CN103323329A - 利用轴向对中定位装置进行岩石直接拉伸的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用轴向对中定位装置进行岩石直接拉伸的试验方法，所述定位装置包括相配套的粘接对中定位装置和拉伸对中定位装置，利用粘接对中定位装置消除试件粘接引起的偏心，利用拉伸对中定位装置消除试件拉伸过程中产生的偏心，并通过直接拉伸试验方法准确测试岩石的抗拉强度、极限拉应变和拉应力-应变曲线。该装置构造简单、操作方便、装卸容易，解决了岩石试件粘接受拉时的偏心问题，试验方法不仅可以精确测试岩石的抗拉强度，还可以有效测试岩石的极限拉应变和拉应力-应变曲线。

Description

利用轴向对中定位装置进行岩石直接拉伸的试验方法

技术领域

本发明涉及一种岩石拉伸试验技术，尤其是一种利用轴向对中定位装置进行岩石直接拉伸的试验方法。

背景技术

目前，地下工程岩体的应力状态常常很复杂，有的部位处于压缩应力状态，而有的部位则处于拉伸应力状态，岩体的破坏模式不仅仅是剪切破坏，有时也会呈现拉破坏或拉剪破坏，这就需要测试岩石在拉伸条件下的力学变形与破坏特性。由于岩石类材料最显著的特点就是抗拉强度远小于抗压强度，所以围岩的破坏常常从拉应力区开始，继而出现拉破坏或拉剪破坏。因而研究拉应力作用下特别是单轴拉伸条件下岩石的力学特性具有重要的理论意义和工程应用价值。

然而，在岩石力学领域，岩石力学特性的试验研究主要集中在压应力条件下岩石的力学响应，包括单轴、双轴和三轴压缩试验等；而对拉应力作用下岩石的力学特性研究相对较少。目前，关于岩石的抗拉强度通常采用巴西圆盘劈裂试验测得，少数学者开展了岩石直接拉伸的试验研究。但是由于试验方法和配套装置的限制，目前还无法准确测试单轴拉伸条件下岩石的力学特性，如：抗拉强度、极限拉应变、拉应力-应变曲线。

目前国内关于岩石直接拉伸试验的研究现状如下：

（1）《金属矿山》1995年第3期介绍了一种命名为SX-1的夹持装置，该装置设有万向活接，能消除试件拉伸时的偏心，但是夹持装置直接与试件端部相连，易在夹持部位出现应力集中。

（2）《中国矿业大学学报》1999年第3期介绍了一种直接单向拉伸的试验方法，该方法采用特殊形状的夹具和岩石试件，试件形状复杂、加工难度大，不易推广使用。

（3）《工程勘察》2011年第4期介绍了一种岩石直接拉伸的试验装置，该装置上下均设置了转向机构，可以消除试验过程中的偏心，但是岩石试件需要与装置的上下拉头粘接，在粘接时无法保证试件与上下拉头严格对中。

（4）《焦作工学院学报》（自然科学版）2004年第3期介绍了两种岩石直接拉伸的试验方法，一是利用伍德合金连接试件，二是用粘接剂直接将试件粘接在试验机压头上。上述两种方法均将试件直接连接在试验机上，没有设置转向机构，试验过程中无法避免岩石试件偏心受拉。

（5）《岩石力学与工程学报》2005年第3期介绍了一种岩石直接拉伸试验方法，自行设计了拉-压转换器，用504高级万能粘接剂将试件粘接在拉块上，岩石试件使用磨光机加工，但是没有设置转向机构，仍然不能完全消除偏心的影响。

（6）《河南理工大学学报》2006年第4期介绍了一种可以加围压的直接拉伸的试验装置，该装置采用粘接剂将试件与上下拉头粘接，但是没有设置转向机构，无法消除偏心的影响。

（7）《岩土力学》2008年第1期介绍了一种可对同一岩石试样进行压缩和直接拉伸试验的试验装置，该试验装置在上下两端均设置了转向机构，可以消除偏心的影响；但是无法保证试件与上下拉头粘接时严格对中。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种利用轴向对中定位装置进行岩石直接拉伸的试验方法，该装置构造简单、操作方便、装卸容易，解决了岩石试件粘接受拉时的偏心问题，试验方法不仅可以精确测试岩石的抗拉强度，还可以有效测试岩石的极限拉应变和拉应力-应变曲线。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种利用轴向对中定位装置进行岩石直接拉伸的试验方法，所述轴向对中定位装置包括相配套的粘接对中定位装置和拉伸对中定位装置，所述粘接对中定位装置包括立柱，立柱下端固定于底板上，立柱上由上至下依次套装有上拉头定位套、试件夹紧套、活瓣托板、试件托板、下拉头定位套，所述上拉头定位套、试件夹紧套、活瓣托板和下拉头定位套远离立柱一端上均设有同轴的套筒；上拉头定位套、试件夹紧套通过旋转手轮相连；上拉头定位套和活瓣托板均固定安装在立柱上，试件夹紧套通过键和竖向键槽活动安装于立柱上，试件托板和下拉头定位套均通过键和水平键槽活动安装于立柱上；所述试件夹紧套的套筒内侧面为上小下大的锥形结构，该锥形套筒中均布有三片外侧面为锥面的楔形夹紧活瓣，三片楔形夹紧活瓣内侧面为圆柱面，楔形夹紧活瓣的下端位于活瓣托板上；所述拉伸对中定位装置包括对称设置的上下拉杆、上下球铰、上下T型滑槽、上下T型滑块，上下拉杆分别连接于上下球铰的两端，上下球铰分别与上下T型滑槽相连，上下T型滑块一端分别卡设于上下T型滑槽中；

通过粘接对中定位装置和拉伸对中定位装置，能够在万能试验机上准确测试岩石试件的抗拉强度、极限拉应变和拉应力-应变曲线，具体步骤如下：

1）将岩石试件连同楔形夹紧活瓣放入试件夹紧套中，试件下端用试件托板托住；

2）转动旋转手轮使试件夹紧套下移，夹紧试件；

3）通过上下拉头定位套和上下拉头调节旋钮调整上下拉头与试件的位置；

4）在试件上端涂抹粘接剂，将上拉头、上拉头定位环和上拉头调节旋钮装配好一起放入上拉头定位套内，转动上拉头调节旋钮控制粘接剂的厚度，将多余的粘接剂挤出；

5）将试件托板转离试件中心线，在试件下端涂抹粘接剂，将下拉头、下拉头定位环和下拉头调节旋钮装配好一起放入下拉头定位套内，转动下拉头调节旋钮控制粘接剂的厚度，将多余的粘接剂挤出；

6）待粘接剂初凝后，将端部粘接有上下拉头的试件从粘接对中定位装置中取出，继续粘接下一试件；

7）待粘接剂完全凝结后，将粘接试件的上下拉头与拉伸对中定位装置的上下T型滑块相连；

8）将连接上下T型滑槽的上下球铰夹持在万能试验机的夹具上，调整试验机的拉伸空间；

9）将连接试件的上下T型滑块滑入T型滑槽内，拉伸试验时先施预紧力，然后以等应变或等应力的方式开始进行拉伸试验，逐级加载直至试件被轴向拉坏；

10）通过拉伸传感器测试获得岩石试件的抗拉强度、极限拉应变、拉应力-应变曲线。

所述试件夹紧套能够沿立柱的竖向键槽上下移动以夹紧试件。

所述试件托板能够沿立柱的水平键槽在水平面内左旋90度。

所述下拉头定位套能够沿立柱的水平键槽在水平面内右旋90度。

所述旋转手轮安装在上拉头定位套的中部，旋转手轮的下端设置有螺纹并与试件夹紧套相连，转动手轮能够驱动试件夹紧套沿立柱上下移动。

所述上下T型滑槽和T型滑块设有相配合的弧度。

本发明的粘接对中定位装置主要由立柱、底板、试件夹紧套、楔形夹紧活瓣、旋转手轮、上下拉头定位套、上下拉头调节旋钮、试件托板和活瓣托板构成。试件夹紧套和楔形夹紧活瓣在岩石试件粘接时，可以保证试件中心线与上下拉头的中心线重合，消除试件粘接引起的偏心。上下拉头定位套用来精确定位上下拉头。上下拉头调节旋钮可以有效控制粘接剂的厚度。立柱上设置有键槽，可以控制上下拉头定位套、试件夹紧套、试件托板和活瓣托板的位置。

拉伸对中定位装置主要由上下球铰、上下T型滑槽、上下T型滑块和上下拉杆构成。上下球铰的连杆在拉伸试验过程中可在一定范围内转动，以消除岩石试件受拉时的偏心。拉伸试验时，为便于拆装和定位已粘接好的试件，在拉伸对中定位装置两端设置了带有一定弧度的T型滑槽和T型滑块，首先将与试件粘接的上下拉头通过螺纹与T型滑块相连，然后将T型滑块滑入T型滑槽内，之后可进行拉伸试验。

本发明利用粘接对中定位装置消除试件粘接引起的偏心，利用拉伸对中定位装置消除试件拉伸过程中产生的偏心，并通过直接拉伸试验方法准确测试岩石的抗拉强度、极限拉应变和拉应力-应变曲线。

本发明与国内外同类型技术相比具有如下显著的技术优势：

（1）整套对中定位装置和试验方法可进行岩石的直接拉伸试验，相比其他间接测定岩石抗拉强度的方法（如：巴西劈裂法）具有明显的优势，该装置和试验方法不仅可以精确测试岩石的抗拉强度，还可以有效测试岩石的极限拉应变和拉应力-应变曲线。

（2）拉伸对中定位装置的两端均设置了球铰，可以使其连杆在一定范围转动，从而解决了岩石试件受拉时的偏心问题。

（3）粘接对中定位装置巧妙设计了试件夹紧套和楔形夹紧活瓣，完美地解决了试件粘接偏心问题。

（4）粘胶采用JGN型建筑结构胶，凝结后胶体的抗拉强度≥30MPa，其强度可满足岩石拉伸试验的要求。

（5）整套对中定位装置操作简单、装卸方便。

（6）整套对中定位装置和试验方法可广泛应用于水电、交通、能源、资源和国防工程等领域的岩石直接拉伸试验，应用前景广阔，经济效益显著。

附图说明

图1是本发明粘接对中定位装置示意图；

图2（a）、图2（b）分别是试件夹紧套俯视图和剖面图；

图3是本发明拉伸对中定位装置示意图；

图中：1.立柱、2.上拉头定位套、3.试件夹紧套、4.活瓣托板、5.试件托板、6.下拉定位套、7.底板、8.旋转手轮、9.上拉头调节旋钮、10.上拉头定位环、11.上拉头、12.粘接剂、13.岩石试件、14.楔形夹紧活瓣、15.下拉头、16.下拉头调节旋钮、17.下拉头定位环、18.上拉杆、19上球铰、20.上T型滑槽、21.上T型滑块、22.下T型滑块、23.下T型滑槽、24.下球铰、25.下拉杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1中，粘接对中定位装置主要由立柱1、上下拉头定位套2、6、试件夹紧套3、活瓣托板4、试件托板5、底板7、旋转手轮8、上下拉头调节旋钮9、16、上下拉头定位环10、17、上下拉头11、15、楔形夹紧活瓣14构成。

试件夹紧套3和楔形夹紧活瓣14（图2（a）、图2（b））是其中的核心构件，岩石试件13粘接时，可以保证试件13中心线与上下拉头11、15的中心线重合，消除粘接试件13引起的偏心。其中三片式楔形夹紧活瓣14的内侧面为圆柱面，用来夹紧岩石试件13，外侧面为锥面，与试件夹紧套3内侧锥面相配。当试件夹紧套3下移时，三片式的楔形夹紧活瓣14在锥面的挤压下向内移动以夹紧岩石试件13，这样就保证了，即便岩石试件13不是标准直径的试件，也能保证试件13的中心线与上下拉头11、15的中心线重合，从而消除粘接试件13引起的偏心。上下拉头定位套2、6用来精确定位上下拉头11、15。

上下拉头调节旋钮9、16可以有效控制粘接剂12的厚度。立柱1设置有键槽，可以精确控制上下拉头定位套2、6、试件夹紧套3、试件托板5和活瓣托板4的位置。其中上拉头定位套2固定在立柱1上；试件夹紧套3位置处设置有竖向键槽，允许其在一定范围内上下移动以夹紧试件；活瓣托板4固定在立柱1上，在试件13粘接时托住楔形夹紧活瓣14；试件托板5位置处设置有水平键槽，允许其在水平面内左旋90度；下拉头定位套6位置处设置有水平键槽，允许其在水平面内右旋90度。旋转手轮8安装在上拉头定位套2的中部，旋转手轮8的下端设置有螺纹并与试件夹紧套3相连，转动手轮8可以驱动试件夹紧套3上下移动。

图3中，拉伸对中定位装置主要由上下拉杆18、25、上下球铰19、24、上下T型滑槽20、23、上下T型滑块21、22和上下拉头11、15构成。上下球铰19、24的连杆可在一定范围内转动，以消除岩石试件13受拉时的偏心。拉伸试验时，为便于拆装和定位已粘接好的试件13，在拉伸对中定位装置两端设置了带有一定弧度的T型滑槽20、23和T型滑块21、22。首先将粘接试件13的上下拉头11、15通过螺纹与T型滑块21、22相连，然后将T型滑块21、22滑入T型滑槽20、23内，之后可进行拉伸试验。

岩石直接拉伸的试验方法包含以下步骤：

1）将岩石试件13连同楔形夹紧活瓣14一起放入试件夹紧套3中，楔形夹紧活瓣14下端用活瓣托板4托住，岩石试件13下端用试件托板5托住；

2）转动旋转手轮8使试件夹紧套3下移，夹紧试件13；

3）通过上下拉头定位套2、6和上下拉头调节旋钮9、16调整上下拉头11、15与试件13的位置；

4）在试件13上端涂抹粘接剂12，将上拉头11、上拉头定位环10和上拉头调节旋钮9装配好一起放入上拉头定位套2内，转动上拉头调节旋钮9控制粘接剂12的厚度，将多余的粘接剂12挤出；

5）将试件托板5转离试件中心线，在试件13下端涂抹粘接剂12，将下拉头15、下拉头定位环17和下拉头调节旋钮16装配好一起放入下拉头定位套6内，转动下拉头调节旋钮16控制粘接剂12的厚度，将多余的粘接剂12挤出；

6）待粘接剂12初凝后，将端部粘接有拉头11、15的试件13从粘接对中定位装置中取出，继续粘接下一试件；

7）待粘接剂12完全凝结后，将试件13的上下拉头11、15和上下T型滑块21、22相连；

8）将连接上下T型滑槽20、23的上下球铰19、24夹持在万能试验机的夹具上，并夹持住上下拉杆18、25，调整试验机的拉伸空间；

9）将粘接试件的上下T型滑块21、22滑入T型滑槽20、23内，试验时先施加较小拉力作为预紧力，然后以等应变或等应力的方式开始进行拉伸试验，逐级加载直至试件被轴向拉坏；

10）通过拉伸传感器测试获得岩石试件的抗拉强度、极限拉应变、拉应力-应变曲线。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变化仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种利用轴向对中定位装置进行岩石直接拉伸的试验方法，其特征是，所述轴向对中定位装置包括相配套的粘接对中定位装置和拉伸对中定位装置，所述粘接对中定位装置包括立柱，立柱下端固定于底板上，立柱上由上至下依次套装有上拉头定位套、试件夹紧套、活瓣托板、试件托板、下拉头定位套，所述上拉头定位套、试件夹紧套、活瓣托板和下拉头定位套远离立柱一端上均设有同轴的套筒；上拉头定位套、试件夹紧套通过旋转手轮相连；上拉头定位套和活瓣托板均固定安装在立柱上，试件夹紧套通过键和竖向键槽活动安装于立柱上，试件托板和下拉头定位套均通过键和水平键槽活动安装于立柱上；所述试件夹紧套的套筒内侧面为上小下大的锥形结构，该锥形套筒中均布有三片外侧面为锥面的楔形夹紧活瓣，三片楔形夹紧活瓣内侧面为圆柱面，楔形夹紧活瓣的下端位于活瓣托板上；所述拉伸对中定位装置包括对称设置的上下拉杆、上下球铰、上下T型滑槽、上下T型滑块，上下拉杆分别连接于上下球铰的两端，上下球铰分别与上下T型滑槽相连，上下T型滑块一端分别卡设于上下T型滑槽中；

通过粘接对中定位装置和拉伸对中定位装置，能够在万能试验机上准确测试岩石试件的抗拉强度、极限拉应变和拉应力-应变曲线，具体步骤如下：

1）将岩石试件连同楔形夹紧活瓣放入试件夹紧套中，楔形夹紧活瓣的下端位于活瓣托板上，试件下端用试件托板托住；

2）转动旋转手轮使试件夹紧套下移，夹紧试件；

3）通过上下拉头定位套和上下拉头调节旋钮调整上下拉头与试件的位置；

4）在试件上端涂抹粘接剂，将上拉头、上拉头定位环和上拉头调节旋钮装配好一起放入上拉头定位套内，转动上拉头调节旋钮控制试件上端粘接剂的厚度，将多余的粘接剂挤出；

5）将试件托板转离试件中心线，在试件下端涂抹粘接剂，将下拉头、下拉头定位环和下拉头调节旋钮装配好一起放入下拉头定位套内，转动下拉头调节旋钮控制试件下端粘接剂的厚度，将多余的粘接剂挤出；

6）待粘接剂初凝后，将端部粘接有上下拉头的试件从粘接对中定位装置中取出，继续粘接下一试件；

7）待粘接剂完全凝结后，将试件的上下拉头和上下T型滑块相连；

8）将连接上下T型滑槽的上下球铰夹持在万能试验机的夹具上，调整试验机的拉伸空间；

9）将连接试件的上下T型滑块滑入T型滑槽内，拉伸试验时先施预紧力，然后以等应变或等应力的方式开始进行拉伸试验，逐级加载直至试件被轴向拉坏；

10）通过拉伸传感器测试获得岩石试件的抗拉强度、极限拉应变、拉应力-应变曲线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述试件夹紧套能够沿立柱的竖向键槽上下移动以夹紧试件。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述试件托板能够沿立柱的水平键槽在水平面内左旋90度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述下拉头定位套能够沿立柱的水平键槽在水平面内右旋90度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述旋转手轮安装在上拉头定位套的中部，旋转手轮的下端设置有螺纹并与试件夹紧套相连，转动手轮能够驱动试件夹紧套沿立柱上下移动。

6.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述上下T型滑槽和T型滑块设有相配合的弧度。

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