CN103604702A - 一种测试岩石断裂韧度的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试岩石断裂韧度的试验装置，特别是一种在围压作用下测定岩石断裂韧度的试验装置。属岩土工程技术领域。本发明采用在原有巴西圆盘试验装置中增设了施加围压装置，改变了现有试验装置中单纯直接加载劈裂进行试验的方式，盒体中增设了弹簧定位装置、密封装置及自平衡装置，且配套有千分表、注油口和排气口等，用以记录侧向及轴向的位移变化并控制盒体内液体形成稳定围压。将试样放入盒体后，利用弹簧定位装置固定试样，增设自平衡装置可使加载轴不受围压的影响，便于对试样的加载进行控制。本装置可实现对岩石试样围压下的劈裂试验，由此计算试样的断裂韧度，试验装置设计合理，操作使用方便，适用于各类岩石的断裂韧度测定。

Description

一种测试岩石断裂韧度的试验装置

技术领域

本发明涉及一种测试岩石断裂韧度的试验装置，特别是一种在有围压作用下测定岩石Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅰ-Ⅱ复合型断裂韧度的试验装置。属岩土工程技术领域。

背景技术

巴西圆盘劈裂试验自1978年被国际岩石力学学会推荐作为测定岩石抗拉强度的间接方法后，在国内外获得了广泛应用，在我国，该方法已被列入国家标准《工程岩体试验方法标准》和行业标准《水利水电岩石试验规程》中。已有众多学者对巴西圆盘劈裂试验的理论分析、计算公式推导提出了质疑，而改进的巴西圆盘试验设备也经常用于测量岩石张开型断裂韧度，但由于结构设计存在一定局限，难以对岩石的剪切及复合型断裂韧度进行测定。而岩石断裂韧度作为预测实际工程岩体力学性质时的重要参数，在岩爆、岩质边坡断裂失稳等稳定性、岩石的切削、爆破、隧道掘进、水压致裂等破岩机制的研究时均有较重要的参考价值。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种考虑围压作用下测定岩石Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅰ-Ⅱ复合型断裂韧度的试验装置，试验中可以考虑不同围压、不同裂纹倾角、不同边界条件和加卸载等不同应力路径的影响。可实现不同应力状态下对带预制裂纹圆柱岩石试样劈裂试验。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种测试岩石断裂韧度的试验装置，装置包括盒体、加载轴及垫条，在所述盒体两侧壁上对称设置有同轴圆孔，弹簧定位装置分别置于同轴圆孔中，加载轴的外壁上设置有套环，上盖套装在加载轴上和盒体螺栓连接，顶盖套装在加载轴上和上盖螺栓连接，顶盖和上盖之间设置有油腔，套环位于油腔中，盒体下端设置有进油口，上盖中设有输油管路，输油管路连通油腔与盒体内腔，油腔进油口位于套环的上方，上盖中设有连通油腔的排气孔，排气孔位于套环的下方，出油口设置于上盖内连通油腔和外部管路，且位于油腔进油口上方靠近油腔顶部。

所述盒体底面中央设置有凹槽，垫条活动置于凹槽内，凹槽中心线与同轴圆孔的圆心连线垂直。

顶盖与上盖接触面上设有密封圈，加载轴与顶盖及上盖接触面上设有密封圈，上盖与盒体内壁接触处设有密封圈，套环与油腔的接触面上设有密封圈，弹簧定位装置与盒体同轴圆孔之间设置有密封圈。

由于采用了以上技术方案，本发明采用在巴西圆盘劈裂试验装置中增设了施加围压装置、弹簧定位装置、顶盖与上盖间油腔，改善了现有试验装置中只单纯施加压力进行劈裂的的加载方式，可在试验中改变围压的大小对试样进行加卸荷试验；弹簧定位装置可控制裂纹方向与加载轴方向的夹角，便于在试验中控制试样令其不旋转与滚动，同时也不会影响试样在承压后后的变形；顶盖与上盖间油腔的设置使试验的加卸载过程更加简便，盒体内腔与油腔通过输油管路相连通，二者内部压强一致，达到加载轴上下的自平衡，由此便可不需考虑围压对加载轴的反作用，而直接换算轴向加载力的大小，进行计算。

本发明具有的优点和积极效果在于：

1本装置可实现对试样进行有围压作用下的劈裂加载，试验中可以设置不同围压、不同裂纹倾角、不同边界条件和加卸载等不同应力路径。可实现不同应力状态下对带预制裂纹圆柱岩石试样劈裂试验。

2上盖与顶盖间油腔与盒体内腔通过输油管路相连通，二者内部压强一致，达到加载轴上下的自平衡，由此便可不需考虑围压对加载轴的反作用，而直接换算轴向加载力的大小，进行计算，使试验简便易行。

2改进了原先单一的测量手段，可以在不同条件下测定岩石不同断裂方式的断裂韧度。

3可以真实反应岩体张开、剪切或混合型破坏时的形态，是进一步研究其破坏机理基础。

4本发明试验装置设计合理，操作使用方便，适用于各类岩样的劈裂试验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和工作原理对本发明进行详细说明，参见图1：

一种测试岩石断裂韧度的试验装置，装置由垫条2，弹簧定位装置3，千分表4，加载轴5，上盖6，进油口7，排气口8，出油口9，输油管路10，盒体11，顶盖12，油腔13，套环14组成，在所述盒体11两侧壁上对称设置有同轴圆孔，弹簧定位装置3分别活动置于同轴圆孔中，用于固定试样1；加载轴5的外壁上设置有套环14，其截面与加载轴截面为同心圆，二者嵌套在一起活动，顶盖12套装在加载轴5上和上盖6螺栓连接，上盖6套装在加载轴5上和盒体11螺栓连接，顶盖12和上盖6之间设置有油腔13，套环14与加载轴5位于油腔14中可上下自由移动，盒体11下端设置有进油口7，进油口7与外部液压设备连接，用于提供恒压或与出油口9配合为试验提供可变围压，上盖6中设有输油管路10，输油管路10连通油腔13与盒体空腔，油腔13进油口位于套环14的上方，出油口9设置于上盖6内连通油腔13和外部管路，位于油腔13进油口的上方且靠近油腔13顶部，当液压设备通过进油口7向盒体11内注满液体时，液体会通过输油管路10流至油腔13，再从油腔13通过出油口9至外部管路10，至此可认为盒体11内腔和油腔13均充满液体，此时封闭出油口9，利用液压源向盒体11内提供压力，由于上盖6与顶盖12间油腔13与盒体11内腔通过输油管路10相连通，二者内部压强一致，达到加载轴5上下的自平衡，由此便可不需考虑围压对加载轴5的反作用，而直接换算轴向加载力的大小，进行计算，使试验简便易行，上盖6中设有排气口8连通油腔13和外部，且位于套环14的下方。加载轴5向试样1传递力的过程中，加载轴5与套环14向下运动，压缩油腔13内空气，空气由排气口8向外排出。盒体11底面中央设置有放置垫条2的凹槽，垫条2由正方体垫块与圆柱体垫条焊接为一体，活动设置于凹槽内，圆柱体垫条轴线与同轴圆孔的圆心连线垂直、与试样1轴线平行且共面。试验时试样1放在垫条2上，弹簧平衡装置3夹紧试样使试样1固定。顶盖12与上盖6接触面上设有密封圈，加载轴5与顶盖12及上盖6接触面上设有密封圈，上盖6与盒体11内壁接触处设有密封圈，套环14与油腔13的接触面上设有密封圈，弹簧定位装置3与盒体11同轴圆孔之间设置有密封圈。所有的密封圈是保证腔体内围压的必备措施。

本发明采用在试验装置中增设了施加围压装置、弹簧定位装置3、顶盖12与上盖6间油腔13，改善了现有试验装置中只单纯施加压力进行劈裂的的加载方式，可在试验中改变围压的大小对试样进行加卸荷试验；弹簧定位装置3可控制裂纹方向与加载轴5方向的夹角，便于在试验中控制试样令其不旋转与滚动，同时也不会影响试样在承压后后的变形；顶盖12自平衡装置使试验的加卸载过程更加简便，盒体11空腔与油腔13通过输油管路10相连通，使二者内部压强一致，由此可直接换算轴向加载力的大小而不需考虑围压进行计算。

本发明在岩石力学试验中的应用：

1将垫条2放置于盒体11内，保证其轴线与两侧壁上同轴圆孔圆心连线垂直。

2将液压源与进油口7连接，外部管路与出油口9连接，保证管路通畅。

3试样1尺寸φ50mm×50mm，试样1的加工精度、平直度和垂直度均控制在《水利水电工程岩石试验规程》（SL264-2001）规定的范围之内，对试样进行裂纹预处理，将预处理后的试样1放置于垫条2上，用弹簧定位装置3将其夹紧固定，确定裂纹方向与加载轴5方向夹角满足要求。

4上盖6与盒体11用螺栓固定，将与千斤顶连接的加载轴5置于上盖6内，再将顶盖12与上盖6用螺栓固定。

5在两个弹簧固定装置3分别与千分表4连接，用于测定试验中试样1的侧向位移，将加载轴5顶部与千分表4连接，用于测定试验中试样1的轴向位移。

6装置连接好之后，将其置于电液伺服刚性试验机上进行试验。

7首先开启液压源通过进油口7向盒体11内提供液体，当出油口9有稳定液体流出时视为盒体11内充满液体，封闭出油口9，继续向盒体11内提供液体行成围压

8开启电液伺服刚性试验机，通过加载轴5对试样1加压，以完成试样1的在围压作用下的劈裂试验

9测试岩石断裂韧度的计算公式如下：

$K_I=\frac{P\sqrt{\mathrm{\α}}}{\mathrm{RB}\sqrt{\mathrm{\π}}}{N}_I$

$K_{\mathrm{II}}=\frac{P\sqrt{\mathrm{\α}}}{\mathrm{RB}\sqrt{\mathrm{\π}}}{N}_{\mathrm{II}}$

N_I二1-4(sinβ)²+4(sinβ)2[¹-4(cosβ)²](a/R)²

N_II={2+[8(cosβ)²-5](a/R)²}sin2β

式中：K_Ⅰ为张开型应力强度因子，K_Ⅱ为剪切型应力强度因子，R为试样半径，B为试样厚度，P为试样临界破坏时的荷载，2a为预制裂纹长度，β为裂纹方向与加载方向夹角，N_Ⅰ和N_Ⅱ为无因次应力强度因子，是a/R及倾斜角β的函数（a/R≦0.3）。

在纯剪切状态平面,无因次应力强度因子N_Ⅰ为零,即式(3)等于零。若给定a/R,可计算出发生纯剪切状态时预制裂缝与加载方向的夹角β,通过实验得到的试样破坏压力数据,计算出Ⅱ型应力强度因子K_Ⅱ,即岩石Ⅱ型断裂韧性K_ⅡC。同样,对于Ⅰ型断裂韧性,可以使Ⅱ型无因次应力强度因子N_Ⅱ和K_Ⅱ等于零,即式(4)等于零,计算出预制裂缝与加载方向需要的夹角β,通过实验得到的岩样破裂压力,计算出Ⅰ型应力强度因子,即Ⅰ型断裂韧性K_ⅠC。

Claims (3)

1.一种测试岩石断裂韧度的试验装置，装置包括盒体（11）、加载轴（5）及垫条（2），其特征在于：在所述盒体（11）两侧壁上对称设置有同轴圆孔，弹簧定位装置（3）分别置于同轴圆孔中，加载轴（5）的外壁上设置有套环（14），上盖（6）套装在加载轴（5）上和盒体（11）螺栓连接，顶盖（12）套装在加载轴（5）上和上盖（6）螺栓连接，顶盖（12）和上盖（6）之间设置有油腔（13），套环（14）位于油腔（13）中，盒体（11）下端设置有进油口（7），上盖（6）中设有输油管路（10），输油管路（10）连通油腔（13）与盒体（11）内腔，油腔（13）进油口位于套环（14）的上方，上盖（6）中设有连通油腔（13）的排气孔（8），排气孔（8）位于套环（14）的下方，出油口（9）设置于上盖（6）内连通油腔（12）和外部管路，且位于油腔（13）进油口上方靠近油腔（12）顶部。

2.如权利要求1所述的一种测试岩石断裂韧度的试验装置，其特征在于：所述盒体（11）底面中央设置有凹槽，垫条（2）活动置于凹槽内，凹槽中心线与同轴圆孔的圆心连线垂直。

3.如权利要求1所述的一种测试岩石断裂韧度的试验装置，其特征在于：顶盖（12）与上盖（6）接触面上设有密封圈，加载轴（5）与顶盖（12）及上盖（6）接触面上设有密封圈，上盖（6）与盒体（11）内壁接触处设有密封圈，套环（14）与油腔（13）的接触面上设有密封圈，弹簧定位装置（3）与盒体（11）同轴圆孔之间设置有密封圈。

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