CN103293063A - 振动式点载荷试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动式点载荷试验仪，由静压加载单元和振动加载单元组成，静压加载单元是在支架(7)底部平台上安装有静压加压装置(4)，振动加载单元是在支架(7)上部平台上安装有振动电机(1)，竖向设置的上加压锥(2)与振动电机(1)底部连成一体，下加压锥(3)与静压加压装置(4)上部加压活塞相连并通过隔板中心孔随之上下运动，上加压锥(2)与下加压锥(3)处于同一轴向中心线上，岩石试件(15)放置在上加压锥(2)和下加压锥(3)之间。本发明继承了传统点载荷仪轻便易带的优势，同时又增加了施加振动荷载的能力。可方便的带到施工现场去测试试件的动、静载点载荷强度。为岩石力学研究提供了一种独特的振动式点载荷试验仪。

Description

振动式点载荷试验仪

技术领域

本发明涉及一种测定岩石点载荷强度的实验装置，尤其是能够测定振动载荷下岩石的点载荷破坏特性。

技术背景

在深部岩体工程施工中，我们发现动载和静载联合破岩效果比静载好，特别是在利用掘进机对高应力控制下节理岩体的机械式掘进中，如果在已有的静压和切削破岩基础上施加振动载荷，掘进效率大大提高，掘进效率与静应力和振动载荷大小密切相关。因此，在现场施工中，需要快速而准确地提供不同地应力条件下的最佳振动载荷。由于工程岩石形状不规则、节理裂隙发育，制作标准试样十分困难；而且将岩样从现场带回实验室并进行测试需要花费大量时间、金钱和人力。因此需要一种能够快速、便捷地对工程岩块进行不同静压和振动载荷下破坏性能评价的简易仪器。

目前，传统点载荷仪作为一种简便的岩块强度测定仪器，被广泛使用。国内不少厂家生产相应产品用于岩块、砖块(中国实用新型专利，专利号86202432)等的强度测定。现有的点载荷仪基本都停留在静载加压测出试件点载荷强度的层面，未考虑试样承受振动或冲击载荷下的力学性能。而在当前开展的高应力岩体机械化掘进施工中，高地应力和振动载荷同时作用，传统点载荷仪不能给出这一组合载荷状态下的强度或破坏性能。

可见，目前尚无可以测试静载荷和振动载荷联合作用下不规则岩块破坏性能的实验仪器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能测试静载荷和振动载荷联合作用下不规则岩块破坏性能的振动式点载荷试验仪。

为了解决上述技术问题，本发明提供的振动式点载荷试验仪，由静压加载单元和振动加载单元组成，所述的静压加载单元是在支架底部平台上安装有静压加压装置，所述的振动加载单元是在所述的支架上部平台上安装有振动电机，竖向设置的上加压锥与所述的振动电机底部连成一体，下加压锥与所述的静压加压装置上部加压活塞相连并通过隔板中心孔随之上下运动，所述的上加压锥与所述的下加压锥处于同一轴向中心线上，岩石试件放置在所述的上加压锥和所述的下加压锥之间。

所述的上加压锥与所述的振动电机的底部铸造成一体。

所述的振动电机的结构是：机体内置有电动机，固定偏心块浇筑固定在所述的旋转轴上并通过旋转轴与所述的电动机相连，可调偏心块用调节螺母固定在所述的旋转轴上，所述的上加压锥与所述的机体底部连成一体。

所述的静压加压装置的结构是：小油缸内设有小活塞，所述的小活塞与手柄相连，吸油单向阀连接所述的小油缸和油箱，连通管连接所述的小油缸和排油单向阀，所述的排油单向阀连通所述的连通管和大油缸，所述的大油缸内设有大活塞，所述的大活塞的底面积大于所述的小活塞的底面积，所述的下加压锥与所述的大活塞上部连为一体。

采用上述技术方案的振动式点载荷试验仪，通过调整液压加压装置使下加压锥上升，最终使上、下加压锥紧密接触试件的上下表面中心附近，试件安装好后调整压力表示数至零点。开启振动电机，振动电机开动后可以产生高频振动，这种振动可以很好的传给与之铸造为一体的上加压锥，因是高频振动，且振动电机牢牢固定在支架上部平台上，所以下加压锥的振幅很小，在竖直方向上位移可以忽略，不会造成试件松动掉下，从而保证了试件在动载下稳定的进行试验。然后通过液压加压装置对试件进行加压直至试件破坏，记录此时的静压值、振动电机的激振力和电机的转速。通过调整振动电机的偏心块夹角和电机的转速，就可以分别得到不同的激振力和振动频率，从而可测试出试件在不同激振力和不同振动频率下的点载荷强度。

本发明主要优点在于：本发明不仅可以测出静载下试件的点载荷强度和破坏特性，而且还能获得试件在静载和不同激振力、不同振动频率共同作用下的点载荷强度和破坏特性。同时，仪器轻便易带，可以很方便的带到施工现场使用。另外，试件不需要特殊加工，各种不规则和规则的试样均可以直接拿来测试，大大提高了测试的速度。

综上所述，本发明将静压部件和振动单元相结合，实现静载和振动载荷的同时作用，可快速、便捷地获得不规则岩块在静载荷和振动载荷联合作用下的破坏性能，是一种能测试出岩石在不同静载、不同激振力和不同振动频率单独或共同作用下的点载荷强度和破坏特性的振动式点载荷试验仪。

附图说明

图1为本发明振动式点载荷试验仪装置整体剖面图。

图2为本发明振动式点载荷试验仪的振动单元立体示意图。

图3为振动频率一定时动点载荷强度与激振力大小的关系图。

图4为激振力一定时动点载荷强度与振动频率的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图1，由静压加载单元和振动加载单元组成，静压加载单元是在支架7底部平台上安装有静压加压装置4，振动加载单元是在支架7上部平台上安装有振动电机1，竖向设置的上加压锥2与振动电机1底部铸造成一体，下加压锥3与静压加压装置4上部加压活塞相连并通过隔板中心孔随之上下运动，上加压锥2与下加压锥3处于同一轴向中心线上，岩石试件15放置在上加压锥2和下加压锥3之间。

参见图1，将岩石试件15放到上加压锥2和下加压锥3之间，通过调整静压加压装置4使下加压锥3上升，最终使上加压锥2和下加压锥3紧密接触岩石试件15的上下表面中心附近，岩石试件15安装好后调整压力表指针到零点，开启振动电机1，通过静压加压装置4对岩石试件15进行加压直至岩石试件15破坏，记录此时的静压值、振动电机1的激振力和振动电机1的转速。

参见图1和图2，振动电机1的结构是：机体内置有电动机19，固定偏心块16通过旋转轴18与电动机19相连并浇筑固定在旋转轴18上，可调偏心块17用调节螺母固定在旋转轴18上，上加压锥2与机体底部铸造成一体。

参见图1和图2，当内置的电动机19通电高速旋转时带动固定偏心块16和可调偏心块17随之转动。位于外部的可调偏心块17表面装有标明最大激振力百分数的标尺，固定偏心块16浇筑固定在旋转轴18上，可调偏心块17使用紧固螺栓压紧在旋转轴18上。转轴18两端面上刻有基准线。旋松两侧可调偏心块17的压紧螺栓，两侧可调外偏心块17同向转动，使轴上刻线对准可调偏心块17上的激振力标尺刻线，调至所需激振力，拧紧可调偏心块17的压紧螺栓，装上防护罩。这样就完成了调节激振力的全部过程。需要注意的是：除特殊应用情况外，振动电机1的旋转轴18两端的固定偏心块16和可调偏心块17的位置必须相对应，两端的固定偏心块16和可调偏心块17的百分数的设定必须相等，否则振动电机1会产生巨大的错向激振力，损伤振动电机1的振动机械。除此之外还通过调节内置的电动机19的转速得到不同的振动频率。

参见图1，小油缸8内设有小活塞6，小活塞6与手柄5相连并随手柄5的起伏在小油缸8中上下运动，吸油单向阀10连接小油缸8和油箱11，连通管9连接小油缸8和排油单向阀12，排油单向阀12连通连通管9和大油缸13，大油缸13内设有大活塞14，大活塞14的底面积大于小活塞6的底面积，下加压锥3与大活塞14上部连为一体。

参见图1，通过手柄5的上下运动，将油箱11中的油通过吸油单向阀10吸出到小油缸8经连通管9和排油单向阀12压到大油缸13处，这样小活塞6处的压强就通过液压油等大的传给了大活塞14。因大活塞14面积较小活塞6大，所以其产生的向上的压力也大很多，这种压力通过与之相连的下加压锥3传给岩石试件15，这样液压加压装置4就完成了对岩石试件15加压的整个过程。

利用本发明研究不同荷载条件下岩石的点载荷强度和破坏特性。

前期准备

取一批工程条件相同、尺寸15～100mm的不规则岩块做试件。试件的厚度和宽度比值应在0.3和1.0之间。

将试件分成三组，第一组用于静载试验；第二组进行不同激振力下岩块破坏试验；第三组进行不同激振频率下岩块破坏试验。

实施例1.利用装置研究静载下岩石的点载荷强度

（1）选取第一组试件中的一个，将试件最小尺寸方向作为加载方向，把试件放在上下加压锥之间，通过调整静压加压装置使下加压锥上升，最终使上下加压锥与不规则块体的上下表面紧密接触。

（2）记录上下加压锥顶点之间的距离D，误差不超过±2%；记录垂直于加荷方向的最小的试件宽度W，误差不超过±5%；若各边互不平行，则W按(W₁+W₂)/2计算。

（3）稳定地增加荷载，使试件在10～60秒之内发生破坏。记录试件破坏时的油压表读数F。若破裂面仅仅通过一个加荷点，则试验无效，应予舍弃。

（4）此组样品中的其余试件的试验，重复上述步骤（1）～（3）。

（5）实验结果整理

1）试验数据记录表见附录1。

2）试件的点载荷强度：

$I_s=\frac{P}{D_e^2}$

P=C·F

对于方块体或者不规则块体试验：

$D_e^2=\frac{4\mathrm{WD}}{\mathrm{\π}}$

式中：

I_S――试件点载荷强度（MPa）；

C――仪器标定系数（为千斤顶的活塞面积，mm²）；

F――试件破坏时的油压表读数（MPa）；

D――上下加压锥与试件的两个接触点之间的距离（mm）；

W――试件破坏面上垂直于加荷点方向的最小宽度（mm）

实施例2.利用装置研究不同激振力对岩石点载荷强度的影响

从第二组试件中取出一个试件。安装好试件之后开启振动电机，保持振动频率不变，选择一个激振力M₁，以与静载实验相同的加载速率施加静载，直至试件破坏。按同样步骤，保持振动频率ν₁不变，改变激振力大小（M₂、M₃……），对其它试件进行测试。

实验过程中除了记录上述静载实验所需试件参数F、W、D外，还需记录振动电机的转速n（用于计算振动频率ν）和激振力M。实验数据记录表见附录2。试件点载荷强度计算方法与实施例1中无振动载荷时相似，只是所用的载荷应为静压和振动激振力之和。

若将附录2中数据绘制成曲线关系图，就可以获得振动频率一定时动点载荷强度和激振力大小之间的关系。可能的曲线关系图如图3。

实施例3.利用装置研究不同振动频率对岩石点载荷强度的影响

从第三组试件中取出一个试件。安装好试件之后开启振动电机，保持激振力不变，选择一个振动频率ν₁，以与静载实验相同的加载速率施加静载，直至试件破坏。按同样步骤，保持激振力不变，改变振动频率大小（ν₂、ν₃……），完成对其它试件的测试。

实验过程中除了记录试件参数F、W、D外，还需记录振动电机的激振力和转速n（用于计算振动频率ν）。实验数据记录表见附录3。试件点载荷强度计算方法与实施例2相同。

若将附录3中数据绘制成曲线关系图，就可以获得激振力大小一定时动点载荷强度和振动频率之间的关系。可能的曲线关系图如图4。

附录1

静压点载荷强度试验记录表

试件编组___加载速率___仪器系数C=___

1	试件编号
						2	压力表读数F（MPa）

3	加荷点间距离D（mm）
						4	破坏面宽度W（mm）
5	点载荷强度Is（MPa）
						6	试件破坏特征

附录2

振动点载荷强度试验记录表（固定频率变激振力）

试件编组___加载速率___仪器系数C=___振动频率ν=n/60(Hz)

1	试件编号
						2	激振力M(N)
3	压力表读数F（MPa）
						4	加荷点间距离D（mm）
5	破坏面宽度W（mm）
						6	动点载荷强度Is（MPa）
7	试件破坏特征

附录3

振动点载荷强度试验记录表（固定激振力变频率）

试件编组___加载速率___仪器系数C=___激振力M=___

1	试件编号
						2	振动频率v=n/60(Hz)
3	压力表读数F（MPa）
						4	加荷点间距离D（mm）
5	破坏面宽度Wf（mm）
						6	动点载荷强度Is（MPa）
7	试件破坏特征

Claims (4)

1.一种振动式点载荷试验仪，其特征在于：由静压加载单元和振动加载单元组成，所述的静压加载单元是在支架(7)底部平台上安装有静压加压装置(4)，所述的振动加载单元是在所述的支架(7)上部平台上安装有振动电机(1)，竖向设置的上加压锥(2)与所述的振动电机(1)底部连成一体，下加压锥(3)与所述的静压加压装置(4)上部加压活塞相连并通过隔板中心孔随之上下运动，所述的上加压锥(2)与所述的下加压锥(3)处于同一轴向中心线上，岩石试件(15)放置在所述的上加压锥(2)和所述的下加压锥(3)之间。

2.根据权利要求1所述的振动式点载荷试验仪，其特征在于：所述的上加压锥(2)与所述的振动电机(1)的底部铸造成一体。

3.根据权利要求1或2所述的振动式点载荷试验仪，其特征在于：所述的振动电机(1)的结构是：机体内置有电动机(19)，固定偏心块(16)浇筑固定在所述的旋转轴(18)上并通过旋转轴(18)与所述的电动机(19)相连，可调偏心块(17)用调节螺母固定在所述的旋转轴(18)上，所述的上加压锥(2)与所述的机体底部连成一体。

4.根据权利要求1或2所述的振动式点载荷试验仪，其特征在于：所述的静压加压装置(4)的结构是：小油缸(8)内设有小活塞(6)，所述的小活塞(6)与手柄(5)相连，吸油单向阀(10)连接所述的小油缸(8)和油箱(11)，连通管(9)连接所述的小油缸(8)和排油单向阀(12)，所述的排油单向阀(12)连通所述的连通管(9)和大油缸(13)，所述的大油缸(13)内设有大活塞(14)，所述的大活塞(14)的底面积大于所述的小活塞(6)的底面积，所述的下加压锥(3)与所述的大活塞(14)上部连为一体。

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