一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置及方法，采用对称两支扭力杆，消除附加力矩，使压杆运动过程中不会出现偏心现象；采用钢丝绳拉动扭力杆转动施加扭矩，变扭矩的刚性加载为柔性加载，解决由刚性加载导致的轴向力和扭矩相互影响、传力杆不能和千斤顶垂直等问题。通过圆弧夹板和树脂结构胶将上下压头和试样固结成一体，保证扭矩加载过程中不会使压头和试样脱离，且未对试样端部开槽，避免应力集中现象导致的试样端部破坏。内、外部围压进出油通道完全分离，使内、外围压加载完全独立互不影响。可独立或混合的加载轴向力、扭矩、内围压和外围压，还可实现主应力轴旋转，模拟岩石在复杂应力加载路径下的变形破坏。
【专利说明】
一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置及方法
技术领域
[0001]本发明属于岩石力学与岩石试验领域，具体涉及一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置及方法，属于岩土工程技术领域。技术背景
[0002]复杂应力，尤其是包含主应力大小改变及主应力轴旋转的复杂应力，在工程实际中广泛的存在。例如，像采矿巷道、城市地铁、海底隧道等工程现场开挖过程中，岩体内部应力状态表现的极为复杂，伴随着主应力轴旋转和主应力大小改变的独立或混合存在的现象。上述工程实际中都存在岩石内部复杂的应力状态，而岩石在复杂应力状态下的力学性质和简单应力状态下存在很大差异，因此，能在实验室进行岩石复杂应力加载试验，进而研究复杂应力路径作用下岩石的强度、变形和破坏形态，对于工程灾害的预防及治理具有重要的指导意义。
[0003]目前，实验室内可实现模拟岩土应力加载路径的试验装置主要包括:单轴压缩仪、 常规三轴仪(假三轴)、真三轴仪、直剪仪、环剪仪等。但上述试验仪器装置都不能实现模拟岩石主应力轴旋转的应力路径加载，主应力轴旋转的应力路径加载一般多使用空心圆柱扭剪仪。岩土工程领域目前已经开发出适用于土体的空心圆柱扭剪仪，但是土体和岩体是两种不同的工程材料，其力学性质存在很大差异，目前的土体空心圆柱扭剪仪并不能完全适用于岩石材料。土和岩石材料最大的区别在于，岩石相对于土而言硬度和强度大大提高，在施加载荷的作用下岩石的变形很小，但是达到破坏所需的应力却要大很多。基于上述因素， 导致适用于土和适用于岩石的应力路径加载试验装置主要存在以下差异:①岩石的变形相对与土而言很小，所以试样变形的测量需要不同的装置和方法;②由于应力集中问题，岩石空心圆柱试样不能在上下端部开槽，否则很容易在扭矩施加的过程中导致试样端部破坏， 影响整个试样的应力加载，所以岩石试样扭矩加载需要特殊的加载装置和方法;③由于试验装置需要内外围压独立加载，而且岩石材料需要的围压比土要大很多，所以需要使用油压来实现并且需要各自独立的进出油通道路径，并且要求空心圆柱试样内外壁密封隔离性较高，使内外油压加载独立互不影响;④不同于土体的低量级应力加载，由于岩石材料加载所需的轴向力和扭矩都非常大，而且轴向力和扭矩通过共同的传力轴施加给试样，就不可避免的导致扭矩和轴向力的加载互相干扰，这种干扰会很大程度上的影响轴向力和扭矩的独立加载，并导致应力的加载数据出现大的偏差，为此要求试验仪器加载装置应尽量避免或减小这种相互影响。
[0004]与本发明申请相关的有:1.中国专利CN104155175A公开的涉及室内岩石力学试验装置，更具体涉及可实现复杂应力路径的岩石空心圆柱扭剪仪。该扭剪仪由底座、套筒、下压头、上压头、活塞、上座、顶盖、连接杆、扭转装置组成，可独立或混合地加载轴向力、内围压、外围压和扭矩。其主要创新包括:a.上压头、下压头和岩石试样通过强力胶粘结成一体，上压头、下压头和岩石试样的接触面开有凸台，增加了岩石试样与上压头、下压头的接触面积，减小了扭矩加载时接触面脱离的风险;b.上座和顶盖内部形成十字形油腔，活塞活动地置于十字形油腔中，活塞将十字形油腔分为上下两部分，液压伺服栗向十字形油腔上部输送液压油并对活塞加载轴向力，因此，不同于传统的采用千斤顶与刚性杆接触的刚性加载方式，在该申请中轴向力的加载采用液压油与活塞接触的柔性加载方式，避免了千斤顶与刚性杆接触产生的端面摩擦效应，有效地消除了当轴向力和扭矩共同加载时的相互干扰;C.通过反力装置平衡力矩，使仪器底部不存在转动趋势，因此，不需要另外配置固定平台。
[0005]土体和岩体是两种不同的工程材料，其力学性质存在很大差异，适用于岩石的空心圆柱扭剪仪和适用于土的相比存在很多问题，上述专利所涉及的岩石空心圆柱扭剪仪虽然在尽量解决这些问题，但是还存在很多不足。首先，①专利中提出用十字油腔提供轴力从而变刚性加载为柔性加载从而消除轴力加载和扭矩加载的相互影响，但是岩石试验中破坏往往需要达到几十兆帕或者上百兆帕的轴向应力，在这么大的压力下对仪器无论是油箱外接部分或者是和试样接触部分的密封性都有很大的要求，实际试验中很容易由于发生漏油问题导致压力上不去或者不能提供稳定压力，导致试验波动结果不准确。其次，②仪器扭转装置只在一侧提供扭力，对于扭矩的转轴来说，没有形成对称力矩，无法使其对传力轴的傍压力合力为零，会产生附加力矩，增大摩擦;而且提供轴力的活塞1处于转动和沿轴向移动的复合移动中，但是扭转装置是通过刚性扭矩传力杆固定在活塞上，扭矩对轴的作用点不能随轴一同移动从而产生对轴向力的干扰;并且在扭矩施加过程中活塞转动一定角度后， 扭矩传力杆不能和千斤顶保持垂直，使扭矩的施加出现问题。再其次，③专利中上压头、下压头和岩石试样通过强力胶粘结成一体，而在试验中在加大扭矩的过程中会发生粘结力不够导致的岩石试样与压头的松脱现象，从而使得扭矩的加载出现问题或导致试验结果不准确。最后，④专利中进油管道和出油管道较多，试验中油压的密封及稳定性需要接受很大考验，重要的是内压的排气管19置于外腔油压中，而排气管是软管，在外腔油压加压过程中可能挤压排气软管导致内部油压发生变化，使内外围压加载不能完全独立，总体来说该发明装置的进出油通道设计上还不是很完善。
【发明内容】
[0006]为了实现岩石在复杂应力路径下的加载，尤其是实现岩石主应力轴旋转的应力路径加载，本发明设计一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置及方法，来研究岩石在复杂应力状态下的力学特性。
[0007]为实现上述目的，其技术方案如下:一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，包括主体装置和动力装置;所述的主体装置包括顶盖、套筒、底座、压头和压杆;所述套筒分别通过法兰与顶盖、底座连接;压杆的上部连接有两个对称的水平扭力杆，下端穿过顶盖进入套筒内，并能够相对于顶盖上下移动和转动;压头位于套筒内部，上下对称安装在岩石试样的两端，上压头与压杆嵌装，下压头与底座嵌装，且压头与压杆以及底座的相接面对应设有能够防止压头相对于压杆或底座周向运动的限位装置;所述岩石试样为空心圆柱形结构，其内腔与上下压头形成内部围压腔;底座与套筒、顶盖、压杆、压头、岩石试样的外壁形成外部围压腔，所述内部围压腔和外部围压腔各自独立，并分别设有独立的油路通道;所述动力装置包括轴力加载装置、扭矩加载装置和围压加载装置;所述轴力加载装置作用于压杆的顶部，扭矩加载装置通过钢丝绳与扭力杆连接，且扭力加载装置相对于压杆对称设置，施力方向相反，初始状态下，钢丝绳与扭力杆在水平面内垂直；围压加载装置分为内部围压加载装置和外部围压加载装置，分别与内部围压腔、外部围压腔的油路通道连接。
[0008]所述围压加载装置分别包括进油装置和出油装置，进油装置连接油路通道的下端，出油装置连接油路通道的上端，与围压腔共同构成围压加载系统。
[0009]所述内部围压腔的油路通道包括设置在底座中心的第二通路，设置在上、下压头轴心的第四通路、第三通路，以及设置在压杆中心的第五通路，以上各通路顺序连通，且对应内部围压腔的中心线设置，所述第二通路和第五通路均为L型，其中第二通路连接进油装置，第五通路连接出油装置。
[0010]所述外部围压腔体的油路通道包括设置在底座一侧的第一通路以及设置在顶盖侧壁的排气孔;其中第一通路为L型，连接进油装置，排气孔连接出油装置。
[0011]所述排气孔至少设置一个。
[0012]所述压杆底端面和底座顶面的中心沿轴向开有圆柱型凹槽，凹槽周围设有若干小卡槽。
[0013]所述压头设有一圆柱形主体，主体的一端面设有与所述凹槽吻合插接的凸台，凸台的周围设有与所述卡槽连接的卡块;主体另一端面的中心设有能够插入岩石试样内腔的空心圆柱形固定套，固定套的外部设有与固定套之间形成环形夹持腔的圆弧夹板，所述圆弧夹板与主体外缘通过螺钉固定。
[0014]所述凸台的外部沟槽安装有0形密封圈。
[0015]所述压杆和轴向力加载装置中间放置有钢珠板。
[0016]所述顶盖与压杆的安装部位沟槽安装有0型橡胶密封圈。
[0017]进一步的，该试验装置还包括数据采集处理装置，数据采集处理装置包括计算机和数据采集装置。
[0018]进一步的，该试验装置还包括安装在岩石试样外部的应变片，应变片外部设有密封套，套筒的筒壁上开有通线孔，应变片的导线从通线孔穿出到套筒外部与数据采集处理装置连接。
[0019]所述数据采集处理装置与轴力加载装置、扭矩加载装置以及围压加载装置连接。
[0020]—种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验方法，包括以下步骤:步骤1)试验主体的安装:步骤1.1)在空心圆柱岩石试样外围中部位置粘贴应变片，然后在试样外壁包裹橡胶套，用树脂胶密封橡胶套上下边缘；步骤1.2)将岩石试样固定于上、下压头之间，并保证中心线对齐，用树脂结构胶将压头和试样固结成一个整体；步骤1.3)将固结为一体的压头和试样垂直安装在底座中心，并将套筒与底座安装固定，应变片导线从套筒侧壁的通线孔导出连接数据采集处理装置；步骤1.4)压杆穿过顶盖，与上压头顶面垂直并嵌装固定，顶盖与套筒固定安装；步骤1.5)将组装好的试验主体装置m放置在试验台上，把底座与试验台固定，保证试验过程中主体装置不会发生移动和转动；步骤2)动力装置的安装:步骤2.1)安装轴向力加载装置，在压杆顶端垫上钢珠板，将轴向力加载装置的动力输出端设置在钢珠板上，以实现对试样的轴向力加、卸载；步骤2.2)施加一个较小的接触轴力，将试样和压头压紧，保证试验开始阶段试样固定在主体装置中；步骤2.3)连接扭矩加载装置，通过钢丝绳将扭力杆和扭矩加载装置连接起来，构成扭矩加载装置，实现扭矩的加卸载，连接过程中要求钢丝绳和扭矩加载装置以压杆中心轴对称，并且在试验开始阶段钢丝绳水平平行；步骤2.4)连接围压加载装置，首先设置两组独立的进油装置和出油装置，其中一组进油装置和出油装置与内部围压腔连接，另一组进油装置和出油装置与外部围压腔的出油通道连接，形成两个独立的围压加载装置；步骤2.5)将动力加载装置分别与计算机连接；步骤3)单独或同时启动各动力加载装置，对试样施加轴向、扭矩和/或围压加载力，各动力装置的工作数据以及应变片采集的数据传给计算机进行分析。
[0021]本发明的积极效果:1.本试验装置设计科学合理，易于制造组装，操作简单，精度高，可独立或混合的加载轴向力、扭矩、内围压和外围压，通过对空心圆柱岩石试样中部一点的应力状态分析可知， 该试验装置不仅能改变主应力大小，还可实现主应力轴旋转，进而可以模拟岩石在复杂应力加载路径下的变形破坏。
[0022]2.本试验装置分为六个独立的实验装置，试验人员可根据实际条件灵活选择自己所需各独立装置，除主体装置装置外，动力装置和数据采集装置可选择已有设备或自己配合试验设计加工的设备装置。
[0023]3.本试验主体装置采用对称两支扭力杆的设计，对于压杆的转轴来说，形成了对称力矩，对压杆的傍压力的合力为零，消除了附加力矩，使压杆在运动过程中不会出现偏心现象，提高试验精度和稳定性。
[0024]4.本试验主体装置采用足够长的钢丝绳拉动扭力杆转动来施加扭矩，变扭矩的刚性加载方式为柔性加载方式，使得压杆在小范围内转动和轴向移动时，扭矩的施加能正常稳定，由刚性加载方式导致的轴向力和扭矩相互影响、转动一定角度后传力杆不能和千斤顶垂直等问题得到解决。
[0025]5.通过压头装置上的圆弧夹板将岩石试样端部紧紧夹住，配合树脂结构胶将上下压头和试样固结成一体，保证扭矩加载过程中不会发生压头和试样脱离的现象，且未对试样端部进行开槽处理等，避免了应力集中现象导致的试样端部破坏。
[0026]6.主体装置装置中，内外围压进出油通道较简便，大大减小了漏油、围压不稳等负面情况发生的可能，并且内部围压和外部围压进出油通道完全分离，使内外围压加载完全独立互不影响。【附图说明】[〇〇27]图1是本发明总装置装置示意图。[〇〇28]图2是本发明主体装置示意图。[0〇29]图3是本发明压头俯视示意图。[0〇3〇]图4是本发明压头剖面示意图。
[0031]图5是本发明压杆和扭矩加载装置不意图。
[0032]图中:1-轴力加载装置，n -扭矩加载装置，m-主体装置，IV-外部围压加载装置， V -内部围压加载装置，V1-数据采集处理装置，1-钢珠板，2-压杆，3-扭力杆，4-顶盖，5-排气孔，6-高强螺钉，7-螺纹孔，8-套筒，9-第一通路，10-底座，11-第二通路，12-0型橡胶密封圈，13-第三通路，14-应变片，15-通线孔，16-岩石试样，17-压头，18-第四通路，19-0型橡胶密封圈，20-第五通路，21-凸台，22-圆弧夹板，23-树脂结构胶，24-卡块，25-扭矩加载装置， 26-钢丝绳，27-压杆凹槽，28-底座凹槽。【具体实施方式】[〇〇33]下面将结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0034]整体装置如图1所示，一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，包括主体装置m、动力装置(轴力加载装置1、扭矩加载装置n、外部围压加载装置IV、内部围压加载装置v)和数据采集处理装置VI。
[0035]所述的主体装置m整体结构如图2所示，包括所述的主体装置包括顶盖4、套筒8、 底座10、压头17和压杆2;所述套筒8、顶盖4和底座10均设有法兰，法兰的边缘周向均布螺纹孔7，并通过高强度螺钉6连接。顶盖4的侧壁上部周向设置至少一个排气孔5;套筒8的中间部位设置通线孔15。为了配合空心圆柱岩石试样16的加载，主体装置m整体设计为圆柱型结构。压杆2的上部连接有两个对称的水平扭力杆3,下端穿过顶盖4中心的安装孔进入套筒 8内，并能够相对于套筒8上下移动和转动，所述顶盖4与压杆2的安装部位沟槽安装有0型橡胶密封圈19,保证压杆2在自由运动的过程中与顶盖4的密封性要求。压杆2中心轴向开有第五通路20,压杆2下端中心开有圆柱型压杆凹槽27,下端面围绕压杆凹槽27设有若干小卡槽。底座10的顶面中心设有底座凹槽28,围绕底座凹槽28设有若干小卡槽，底座10的中心轴向设有第三通路13,底座10的一侧法向设有第一通路9,第三通路13和第一通路9的底端横向延伸至底座10外侧。
[0036]如图3和图4所示，压头17位于套筒8内部，上下对称设置，用于固定岩石试样16,上下两个压头17的形状相同。所述压头17设有一圆柱形主体，主体的一端面中心设有与所述压头凹槽27吻合插接的凸台21，凸台21的周围设有与所述卡槽连接的卡块24;主体另一端面的中心设有空心圆柱形固定套，固定套的外部设有与固定套之间形成环形夹持腔的圆弧夹板22,所述圆弧夹板22与主体外缘通过螺钉固定。上压头17的主要作用是连接压杆2和岩石试样16,传递轴向力和扭矩到试样上。
[0037]如图2所示，安装时，上、下压头17套装在岩石试样16的两端，上、下压头17的固定套套合在岩石试样16中心的通孔中，圆弧夹板22配合固定套将试样两端紧紧压住，并在夹缝中涂上树脂结构胶，使压头17和岩石试样16固结为一体，保证施加扭矩时压头17和试样不会分离。然后将下压头17的圆柱凸台21插入底座凹槽28,配合其中的0型橡胶密封圈12， 保证下压头17和底座10契合为一整体结构，凸出卡块24与底座10卡槽卡在一起，使试样在受扭矩作用时下压头17和底座10不会分离。用同样的方式将上压头17与压杆2连接。压头17 的结构设置以及其与底座10、压杆2的安装方式，使试样16在受扭矩作用时下压头17和底座 10、压杆2不会分离，保证向岩石试样16正常提供扭矩力和扭矩反力。在岩石试样16的外壁的中部安装应变片14,应变片14的导线从通线孔15穿出至套筒8外部，在导线连接好数据采集处理装置VI后将通线孔15密封起来，保证腔体整体密封性。
[0038]如图1和图2所示，主体装置m安装完成后，岩石试样16与上下压头17形成内部围压腔，底座10与套筒8、顶盖4、压杆2、压头17、岩石试样16外壁形成外部围压腔，内部围压腔和外部围压腔各自独立。并且第二通路11、第三通路13、内部围压腔、第四通路18以及第五通路20顺序连通，形成内部围压腔的油路通道，连接内部围压加载装置V，构成内部围压加载系统;第一通道9与外部围压腔、排气孔4连通，形成外部围压腔的油路通道，连接外部围压加载装置IV，构成外部围压加载系统。围压加载装置包括出油装置和进油装置，且出进油装置连接油路通道的下端，出油装置连接油路通道的上端。
[0039]如图5所示，扭力杆3通过钢丝绳26和扭力加载装置II相连，通过钢丝绳26拉动扭力杆3提供扭矩。
[0040]如图1所示，在压杆2的顶端安装轴力转载装置I，为减小轴向力和扭矩之间的互相影响，在压杆2和轴向力加载装置I中间放置的有钢珠板1，把压杆2和轴向力加载装置I间的滑动摩擦改为滚动摩擦，有效地减小了摩擦的影响。
[0041]如图1所示，将轴力加载装置1、扭矩加载装置n、外部转压加载装置IV、内部围压加载装置V分别与数据采集处理装置VI连接。数据采集处理装置VI由数据采集装置和计算机组成。
[0042]本发明所述的配合试验装置的试验方法，包括以下步骤:1.制备空心圆柱岩石试样16,在试样16中部位置粘贴应变片14,然后在试样16外壁包裹橡胶套，应变片14的导线从橡胶套一端导出，用树脂胶密封橡胶套上下边缘。[〇〇43]2.将上下压头17置于试样16两端，用圆弧夹板22将试样紧紧夹住，保证上下压头17和试样16在同一条中心线上，然后在试样16和压头17接触部分涂上树脂结构胶23,待树脂结构胶23凝固后使压头17和试样16固结成一个整体。[〇〇44]3.下压头圆柱凸台21插入底座凹槽28中，使压头凸出卡块24卡在底座10卡槽上，并保证圆柱凸台21和底座凹槽28在同一条中心线上。
[0045]4.将套筒8置于底座10上，将应变片导线从通线孔15中导出，调整螺纹孔7位置，拧紧高强螺钉6,将套筒8固定在底座10上。
[0046]5.将压杆2从顶盖4中间圆孔中穿过，并置于上压头17上，将上压头圆柱凸台21插入压杆凹槽27中，使压头凸出卡块24卡在压杆2卡槽上，并保证圆柱凸台21和压杆凹槽27在同一条中心线，调整顶盖螺纹孔7位置，拧紧高强螺钉6，将顶盖4固定在套筒上8。
[0047]6.将组装好的试验主体装置m放置在试验台上，把底座10固定在试验台上，保证试验过程中主体装置m不会发生移动和转动。
[0048]7.试验进行前施加一个较小的接触轴力，将试样和压头压紧，保证试验开始阶段试样固定在主体装置m中；8.在压杆2上垫上钢珠板1，配合轴向力加载装置I，可实现轴向力的加卸载。
[0049]9.通过钢丝绳26将扭力杆3和扭矩加载装置n连接起来，构成扭矩加载系统，可实现扭矩的加卸载，连接过程中要求钢丝绳26和扭矩加载装置以压杆2中心轴对称，并且在试验开始阶段钢丝绳26水平平行。
[0050] 10.将排气孔5和出油装置相连，第一通路9与进油装置相连，共同构成外部围压加载系统，通过第一通路9的进油，排气孔5的出油，可实现外部围压的加卸载。[0051 ] 11.将第四通路18、第五通路20与出油装置相连，第二通路11、第三通路13与进油装置相连，共同构成内部围压加载系统，通过第二通路11、第三通路13的进油，第四通路18、 第五通路20的出油，可实现外部围压的加卸载。
[0052] 12.将应变片导线从通线孔15中导出，并与数据采集装置相连，配合计算机等构成数据采集处理系统，其采集的数据包括应变片数据和各伺服动力装置数据。
[0053] 13.试验结束后，将各动力装置、数据采集收集装置与试验主体装置m的连接断开，将实验主体装置m从试验台上取下，将顶盖4、套筒8、底座10之间的螺钉拧开，取出压杆 2,并将下压头17从底座10中取出，卸掉上下压头上的圆弧夹板22,除掉压头17和岩石试样 16之间的树脂结构胶23,取得岩石试样16。
【主权项】
1.一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，包括主体装置和动力装置;所 述的主体装置包括顶盖、套筒、底座、压头和压杆;其特征在于，所述套筒分别通过法兰与顶 盖、底座连接;压杆的上部连接有两个对称的水平扭力杆，下端穿过顶盖进入套筒内，并能 够相对于顶盖上下移动和转动;压头位于套筒内部，上下对称安装在岩石试样的两端，上压 头与压杆嵌装，下压头与底座嵌装，且压头与压杆以及底座的相接面对应设有能够防止压 头相对于压杆或底座周向运动的限位装置;所述岩石试样为空心圆柱形结构，其内腔与上 下压头形成内部围压腔;底座与套筒、顶盖、压杆、压头、岩石试样的外壁形成外部围压腔， 所述内部围压腔和外部围压腔各自独立，并分别设有独立的油路通道;所述动力装置包括 轴力加载装置、扭矩加载装置和围压加载装置;所述轴力加载装置作用于压杆的顶部，扭矩 加载装置通过钢丝绳与扭力杆连接，且扭力加载装置相对于压杆对称设置，施力方向相反， 初始状态下，钢丝绳与扭力杆在水平面内垂直；围压加载装置分为内部围压加载装置和外 部围压加载装置，分别与内部围压腔、外部围压腔的油路通道连接。2.根据权利要求1所述的一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，其特征 在于，所述围压加载装置分别包括进油装置和出油装置，进油装置连接油路通道的下端，出 油装置连接油路通道的上端，与围压腔共同构成围压加载系统;所述内部围压腔的油路通 道包括设置在底座中心的第二通路，设置在上、下压头轴心的第四通路、第三通路，以及设 置在压杆中心的第五通路，以上各通路顺序连通，且对应内部围压腔的中心线设置，所述第 二通路和第五通路均为L型，其中第二通路连接进油装置，第五通路连接出油装置;所述外 部围压腔体的油路通道包括设置在底座一侧的第一通路以及设置在顶盖侧壁的排气孔;其 中第一通路为L型，连接进油装置，排气孔连接出油装置。3.根据权利要求1所述的一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，其特征 在于，所述排气孔至少设置一个。4.根据权利要求1所述的一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，其特征 在于，所述压杆底端面和底座顶面的中心沿轴向开有圆柱型凹槽，凹槽周围设有若干小卡 槽;所述压头设有一圆柱形主体，主体的一端面设有与所述凹槽吻合插接的凸台，凸台的周 围设有与所述卡槽连接的卡块;主体另一端面的中心设有能够插入岩石试样内腔的空心圆 柱形固定套，固定套的外部设有与固定套之间形成环形夹持腔的圆弧夹板，所述圆弧夹板 与主体外缘通过螺钉固定;所述凸台的外部沟槽安装有0形密封圈。5.根据权利要求1所述的一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，其特征 在于，所述压杆和轴向力加载装置中间放置有钢珠板。6.根据权利要求1所述的一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，其特征 在于，所述顶盖与压杆的安装部位沟槽安装有〇型橡胶密封圈。7.根据权利要求1所述的一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，其特征 在于，还包括数据采集处理装置，数据采集处理装置包括计算机和数据采集装置;还包括安 装在岩石试样外部的应变片，应变片外部设有密封套，套筒的筒壁上开有通线孔，应变片的 导线从通线孔穿出到套筒外部与数据采集处理装置连接;所述数据采集处理装置与轴力加 载装置、扭矩加载装置以及围压加载装置连接。8.根据权利要求1?7任意一项权利要求所述的一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转 的试验方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤1)试验主体的安装:步骤1.1)在空心圆柱岩石试样外围中部位置粘贴应变片，然后在试样外壁包裹橡胶 套，用树脂胶密封橡胶套上下边缘；步骤1.2)将岩石试样固定于上、下压头之间，并保证中心线对齐，用树脂结构胶将压头 和试样固结成一个整体；步骤1.3)将固结为一体的压头和试样垂直安装在底座中心，并将套筒与底座安装固 定，应变片导线从套筒侧壁的通线孔导出连接数据采集处理装置；步骤1.4)压杆穿过顶盖，与上压头顶面垂直并嵌装固定，顶盖与套筒固定安装；步骤1.5)将组装好的试验主体装置m放置在试验台上，把底座与试验台固定，保证试 验过程中主体装置不会发生移动和转动；步骤2)动力装置的安装:步骤2.1)安装轴向力加载装置，在压杆顶端垫上钢珠板，将轴向力加载装置的动力输 出端设置在钢珠板上，以实现对试样的轴向力加、卸载；步骤2.2)施加一个较小的接触轴力，将试样和压头压紧，保证试验开始阶段试样固定 在主体装置中；步骤2.3)连接扭矩加载装置，通过钢丝绳将扭力杆和扭矩加载装置连接起来，构成扭 矩加载装置，实现扭矩的加卸载，连接过程中要求钢丝绳和扭矩加载装置以压杆中心轴对 称，并且在试验开始阶段钢丝绳水平平行；步骤2.4)连接围压加载装置，首先设置两组独立的进油装置和出油装置，其中一组进 油装置和出油装置与内部围压腔连接，另一组进油装置和出油装置与外部围压腔的出油通 道连接，形成两个独立的围压加载装置；步骤2.5)将动力加载装置分别与计算机连接；步骤3)单独或同时启动各动力加载装置，对试样施加轴向、扭矩和/或围压加载力，各 动力装置的工作数据以及应变片采集的数据传给计算机进行分析。
【文档编号】G01N3/12GK106018059SQ201610342536
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】陆银龙, 张扬, 王连国, 李兆霖, 肖天博
【申请人】中国矿业大学