CN103674707A - 一种进行岩石直接拉伸强度及变形测量的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种利用人工切缝进行岩石直接拉伸强度及变形测量的系统和方法，系统包括试验加载设备、岩石试样，金属套帽、柔性连接机构，拉伸载荷传感器；岩石试样为呈圆柱形，其中间部位的两侧对称切割有两条切缝，切缝方向为试样的径向方向；岩石试样两端分别设置有上、下两个金属套帽，其中，上金属套帽依次通过拉伸载荷传感器和柔性连接机构连接进试验加载设备的上夹具夹口，下金属套帽通过柔性连接机构连接试验加载设备7的下夹具夹口。本技术方案解决了直接拉伸试验中岩石试样易产生弯曲或扭转应力的缺陷，同时避免破坏时岩石试样受端部应力集中效应而非产生拉伸破坏的情况，能够精确有效地量测出岩石拉伸强度及拉伸过程中的轴向及径向变形。

Description

一种进行岩石直接拉伸强度及变形测量的系统及方法

技术领域

本发明涉及固体材料的测量和测试领域，特别涉及一种利用人工切缝进行岩石直接拉伸强度及变形测量的系统及方法。

背景技术

岩石抗拉强度是指岩石在单轴拉伸载荷作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度（Tensile strength），简称抗拉强度。

目前，测量岩石抗拉强度的实验方法主要有间接拉伸法和直接拉伸法两种。间接拉伸法主要是采用巴西劈裂的方法，采用圆盘形试件（高径比1：2），在试样的直径方向上，施加载荷，使之沿试样直径方向发生破坏。直接拉伸法是采用圆柱形试样（高径比大于2：1），在试样的两端通过粘接或是夹持的方式连接到拉伸试验机中，然后在试样的两端施加拉伸载荷，使之产生拉伸破坏。但国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会推荐的《岩石力学试验建议方法》，中华人民共和国行业标准《水利水电工程岩石试验规程（SL264-2001）》及中华人民共和国国家标准《工程岩体试验方法标准（GB/T50266-99）》等规范中，对于岩石抗拉强度试验都推荐使用间接拉伸法（巴西劈裂法）进行试验。主要原因在于，采用直接拉伸的方式进行试验需要满足以下条件：

1、符合精度要求且具备有夹持功能的拉力（或万能）试验机。

2、岩石试样需采用合适的圆筒状金属套帽将试样两端和金属套帽粘接在一体，且粘接后两端不平整度允许偏差±0.05mm。

3、粘接试样所使用的粘结剂要有足够的强度，其强度要大于岩石的抗拉强度。

4、粘接后的岩石试样连接进入试验机上下夹具，并保证拉伸试验过程中所施加的载荷需严格通过试件的轴心线，不得产生弯曲或扭转应力。

上述条件在实际操作中存在有以下一些问题：首先试样在和金属套帽粘接过程中采用人工进行，平行度很难把握，如果平行度达不到要求，在试验过程中易产生弯矩；其次试样所采用的粘接剂强度一定要大于岩石的抗拉强度，否则在试验过程中会沿粘贴处发生破坏而非岩石拉伸破坏；另外岩石试样粘接后，在端部易产生应力集中效应；最后试验机夹持粘接后的岩石试样后，大多数情况下都会产生弯曲或扭转应力，导致试验失败。

美国MTS工业公司生产的815型岩石力学试验系统其中包含了一套岩石直接拉伸系统，该系统设计与制造参考了国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会《岩石力学试验建议方法》中岩石拉伸试验。该系统中，拉伸部件采用了链条式柔性连接方式，这种方式可以使拉伸载荷严格通过试件的轴心线而不产生弯曲或扭转应力；同时该系统采用了高强度粘接剂粘接岩石试样，粘接剂的强度大于岩石的抗拉强度。该套系统在试验过程中，试样端部与金属帽粘接处会产生端部效应，在端部产生应力集中点，试样往往会沿着粘接处断裂。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术缺陷之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种利用人工切缝进行岩石直接拉伸强度及变形测量的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括试验加载设备7、岩石试样4，金属套帽3、柔性连接机构1，拉伸载荷传感器2；

其中，所述试验加载设备7上具有上下两个夹具5；

所述岩石试样4为呈圆柱形，所述岩石试件4的中间部位的两侧对称切割有两条切缝8，切缝方向为圆柱形岩石试样的径向方向；

岩石试样4两端分别设置有上、下两个所述金属套帽3，其中，上金属套帽依次通过所述拉伸载荷传感器2和柔性连接机构1连接进试验加载设备7的上夹具夹口中，下金属套帽通过柔性连接机构1连接进试验加载设备7的下夹具夹口中。

优选地，岩石试样直径D为50-54mm，高径比2.5～3。

优选地，所述切缝8的宽度W为1-2mm左右，切缝处最大深度d为岩石试样直径D的10%。

优选地，所述切缝8为直缝。

优选地，所述岩石试样上设置有应变片组6。

优选地，所述应变片组6包括一组对称的轴向应变片601及一组对称的径向应变片602，其中应变片组6中的各个应变片与各切缝8之间的角度为90°。

优选地，套帽3与岩石试件4之间采用环氧树脂粘结。

优选地，上述应变片6及拉伸载荷传感器2连入数据采集仪中。

本发明另一目的在于提出一种利用人工切缝进行岩石直接拉伸强度及变形测量的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

步骤一、在圆柱形待测岩石试样4中间部位的两侧对称切割两条切缝8；同时在岩石试样4中间部位的两侧粘贴应变片组6；

步骤二、在岩石试样4两端分别安装上、下两个圆筒状金属套帽3，并通过粘结剂粘接在一起；

步骤三、将上金属套帽则依次通过拉伸载荷传感器2和柔性连接机构1连接进试验加载设备7的上夹具夹口中，下金属套帽通过柔性连接机构1连接进试验加载设备7的下夹具夹口中；

步骤四、将应变片组及拉伸载荷传感器连入数据采集仪中；

步骤五、利用试验加载设备7对岩石试样进行拉伸,直至岩石试样拉伸破坏。

优选地，步骤五中的拉伸速度为每秒0.1-0.3MPa。

本发明的技术方案中岩石试样两端采用金属帽粘接，粘接后的岩石试样采用柔性连接的方式连接入拉力试验机；在岩石试样中部对称切割直缝（直缝采用高速岩石切缝机切割，宽度1-2mm左右，最大深度为试样直径的10%），该直缝的存在使得岩石在拉伸过程中在切缝的尖端产生应力集中效应，根据Griffith能量平衡理论，将切缝看作为裂纹，当试样周围受均布拉应力时，在裂纹尖端会产生应力集中效应，而在裂纹远端均匀分布拉应力），使得岩石将沿着这两个裂纹的平面发生拉伸破裂。通过数值模拟计算，可以得出岩石试样在存在裂缝的条件下，受均布拉应力后，其应力分布云图符合Griffith能量平衡理论，在裂纹尖端会产生应力集中效应，而在裂纹远端均匀分布拉应力，受此均匀分布的拉应力岩石试样将发生拉伸破坏。同时在岩石试样中部对称粘贴一组轴向应变片和径向应变片，可以精确测量岩石拉伸过程中的变形数据。

本发明与现有的试验方法相比积极效果：

（1）解决了直接拉伸试验中岩石试样易产生弯曲或扭转应力导致试验失败；

（2）解决了破坏时岩石试样受端部应力集中效应而非产生拉伸破坏的情况；

（3）精确有效地量测出岩石拉伸过程中的轴向及径向变形。

附图说明

图1利用人工切缝进行岩石直接拉伸及变形测量的测量系统结构示意图。

图2金属套帽与岩石试样的连接示意图。

图3岩石试样结构示意图。

图4数值模拟岩石试样图。

图5数值模拟岩石试样受拉应力分布云图。

图6大理岩直接拉伸试验变形曲线。

具体实施方式

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的技术效果。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面参考说明书附图描述根据本发明的利用人工切缝进行岩石直接拉伸及变形测量的测量系统。

如图1所示，本发明利用人工切缝进行岩石直接拉伸及变形测量的测量系统结构包括：试验加载设备7、岩石试样4，金属套帽3、柔性连接机构1，拉伸载荷传感器2，应变片6。

试验加载设备7，本发明采用具备拉伸功能的万能试验机，试验加载设备7上具有上下两个夹具5。

岩石试样4为待测岩石，呈圆柱形， 直径D为50-54mm，高径比（即试样高度与直径D的比值）2.5～3，其两端不平整度允许偏差±0.05mm。岩石试样4两端分别设置有上、下两个圆筒状金属套帽3，并与试样两端粘接在一起。

为了避免在直接拉伸的测量过程中，断裂破坏发生在试件与金属套帽连接的部位，在岩石试件4的中间部位的两侧对称切割有两条切缝8，切缝方向为圆柱形岩石试样的径向方向，即与圆柱形岩石上下两底面平行，切缝8的宽度W为1-2mm左右，切缝处深度最大值d为试样直径D的10%左右，该切缝可为直缝，可以由高速切割机在岩石试样中部对称切割而成。切缝的切面面积于试件破坏后测量。

如图2所示，岩石试样4两端的金属套帽3内径略大于岩石试件直径，每个金属套帽3内一端32内凹，用于嵌套入岩石试样的一端，另一端31为帽冠呈“凸”字形，“凸”字形帽冠内开孔以备与拉伸载荷传感器2或柔性连接机构1连接之用。其中，柔性连接机构1可以为柔性绳。

上金属套帽依次通过拉伸载荷传感器2和柔性连接机构1连接进试验加载设备7的上夹具夹口中，下金属套帽则通过柔性连接机构1连接进试验加载设备7的下夹具夹口中，由上至下形成上夹具5—柔性连接机构1—拉伸载荷传感器2—金属套帽3—岩石试件4—金属套帽3—柔性连接机构1—下夹具5的整体连接结构。其中，拉伸载荷传感器2与上部的金属套帽3配套设计，拉伸载荷传感器2下端与金属套帽3连接（通过销钉连接，可以自由旋转180度），拉伸载荷传感器2上端通过柔性连接机构1连接进试验机的上夹具中（试验机夹具直接夹持）。

为了在测量岩石抗拉强度的同时监测其应变状况，在岩石试样中部的两侧还设置有应变片组6，所述应变片组6包括一组对称的轴向应变片601及一组对称的径向应变片602，应变片组6中的各个应变片与各切缝8之间的角度同为90°左右。例如，当对称的切缝8分别位于岩石试样横切面的0°和180°角位置时，一个轴向应变片和一个径向应变片位于该横切面的90°角位置，另一个轴向应变片和另一个径向应变片则位于该横切面的270°角位置。

上述应变片6及拉伸载荷传感器2连入数据采集器中，用于记录拉伸过程中的应力及应变数据。

利用上述测量系统进行测量的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、在圆柱形待测岩石试样4中间部位的两侧对称切割两条切缝8；同时在岩石试样4中间部位的两侧安装应变片组6。

本实例选用的岩石试样4直径D为50mm，高径比2.8，其中切缝方向8为圆柱形待测岩石试样4的径向方向，切缝8的宽度W为2mm，深度最大值d为5mm，切缝为弧形缝时，弧形缝所在圆的直径为250mm，两条切缝8的切面面积总和ΔS可以在试件破坏后测量。

所述应变片组6包括一组对称的轴向应变片601及一组对称的径向应变片602，应变片组6中的各个应变片与各切缝8之间的角度为90°。

步骤二、在岩石试样4两端分别安装上、下两个圆筒状金属套帽3，并通过粘结剂粘接在一起。

所述金属套帽3内径略大于岩石试件直径，其一端32内凹，另一端31帽冠呈“凸”字形，“凸”内开孔以备钢丝绳1连接之用，套帽3与岩石试件4之间采用环氧树脂作为粘结剂。

步骤三、将上金属套帽则依次通过拉伸载荷传感器2和钢丝绳1连接进试验加载设备7的上夹具夹口中，下金属套帽通过钢丝绳1连接进试验加载设备7的下夹具夹口中，形成上夹具5—钢丝绳1—拉伸载荷传感器2—金属套帽3—岩石试件4—金属套帽3—钢丝绳1—下夹具5的整体连接结构。

其中拉伸载荷传感器2与上金属套帽通过销钉连接，两者之间可以自由旋转180度，拉伸载荷传感器2上端通过钢丝绳1柔性连接进试验机的上夹具中（试验机夹具直接夹持）。

步骤四、将应变片组6及拉伸载荷传感器2连入数据采集仪中，以便记录拉伸过程中的应力及应变数据。

步骤五、以每秒0.1-0.3MPa的速度进行拉伸,直至岩石试样拉伸破坏。

在计算岩石的抗拉强度R_t可以通过R_t=P/S-ΔS计算，其中，P为岩石试样破坏时拉伸载荷传感器的测量数值，即最大轴向拉伸载荷，S为岩石试样的横截面积，ΔS为两条切缝8的切面面积总和。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种利用人工切缝进行岩石直接拉伸强度及变形测量的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括试验加载设备（7）、岩石试样（4），金属套帽（3）、柔性连接机构（1），拉伸载荷传感器（2）；

其中，所述试验加载设备（7）上具有上下两个夹具（5）；

所述岩石试样（4）为呈圆柱形，所述岩石试件（4）的中间部位的两侧对称切割有两条切缝（8），切缝方向为圆柱形岩石试样的径向方向；

岩石试样（4）两端分别设置有上、下两个所述金属套帽（3），其中，上金属套帽依次通过所述拉伸载荷传感器（2）和柔性连接机构（1）连接进试验加载设备（7）的上夹具夹口中，下金属套帽通过柔性连接机构（1）连接进试验加载设备（7）的下夹具夹口中。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，岩石试样直径D为50-54mm，高径比2.5～3。

3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述切缝（8）的宽度W为1-2mm左右，切缝最大深度d为岩石试样直径d的10%。

4.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述切缝（8）为直缝。

5.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述岩石试样上设置有应变片组（6）。

6.如权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述应变片组6包括一组对称的轴向应变片（601）及一组对称的径向应变片（602），其中应变片组（6）中的各个应变片与各切缝（8）之间的角度为90°。

7.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，套帽（3）与岩石试件（4）之间采用环氧树脂粘结。

8.如权利要求5或6所述的测量系统，其特征在于，上述应变片组（6）及拉伸载荷传感器（2）连入数据采集仪中。

9.一种利用人工切缝进行岩石直接拉伸强度及变形测量的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

步骤一、在圆柱形待测岩石试样（4）中间部位的两侧对称切割两条切缝（8）；同时在岩石试样（4）中间部位的两侧粘贴应变片组（6）；

步骤二、在岩石试样（4）两端分别安装上、下两个圆筒状金属套帽（3），并通过粘结剂粘接在一起；

步骤三、将上金属套帽则依次通过拉伸载荷传感器（2）和柔性连接机构（1）连接进试验加载设备（7）的上夹具夹口中，下金属套帽通过柔性连接机构（1）连接进试验加载设备（7）的下夹具夹口中；

步骤四、将应变片组（6）及拉伸载荷传感器（2）连入数据采集仪中；

步骤五、利用试验加载设备（7）对岩石试样进行拉伸,直至岩石试样拉伸破坏。

10.一种如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，步骤五中的拉伸速度为每秒0.1-0.3MPa。

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