CN102435506A - 一种微型单轴岩石试验机 - Google Patents

Abstract

一种微型单轴岩石试验机，属于岩石力学领域。本发明解决目前尚无能够进行微小试件加载的岩石试验机，不能结合显微CT达到实时观测岩石破坏过程的问题。本发明包括：机体、压力显示仪表，以及由推进螺杆、位移刻度盘、下楔形体、上楔形体、力传感器、复位弹簧组成的手动加载装置，由试件筒和压力钢柱、球面垫、顶部预紧螺杆组成的试样放置装置。本发明用于岩石单轴压缩试验，可以实现在岩石加载的同时进行CT扫描，观测岩石内部裂隙衍生-扩展的过程。

Description

一种微型单轴岩石试验机

技术领域

本发明属于岩石力学与岩石实验领域，涉及一种显微CT实时观测的微型单轴岩石试验机。

背景技术

目前的岩石材料试验机大多数是大型的单轴或三轴试验机，试验使用的标准试件的尺寸为φ50mm×100mm。这些试验机由电动机驱动蜗轮蜗杆减速机，再通过同步齿形皮带传动两根丝杠带动移动横梁升降。这类试验机可以完成常规的岩石单轴压缩试验或三轴压缩试验，进而测定岩石的单轴抗压强度或三轴抗压强度等力学参数。

岩石在加压过程中，随着垂直压力或水平压力的逐渐增大，岩石内部将逐渐地发生破裂，使得岩石试件的强度逐渐下降，最后直至岩石破坏。进行岩石的力学特征研究，就是根据常规岩石试验机测得的试件压力与位移量的关系，推断岩石的破坏过程。在岩石破坏的发展过程中，裂缝的产生、扩展和贯通起着关键性作用。

近年来，国内外的岩石力学研究者为了深入研究岩石的破坏过程，通常采用照相手段来观测岩石在加载过程中裂隙的扩展状况。随着CT技术的发展，人们试图将CT扫描技术应用于岩石破坏过程的研究。即：在岩石加载的同时进行CT扫描，观测岩石内部裂隙的衍生-扩展过程。但由于常规岩石试验机设备庞大，无法利用CT设备实时观测岩石试件破裂的过程。通常只能将加载后的试件从试验机中取下扫描，然后再将试件装入试验机加载、扫描，反复进行。不仅不能反映岩石连续加载变形过程，而且操作麻烦。另外，在反复加载、卸载、移动过程中，容易导致试件受到不必要的损伤。其次，现有的试验机使用的标准试件尺寸大，CT扫描时放大系数小，看不到微裂隙。现有技术尚无一种能够进行微小试件加载的岩石试验机。

发明内容

本发明就是针对现有岩石材料试验机的不足，而设计的一种可以测试较小岩石试件，并且可以结合显微CT达到实时观测岩石破坏过程的微型单轴岩石试验机。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种微型单轴岩石试验机，其特征在于：所述试验机包括：机体、压力显示仪表，以及由推进螺杆、位移刻度盘、下楔形体、上楔形体、力传感器、复位弹簧组成的手动加载装置，由试件筒和压力钢柱、球面垫、顶部预紧螺杆组成的试样放置装置；所述试件筒与所述机体的上部螺纹连接，所述推进螺杆由所述机体下部的一侧穿入机体下内腔，所述推进螺杆与所述机体螺纹连接，在位于所述机体下内腔的所述推进螺杆一端安装所述下楔形体，所述上楔形体与所述下楔形体楔形面接触，所述上楔形体的上平面与所述力传感器接触，在位于机体上内腔的所述力传感器上端面与所述的机体之间设置所述复位弹簧，所述力传感器与所述压力钢柱螺纹连接，所述压力钢柱与所述试件筒滑动配合，试件放置在所述压力钢柱的上端，试件上面设有所述球面垫，并用顶部预紧螺杆紧固，所述力传感器通过数据线与所述压力显示仪表连接。

本发明与现有的试验机相比，由于体积小，可以同时测量岩石的变形量与承受的载荷大小，可以完成连续加载条件下的CT扫描，不仅避免了试件重复加载过程，而且借助CT扫描机对试件进行扫描时，可以观测岩石内部裂隙的衍生-扩展过程，对促进岩石力学领域由宏观到微观的研究，提供了一种能够进行微小试件加载的岩石试验机。

附图说明

图1是一种微型单轴岩石试验机的总体结构示意图。

图2是一种微型单轴岩石试验机的工作原理示意图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

如图1所示，一种微型单轴岩石试验机，包括：机体12、压力显示仪表14，以及由推进螺杆11、位移刻度盘10、下楔形体9、上楔形体8、力传感器7、复位弹簧6组成的手动加载装置，由试件筒4和压力钢柱5、球面垫2、顶部预紧螺杆1组成的试样放置装置；所述试件筒4与所述机体12的上部螺纹连接，所述推进螺杆11由所述机体12下部的一侧穿入机体下内腔12-2，推进螺杆11与所述机体12螺纹连接，在位于所述机体下内腔12-2的所述推进螺杆11一端安装所述下楔形体9，所述上楔形体8与所述下楔形体9楔形面接触，所述上楔形体8的上平面与所述力传感器7接触，在位于机体上内腔12-1的所述力传感器7上端面与所述机体之间设置复位弹簧6，所述力传感器7与所述压力钢柱5的下端螺纹连接，所述压力钢柱5与所述试件筒4滑动配合，试件3放置在所述压力钢柱5的上端，试件3上面设有所述球面垫2，并用顶部预紧螺杆1紧固，所述力传感器7通过数据线13与所述压力显示仪表14连接。

本发明的试件放置及加载过程是：

首先将试件3放置于压力钢柱5上，其上放置一套球面垫2；然后将试件筒4安装在机体12上，并将试件3固定于试件筒4内部；将推进螺杆11回复初始位置，旋转顶部预紧螺杆1，将试件3锁紧。

开始加载时，旋转推进螺杆11，同时记录位移刻度盘10的刻度值以及压力显示仪表14的压力值，根据记录值换算试件端面施加的压应力值，并绘制试件的全程应力——应变曲线。由于力传感器7的刚度为试件刚度的10～100倍，力传感器的变形不会影响试件的变形。与显微CT耦合观测时，每一次加载完成，记录压力值与位移量后，启动CT进行扫描，扫描结束后再行加载，得到完整的试件破坏图形。

本发明的工作原理：

本发明是集加载-测量于一体的独立式试验装置。旋转手动推进螺杆，使上、下楔形体滑动产生向上的加载力，通过力传感器给试件筒中的岩石试件施加压力。岩石试件的变形量可以通过位移刻度盘读出，岩石试件所受到的压力由力传感器测量，并将测得结果通过数据线传送到压力显示仪表。

如图2所示，使用时将试验机III安装在CT扫描仪器的回转台上，试验机的试件筒4及试件3位于CT扫描仪器的X光机I前面，X光机发射出的X光束II穿透试件筒4及岩石试件3。试验机绕其回转中心在回转台上旋转360度，完成一次CT扫描。

扫描前首先使用试验机III对岩石试件加载，并通过刻度盘及显示仪表读取位移和应力的测量结果。然后开启X光机I进行扫描，观测当前压力状态下岩石试件内部的变化。不断进行加载和CT扫描，直至试件破坏，完成加载过程的CT观测实验。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，尤其是利用液压方式或应力传感器代替力传感器，或利用螺杆加载代替楔形体加载等，都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种微型单轴岩石试验机，其特征在于：所述试验机包括：机体(12)、压力显示仪表(14)，以及由推进螺杆(11)、位移刻度盘(10)、下楔形体(9)、上楔形体(8)、力传感器(7)和复位弹簧(6)组成的手动加载装置，由试件筒(4)和压力钢柱(5)、球面垫(2)和顶部预紧螺杆(1)组成的试样放置装置；所述试件筒(4)与所述机体(12)的上部螺纹连接，所述推进螺杆(11)由所述机体(12)下部的一侧穿入机体下内腔(12-2)，所述推进螺杆(11)与所述机体(12)螺纹连接，在位于所述机体下内腔(12-2)的所述推进螺杆(11)一端安装所述下楔形体(9)，所述上楔形体(8)与所述下楔形体(9)楔形面接触，所述上楔形体(8)的上平面与所述力传感器(7)接触，在位于机体上内腔(12-1)的所述力传感器(7)上端面设置所述复位弹簧(6)，所述力传感器(7)与所述压力钢柱(5)的下端螺纹连接，所述压力钢柱(5)与所述试件筒(4)滑动配合，试件(3)放置在所述压力钢柱(5)的上端，所述试件(3)上面设有所述球面垫(2)，并用顶部预紧螺杆(1)紧固，所述力传感器(7)通过数据线(13)与所述压力显示仪表(14)连接。

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