一種新型巖石常規三軸壓縮試驗裝置及試驗方法與流程

本發明涉及巖石力學技術領域，具體涉及一種用于消除巖石端部效應的新型巖石常規三軸壓縮試驗裝置及試驗方法。

背景技術：

端部效應普遍存在于室內巖石常規三軸壓縮試驗中，現有技術中普遍采用圓柱形巖石進行常規三軸壓縮試驗，軸向受壓時，由于裝置的金屬壓頭和試樣的彈性模量相差很大，壓頭和試樣端部的變形量不同產生摩擦，摩擦系數與接觸條件有關，致使試樣端部應力分布不均，進而影響試樣整體抗壓強度、彈性模量等參數的測量，得到的抗壓強度值比實際值大，無法直接應用于實際工程和科研中。

現有技術中主要采用兩種方法減小端部效應對試驗結果的影響：1、減小壓頭與試樣的接觸面摩擦系數，如在接觸面涂抹潤滑劑、放置光滑墊片等方法；2、增大試樣的高徑比，減小端部效應對試樣中部應力分布的影響。前述兩種方法在一定程度上可以減小端部摩擦效應的影響，但無法完全消除，且第一種方法定量分析端部摩擦系數對結果影響的程度和穩定性具有較大難度，第二種方法對減弱端部效應影響的效果不理想。截至目前，在巖石力學試驗過程中如何有效消除端部效應一直是巖石力學領域有待解決的技術難題。

技術實現要素：

為解決現有技術中存在的巖石力學試驗端部效應難消除的問題，本發明提供一種新型巖石常規三軸壓縮試驗裝置及試驗方法。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種新型巖石常規三軸壓縮試驗裝置，包括底座，底座上由上至下依次同軸設置第一壓頭、巖石試樣和第二壓頭，巖石試樣通過密封組件分別與第一壓頭和第二壓頭進行密封連接，巖石試樣包括軸向受壓區、環向約束區和有效力作用區，有效力作用區位于巖石試樣中部，兩個軸向受壓區對稱分布于有效力作用區的兩端，每個環向約束區均繞一個軸向受壓區外側壁環繞一周并與有效力作用區側面曲面相切，第一壓頭包括由上至下依次設置的上壓頭和第一軸向壓頭，第二壓頭包括由下至上依次設置的下壓頭和第二軸向壓頭，第一軸向壓頭和第二軸向壓頭分別與有效力作用區兩端的軸向受壓區面面相接。

進一步的，所述上壓頭、第一軸向壓頭、下壓頭和第二軸向壓頭的中心軸線均與巖石試樣的中心軸線重合。

進一步的，所述巖石試樣呈啞鈴狀結構且豎直放置于底座上，巖石試樣的上端面與下端面平行，巖石試樣的兩端分別為軸向受壓區，每個軸向受壓區的外側壁均環繞一個環向約束區，所述軸向受壓區和有效力作用區均呈圓柱體結構且直徑相同，所述環向約束區呈圓環狀柱體結構，環向約束區內徑與軸向受壓區直徑相同，環向約束區通過圓弧倒角曲面與有效力作用區側面相切。

進一步的，所述第一軸向壓頭和第二軸向壓頭均呈圓柱體結構且直徑均與有效力作用區的直徑相同，所述上壓頭和下壓頭均呈圓柱體結構且直徑相同，與環向約束區相適配。

進一步的，所述密封組件包括乳膠套、橡膠套、喉箍和橡膠墊，所述橡膠套設置于巖石試樣與第一壓頭和第二壓頭的相接觸處并通過喉箍進行緊固密封，所述橡膠墊分別套接于第一軸向壓頭和第二軸向壓頭外側壁并分別環繞一周進行密封。

進一步的，所述乳膠套和橡膠套的內徑均與上壓頭和下壓頭的直徑相同，橡膠套和喉箍的寬度大于第一軸向壓頭和第二軸向壓頭的高度，喉箍的寬度小于橡膠套的寬度，所述橡膠墊呈圓環狀柱體結構，其內徑與第一軸向壓頭和第二軸向壓頭的直徑相同，其外徑與上壓頭和下壓頭的直徑相同。

進一步的，包括以下步驟：

步驟一、將巖石試樣套入乳膠套內，在巖石試樣的中部乳膠套預留足夠長度，確保在抽出二者夾雜的空氣后乳膠套與巖石試樣外側壁相貼合，橡膠墊分別套接于第一軸向壓頭和第二軸向壓頭上并分別環向一周進行密封，隨后將巖石試樣的下端面放置于第二壓頭上，乳膠套的下端口套入第二壓頭，橡膠套套接于巖石試樣與第二壓頭的交接處，橡膠套的內壁與巖石試樣和下壓頭相接，在橡膠套的外側壁上安裝并旋緊喉箍；

步驟二、在巖石試樣上有效力作用區的適當位置安裝用于位移測量的軸向引伸計和環向引伸計；

步驟三、將第一壓頭放置于巖石試樣的上端面，乳膠套的上端口套入第一壓頭，隨后通過小型真空泵配合細嘴吸管抽出乳膠套與巖石試樣之間的夾層空氣使巖石試樣與乳膠套的側壁緊密貼合，巖石試樣的上下端面分別與第一壓頭和第二壓頭相貼合，有效力作用區兩端的軸向受壓區分別與第一軸向壓頭和第二軸向壓頭相貼合，將橡膠套套接于巖石試樣與第一壓頭的交接處，橡膠套的內壁與巖石試樣和上壓頭相接，在橡膠套的外側壁上安裝并旋緊喉箍，完成裝樣；

步驟四、對軸向引伸計和環向引伸計進行參數設定，對步驟三得到的巖石試樣施加圍壓至設定值后維持圍壓恒定，按照一定速率加載軸壓至巖石試樣被破壞，完成巖石常規三軸壓縮試驗。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

本發明公開了一種新型巖石常規三軸壓縮試驗裝置，包括底座，底座上由上至下依次同軸設置第一壓頭、巖石試樣和第三壓頭，巖石試樣分別通過密封組件與第一壓頭和第三壓頭進行密封連接，巖石試樣包括軸向受壓區、環向約束區和有效力作用區，有效力作用區位于巖石試樣中部，軸向受壓區對稱分布于有效力作用區兩端，環向約束區繞軸向受壓區外側壁環繞一周并與有效力作用區側面曲面相切，第一壓頭包括由上至下依次設置的上壓頭和第一軸向壓頭，第二壓頭包括由下至上依次設置的下壓頭和第二軸向壓頭，第一軸向壓頭和第二軸向壓頭分別與有效力作用區兩端的軸向受壓區面面相接。本發明提供的新型巖石常規三軸壓縮試驗裝置及試驗方法，采用啞鈴狀巖石試樣并通過密封組件密封連接第一壓頭和第二壓頭，有效地消除了端部效應對試驗結果的影響且密封效果良好，巖石試樣的中部為柱體，便于安裝軸向引伸計和環向引伸計，乳膠套厚度小，提高了軸向、環向引伸計的測量準確度，實用性強，應用前景廣闊。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明的巖石試樣的立體結構圖；

圖3為本發明的巖石試樣的區域劃分圖；

圖4為本發明的巖石試樣與第一壓頭及第二壓頭的接觸示意圖；

圖5是本發明的巖石試樣與第一壓頭及第二壓頭的接觸剖視圖；

其中，1-巖石試樣；1a-軸向受壓區；1b-環向約束區；1c-有效力作用區；2-第一壓頭；2a-上壓頭；2b-第一軸向壓頭；3-第二壓頭；3a-下壓頭；3b-第二軸向壓頭；4-底座；5-乳膠套；6-橡膠套；7-喉箍；8-橡膠墊。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作更進一步的說明。

如圖1-5所示，一種新型巖石常規三軸壓縮試驗裝置，包括巖石試樣1、第一壓頭2、第二壓頭3、底座4和密封組件，密封組件包括乳膠套5、橡膠套6、喉箍7和橡膠墊8，底座4上由上至下依次設置第一壓頭2、巖石試樣1和第二壓頭3，巖石試樣1分別通過密封組件與第一壓頭2和第三壓頭3進行密封連接，使巖石試樣1與液壓油隔離，具有良好的密封性，第一壓頭2、巖石試樣1和第二壓頭3的中心軸線在同一直線上，巖石試樣1呈啞鈴狀結構且豎直放置于底座4上，巖石試樣1的上端面和下端面均與水平面平行，巖石試樣1包括軸向受壓區1a、環向約束區1b和有效力作用區1c，軸向受壓區1a和有效力作用區1c均呈圓柱體結構且直徑相同，有效力作用區1c為巖石常規三軸壓縮試驗測量的主體，位于巖石試樣1中部，巖石試樣1的兩端為軸向受壓區1a，兩個軸向受壓區1a對稱分布于有效力作用區1c的兩端，每個軸向受壓區1a上均環繞一個環向約束區1b，環向約束區1b呈圓環狀柱體結構，環向約束區1b繞軸向受壓區1a外側壁環繞一周，環向約束區1b的內徑與軸向受壓區1a直徑相同，環向約束區1b起到端部徑向位移約束的作用，環向約束區1b通過圓弧倒角曲面與有效力作用區1c側面相切，避免應力集中，有效力作用區1c的長度與直徑的比值滿足標準圓柱形巖石試樣長徑比的要求，如圖3所示。

如圖4和5所示，第一壓頭2和第二壓頭3分別放置于巖石試樣1的兩端，第一壓頭2包括由上至下依次設置的上壓頭2a和第一軸向壓頭2b，第二壓頭3包括由下至上依次設置的下壓頭3a和第二軸向壓頭3b，上壓頭2a、第一軸向壓頭2b、下壓頭3a和第二軸向壓頭3b的中心軸線均與巖石試樣1的中心軸線重合，第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b分別與有效力作用區1c兩端的軸向受壓區1a面面相接，第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b均呈圓柱體結構且直徑與軸向受壓區1a和有效力作用區1c的直徑相同，上壓頭2a和下壓頭3a均呈圓柱體結構且直徑均與環向約束區1b的外徑相同。

乳膠套5具有很好的延展性和彈性，乳膠套5的內徑與上壓頭2a和下壓頭3a的直徑相同，乳膠套5與上壓頭2a和下壓頭3a的外側壁具有良好的貼合性，在受圍壓作用時與巖石試樣1外側壁相貼合，無破損，乳膠套5的兩個端口可進行密封，提高密封性，巖石試樣1與第一壓頭2及第二壓頭3的交接處分別套接橡膠套6進行固定連接，喉箍7安裝于橡膠套6外側壁上，用于固定橡膠套6、第一壓頭2、第二壓頭3、巖石試樣1，確保四者的中心軸線重合，同時用于密封端口，具有良好的密封性。

如圖5所示，橡膠墊8呈圓環狀柱體結構，橡膠墊8的內徑與軸向受壓區1a、第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b的直徑相同，橡膠墊8的外徑與上壓頭2a和下壓頭3a的直徑相同，橡膠墊8的厚度與第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b的高度相同，橡膠墊8分別套接于第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b上并分別環向一周，橡膠墊8與第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b的外側壁相接，其彈性模量遠小于第一軸向壓頭2b、第二軸向壓頭3b和巖石試樣1的彈性模量，起到填充和軟接觸的作用。

一種新型巖石常規三軸壓縮試驗方法，包括如下步驟：

步驟一、將巖石試樣1套入乳膠套5內，在巖石試樣1的中部乳膠套5預留足夠長度，確保在抽出二者夾雜的空氣后乳膠套5能與巖石試樣1外側壁相貼合，第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b上分別套接一個橡膠墊8，橡膠墊8分別將第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b環向一周進行密封，巖石試樣1的下端面放置于第二壓頭3上，乳膠套5的下端口套入第二壓頭3，橡膠套6套接于巖石試樣1與第二壓頭3的交接處，橡膠套6的內壁與巖石試樣1和下壓頭3a相接，在橡膠套6外側壁上安裝并通過螺紋或螺栓旋緊喉箍7進行密封；

步驟二、在有效力作用區1c的適當位置分別安裝用于位移測量的軸向引伸計和環向引伸計；

步驟三、將第一壓頭2放置于巖石試樣1的上端面，乳膠套5的上端口套入第一壓頭2，隨后通過小型真空泵配合細嘴吸管抽出乳膠套5與巖石試樣1之間的夾層空氣使巖石試樣1與乳膠套5的側壁緊密貼合，使得巖石試樣1與第一壓頭2和第二壓頭3相貼合，有效力作用區1c兩端的軸向受壓區1a分別與第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b相貼合，將橡膠套6套接于巖石試樣1與第一壓頭2的交接處，橡膠套6的內壁與巖石試樣1和上壓頭2a相接，橡膠套6的外側壁上安裝并通過螺紋或螺栓旋緊喉箍7，完成裝樣；

步驟四、根據實際需求分別對軸向引伸計和環向引伸計進行參數設定，對步驟三得到的巖石試樣1施加圍壓至設定值后維持圍壓恒定，按照一定速率加載軸壓直至巖石試樣1被破壞，完成巖石常規三軸壓縮試驗并進行后續結果分析，用于巖石常規三軸力學試驗中巖石壓縮變形的強度、應變等參數測量，第一壓頭2和第二壓頭3與軸向受壓區1a直接接觸，加壓過程產生的端部效應在軸向受壓區1a和環向約束區1b的共同作用下不會影響有效力作用區1c的應力分布，在有效力作用區1c測得的巖石常規三軸壓縮試驗結果消除了端部效應的影響，提高測量準確性。

實施例1

如圖1-5所示，一種新型巖石常規三軸壓縮試驗裝置，包括巖石試樣1、第一壓頭2、第二壓頭3、底座4和密封組件，密封組件包括乳膠套5、橡膠套6、喉箍7和橡膠墊8，底座4上由上至下依次設置第一壓頭2、巖石試樣1和第二壓頭3，巖石試樣1通過密封組件分別與第一壓頭2和第三壓頭3進行密封連接，使巖石試樣1與液壓油隔離，具有良好的密封性，第一壓頭2、巖石試樣1和第二壓頭3的中心軸線在同一直線上，巖石試樣1呈啞鈴狀結構且豎直放置于底座4上，巖石試樣1的上端面和下端面均與水平面平行，巖石試樣1包括軸向受壓區1a、環向約束區1b和有效力作用區1c，軸向受壓區1a和有效力作用區1c均呈圓柱體結構且直徑相同，有效力作用區1c為巖石常規三軸壓縮試驗測量的主體，位于巖石試樣1中部，巖石試樣1的兩端為軸向受壓區1a，兩個軸向受壓區1a對稱分布于有效力作用區1c的兩端，每個軸向受壓區1a上均環繞一個環向約束區1b，環向約束區1b呈圓環狀柱體結構且繞軸向受壓區1a外側壁環繞一周，環向約束區1b的內徑與軸向受壓區1a直徑相同，環向約束區1b起到端部徑向位移約束的作用，環向約束區1b通過圓弧倒角曲面與有效力作用區1c側面相切，避免應力集中，有效力作用區1c的長度與直徑的比值滿足標準圓柱形巖石試樣長徑比的要求，如圖3所示。

如圖4和5所示，第一壓頭2和第二壓頭3對稱放置于巖石試樣1的兩端，第一壓頭2和第二壓頭3的形狀和尺寸相同，第一壓頭2包括由上至下依次設置的上壓頭2a和第一軸向壓頭2b，第二壓頭3包括由下至上依次設置的下壓頭3a和第二軸向壓頭3b，上壓頭2a、第一軸向壓頭2b、下壓頭3a和第二軸向壓頭3b的中心軸線均與巖石試樣1的中心軸線重合，第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b分別與有效力作用區1c兩端的軸向受壓區1a面面相接，第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b均呈圓柱體結構且直徑與軸向受壓區1a和有效力作用區1c的直徑相同，上壓頭2a和下壓頭3a均呈圓柱體結構且直徑均與環向約束區1b的外徑相同。

巖石試樣1的高度為110mm，環向約束區1b的外徑為50mm，有效力作用區1c的直徑和長度分別為37mm、74mm，軸向受壓區1a的直徑、環向約束區1b的內徑、第一軸向壓頭2b的直徑和第二軸向壓頭3b的直徑均為37mm，上壓頭2a和下壓頭3a的直徑均為50mm。

乳膠套5具有很好的延展性和彈性，厚度為0.35mm，乳膠套5的內徑與上壓頭2a和下壓頭3a的直徑相同，乳膠套5與上壓頭2a和下壓頭3a的外側壁具有良好的貼合性，在受圍壓作用時乳膠套5與巖石試樣1的外側壁相貼合且無破損，乳膠套5的兩個端口可進行密封，提高密封性，橡膠套6的內徑為50mm，寬度為20mm，巖石試樣1與第一壓頭2及第二壓頭3的交接處分別套接橡膠套6進行固定連接，喉箍7寬15mm，喉箍7安裝于橡膠套6外側壁上，用于固定橡膠套6、第一壓頭2、第二壓頭3、巖石試樣1，確保四者的中心軸線重合，同時用于密封端口，具有良好的密封性。

如圖5所示，橡膠墊8呈圓環狀柱體結構，橡膠墊8的內徑為37mm，與軸向受壓區1a、第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b的直徑相同，橡膠墊8的外徑為50mm，與上壓頭2a和下壓頭3a的直徑相同，橡膠墊8的厚度為3mm，與第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b的高度相同，橡膠墊8分別套接于第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b上并分別環向一周，橡膠墊8與第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b的外側壁相接，其彈性模量遠小于第一軸向壓頭2b、第二軸向壓頭3b和巖石試樣1的彈性模量，起到填充和軟接觸的作用。

一種新型巖石常規三軸壓縮試驗方法，包括如下步驟：

步驟一、將巖石試樣1套入乳膠套5內，在巖石試樣1的中部乳膠套5預留足夠長度，確保在抽出二者夾雜的空氣后乳膠套5能與巖石試樣1外側壁相貼合，第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b上分別套接一個橡膠墊8，橡膠墊8分別將第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b環向一周進行密封，巖石試樣1的下端面放置于第二壓頭3上，乳膠套5的下端口套入第二壓頭3，將橡膠套6套接于巖石試樣1與第二壓頭3的交接處，橡膠套6的內壁與巖石試樣1和下壓頭3a相接，在橡膠套6的外側壁上安裝并旋緊喉箍7進行密封；

步驟二、在巖石試樣1上有效力作用區1c的中部安裝用于位移測量的軸向引伸計和環向引伸計；

步驟三、將第一壓頭2放置于巖石試樣1的上端面，乳膠套5的上端口套入第一壓頭2，隨后通過小型真空泵配合細嘴吸管抽出乳膠套5與巖石試樣1之間的夾層空氣使乳膠套5與巖石試樣1的側壁緊密貼合，使得巖石試樣1的上端面和下端面分別與第一壓頭2和第二壓頭3相貼合，有效力作用區1c兩端的軸向受壓區1a分別與第一軸向壓頭2b和第二軸向壓頭3b相貼合，將橡膠套6套接于巖石試樣1與第一壓頭2的交接處，橡膠套6的內壁與巖石試樣1和上壓頭2a相接，在橡膠套6外側壁上安裝并旋緊喉箍7，完成裝樣；

步驟四、根據實際需求分別對軸向引伸計和環向引伸計進行參數設定，對步驟三得到的巖石試樣1施加圍壓至設定值后維持圍壓恒定，按照一定速率加載軸壓直至巖石試樣1被破壞，完成巖石常規三軸壓縮試驗并進行后續結果分析，用于巖石常規三軸力學試驗中巖石壓縮變形的強度、應變等參數測量，第一壓頭2和第二壓頭3與軸向受壓區1a直接接觸，加壓過程產生的端部效應在軸向受壓區1a和環向約束區1b的共同作用下不會影響有效力作用區1c的應力分布，在有效力作用區1c測得的巖石常規三軸壓縮試驗結果消除了端部效應的影響，提高測量準確性。

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。