CN103604702B - 一种测试岩石断裂韧度的试验装置 - Google Patents
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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
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13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:
NI=1-4(siβ)2+4(sinβ)2[1-4(cosβ)2](a/R)2
NII={2+[8(cosβ)2-5](a/R)2}sin2β
式中:KⅠ为张开型应力强度因子,KⅡ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,NⅠ和NⅡ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NⅠ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KⅡ,即岩石Ⅱ型断裂韧性KⅡC。同样,对于Ⅰ型断裂韧性,可以使Ⅱ型无因次应力强度因子NⅡ和KⅡ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KⅠC。
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(13)和外部管路,且位于油腔(13)进油口上方靠近油腔(13)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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