一種進行巖石直接拉伸強度及變形測量的系統及方法
【專利摘要】本發明提出一種利用人工切縫進行巖石直接拉伸強度及變形測量的系統和方法，系統包括試驗加載設備、巖石試樣，金屬套帽、柔性連接機構，拉伸載荷傳感器；巖石試樣為呈圓柱形，其中間部位的兩側對稱切割有兩條切縫，切縫方向為試樣的徑向方向；巖石試樣兩端分別設置有上、下兩個金屬套帽，其中，上金屬套帽依次通過拉伸載荷傳感器和柔性連接機構連接進試驗加載設備的上夾具夾口，下金屬套帽通過柔性連接機構連接試驗加載設備7的下夾具夾口。本技術方案解決了直接拉伸試驗中巖石試樣易產生彎曲或扭轉應力的缺陷，同時避免破壞時巖石試樣受端部應力集中效應而非產生拉伸破壞的情況，能夠精確有效地量測出巖石拉伸強度及拉伸過程中的軸向及徑向變形。
【專利說明】一種進行巖石直接拉伸強度及變形測量的系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及固體材料的測量和測試領域，特別涉及一種利用人工切縫進行巖石直接拉伸強度及變形測量的系統及方法。
【背景技術】
[0002]巖石抗拉強度是指巖石在單軸拉伸載荷作用下達到破壞時所能承受的最大拉應力稱為巖石的單軸抗拉強度(Tensile strength),簡稱抗拉強度。
[0003]目前，測量巖石抗拉強度的實驗方法主要有間接拉伸法和直接拉伸法兩種。間接拉伸法主要是采用巴西劈裂的方法，采用圓盤形試件(高徑比1:2)，在試樣的直徑方向上，施加載荷，使之沿試樣直徑方向發生破壞。直接拉伸法是采用圓柱形試樣(高徑比大于2:1)，在試樣的兩端通過粘接或是夾持的方式連接到拉伸試驗機中，然后在試樣的兩端施加拉伸載荷，使之產生拉伸破壞。但國際巖石力學學會實驗室和現場試驗標準化委員會推薦的《巖石力學試驗建議方法》，中華人民共和國行業標準《水利水電工程巖石試驗規程(SL264-2001)))及中華人民共和國國家標準《工程巖體試驗方法標準(GB/T50266-99)》等規范中，對于巖石抗拉強度試驗都推薦使用間接拉伸法(巴西劈裂法)進行試驗。主要原因在于，采用直接拉伸的方式進行試驗需要滿足以下條件:
1、符合精度要求且具備有夾持功能的拉力(或萬能)試驗機。
[0004]2、巖石試樣需采用合適的圓筒狀金屬套帽將試樣兩端和金屬套帽粘接在一體，且粘接后兩端不平整度允許偏差±0.05mm。
[0005]3、粘接試樣所使用的粘結劑要有足夠的強度，其強度要大于巖石的抗拉強度。
[0006]4、粘接后的巖石試樣連接進入試驗機上下夾具，并保證拉伸試驗過程中所施加的載荷需嚴格通過試件的軸心線，不得產生彎曲或扭轉應力。
[0007]上述條件在實際操作中存在有以下一些問題:首先試樣在和金屬套帽粘接過程中采用人工進行，平行度很難把握，如果平行度達不到要求，在試驗過程中易產生彎矩；其次試樣所采用的粘接劑強度一定要大于巖石的抗拉強度，否則在試驗過程中會沿粘貼處發生破壞而非巖石拉伸破壞；另外巖石試樣粘接后，在端部易廣生應力集中效應；最后試驗機夾持粘接后的巖石試樣后，大多數情況下都會產生彎曲或扭轉應力，導致試驗失敗。
[0008]美國MTS工業公司生產的815型巖石力學試驗系統其中包含了一套巖石直接拉伸系統，該系統設計與制造參考了國際巖石力學學會實驗室和現場試驗標準化委員會《巖石力學試驗建議方法》中巖石拉伸試驗。該系統中，拉伸部件采用了鏈條式柔性連接方式，這種方式可以使拉伸載荷嚴格通過試件的軸心線而不產生彎曲或扭轉應力；同時該系統采用了高強度粘接劑粘接巖石試樣，粘接劑的強度大于巖石的抗拉強度。該套系統在試驗過程中，試樣端部與金屬帽粘接處會產生端部效應，在端部產生應力集中點，試樣往往會沿著粘接處斷裂。
【發明內容】
[0009]本發明旨在至少解決上述技術缺陷之一。
[0010]為此，本發明的第一個目的在于提出一種利用人工切縫進行巖石直接拉伸強度及變形測量的測量系統，其特征在于，所述測量系統包括試驗加載設備7、巖石試樣4，金屬套帽3、柔性連接機構1，拉伸載荷傳感器2 ；
其中，所述試驗加載設備7上具有上下兩個夾具5 ；
所述巖石試樣4為呈圓柱形，所述巖石試件4的中間部位的兩側對稱切割有兩條切縫
8,切縫方向為圓柱形巖石試樣的徑向方向；
巖石試樣4兩端分別設置有上、下兩個所述金屬套帽3，其中，上金屬套帽依次通過所述拉伸載荷傳感器2和柔性連接機構I連接進試驗加載設備7的上夾具夾口中，下金屬套帽通過柔性連接機構I連接進試驗加載設備7的下夾具夾口中。
[0011]優選地，巖石試樣直徑D為50-54mm，高徑比2.5?3。
[0012]優選地，所述切縫8的寬度W為1-2_左右，切縫處最大深度d為巖石試樣直徑D的 10% O
[0013]優選地，所述切縫8為直縫。
[0014]優選地，所述巖石試樣上設置有應變片組6。
[0015]優選地，所述應變片組6包括一組對稱的軸向應變片601及一組對稱的徑向應變片602，其中應變片組6中的各個應變片與各切縫8之間的角度為90°。
[0016]優選地，套帽3與巖石試件4之間采用環氧樹脂粘結。
[0017]優選地，上述應變片6及拉伸載荷傳感器2連入數據采集儀中。
[0018]本發明另一目的在于提出一種利用人工切縫進行巖石直接拉伸強度及變形測量的測量方法，其特征在于，所述測量方法包括以下步驟:
步驟一、在圓柱形待測巖石試樣4中間部位的兩側對稱切割兩條切縫8 ;同時在巖石試樣4中間部位的兩側粘貼應變片組6 ；
步驟二、在巖石試樣4兩端分別安裝上、下兩個圓筒狀金屬套帽3，并通過粘結劑粘接在一起;
步驟三、將上金屬套帽則依次通過拉伸載荷傳感器2和柔性連接機構I連接進試驗加載設備7的上夾具夾口中，下金屬套帽通過柔性連接機構I連接進試驗加載設備7的下夾具夾口中；
步驟四、將應變片組及拉伸載荷傳感器連入數據采集儀中；
步驟五、利用試驗加載設備7對巖石試樣進行拉伸，直至巖石試樣拉伸破壞。
[0019]優選地，步驟五中的拉伸速度為每秒0.1-0.3MPa。
[0020]本發明的技術方案中巖石試樣兩端采用金屬帽粘接，粘接后的巖石試樣采用柔性連接的方式連接入拉力試驗機；在巖石試樣中部對稱切割直縫(直縫采用高速巖石切縫機切割，寬度l_2mm左右，最大深度為試樣直徑的10%)，該直縫的存在使得巖石在拉伸過程中在切縫的尖端產生應力集中效應，根據Griffith能量平衡理論，將切縫看作為裂紋，當試樣周圍受均布拉應力時，在裂紋尖端會產生應力集中效應，而在裂紋遠端均勻分布拉應力)，使得巖石將沿著這兩個裂紋的平面發生拉伸破裂。通過數值模擬計算，可以得出巖石試樣在存在裂縫的條件下，受均布拉應力后，其應力分布云圖符合Griffith能量平衡理論，在裂紋尖端會產生應力集中效應，而在裂紋遠端均勻分布拉應力，受此均勻分布的拉應力巖石試樣將發生拉伸破壞。同時在巖石試樣中部對稱粘貼一組軸向應變片和徑向應變片，可以精確測量巖石拉伸過程中的變形數據。
[0021]本發明與現有的試驗方法相比積極效果:
(1)解決了直接拉伸試驗中巖石試樣易產生彎曲或扭轉應力導致試驗失敗；
(2)解決了破壞時巖石試樣受端部應力集中效應而非產生拉伸破壞的情況；
(3)精確有效地量測出巖石拉伸過程中的軸向及徑向變形。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1利用人工切縫進行巖石直接拉伸及變形測量的測量系統結構示意圖。
[0023]圖2金屬套帽與巖石試樣的連接示意圖。
[0024]圖3巖石試樣結構示意圖。
[0025]圖4數值模擬巖石試樣圖。
[0026]圖5數值模擬巖石試樣受拉應力分布云圖。
[0027]圖6大理巖直接拉伸試驗變形曲線。
【具體實施方式】
[0028]參照下面的描述和附圖，將清楚本發明的實施例的技術效果。在這些描述和附圖中，具體公開了本發明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發明的實施例的原理的一些方式，但是應當理解，本發明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發明的實施例包括落入所附加權利要求書的精神和內涵范圍內的所有變化、修改和等同物。
[0029]下面參考說明書附圖描述根據本發明的利用人工切縫進行巖石直接拉伸及變形測量的測量系統。
[0030]如圖1所示，本發明利用人工切縫進行巖石直接拉伸及變形測量的測量系統結構包括:試驗加載設備7、巖石試樣4，金屬套帽3、柔性連接機構1，拉伸載荷傳感器2，應變片6。
[0031]試驗加載設備7，本發明采用具備拉伸功能的萬能試驗機，試驗加載設備7上具有上下兩個夾具5。
[0032]巖石試樣4為待測巖石，呈圓柱形，直徑D為50_54mm，高徑比(即試樣高度與直徑D的比值)2.5?3，其兩端不平整度允許偏差±0.05mm。巖石試樣4兩端分別設置有上、下兩個圓筒狀金屬套帽3，并與試樣兩端粘接在一起。
[0033]為了避免在直接拉伸的測量過程中，斷裂破壞發生在試件與金屬套帽連接的部位，在巖石試件4的中間部位的兩側對稱切割有兩條切縫8，切縫方向為圓柱形巖石試樣的徑向方向，即與圓柱形巖石上下兩底面平行，切縫8的寬度W為1-2_左右，切縫處深度最大值d為試樣直徑D的10%左右，該切縫可為直縫，可以由高速切割機在巖石試樣中部對稱切割而成。切縫的切面面積于試件破壞后測量。
[0034]如圖2所示，巖石試樣4兩端的金屬套帽3內徑略大于巖石試件直徑，每個金屬套帽3內一端32內凹，用于嵌套入巖石試樣的一端，另一端31為帽冠呈“凸”字形，“凸”字形帽冠內開孔以備與拉伸載荷傳感器2或柔性連接機構I連接之用。其中，柔性連接機構I可以為柔性繩。[0035]上金屬套帽依次通過拉伸載荷傳感器2和柔性連接機構I連接進試驗加載設備7的上夾具夾口中，下金屬套帽則通過柔性連接機構I連接進試驗加載設備7的下夾具夾口中，由上至下形成上夾具5—柔性連接機構I一拉伸載荷傳感器2—金屬套帽3—巖石試件4一金屬套帽3—柔性連接機構I一下夾具5的整體連接結構。其中，拉伸載荷傳感器2與上部的金屬套帽3配套設計，拉伸載荷傳感器2下端與金屬套帽3連接(通過銷釘連接，可以自由旋轉180度)，拉伸載荷傳感器2上端通過柔性連接機構I連接進試驗機的上夾具中(試驗機夾具直接夾持)。
[0036]為了在測量巖石抗拉強度的同時監測其應變狀況，在巖石試樣中部的兩側還設置有應變片組6，所述應變片組6包括一組對稱的軸向應變片601及一組對稱的徑向應變片602，應變片組6中的各個應變片與各切縫8之間的角度同為90°左右。例如，當對稱的切縫8分別位于巖石試樣橫切面的0°和180°角位置時，一個軸向應變片和一個徑向應變片位于該橫切面的90°角位置，另一個軸向應變片和另一個徑向應變片則位于該橫切面的270°角位置。
[0037]上述應變片6及拉伸載荷傳感器2連入數據采集器中，用于記錄拉伸過程中的應力及應變數據。
[0038]利用上述測量系統進行測量的測量方法，包括以下步驟:
步驟一、在圓柱形待測巖石試樣4中間部位的兩側對稱切割兩條切縫8 ;同時在巖石試樣4中間部位的兩側安裝應變片組6。
[0039]本實例選用的巖石試樣4直徑D為50mm，高徑比2.8，其中切縫方向8為圓柱形待測巖石試樣4的徑向方向， 切縫8的寬度W為2mm,深度最大值d為5mm,切縫為弧形縫時，弧形縫所在圓的直徑為250_，兩條切縫8的切面面積總和△ S可以在試件破壞后測量。
[0040]所述應變片組6包括一組對稱的軸向應變片601及一組對稱的徑向應變片602，應變片組6中的各個應變片與各切縫8之間的角度為90°。
[0041]步驟二、在巖石試樣4兩端分別安裝上、下兩個圓筒狀金屬套帽3，并通過粘結劑粘接在一起。
[0042]所述金屬套帽3內徑略大于巖石試件直徑，其一端32內凹，另一端31帽冠呈“凸”字形，“凸”內開孔以備鋼絲繩I連接之用，套帽3與巖石試件4之間采用環氧樹脂作為粘結劑。
[0043]步驟三、將上金屬套帽則依次通過拉伸載荷傳感器2和鋼絲繩I連接進試驗加載設備7的上夾具夾口中，下金屬套帽通過鋼絲繩I連接進試驗加載設備7的下夾具夾口中，形成上夾具5—鋼絲繩I一拉伸載荷傳感器2—金屬套帽3—巖石試件4一金屬套帽3—鋼絲繩I一下夾具5的整體連接結構。
[0044]其中拉伸載荷傳感器2與上金屬套帽通過銷釘連接，兩者之間可以自由旋轉180度，拉伸載荷傳感器2上端通過鋼絲繩I柔性連接進試驗機的上夾具中(試驗機夾具直接夾持)。
[0045]步驟四、將應變片組6及拉伸載荷傳感器2連入數據采集儀中，以便記錄拉伸過程中的應力及應變數據。
[0046]步驟五、以每秒0.1-0.3MPa的速度進行拉伸，直至巖石試樣拉伸破壞。
[0047]在計算巖石的抗拉強度Rt可以通過Rt=PZS-AS計算，其中，P為巖石試樣破壞時拉伸載荷傳感器的測量數值，即最大軸向拉伸載荷，S為巖石試樣的橫截面積，AS為兩條切縫8的切面面積總和。
[0048]盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同限定。
【權利要求】
1.一種利用人工切縫進行巖石直接拉伸強度及變形測量的測量系統，其特征在于，所述測量系統包括試驗加載設備(7)、巖石試樣(4)，金屬套帽(3)、柔性連接機構(I )，拉伸載荷傳感器(2)； 其中，所述試驗加載設備(7)上具有上下兩個夾具(5)； 所述巖石試樣(4)為呈圓柱形，所述巖石試件(4)的中間部位的兩側對稱切割有兩條切縫(8),切縫方向為圓柱形巖石試樣的徑向方向； 巖石試樣(4)兩端分別設置有上、下兩個所述金屬套帽(3)，其中，上金屬套帽依次通過所述拉伸載荷傳感器(2 )和柔性連接機構(I)連接進試驗加載設備(7 )的上夾具夾口中，下金屬套帽通過柔性連接機構(I)連接進試驗加載設備(7 )的下夾具夾口中。
2.如權利要求1所述的測量系統，其特征在于，巖石試樣直徑D為50-54mm，高徑比2.5 ?3。
3.如權利要求1所述的測量系統，其特征在于，所述切縫(8)的寬度W為l-2mm左右，切縫最大深度d為巖石試樣直徑d的10%。
4.如權利要求1所述的測量系統，其特征在于，所述切縫(8)為直縫。
5.如權利要求1所述的測量系統，其特征在于，所述巖石試樣上設置有應變片組(6)。
6.如權利要求5所述的測量系統，其特征在于，所述應變片組6包括一組對稱的軸向應變片(601)及一組對稱的徑向應變片(602)，其中應變片組(6)中的各個應變片與各切縫(8)之間的角度為90°。
7.如權利要求1所述的測量系統，其特征在于，套帽(3)與巖石試件(4)之間采用環氧樹脂粘結。
8.如權利要求5或6所述的測量系統，其特征在于，上述應變片組(6)及拉伸載荷傳感器(2)連入數據采集儀中。
9.一種利用人工切縫進行巖石直接拉伸強度及變形測量的測量方法，其特征在于，所述測量方法包括以下步驟: 步驟一、在圓柱形待測巖石試樣(4)中間部位的兩側對稱切割兩條切縫(8);同時在巖石試樣(4)中間部位的兩側粘貼應變片組(6)； 步驟二、在巖石試樣(4)兩端分別安裝上、下兩個圓筒狀金屬套帽(3)，并通過粘結劑粘接在一起； 步驟三、將上金屬套帽則依次通過拉伸載荷傳感器(2)和柔性連接機構(I)連接進試驗加載設備(7)的上夾具夾口中，下金屬套帽通過柔性連接機構(I)連接進試驗加載設備(7)的下夾具夾口中； 步驟四、將應變片組(6 )及拉伸載荷傳感器(2 )連入數據采集儀中； 步驟五、利用試驗加載設備(7)對巖石試樣進行拉伸，直至巖石試樣拉伸破壞。
10.一種如權利要求9所述的測量方法，其特征在于，步驟五中的拉伸速度為每秒0.1-0.3MPaο
【文檔編號】G01B7/16GK103674707SQ201310697933
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】張磊, 黃正均, 王寶學, 楊同, 劉鈺 申請人:北京科技大學