设备的毁坏和工期的拖延，造成重大的经济损失。岩爆发生机理极其复杂，目前尚未有统一的、清楚的理论来解释岩爆现象。因此，开展室内岩爆试验，再现岩爆现象，详细地分析岩爆的发生过程，对推进岩爆的破坏机制研究具有重要意义。当前，已有的研究表明，岩爆的孕育过程可概括为劈裂成板、剪切成块、板弯折断、整体弹射等四个阶段。高地应力地区的深埋硬岩隧洞开挖后，洞周岩体的受力状态为:环向压应力逐渐增大，当环向压应力超过岩体承载能力时，将使临空面周边的围岩出现张拉劈裂破坏，在隧洞环向压应力和向洞内发生径向变形的作用下，临空面表层岩体出现张拉劈裂破坏形成薄板，薄板在环向压力作用下出现弯曲现象，当薄板弯曲到一定程度后，薄板将发生折断，导致断裂的薄板和内部的岩块以一定的初速度弹射出来，由此形成岩爆。因此，高地应力深埋硬岩隧洞开挖后，临空面边界上板裂后的岩体在洞径向上受到拉力作用、洞周切向方向受到压力作用，岩爆的发生与板裂岩体的特殊受力状态密切相关。此外，在地下水电站厂房中，与岩锚梁相接触的围岩、水轮发电机组之间的岩墙等岩体往往处于一个方向受拉而另一垂直方向受压的状态。因而，同时室内试验研究这种双轴拉压条件下的岩石力学特性对于深部地下隧洞工程的安全性具有重要的理论价值和工程意义。
[0003]目前，双轴拉压试验可通过专门的弹簧拉压试验机来实现，弹簧拉压试验机发展较为成熟，具有测量精度高、对中精确高的特点。但该类试验设备较为昂贵，维修和使用费用较高，使用时需要专业的工作人员。此外，弹簧拉压试验机主要是用于小尺寸试件的拉压力学性能的测试，所能提供的拉压应力较低，不适用于大尺寸岩石试件的高应力拉压力学性能测试。
[0004]除了弹簧拉压试验机外，也有许多其他用于材料拉压测试的装置。例如:《岩土力学》2007年11期介绍了一种有侧向压力的岩石材料动态直接拉伸试验装置；申请公布号为:CN101881716A的发明专利介绍了一种定量拉压试验装置;授权公布号为CN201955268U的专利介绍了一种混凝土双轴拉压的加载测试装置。上述拉压试验设备的形体结构不同，进行材料拉压测试时采用测量方法也相差甚远，获得的结果也没有统一的评判标准。
[0005]双轴拉压试验也可采用真三轴压力试验机结合专门的装置来实现。真三轴压力试验机是常用的岩石力学试验设备，具有三向独立压缩的功能，用于岩石试验的三向应力复杂状态的力学性能测试。真三轴压力试验机不能直接进行双轴拉压试验，可通过专门配套装置实现。
[0006]申请公布号为CN102735542A的发明专利描述了一种混凝土多轴拉压方法。试验前，将试件的受拉面与压板直接粘结在一起。试验时，将粘有压板的试件放置到三轴试验机上，通过螺栓连接压板与加载推头，加载推头相互远离实现岩样的受拉。同时，通过受压加载板直接将压应力施加到试件上。试验过程中，操作过程较为复杂，不易对中，通过预压很难保证试件受力均匀。
[0007]申请公布号为CN102323157A的发明专利公布了一种混凝土拉压应力组合方法。首先通过粘结胶将塑料毛刷粘结到试件上，将塑料毛刷的刷齿面放在试件受拉面上，并压实。然后将粘结钢板与毛刷基底面用粘结剂贴好。试验时，通过带有球形铰的螺栓将粘结钢板和传力钢板粘结在一起，传力钢板相互远离实现岩样的受拉。同时，通过压加载板直接将压力施加到岩样上。采用该装置进行拉压试验，试样准备较为复杂。通过粘结胶将毛刷和粘结钢板、粘结钢板和传力钢板贴在一起，容易引起试验过程中岩样的受力不均匀，导致较大的误差。
[0008]申请公布号为CN103487317A的发明专利介绍了一种混凝土多轴试验下的拉压加载推头设计方法。该装置不需要采用结构胶连接立方体试件与压板，而是通过试件内部的预埋构件与拉加载板连接。通过带有半圆球头铰的拉杆连接拉加载板和加载推头，保证了加载推头和拉加载版的精确对中。加载推头相互远离实现岩样的受拉。在施加拉力的同时，采用电磁锁将压加载板固定在试件上，通过压加载板直接将压力施加到试件上。该装置对试件有特殊要求，不适合岩石材料的拉压变形破坏研究。
[0009]上述文献介绍的拉压装置主要是用于混凝土的拉压试验，针对岩石的较少。
【发明内容】
[0010]本发明针对现有技术的不足，提供一种利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置，使得结合真三轴试验机开展双轴拉压试验成为可能。
[0011]为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0012]—种利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置，包括试样粘结组件、拉伸组件和支撑组件，
[0013]所述试件粘结组件包括上槽板和下槽板，上槽板中心设有螺孔，
[0014]所述拉伸组件包括第一顶板、第一底板以及连接杆，所述第一底板上开设有截面为倒T字形的凹槽，连接杆位于第一底板凹槽两侧的槽壁上，连接杆上端固定在第一顶板上，连接杆下端固定在第一底板上，第一底板的凹槽的两侧槽壁上还开设有第一通孔，
[0015]所述支撑组件包括螺钉、第二顶板、第二底板以及支柱，第二顶板中心开设有螺钉安装孔，支柱安装在拉伸组件的第一通孔中，并且支柱上端固定在第二顶板上，支柱下端固定在第二底板上，第二顶板上还设有第二通孔，拉伸组件的连接杆安装在第二通孔中，螺钉安装在螺钉安装孔和螺孔中。
[0016]还包括压缩组件，所述压缩组件包括两块压力承压板以及两块压板连接件，两块压力承压板分别安装在岩石试样两个相对的侧面，两块压板连接件分别安装在岩石试样另外两个相对的侧面，压力承压板上两端头分别设有螺孔，压板连接件靠近两端处分别设有长条形通孔，限位螺钉穿过长条通孔安装在螺孔中。
[0017]所述螺钉为球头螺丝，螺钉安装孔的形状与球头螺丝配合。
[0018]连接杆安装在第一顶板和第一底板之间的四个角处形成立方体框架，支柱安装在第二顶板和第二底板的四个角处形成立方体框架。
[0019]第一顶板上设有操作通孔。
[0020]试验时，还包括试样，试样上端粘结在上槽板的凹槽中，试样下端粘结在下槽板的凹槽中，下槽板紧密配合安装在倒T字形凹槽的水平部分，试样安装在倒T字形凹槽的竖直部分。
[0021]所述试样为立方体形状，所述下槽板的凹槽和上槽板的凹槽的形状为与试样顶面和底面紧密配合的方形凹槽。
[0022]与现有技术相比较，本发明具备的有益效果:
[0023](I)实现大尺寸岩石试件的拉压特性研究:本装置可用于尺寸为200mm X 200mm X200mm(长X宽X高)岩石试件的拉压试验。
[0024](2)保证试件受力轴心受力，不偏心:试件上下两端通过粘结胶固定在粘结板的凹槽内，确保试件中心和胶结板中心准确对齐。采用球投螺丝通过B框架上压板和上粘结板的中心螺孔，确保上框架压板和粘结板中心准确对齐。
[0025](3)操作简单:将立方体试件安装到装置内，按照普通力学实验的加载方式，将荷载施加到装置上，就可实现试件的拉压试验。
[0026](4)利于试样对中，能够保证均匀受力。借助于真三轴压力试验机，能准确地测出岩石材料双轴拉压条件下的强度和变形。夹具的安装和拆卸方便，试验过程易于操作。因此，相比现有的岩石拉压试验设备，本拉压试验装置更为简单实用。
[0027](5)实现拉压岩石试样在拉压条件的力学试验，为分析处于拉压应力状态下岩体的变形破坏特征提供了有效的研究方法。
【附图说明】
[0028]图1为拉伸组件和支撑组件组装在一起时的结构示意图。
[0029]图2为试件粘结组件结构剖面示意图。
[0030]图3为拉伸组件的结构示意图。
[0031 ]图4为支撑组件的结构示意图。
[0032]图5为压缩组件的安装示意图。
[0033]图6为双轴拉压装置整体结构平剖面示意图一。
[0034]图7为双轴拉压装置整体结构平剖面示意图二。
【具体实施方式】
[0035]下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。
[0036]实施例1
[0037]—种利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置，包括试样粘结组件、拉伸组件和支撑组件，
[0038]所述试件粘结组件包括上槽板10和下槽板8，上槽板10中心设有螺孔13，
[0039]所述拉伸组件包括第一顶板1、第一底板4以及连接杆2，所述第一底板4上开设有截面为倒T字形的凹槽，连接杆2位于第一底板4凹槽两侧的槽壁上，连接杆2上端固定在第一顶板I上，连接杆2下端固定在第一底板4上，第一底板4的凹槽的两侧槽壁上还开设有第一通孔15，
[0040]所述支撑组件包括螺钉14、第二顶板3、第二底板6以及支柱5，第二顶板3中心开设有螺钉安装孔17，支柱5安装在拉伸组件的第一通孔15中，并且支柱5上端固定在第二顶板3上，支柱5下端固定在第二底板6上，第二顶板3上还设有第二通孔16，拉伸组件的连接杆2安装在第二通孔中，螺钉14安装在螺钉安装孔17和螺孔13中。
[0041]还包括压缩组件，所述压缩组件包括两块压力承压板12以及两块压板连接件9，两块压力承压板12分别安装在岩石试样7两个相对的侧面，两块压板连接件9分别安装在岩石试样7另外两个相对的侧面，压力承压板12上两端头分别设有螺孔，压板连接件9靠近两端处分别设有长条形通孔，限位螺钉穿过长条通孔安装在螺孔中。
[0042]所述螺钉14为球头螺丝，螺钉安装孔17的形状与球头螺丝配合。
[0043]连接杆2安装在第一顶板I和第一底板4之间的四个角处形成立方体框架，支柱安装在第二顶板3和第二底板6的四个角处形成立方体框架。
[0044]第一顶板上设有操作通孔18。操作通孔18为了方便安装或拆卸螺钉14。
[0045]试验时，还包括试样7，试样7上端粘结在上槽板10的凹槽中，试样7下端粘结在下槽板8的凹槽中，下槽板8紧密配合安装在倒T字形凹槽的水平部分，试样7安装在倒T字形凹槽的竖直部分。
[0046]所述试样7为立方体形状，所述下槽板8的凹槽和上槽板10的凹槽的形状为与试样7顶面和底面紧密配合的方形凹槽。
[0047]本发明装置的具有使用步骤如下:
[0048](I)取一块立方体形状的岩石试样7，将粘性强度较高的粘结胶均匀的铺平在上槽板10和下槽板8的槽底、槽四周内壁和岩石试样7的上下两端，将岩石试样7放入下槽板8的方槽中，并将上槽板10扣在岩石试样上端，保证上下两端面和左右两端面跟凹槽面和凹槽内壁紧密贴合无裂隙，增大试件与粘结板的接触面积，放置24小时后，粘结胶凝固，岩石试样7与上槽板10和下槽板8之间的粘性达到一定的强度。
[0049](2)将组装好的试件粘结组件安装到拉伸组件中，下槽板8紧密配合安装在倒T字形凹槽的水平部分，岩石试样7安装在倒T字形凹槽的竖直部分。截面为倒T字形的凹槽，意味着凹槽的底部水平部分的宽度大于开口处竖直部分的宽度，于是下槽板8被卡在凹槽的水平部分中。
[0050](4)将第一底板4向上抬起，将螺钉14旋入在螺钉安装孔17和螺孔13中，使得上槽板10和第二顶板3固定在一起，同时要确保试件能够准确对中，竖向受力时不偏心。
[0051 ] (5)安装两块压力承压板12以及两块压板连接件9，由于压板连接件9靠近两端处分别设有长条形通孔，两块压力承压板12能够向中心移动施力，通过压力承压板12能够将外荷载均匀的施加在岩石试样7的表面。
[0052](6)将上述组装好的试验装置放置于真三轴压力机的压力室中，对第一顶板I逐渐施加竖向轴压力，整个拉伸组件向下移动，第一底板I向下移动，由于下槽板8卡扣在第一底板4中，于是竖向轴压力带动岩石试样7—起向下移动。而支撑组件固定不动，岩石试样7的上端面通过上槽板10与第二顶板3固定在一起，岩石试样7上端固定不动，下端向下移动，从而达到岩石试样7竖直方向受拉的目的。
[0053](7)在竖直方向受拉的同时，利用真三轴压力试验机的水平方向推头11，通过两块承压板12对岩石试件7施加压力，从实现了室内岩石试件的拉压力学试验。
[0054](4)岩石试件7拉压试验的同时，可通过力传感器和外置的LVDT差分变形传感器采集应力和应变信号，并传递给计算机。详细记录拉应力方向和压应力方向的应力应变关系曲线，最终获得岩石破坏时岩石的抗拉和抗压强度以及岩石的拉伸变形和压缩变形。
[0055]本装置的工作原理是:利用装置的两套框架结构将竖向的压力转化为竖向的拉力，使得试件上、下两端受拉。此外，通过承压板直接将压力施加到试件的一个水平轴向。由此实现岩石试件的双轴拉压加载。所述试件粘结组件作用是固定岩石试件。拉伸组件其作用是将压力转化为拉力施加到岩石试件两端面。试件上下两端通过粘结胶固定在上槽板10和下槽板8的凹槽内，确保试件中心和上槽板10和下槽板8中心准确对齐，并确保第一顶板I和上槽板10中心准确对齐，保证施加压力时，试件轴心受拉，不偏心。
【主权项】
1.一种利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置，其特征在于，包括试样粘结组件、拉伸组件和支撑组件， 所述试件粘结组件包括上槽板和下槽板，上槽板中心设有螺孔， 所述拉伸组件包括第一顶板、第一底板以及连接杆，所述第一底板上开设有截面为倒T字形的凹槽，连接杆位于第一底板凹槽两侧的槽壁上，连接杆上端固定在第一顶板上，连接杆下端固定在第一底板上，第一底板的凹槽的两侧槽壁上还开设有第一通孔， 所述支撑组件包括螺钉、第二顶板、第二底板以及支柱，第二顶板中心开设有螺钉安装孔，支柱安装在拉伸组件的第一通孔中，并且支柱上端固定在第二顶板上，支柱下端固定在第二底板上，第二顶板上还设有第二通孔，拉伸组件的连接杆安装在第二通孔中，螺钉安装在螺钉安装孔和螺孔中。2.如权利要求1所述的利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置，其特征在于，还包括压缩组件，所述压缩组件包括两块压力承压板以及两块压板连接件，两块压力承压板分别安装在岩石试样两个相对的侧面，两块压板连接件分别安装在岩石试样另外两个相对的侧面，压力承压板上两端头分别设有螺孔，压板连接件靠近两端处分别设有长条形通孔，限位螺钉穿过长条通孔安装在螺孔中。3.如权利要求1所述的利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置，其特征在于，所述螺钉为球头螺丝，螺钉安装孔的形状与球头螺丝配合。4.如权利要求1所述的利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置，其特征在于，连接杆安装在第一顶板和第一底板之间的四个角处形成立方体框架，支柱安装在第二顶板和第二底板的四个角处形成立方体框架。5.如权利要求1所述的利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置，其特征在于，第一顶板上设有操作通孔。6.如权利要求1所述的利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置，其特征在于，试验时，还包括试样，试样上端粘结在上槽板的凹槽中，试样下端粘结在下槽板的凹槽中，下槽板紧密配合安装在倒T字形凹槽的水平部分，试样安装在倒T字形凹槽的竖直部分。7.如权利要求6所述的利用真三轴试验机实现岩石双轴拉压试验的装置，其特征在于，所述试样为立方体形状，所述下槽板的凹槽和上槽板的凹槽的形状为与试样顶面和底面紧密配合的方形凹槽。
【文档编号】G01N3/08GK105865925SQ201610457437
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】苏国韶, 蒋剑青, 陈智勇, 江山, 江权
【申请人】广西大学