CN101173852A - 岩石平面应变仪 - Google Patents

Abstract

一种岩石平面应变仪，用于中硬岩石的平面应变力学实验，主要由液压缸、加压活塞杆1、承压柱7、上压板15a、下压板15b、侧限装置16和传感器6组成，所述缸体的内腔上部向内收缩形成定位台18，该定位台位于所述承压柱与万向压头之间，定位台的内壁上相对地设有一对平行槽，两侧压板16a，16b分别放入该两平行槽内，本发明针对平面应变实验当中最大可能产生误差的环节，加以改进，通过设计计算，将侧限装置和液压缸融为一体，这样，一方面使装置的结构更为紧凑；另一方面通过简化装配环节，降低实验误差，从而提高实验精度。

Description

岩石平面应变仪

技术领域

本发明涉及一种岩石力学试验装置，具体地说，涉及用于中硬岩石平面应变力学实验的实验装置。

背景技术

由于许多岩土工程中的岩石类材料都处于平面应变应力状态，因此，研究岩石类材料在平面应变下的变形破坏特征具有实际的工程意义，研究岩石在平面应变状态下的变形破坏特征须要借助平面应变实验装置来完成。平面应变实验装置的原理主要是通过严格限制试件在一个方向上的变形，继而观察和测试试件在平面应变状态下的变形和强度特性及相关的物理力学参数。目前，平面应变实验装置按其对某个方向上变形控制的方式主要分为两大类，一类是被动式的刚性实验装置，其对某个方向变形的控制主要是通过刚性构架的刚度来进行，由于任何刚性构架本身刚度都是有限的，所以不能完全限制试件在该方向上的变形，只能近似模拟平面应变条件，其优点是结构简单，制造容易，拆装方便，实验操作简单易行。另一类是主动式，这类装置主要通过液压施加合适的围压精确控制试件在一个方向的变形从而真实地模拟平面应变条件，其缺点是构造复杂，造价昂贵，实验程序较为繁琐。岩石的平面应变实验相比其他实验更加困难，其主要原因在于实验的精度难以得到保证，平面应变实验的实验误差来源于如下几个方面：(1)刚性加载所引起的端部效应致使应力场分布不均匀；(2)试件加工精度达不到要求；(3)试件和装置的装配误差较大；(4)侧限的刚度达不到要求。只要存在固体的刚性接触，就不可避免地存在端部效应，但端部效应可以通过使用合适的润滑剂得到有效改善或通过改变加载方式而得以基本上完全消除；试件的加工精度可以使用精度较高的机械磨床得到提高，但加工费用较高；试件和装置的装配误差是平面应变实验最大误差源，减少装配的环节是降低传递误差的有效方法；侧限的刚度可以提高侧限装置的强度和增大尺寸的方式来实现，也可以通过适当减少试件的尺寸来实现。

发明内容

本发明的目的在于简化平面应变仪的结构，从而减小装配误差，最终提高实验精度。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种岩石平面应变仪，包括液压缸和侧限装置，液压缸由上端盖、缸体和底座经螺杆连接而成，缸体中部设有上下贯通的圆形内腔，该圆形内腔的底部设有承压柱，承压柱上放置有下压板，下压板上设有所述侧限装置，该侧限装置包括两块相对设置的侧压板，侧限装置上方设有上压板，该上压板和下压板两侧安装有传感器，上压板上放置万向压头，该万向压头的顶端与加压活塞杆的下端相连，该加压活塞杆的上端从所述上端盖的中部伸出，加压活塞杆与上端盖之间设有密封装置；所述缸体上径向设有与该缸体内腔相通的引线孔，引线孔内设有密封螺杆，内腔内设有导线，该导线经密封螺杆穿出液压缸之外；内腔内设有应变计，该应变计和所述传感器与导线相连，液压缸上设有油路系统，通过该油路系统向内腔内供给恒定的液压，其改进之处在于：所述缸体的内腔的上部向内收缩形成定位台，该定位台位于所述承压柱与万向压头之间，定位台的内壁上相对地设有一对平行槽，所述两侧压板分别放入该两平行槽内，这样，由两侧压板、定位台和液压缸壁一起构成侧限装置，来限制被测试件在侧向方向上的变形；两侧压板中一块较厚，另一块较薄，厚侧压板外侧与平行槽的底面靠紧，薄侧压板的外侧设有互锁的固定楔块和活动楔块，活动楔块的外侧与平行槽的底面靠紧，固定楔块位于该侧压板和活动楔块之间，设置两侧压板和互锁的固定楔块和活动楔块的目的在于安装的方便，安装时，先将试件及其粘连在一起的侧压板、上下压板整体小心放入液压缸，再将活动楔块敲入与互锁的固定楔块齐平，保证试件侧向约束是均匀的和紧密的；所述传感器由金属片、应变计及基板组成，应变计安装在金属片上，金属片和基板经螺杆安装在两侧压板的两侧，由传感器来测试实验过程中试件在围压测向方向的变形，其原理是在具有良好线弹性性质的金属片上粘贴应变计并接成全桥，用标准弹性试件标定后就可以作为一种测量变形的精密传感器。

本发明针对平面应变实验当中最大可能产生误差的环节，加以改进，通过设计计算，将缸体的内腔的上部向内收缩形成定位台，两侧压板放入定位台的平行槽内，由侧压板和定位台以及液压缸缸壁一起形成侧限装置，从而将侧限装置和液压缸融为一体，这样，一方面使装置的结构更为紧凑；另一方面通过简化装配环节，降低实验误差，从而提高实验精度。

为了安装拆卸和实验操作的方便，上述上端盖的下部设有空腔，该空腔与所述内腔相通，空腔内安装有所述万向压头，所述内腔的上端设有台阶。

为了将上述传感器合理的安装在试件的两侧，上述上压板靠近平行槽的侧面向内弧形凹陷形成缺口，所述下压板上横向设有螺孔，该螺孔与所述平行槽的底面平行，金属片和基板的上部经穿过所述缺口的螺杆和穿过所述螺孔的螺杆安装在所述两侧压板的两侧。

为了给液压缸的内腔内供给恒定的液压，以利于在试件周围产生恒定的围压，液压缸上设有油路系统，该油路系统主要由设置在上端盖上的上排空孔和设置在底座上的进油管组成，该排空孔和进油管与所述空腔相通，进油管与伺服阀相连。测试前，打开液压缸上面的排空孔，开启高压注射泵，通过进油管进油，待液压油充满液压缸，确保空气都排空后，关闭排空阀，旋转调压阀缓慢增加围压，直到内腔内的液压达到实验要求，然后关闭进油管。

上述活动楔块的顶端设有小螺孔，实验完成后，用螺栓拧进该小螺孔，通过螺栓将活动楔块拔出。

为避免角隅效应，所述上压板底面的长度大于所属侧压板内侧之间的距离，这样，可以使得上压板底面宽度比试件宽。

由于内腔内的油压较高，上述缸体与上端盖以及缸体与底座的接触处设有密封圈。

有益效果：

(1)本发明将侧限装置和液压缸融合在一起，简化了结构，从而减小了装配误差，提高了实验精度，而且实验操作简单易行；

(2)本发明可以通过适当减小试件尺寸，加强侧限刚度，就可以对单轴抗压强度在70MPa，杨氏模量在25GPa以内的岩石进行平面应变的实验，扩大了岩石测试的范围。

附图说明

图1本发明实施例的结构示意图；

图2沿图1中B-B向视图；

图3为本发明实施例中侧限装置与传感器的装配图；

图4为本发明实施例中侧限装置与上下压板及传感器的装配图；

图5为图4的左视图；

图6为图4的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步对本发明加以说明：

如图1和图2所示，本发明实施例主要由液压缸、侧限装置16和传感器6三个部分组成，液压缸由上端盖2、缸体3及底座4经螺杆9连接而成，各连接处安装有密封圈19，缸体3中部设有上下贯通的圆形内腔11，内腔11上部向内收缩形成定位台18，内腔11的上端设有台阶，上端盖2的下部设有开口向下的空腔11a，该空腔11a与所述内腔11相通；内腔11的底部设有承压柱7，承压柱7的底端固定在底座4上，承压柱7上放置有下压板15b，下压板15b上放置侧压板16a，16b和试件21，侧压板16a，16b放入定位台18的两平行槽内，试件21放于侧压板16a，16b之间，由两侧压板16a，16b、定位台18和液压缸壁一起构成侧限装置16，侧压板16a，16b上方设有上压板15a，该上压板15a和下压板15b两侧安装有传感器6，上压板15a上放置万向压头5，该万向压头5的顶端与加压活塞杆1的下端相连，该加压活塞杆1的上端从所述上端盖2的中部伸出，加压活塞杆1与上端盖2接触处安装有密封装置14，密封装置14为高压密封圈，可以阻止内腔11内的高压油体流出，而且，该当外加压力施加在加压活塞杆1上时，密封装置14也可以对加压活塞杆1起导向作用，上端盖2上设有排空孔12，该排空孔12与所述空腔11a相通，在测试前，通过该排空孔12将内腔11内的空气排尽；所述缸体3上径向设有与该缸体3内腔11相通的引线孔，引线孔内设有密封螺杆8，内腔11内的导线10经密封螺杆8传出液压缸外，内腔11内设有应变计，该应变计和所述传感器6与导线10相连；底座4上设有进油通道13，该进油通道13与所述内腔11相通，进油管与伺服阀相连，通过该进油通道13向内腔11内注油，实验完成后，通过进油通道13和排空孔12将液压缸内的油排出。

进一步如图3、图4、图5及图6所示，两侧压板16a，16b中一块较厚，另一块较薄，厚侧压板16a和薄侧压板16b分别放入两平行槽内，厚侧压板16a外侧与平行槽的底面靠紧，薄侧压板16b的外侧设有两互锁的固定楔块17a和活动楔块17b，活动楔块17b的外侧与平行槽的底面靠紧，固定楔块17a位于该侧压板16b和活动楔块17b之间，活动楔块的顶端设有小螺孔17c；所述传感器6由金属片6a、应变计6b及基板6c组成，本实施例中金属片6a采用的是铍青铜薄片，应变计6b粘贴在铍青铜薄片上并接成全桥，所述上压板15a靠近平行槽的侧面向内弧形凹陷形成缺口22，所述下压板15b上横向设有螺孔23，该螺孔23与所述平行槽的底面平行，铍青铜薄片6a和基板6c经穿过所述缺口22的螺杆和穿过所述螺孔23的螺杆安装在上压板15a和下压板5b的两侧。

为避免角隅效应，上压板底面宽度比试件宽0.2mm，同样，下压板和侧压板均比试件宽0.2mm，考虑到试件在荷载作用下的变形，侧压板比试件短1mm。

使用本发明实施例进行岩石平面应变实验时，先在试件受液压作用的一个面或两个面上粘贴轴向应变计，也可同时粘贴一块横向应变计(以评估侧限效果)，连接好导线；同时，在两个受液压作用的面中心用环氧树脂胶粘贴两个高为5mm，直径为3mm的金属帽，以便安装侧向变形传感器；在贴有应变计的试件受轴压和侧限的四个面上均匀涂抹一层硬脂酸润滑剂后，安放在上下万向压头15a，15b和两侧压板16a，16b之间，用丙酮或无水酒精清洗试件表面和试件与万向压头、压板接触处，然后涂抹一层硅橡胶；为了消除在高液压作用下硅橡胶的变形对应变计的影响，在应变计上先贴一块干净的聚四氟乙烯薄膜，再涂上硅橡胶，避免硅橡胶与应变计直接接触；待3-4小时硅橡胶干后，将测试试件横向变形的传感器安装在试件侧面上下压板之间，再将试件及其粘连在一起的侧压板、上下压板整体小心放入液压缸，将活动楔块16b敲入与互锁的固定楔块16a齐平，保证试件侧向约束是均匀的和紧密的；将试件应变计导线、补偿块导线和传感器导线与液压缸内的信号线焊接，并将焊接处用丙酮清洗后，也涂上一层硅橡胶以绝缘，将液压缸的引出信号线与动态应变仪连接起来；将装置盖上端盖，密封后，放入岛津AG-250材料实验机平台，轴向校准后，施加1-2kN循环荷载，以挤出多余润滑剂；施加2kN轴向荷载，打开液压缸上面的排空阀(排出空气)，开启高压注射泵，待液压油充满液压缸，确保空气都排空后，关闭排空阀，旋转调压阀缓慢增加围压，同时施加与之相应的轴压，以保证试件静水压力加载状态，调到需要施加的围压值后，固定调压旋钮和稳定轴向荷载；将应变仪各测试通道进行调平，并打开数据采集软件，设定相应的采集频率并进行采集清零；同时开始施加轴向偏压和进行数据采集直至实验完成；试件破坏后，先打开排空阀，然后开启回流阀，关闭注射泵；待液压油都流回油箱后，再打开端盖，并用专用拉拔器拔出楔块后，取出试件及传感器。

Claims (7)

1.一种岩石平面应变仪，包括液压缸和侧限装置(16)，液压缸由上端盖(2)、缸体(3)和底座(4)经螺杆(9)连接而成，缸体(3)中部设有上下贯通的圆形内腔(11)，该内腔(11)的底部设有承压柱(7)，承压柱(7)上放置有下压板(15b)，下压板(15b)上设有所述侧限装置(16)，该侧限装置(16)包括两块相对设置的侧压板(16a，16b)，侧限装置(16)上方设有上压板(15a)，该上压板(15a)和下压板(15b)两侧安装有传感器(6)，上压板(15a)上放置万向压头(5)，该万向压头(5)的顶端与加压活塞杆(1)的下端相连，该加压活塞杆(1)的上端从所述上端盖(2)的中部伸出，加压活塞杆(1)与上端盖(2)之间设有密封装置(14)；所述缸体(3)上径向设有与该缸体(3)内腔(11)相通的引线孔，引线孔内设有密封螺杆(8)，内腔(11)内设有导线(10)，该导线经密封螺杆(8)穿出液压缸之外；内腔(11)内设有应变计，该应变计和所述传感器(6)与导线(10)相连，液压缸上设有油路系统，通过该油路系统向内腔(11)内提供恒定的液压，其特征在于：

所述缸体(3)的内腔(11)上部向内收缩形成定位台(18)，该定位台(18)位于所述承压柱(7)与万向压头(5)之间，定位台(18)的内壁上相对地设有一对平行槽，所述两侧压板(16a，16b)分别放入该两平行槽内，两侧压板(16a，16b)中一块较厚，另一块较薄，厚侧压板(16a)外侧与平行槽的底面靠紧，薄侧压板(16b)的外侧设有两互锁的固定楔块(17a)和活动楔块(17b)，活动楔块(17b)的外侧与平行槽的底面靠紧，固定楔块(17a)位于该侧压板(16b)和活动楔块(17b)之间；所述传感器(6)由金属片(6a)、应变计(6b)及基板(6c)组成，应变计(6b)安装在金属片(6a)上，金属片(6a)和基板(6c)经螺杆安装在上压板(15a)和下压板(15b)的两侧。

2.根据权利要求1所述的岩石平面应变仪，其特征在于：所述上端盖(2)的下部设有空腔(11a)，该空腔(11a)与所述内腔(11)相通，空腔(11a)内安装有所述万向压头(5)，所述内腔(11)的上端设有台阶。

3.根据权利要求1所述的岩石平面应变仪，其特征在于：所述上压板(15a)靠近平行槽的侧面向内弧形凹陷形成缺口(22)，所述下压板(15b)上横向设有螺孔(23)，该螺孔(23)与所述平行槽的底面平行，所述金属片(6a)和基板(6c)经穿过所述缺口(22)的螺杆和穿过所述螺孔(23)的螺杆安装在上压板(15a)和下压板(15b)的两侧。

4.根据权利要求2所述的岩石平面应变仪，其特征在于：所述油路系统由设置在上端盖(2)上的上排空孔(12)和设置在底座(4)上的进油管(13)组成，该排空孔(12)和进油管(13)与所述空腔(11a)相通。

5.根据权利要求1所述的岩石平面应变仪，其特征在于：所述活动楔块(17b)的顶端设有小螺孔(17c)。

6.根据权利要求3所述的岩石平面应变仪，其特征在于：所述上压板(15a)底面的长度大于所属侧压板(16a，16b)内侧之间的距离。

7.根据权利要求3所述的岩石平面应变仪，其特征在于：所述缸体(3)与上端盖(2)以及缸体(3)与底座(4)的接触处设有密封圈(19)。

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