一種利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置的制造方法
【專利摘要】一種利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置，包括試樣粘結組件、拉伸組件和支撐組件，試件粘結組件包括上槽板和下槽板，上槽板中心設有螺孔，所述拉伸組件包括第一頂板、第一底板以及連接桿，連接桿位于第一底板凹槽兩側的槽壁上，第一底板的凹槽的兩側槽壁上還開設有第一通孔，所述支撐組件包括螺釘、第二頂板、第二底板以及支柱，第二頂板中心開設有螺釘安裝孔，支柱安裝在拉伸組件的第一通孔中，第二頂板上還設有第二通孔，拉伸組件的連接桿安裝在第二通孔中，螺釘安裝在螺釘安裝孔和螺孔中。該裝置借助真三軸壓力試驗機能準確地測出巖石材料雙軸拉壓條件下的強度和變形。
【專利說明】
一種利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗裝置，適用于拉壓應力條件下巖石的變形破壞特性研究，屬于巖石力學與工程技術領域。
【背景技術】
[0002]巖爆是高地應力地區由于地下工程開挖卸荷引起的圍巖彈射性破裂的地質災害現象。巖爆的發生通常導致人員的傷亡、儀器設備的毀壞和工期的拖延，造成重大的經濟損失。巖爆發生機理極其復雜，目前尚未有統一的、清楚的理論來解釋巖爆現象。因此，開展室內巖爆試驗，再現巖爆現象，詳細地分析巖爆的發生過程，對推進巖爆的破壞機制研究具有重要意義。當前，已有的研究表明，巖爆的孕育過程可概括為劈裂成板、剪切成塊、板彎折斷、整體彈射等四個階段。高地應力地區的深埋硬巖隧洞開挖后，洞周巖體的受力狀態為:環向壓應力逐漸增大，當環向壓應力超過巖體承載能力時，將使臨空面周邊的圍巖出現張拉劈裂破壞，在隧洞環向壓應力和向洞內發生徑向變形的作用下，臨空面表層巖體出現張拉劈裂破壞形成薄板，薄板在環向壓力作用下出現彎曲現象，當薄板彎曲到一定程度后，薄板將發生折斷，導致斷裂的薄板和內部的巖塊以一定的初速度彈射出來，由此形成巖爆。因此，高地應力深埋硬巖隧洞開挖后，臨空面邊界上板裂后的巖體在洞徑向上受到拉力作用、洞周切向方向受到壓力作用，巖爆的發生與板裂巖體的特殊受力狀態密切相關。此外，在地下水電站廠房中，與巖錨梁相接觸的圍巖、水輪發電機組之間的巖墻等巖體往往處于一個方向受拉而另一垂直方向受壓的狀態。因而，同時室內試驗研究這種雙軸拉壓條件下的巖石力學特性對于深部地下隧洞工程的安全性具有重要的理論價值和工程意義。
[0003]目前，雙軸拉壓試驗可通過專門的彈簧拉壓試驗機來實現，彈簧拉壓試驗機發展較為成熟，具有測量精度高、對中精確高的特點。但該類試驗設備較為昂貴，維修和使用費用較高，使用時需要專業的工作人員。此外，彈簧拉壓試驗機主要是用于小尺寸試件的拉壓力學性能的測試，所能提供的拉壓應力較低，不適用于大尺寸巖石試件的高應力拉壓力學性能測試。
[0004]除了彈簧拉壓試驗機外，也有許多其他用于材料拉壓測試的裝置。例如:《巖土力學》2007年11期介紹了一種有側向壓力的巖石材料動態直接拉伸試驗裝置；申請公布號為:CN101881716A的發明專利介紹了一種定量拉壓試驗裝置;授權公布號為CN201955268U的專利介紹了一種混凝土雙軸拉壓的加載測試裝置。上述拉壓試驗設備的形體結構不同，進行材料拉壓測試時采用測量方法也相差甚遠，獲得的結果也沒有統一的評判標準。
[0005]雙軸拉壓試驗也可采用真三軸壓力試驗機結合專門的裝置來實現。真三軸壓力試驗機是常用的巖石力學試驗設備，具有三向獨立壓縮的功能，用于巖石試驗的三向應力復雜狀態的力學性能測試。真三軸壓力試驗機不能直接進行雙軸拉壓試驗，可通過專門配套裝置實現。
[0006]申請公布號為CN102735542A的發明專利描述了一種混凝土多軸拉壓方法。試驗前，將試件的受拉面與壓板直接粘結在一起。試驗時，將粘有壓板的試件放置到三軸試驗機上，通過螺栓連接壓板與加載推頭，加載推頭相互遠離實現巖樣的受拉。同時，通過受壓加載板直接將壓應力施加到試件上。試驗過程中，操作過程較為復雜，不易對中，通過預壓很難保證試件受力均勻。
[0007]申請公布號為CN102323157A的發明專利公布了一種混凝土拉壓應力組合方法。首先通過粘結膠將塑料毛刷粘結到試件上，將塑料毛刷的刷齒面放在試件受拉面上，并壓實。然后將粘結鋼板與毛刷基底面用粘結劑貼好。試驗時，通過帶有球形鉸的螺栓將粘結鋼板和傳力鋼板粘結在一起，傳力鋼板相互遠離實現巖樣的受拉。同時，通過壓加載板直接將壓力施加到巖樣上。采用該裝置進行拉壓試驗，試樣準備較為復雜。通過粘結膠將毛刷和粘結鋼板、粘結鋼板和傳力鋼板貼在一起，容易引起試驗過程中巖樣的受力不均勻，導致較大的誤差。
[0008]申請公布號為CN103487317A的發明專利介紹了一種混凝土多軸試驗下的拉壓加載推頭設計方法。該裝置不需要采用結構膠連接立方體試件與壓板，而是通過試件內部的預埋構件與拉加載板連接。通過帶有半圓球頭鉸的拉桿連接拉加載板和加載推頭，保證了加載推頭和拉加載版的精確對中。加載推頭相互遠離實現巖樣的受拉。在施加拉力的同時，采用電磁鎖將壓加載板固定在試件上，通過壓加載板直接將壓力施加到試件上。該裝置對試件有特殊要求，不適合巖石材料的拉壓變形破壞研究。
[0009]上述文獻介紹的拉壓裝置主要是用于混凝土的拉壓試驗，針對巖石的較少。
【發明內容】
[0010]本發明針對現有技術的不足，提供一種利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置，使得結合真三軸試驗機開展雙軸拉壓試驗成為可能。
[0011]為了實現上述目的，本發明采用了以下技術方案:
[0012]—種利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置，包括試樣粘結組件、拉伸組件和支撐組件，
[0013]所述試件粘結組件包括上槽板和下槽板，上槽板中心設有螺孔，
[0014]所述拉伸組件包括第一頂板、第一底板以及連接桿，所述第一底板上開設有截面為倒T字形的凹槽，連接桿位于第一底板凹槽兩側的槽壁上，連接桿上端固定在第一頂板上，連接桿下端固定在第一底板上，第一底板的凹槽的兩側槽壁上還開設有第一通孔，
[0015]所述支撐組件包括螺釘、第二頂板、第二底板以及支柱，第二頂板中心開設有螺釘安裝孔，支柱安裝在拉伸組件的第一通孔中，并且支柱上端固定在第二頂板上，支柱下端固定在第二底板上，第二頂板上還設有第二通孔，拉伸組件的連接桿安裝在第二通孔中，螺釘安裝在螺釘安裝孔和螺孔中。
[0016]還包括壓縮組件，所述壓縮組件包括兩塊壓力承壓板以及兩塊壓板連接件，兩塊壓力承壓板分別安裝在巖石試樣兩個相對的側面，兩塊壓板連接件分別安裝在巖石試樣另外兩個相對的側面，壓力承壓板上兩端頭分別設有螺孔，壓板連接件靠近兩端處分別設有長條形通孔，限位螺釘穿過長條通孔安裝在螺孔中。
[0017]所述螺釘為球頭螺絲，螺釘安裝孔的形狀與球頭螺絲配合。
[0018]連接桿安裝在第一頂板和第一底板之間的四個角處形成立方體框架，支柱安裝在第二頂板和第二底板的四個角處形成立方體框架。
[0019]第一頂板上設有操作通孔。
[0020]試驗時，還包括試樣，試樣上端粘結在上槽板的凹槽中，試樣下端粘結在下槽板的凹槽中，下槽板緊密配合安裝在倒T字形凹槽的水平部分，試樣安裝在倒T字形凹槽的豎直部分。
[0021]所述試樣為立方體形狀，所述下槽板的凹槽和上槽板的凹槽的形狀為與試樣頂面和底面緊密配合的方形凹槽。
[0022]與現有技術相比較，本發明具備的有益效果:
[0023](I)實現大尺寸巖石試件的拉壓特性研究:本裝置可用于尺寸為200mm X 200mm X200mm(長X寬X高)巖石試件的拉壓試驗。
[0024](2)保證試件受力軸心受力，不偏心:試件上下兩端通過粘結膠固定在粘結板的凹槽內，確保試件中心和膠結板中心準確對齊。采用球投螺絲通過B框架上壓板和上粘結板的中心螺孔，確保上框架壓板和粘結板中心準確對齊。
[0025](3)操作簡單:將立方體試件安裝到裝置內，按照普通力學實驗的加載方式，將荷載施加到裝置上，就可實現試件的拉壓試驗。
[0026](4)利于試樣對中，能夠保證均勻受力。借助于真三軸壓力試驗機，能準確地測出巖石材料雙軸拉壓條件下的強度和變形。夾具的安裝和拆卸方便，試驗過程易于操作。因此，相比現有的巖石拉壓試驗設備，本拉壓試驗裝置更為簡單實用。
[0027](5)實現拉壓巖石試樣在拉壓條件的力學試驗，為分析處于拉壓應力狀態下巖體的變形破壞特征提供了有效的研究方法。
【附圖說明】
[0028]圖1為拉伸組件和支撐組件組裝在一起時的結構示意圖。
[0029]圖2為試件粘結組件結構剖面示意圖。
[0030]圖3為拉伸組件的結構示意圖。
[0031 ]圖4為支撐組件的結構示意圖。
[0032]圖5為壓縮組件的安裝示意圖。
[0033]圖6為雙軸拉壓裝置整體結構平剖面示意圖一。
[0034]圖7為雙軸拉壓裝置整體結構平剖面示意圖二。
【具體實施方式】
[0035]下面通過實施例對本發明的技術方案作進一步闡述。
[0036]實施例1
[0037]—種利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置，包括試樣粘結組件、拉伸組件和支撐組件，
[0038]所述試件粘結組件包括上槽板10和下槽板8，上槽板10中心設有螺孔13，
[0039]所述拉伸組件包括第一頂板1、第一底板4以及連接桿2，所述第一底板4上開設有截面為倒T字形的凹槽，連接桿2位于第一底板4凹槽兩側的槽壁上，連接桿2上端固定在第一頂板I上，連接桿2下端固定在第一底板4上，第一底板4的凹槽的兩側槽壁上還開設有第一通孔15，
[0040]所述支撐組件包括螺釘14、第二頂板3、第二底板6以及支柱5，第二頂板3中心開設有螺釘安裝孔17，支柱5安裝在拉伸組件的第一通孔15中，并且支柱5上端固定在第二頂板3上，支柱5下端固定在第二底板6上，第二頂板3上還設有第二通孔16，拉伸組件的連接桿2安裝在第二通孔中，螺釘14安裝在螺釘安裝孔17和螺孔13中。
[0041]還包括壓縮組件，所述壓縮組件包括兩塊壓力承壓板12以及兩塊壓板連接件9，兩塊壓力承壓板12分別安裝在巖石試樣7兩個相對的側面，兩塊壓板連接件9分別安裝在巖石試樣7另外兩個相對的側面，壓力承壓板12上兩端頭分別設有螺孔，壓板連接件9靠近兩端處分別設有長條形通孔，限位螺釘穿過長條通孔安裝在螺孔中。
[0042]所述螺釘14為球頭螺絲，螺釘安裝孔17的形狀與球頭螺絲配合。
[0043]連接桿2安裝在第一頂板I和第一底板4之間的四個角處形成立方體框架，支柱安裝在第二頂板3和第二底板6的四個角處形成立方體框架。
[0044]第一頂板上設有操作通孔18。操作通孔18為了方便安裝或拆卸螺釘14。
[0045]試驗時，還包括試樣7，試樣7上端粘結在上槽板10的凹槽中，試樣7下端粘結在下槽板8的凹槽中，下槽板8緊密配合安裝在倒T字形凹槽的水平部分，試樣7安裝在倒T字形凹槽的豎直部分。
[0046]所述試樣7為立方體形狀，所述下槽板8的凹槽和上槽板10的凹槽的形狀為與試樣7頂面和底面緊密配合的方形凹槽。
[0047]本發明裝置的具有使用步驟如下:
[0048](I)取一塊立方體形狀的巖石試樣7，將粘性強度較高的粘結膠均勻的鋪平在上槽板10和下槽板8的槽底、槽四周內壁和巖石試樣7的上下兩端，將巖石試樣7放入下槽板8的方槽中，并將上槽板10扣在巖石試樣上端，保證上下兩端面和左右兩端面跟凹槽面和凹槽內壁緊密貼合無裂隙，增大試件與粘結板的接觸面積，放置24小時后，粘結膠凝固，巖石試樣7與上槽板10和下槽板8之間的粘性達到一定的強度。
[0049](2)將組裝好的試件粘結組件安裝到拉伸組件中，下槽板8緊密配合安裝在倒T字形凹槽的水平部分，巖石試樣7安裝在倒T字形凹槽的豎直部分。截面為倒T字形的凹槽，意味著凹槽的底部水平部分的寬度大于開口處豎直部分的寬度，于是下槽板8被卡在凹槽的水平部分中。
[0050](4)將第一底板4向上抬起，將螺釘14旋入在螺釘安裝孔17和螺孔13中，使得上槽板10和第二頂板3固定在一起，同時要確保試件能夠準確對中，豎向受力時不偏心。
[0051 ] (5)安裝兩塊壓力承壓板12以及兩塊壓板連接件9，由于壓板連接件9靠近兩端處分別設有長條形通孔，兩塊壓力承壓板12能夠向中心移動施力，通過壓力承壓板12能夠將外荷載均勻的施加在巖石試樣7的表面。
[0052](6)將上述組裝好的試驗裝置放置于真三軸壓力機的壓力室中，對第一頂板I逐漸施加豎向軸壓力，整個拉伸組件向下移動，第一底板I向下移動，由于下槽板8卡扣在第一底板4中，于是豎向軸壓力帶動巖石試樣7—起向下移動。而支撐組件固定不動，巖石試樣7的上端面通過上槽板10與第二頂板3固定在一起，巖石試樣7上端固定不動，下端向下移動，從而達到巖石試樣7豎直方向受拉的目的。
[0053](7)在豎直方向受拉的同時，利用真三軸壓力試驗機的水平方向推頭11，通過兩塊承壓板12對巖石試件7施加壓力，從實現了室內巖石試件的拉壓力學試驗。
[0054](4)巖石試件7拉壓試驗的同時，可通過力傳感器和外置的LVDT差分變形傳感器采集應力和應變信號，并傳遞給計算機。詳細記錄拉應力方向和壓應力方向的應力應變關系曲線，最終獲得巖石破壞時巖石的抗拉和抗壓強度以及巖石的拉伸變形和壓縮變形。
[0055]本裝置的工作原理是:利用裝置的兩套框架結構將豎向的壓力轉化為豎向的拉力，使得試件上、下兩端受拉。此外，通過承壓板直接將壓力施加到試件的一個水平軸向。由此實現巖石試件的雙軸拉壓加載。所述試件粘結組件作用是固定巖石試件。拉伸組件其作用是將壓力轉化為拉力施加到巖石試件兩端面。試件上下兩端通過粘結膠固定在上槽板10和下槽板8的凹槽內，確保試件中心和上槽板10和下槽板8中心準確對齊，并確保第一頂板I和上槽板10中心準確對齊，保證施加壓力時，試件軸心受拉，不偏心。
【主權項】
1.一種利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置，其特征在于，包括試樣粘結組件、拉伸組件和支撐組件， 所述試件粘結組件包括上槽板和下槽板，上槽板中心設有螺孔， 所述拉伸組件包括第一頂板、第一底板以及連接桿，所述第一底板上開設有截面為倒T字形的凹槽，連接桿位于第一底板凹槽兩側的槽壁上，連接桿上端固定在第一頂板上，連接桿下端固定在第一底板上，第一底板的凹槽的兩側槽壁上還開設有第一通孔， 所述支撐組件包括螺釘、第二頂板、第二底板以及支柱，第二頂板中心開設有螺釘安裝孔，支柱安裝在拉伸組件的第一通孔中，并且支柱上端固定在第二頂板上，支柱下端固定在第二底板上，第二頂板上還設有第二通孔，拉伸組件的連接桿安裝在第二通孔中，螺釘安裝在螺釘安裝孔和螺孔中。2.如權利要求1所述的利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置，其特征在于，還包括壓縮組件，所述壓縮組件包括兩塊壓力承壓板以及兩塊壓板連接件，兩塊壓力承壓板分別安裝在巖石試樣兩個相對的側面，兩塊壓板連接件分別安裝在巖石試樣另外兩個相對的側面，壓力承壓板上兩端頭分別設有螺孔，壓板連接件靠近兩端處分別設有長條形通孔，限位螺釘穿過長條通孔安裝在螺孔中。3.如權利要求1所述的利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置，其特征在于，所述螺釘為球頭螺絲，螺釘安裝孔的形狀與球頭螺絲配合。4.如權利要求1所述的利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置，其特征在于，連接桿安裝在第一頂板和第一底板之間的四個角處形成立方體框架，支柱安裝在第二頂板和第二底板的四個角處形成立方體框架。5.如權利要求1所述的利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置，其特征在于，第一頂板上設有操作通孔。6.如權利要求1所述的利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置，其特征在于，試驗時，還包括試樣，試樣上端粘結在上槽板的凹槽中，試樣下端粘結在下槽板的凹槽中，下槽板緊密配合安裝在倒T字形凹槽的水平部分，試樣安裝在倒T字形凹槽的豎直部分。7.如權利要求6所述的利用真三軸試驗機實現巖石雙軸拉壓試驗的裝置，其特征在于，所述試樣為立方體形狀，所述下槽板的凹槽和上槽板的凹槽的形狀為與試樣頂面和底面緊密配合的方形凹槽。
【文檔編號】G01N3/08GK105865925SQ201610457437
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月22日
【發明人】蘇國韶, 蔣劍青, 陳智勇, 江山, 江權
【申請人】廣西大學