一種用于巖石雙軸試驗的可調側向壓力加載裝置及其試驗方法與流程

本發明涉及巖石力學與工程領域，具體為一種用于巖石試樣雙軸壓縮室內試驗的側向壓力加載裝置及其試驗方法。

背景技術：

在采礦、水利和交通等巖石工程中，巖石的強度特征是一項至關重要的基本參數，直接關系到工程的長期穩定及安全運營。在實驗室條件下，開展巖石強度破壞的研究對于正確認識外載條件及其他影響因素對巖石強度的影響規律具有重要意義。然而，目前這方面的研究還主要集中在單軸加載或者常規三軸加載。在實際巖石工程中，由于開挖卸荷等原因改變巖體的受力狀態，應力重新分布后經常會出現平面應力狀態，也即雙向受力狀態(兩對面上受力，另一對面不受力，即自由面)。但是，受限于雙軸加載設備，關于巖石在雙軸受力狀態下的強度演化規律和破裂機制均還未得到深入的試驗研究。因此，研制一種簡單、適用于室內巖石試樣雙軸加載的試驗裝置是巖石力學工作者的迫切需求。

目前，關于巖石試件側向加載裝置的研究現狀，簡述如下：

1、《一種巖石圍壓加載實驗裝置及實驗方法》發明專利公開了一種采用采用鋼板圍成的箱體、預應力螺栓和力矩扳手實現側向加載的裝置及方法(參見申請號201410080149.5，發明人夏彬偉，等)，該方法適用于低成本、較小應力的加載實驗，但是對于較大應力加載和試驗過程中及時調整圍壓值方面有所不足。

2、《機械破巖試驗平臺圍壓裝置》發明專利公開了一種采用控制系統、液壓系統及機械部分等實現破巖平臺的圍壓裝置(參見申請號：201310086456.X，發明人龔秋明，等)，該方法能夠實現可調的側壓值，但是該裝置結構復雜、成本高。

3、《實驗室用巖石強度測試的圍壓加載裝置》發明專利公開了一種采用圓柱形筒體、承載座及加載蓋等組成的圍壓加載裝置(參見申請號201420009131.1，發明人王新武，等)，該裝置能夠施加環向均布的圍壓，不能對長方體狀巖樣的進行側向加載。

總之，目前關于巖石側向加載裝置還存在設備構造復雜、難以實現可調的側向壓力值等不足，急需研制一種簡單、經濟和有效的側向加載試驗裝置。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種用于巖石雙軸試驗的可調側向壓力加載裝置及其試驗方法，構造簡單、易于操作，且能夠實現可調壓力。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種用于巖石雙軸試驗的可調側向壓力加載裝置，包括反力架、側壓箱體和手動壓力泵，其中，所述反力架包括兩個相同且對向設置的約束鋼板，兩個約束鋼板之間通過若干根高強螺栓連接，其中一側的約束鋼板內側設置有側壓箱體，另一側約束鋼板與側壓箱體之間放置有待測的巖石試樣，所述手動壓力泵的出氣口與側壓箱體連通。

所述反力架包括兩個相同且對向設置的約束鋼板，分別為第一約束鋼板和第二約束鋼板，該兩塊約束鋼板上分別開設有四個較大螺栓孔，兩塊約束鋼板上的螺栓孔一一對應，并通過四根較大高強螺栓穿過兩個約束鋼板上的較大螺栓孔固定，且較大高強螺栓的端部固定有較大高強螺母；其中一側的約束鋼板上設置有四個較小螺栓孔，并通過四根較小高強螺栓和四個較小高強螺母固定一塊第三約束鋼板，所述第三約束鋼板的面積小于第一約束鋼板。

所述側壓箱體包括一塊第四約束鋼板，第四約束鋼板上開設有四個較大螺栓孔，且該四個較大螺栓孔與第一約束鋼板和第二約束鋼板上的較大高強螺栓位置對應；第四約束鋼板上遠離巖石試樣的一側連接有剛性箱體，該剛性箱體遠離巖樣的一個側面臨空，剛性箱體內部置有與剛性箱體在高度和寬度上匹配，但其平行于較小高強螺栓方向的長度短于剛性箱體的橡膠套，在剛性箱體和橡膠套上開設有一個連接孔，用于連接手動壓力泵的出氣口。

所述的手動壓力泵包括手持搖把、壓力表、盛水容器、軟管、閥門以及缸體，其中，所述手持搖把設置于缸體的一端，手持搖把與位于缸體內的活塞連接，缸體的另一端連接有軟管，軟管上設置有壓力表；所述缸體上還連接有盛水容器；所述閥門為兩個，其中一個設置于盛水容器與缸體的連接處，另一個設置于軟管上。

所述巖石試樣的兩側放置有剛性墊塊。

一種用于巖石雙軸加載試驗的可調側向壓力加載試驗方法，包括以下步驟：

步驟一，將側壓箱體套入到四根較小高強螺栓上，剛性箱體在遠離巖樣一側的臨空面正好嵌套在反力架的第三約束鋼板上，并用較小高強螺母將兩側第一約束鋼板和第二約束鋼板固定；

步驟二，將手動壓力泵中的軟管的出口端與側壓箱體及橡膠套中的連接孔相連接；

步驟三，將巖石試樣置于反力架中間位置，并選用尺寸合適的剛性墊塊置于巖石試樣的兩側，則整個裝置組裝完成；

步驟四，通過手動壓力泵對橡膠套加載，推動側壓箱體向巖石試樣一端移動，反力架兩端的約束鋼板提供反力，從而實現對巖石試樣的側向加載；觀察壓力表實時顯示的側向壓力值，并且通過手動壓力泵及時加載和卸載，實現試驗過程中側向壓力調節。

有益效果：本發明采用簡單的反力架、側壓箱和手動壓力泵即可對板狀巖樣施加側向壓力。該加載系統構造簡單、組裝方便、操作便捷以及成本較低。試驗過程中通過調整壓力泵即可改變側壓值，實現試驗過程中側向壓力可調。結合簡單軸向單軸加載試驗機即可實現巖石試樣雙軸加載試驗。通過改變墊塊位置，結合簡單軸向單軸加載試驗機即可實現巖樣直剪試驗。通過改變剛性墊塊尺寸，可以進行巖石尺寸效應巖樣研究。

附圖說明

圖1為巖石試樣雙軸加載裝置及試驗方法示意圖；

圖2為反力架的示意圖；

圖3為側壓箱體的示意圖；

圖4為手動壓力泵的示意圖。

圖中：1—剛性墊塊；2—反力架；3—側壓箱體；4—手動壓力泵；5—巖樣；61—較大高強螺栓；62—較小高強螺栓；71—較大高強螺母；72—較小高強螺母；81—第一約束鋼板；82—第二約束鋼板；83—第三約束鋼板；84—第四約束鋼板；91—較大螺栓孔；92—較小螺栓孔；10—剛性箱體；11—橡膠套；12—連接孔；13—搖把；14—壓力表；15—盛水容器；16—軟管；17—閥門；18—缸體；19—活塞。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

如圖1所示為一種用于巖石雙軸試驗的可調側向壓力加載裝置，包括反力架2、側壓箱體3和手動壓力泵4，其中，所述反力架2包括兩個相同且對向設置的約束鋼板，兩個約束鋼板之間通過若干根高強螺栓連接，其中一側的約束鋼板內側設置有側壓箱體3，另一側約束鋼板與側壓箱體3之間放置有待測的巖石試樣5，所述手動壓力泵4的出氣口與側壓箱體3連通。

如圖2，反力架2包括兩個相同且對向設置的約束鋼板，分別為第一約束鋼板81和第二約束鋼板82，該兩塊約束鋼板上分別開設有四個較大螺栓孔91，兩塊約束鋼板上的螺栓孔一一對應，并通過四根較大高強螺栓61穿過兩個約束鋼板上的較大螺栓孔91固定，且較大高強螺栓61的端部固定有較大高強螺母71；其中一側的約束鋼板上設置有四個較小螺栓孔92，并通過四根較小高強螺栓62和四個高強螺母72固定一塊第三約束鋼板83，所述第三約束鋼板83的面積小于第一約束鋼板81。

如圖3，側壓箱體3包括一塊第四約束鋼板84，第四約束鋼板84上開設有四個較大螺栓孔91，且該四個較大螺栓孔91與第一約束鋼板81和第二約束鋼板82上的較大螺栓孔91位置對應；第四約束鋼板84上遠離巖石試樣5的一側連接有剛性箱體10，該剛性箱體10遠離巖樣的一個側面臨空，剛性箱體10內部置有與剛性箱體10在高度和寬度上匹配，但其平行于較小高強螺栓62方向的長度短于剛性箱體的橡膠套11，在剛性箱體10和橡膠套11上開設有一個連接孔12，用于連接手動壓力泵4的出氣口。

如圖4，手動壓力泵4包括手持搖把13、壓力表14、盛水容器15、軟管16、閥門17以及缸體18，其中，所述手持搖把13設置于缸體18的一端，手持搖把13與位于缸體18內的活塞19連接，缸體18的另一端連接有軟管16，軟管16上設置有壓力表14；所述缸體18上還連接有盛水容器15；所述閥門17為兩個，其中一個設置于盛水容器15與缸體18的連接處，另一個設置于軟管16上。其中，盛水容器15中裝有一定量的水，通過壓力泵注入橡皮套11，從而產生側壓力。

所述巖石試樣5的兩側放置有剛性墊塊1。

本發明中所述的較大高強螺栓61，較小高強螺栓62，較大高強螺母71，較小高強螺母72，較大螺栓孔91，較小螺栓孔92，是指兩種規格的高強螺栓、高強螺母、螺栓孔之間相對尺寸的大小。

一種用于巖石雙軸加載試驗的可調側向壓力加載試驗方法，包括以下步驟：

步驟一，將側壓箱體3套入到四根較小高強螺栓62上，剛性箱體10在遠離巖樣一側的臨空面正好嵌套在反力架2的第三約束鋼板83上，并用較小高強螺母72將兩側第一約束鋼板81和第二約束鋼板82固定；

步驟二，將手動壓力泵4中的軟管16的出口端與側壓箱體3及橡膠套11中的連接孔12相連接；

步驟三，將巖石試樣5置于反力架2中間位置，并選用尺寸合適的剛性墊塊1置于巖石試樣5的兩側，則整個裝置組裝完成；

步驟四，通過手動壓力泵4對橡膠套11加載，推動側壓箱體3向巖石試樣5一端移動，反力架2兩端的約束鋼板提供反力，從而實現對巖石試樣5的側向加載；觀察壓力表14實時顯示的側向壓力值，并且通過手動壓力泵4及時加載和卸載，實現試驗過程中側向壓力調節。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。