CN103900902A

CN103900902A - 一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置

Info

Publication number: CN103900902A
Application number: CN201410154305.8A
Authority: CN
Inventors: 刘俊新; 刘育田; 樊晓一
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明公开了一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置，环空柱形侧限压缩室由两个形状相同的半圆柱壳体构成，两个半圆柱壳体边缘设有螺孔，螺钉穿过螺孔将由两个半圆柱壳体固定，构成空心圆柱体，环空柱形侧限压缩室上下开口，上部的开口设置有T型承压板，T型承压板设有圆柱形凸起伸入环空柱形侧限压缩室内部，环空柱形侧限压缩室下部置于T型承压底座的T型口内，环空柱形侧限压缩室的两个半圆柱壳体表面分别安装两片应变片，每一片应变片分别由导线连接外部的电阻式应变仪。本发明的有益效果是提供了一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置，利用该装置可进行岩石试样在环向受限的条件下的单轴压缩试验。

Description

一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置

技术领域

本发明属于岩石力学试验技术领域，涉及一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置。

背景技术

在岩石力学工程实践中，岩石强度与变形特性的试验研究是非常重要的技术支撑。对于岩石单轴压缩试验，常规条件下通常采用侧向不受限制的单轴压缩进行，以获取岩石材料的单轴抗压强度与弹性模量等力学参数。然而，岩石的侧向受限单轴压缩试验在现实条件中较少开展。开展侧向受限单轴压缩试验，可以获取岩石的名义固结应力、脆转延压力以及侧压力系数，为岩石力学工程提供更全面和可靠的理论指导与技术支持。无侧限单轴压缩试验中，一般采用50mm*100mm的标准柱形试样展开试验。在常规试验机上，将试样放在试验台上，安装好轴向与侧向应变仪，设置好试验参数后可开始试验。试验机压缩试样，控制试验机的计算机记录下岩石试样中的应力与应变，自动绘制应力-应变曲线。实验结束后通过对试验曲线的分析，获取岩石试样的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比。但是无侧向限制的单轴压缩试验无法获取岩石的名义固结应力、脆转延压力以及侧压力系数。

我国的岩石力学试验相关标准及规程中，均推荐采用单轴抗压强度试验与单轴压缩变形试验测定岩石的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比，如《工程岩体试验方法标准GB/T50266-99》、《水利水电工程岩石试验规程SL264-2001》与《公路工程岩石试验规程JTGE41-2005》。上述文献中规定的操作方法为：将符合标准的试样放置于试验机T型承压板中心，调整球形座，使试件两端面接触均匀，安装好轴向与侧向应变仪，然后以每秒0.5～1MPa的速度加荷直至试样破坏；控制试验机的计算机将会自动采集施加的荷载与试验轴向、横向变形的数据和加载过程中出现的现象，通过分析计算机记录数据，可以计算出岩石的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比。上述标准给出了无侧限条件下岩石的单轴抗压强度等力学参数的测量方法，但没有给出有侧限条件下岩石单轴压缩试验的方法。如何测量和计算有侧向约束条件下岩石的名义固结应力、脆转延压力以及侧压力系数，是上述标准并未解决的问题。

针对这一问题，国内相关文献中给出了几种土体侧限压缩条件下的力学试验。《侧限压缩条件下土体的侧应力松弛试验研究》（田管凤，汤连生，《岩土力学》，2012年）一文中针对粉质粘土利用常规固结仪开展了室内侧限流变试验，研究了粉质粘土的应力松弛规律和机制；《侧限条件下膨胀土膨胀变形试验研究》（韦秉旭，公路交通科技，2007）一文中针对膨胀土展开了侧限条件下的膨胀土膨胀变形试验，研究了膨胀土在侧限条件下的膨胀特性；《膏溶角砾岩侧限膨胀特性试验研究》（彭结兵等，工程地质学报，2008）一文针对角砾岩开展了侧限膨胀特性试验，研究了膏溶角砾岩的侧限膨胀特性及其影响因素。上述文献主要针对土或松碎岩体的膨胀或松弛特性而展开了试验研究，对于侧限条件下标准的完整岩石试样单轴压缩试验的研究较少，也缺乏相关的试验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置，解决了目前对于侧限条件下标准的完整岩石试样单轴压缩试验的研究缺乏相关的试验装置的问题。

本发明所采用的技术方案是包括电阻式应变仪、T型承压板、应变片、环空柱形侧限压缩室和倒T型承压底座；环空柱形侧限压缩室由两个形状相同的半圆柱壳体构成，两个半圆柱壳体边缘设有螺孔，螺钉穿过螺孔将由两个半圆柱壳体固定，构成空心圆柱体，环空柱形侧限压缩室上下开口，上部的开口设置有T型承压板，T型承压板设有圆柱形凸起伸入环空柱形侧限压缩室内部，环空柱形侧限压缩室下部置于T型承压底座的T型口内，被T型承压底座固定，T型承压底座上设有圆柱形凸起向上伸入环空柱形侧限压缩室内部，环空柱形侧限压缩室的两个半圆柱壳体表面分别安装两片应变片，每一片应变片分别由导线连接外部的电阻式应变仪。

进一步，环空柱形侧限压缩室壳体内半径25mm、壁厚15mm、高140mm；所述环空柱形侧限压缩室材料为不锈钢。

进一步，T型承压板直径70mm、厚10mm，T型承压板的凸起部分直径49.5mm、厚10mm，T型承压板材料为不锈钢。

进一步，T型承压底座凸起部分直径49.5mm厚35mm，T型承压底座直径120mm，T型承压底座采用的材料为不锈钢。

进一步，电阻式应变仪采用扬州泰司TS3862静态电阻应变仪，所述应变片BF350型电阻式应变片。

本发明的有益效果是提供了一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置，利用该装置可进行岩石试样在环向受限的条件下的单轴压缩试验，获取岩石的名义固结应力、脆转延压力以及侧压力系数。

附图说明

图1是本发明一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置剖面结构示意图；

图2是本发明T型承压板、应变片、环空柱形侧限压缩室和倒T型承压底座的立体示意图。

图中：1.电阻式应变仪，2.T型承压板，3.应变片，4.环空柱形侧限压缩室，5.倒T型承压底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明包括电阻式应变仪1、T型承压板2、应变片3、环空柱形侧限压缩室4和倒T型承压底座5；环空柱形侧限压缩室4由两个形状相同的半圆柱壳体构成，两个半圆柱壳体边缘设有螺孔，螺钉穿过螺孔将由两个半圆柱壳体固定，构成空心圆柱体，环空柱形侧限压缩室4上下开口，上部的开口设置有T型承压板2，T型承压板2设有圆柱形凸起伸入环空柱形侧限压缩室4内部，环空柱形侧限压缩室4下部置于T型承压底座5的T型口内，被T型承压底座5固定，T型承压底座5上设有圆柱形凸起向上伸入环空柱形侧限压缩室4内部，环空柱形侧限压缩室4的两个半圆柱壳体表面分别安装两片应变片3，每一片应变片3分别由导线连接外部的电阻式应变仪1。

本发明装置的结构呈中心对称状，环空柱形侧限压缩室4为两块半圆环形不锈钢沿母线对称拼接而成，拼接处用六枚长40mm、直径10mm的螺丝钉连接固定，确保环空柱形无间隙且不能发生任何侧向变形。侧限压缩室外侧中央分别安装四个电阻应变片3，前后两面安装，拼接的母线两侧的应变片关于拼接母线呈轴对称，应变片3通过导线与电阻式应变仪1相连。环空柱形侧限压缩室4环向安装有四个应变片3，能够监测环向变形。

本装置环空柱形侧限压缩室4优选尺寸及材料为内半径25mm、壁厚15mm、高140mm的半圆环形不锈钢，

T型承压板2尺寸为上部直径70mm、厚10mm，凸起部分直径49.5mm厚10mm的“T”形组合柱体不锈钢；

倒T型承压底座5为上部凸起49.5mm厚35mm，下部直径120mm的倒“T”组合柱体不锈钢。

T型承压板3和倒T型承压底座5用于向岩石试样传递轴向压力，岩石试样放置在T型承压板3下部凸起和倒T型承压底座5上部柱形凸起之间。

将环空柱形侧限压缩室4安置在T型承压底座5上，装入岩石试样，再在环空柱形侧限压缩室4上方安置T型承压板3。将整体放置在试验机的承压平台中心，开启应变仪及试验机，即可开展侧限条件下的岩石单轴压缩试验。

电阻式应变仪1采用扬州泰司TS3862静态电阻应变仪，与四个高精度的BF350型电阻式应变片3连接构成应变记录系统。

本发明的实施对象为圆柱体岩石试件，通过螺丝钉将环空柱形侧限压缩室4连接固定，保证了试样能在环向受限的条件下展开测试。本发明的实验原理是利用电阻应变仪测试记录侧限压缩室外壁的环向应变ε（《材料在准一维应变下被动围压的SHPB试验方法》，施绍裘，王礼立）：

ϵ = \frac{1}{K_{d}} \cdot \frac{R_{g}}{R_{g} + R_{c}} \cdot \frac{Δ U_{g}}{{ΔU}_{c}}

式中K_d为应变片的动态灵敏度系数，R_g为应变片电阻，R_c为超动态应变仪的标定电阻，ΔU_c为标准电压值，ΔU_g为记录脉冲波形采样值。

再按照厚壁圆筒（《弹性理论》，铁摩辛柯,古地尔）弹性理论，可求取圆筒内壁处的压力p₁：

p_{1} = \frac{b^{2} - a^{2}}{2 a^{2}} E_{1} ϵ

式中，b，a，E₁分别为厚壁圆筒的外半径、内半径及不锈钢的杨氏模量，从而可由上式确定试样所受围压p₂=p₁。

本发明的有益效果是：该装置操作安全简便，设计优良精细，使得岩石试样环向位移受到严格限制，确保了很高的试验精度，能够准确获取岩石的名义固结应力、脆转延压力以及侧压力系数。

如图2所示，岩石试样放置于环空柱形侧限压缩室4中央，螺丝钉拧紧将环空柱形侧限压缩室4连接固定。安装在环空柱形侧限压缩室4四周的应变片3用工业涂胶粘贴固定，并通过导线与电阻式应变仪1相连。环空柱形侧限压缩室4采用螺丝钉连接固定，保证了岩石试样环向受限而不发生位移，且使得试验后在不扰动试样破坏形态的条件下方便卸去试样。

使用本发明开展岩石抗拉强度试验的典型试验步骤为：

1）将环空柱形侧限压缩室4放置在倒T型承压底座5上，在环空柱形侧限压缩室4中放入标准柱形岩石试样，再将T型承压板2放置在环空柱形侧限压缩室4上方；

2）环空柱形侧限压缩室4连同上部层压板2和倒T型承压底座5一起放置在试验机承压平台中心，将应变片3与电阻式应变仪1连接，开启试验机控制电脑和电阻式应变仪1，设置好参数即可开始试验；

3）试验机控制电脑自动记录试验荷载与变形曲线，试验完成后，取出环空柱形侧限压缩室4，卸下螺丝钉，取出岩石试样，仿照步骤1、2、3放入新的岩石试样进行侧限条件下的单轴压缩试验，直至完成所有试件的测试工作。

该装置可进行岩石试样在环向受限的条件下的单轴压缩试验，获取岩石的名义固结应力、脆转延压力以及侧压力系数。该装置设计精细，便于试验操作，能准确获取岩石侧限单轴压缩试样的力学参数。本发明采用侧向受限单轴压缩试验方法测定岩石单轴抗压强度试验，适用于确定岩石单轴压缩试验中名义固结应力、脆转延压力与侧压力系数。在侧限单轴压缩试验中，如何保证岩石试样受到足够刚度的装置的环向变形限制，且在试样压坏后能够不破坏试样形态将试样取出，是本发明需要解决的关键技术问题。本发明提供了一种侧限压缩室，使用该压缩室可开展岩石试样侧限条件下的单轴压缩试验，以测定岩石的名义固结应力、脆转延压力和侧压力系数，测量准确，方便安装和卸下试样且不扰动试样破坏形态。

Claims

1.一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置，其特征在于：包括电阻式应变仪（1）、T型承压板（2）、应变片（3）、环空柱形侧限压缩室（4）和倒T型承压底座（5）；环空柱形侧限压缩室（4）由两个形状相同的半圆柱壳体构成，两个半圆柱壳体边缘设有螺孔，螺钉穿过螺孔将由两个半圆柱壳体固定，构成空心圆柱体，环空柱形侧限压缩室（4）上下开口，上部的开口设置有T型承压板（2），T型承压板（2）设有圆柱形凸起伸入环空柱形侧限压缩室（4）内部，环空柱形侧限压缩室（4）下部置于T型承压底座（5）的T型口内，被T型承压底座（5）固定，T型承压底座（5）上设有圆柱形凸起向上伸入环空柱形侧限压缩室（4）内部，环空柱形侧限压缩室（4）的两个半圆柱壳体表面分别安装两片应变片（3），每一片应变片（3）分别由导线连接外部的电阻式应变仪（1）。

2.按照权利要求1所述一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置，其特征在于：所述环空柱形侧限压缩室（4）壳体内半径25mm、壁厚15mm、高140mm；所述环空柱形侧限压缩室（4）材料为不锈钢。

3.按照权利要求1所述一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置，其特征在于：所述T型承压板（2）直径70mm、厚10mm，T型承压板（2）的凸起部分直径49.5mm、厚10mm，T型承压板（2）材料为不锈钢。

4.按照权利要求1所述一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置，其特征在于：所述T型承压底座（5）凸起部分直径49.5mm厚35mm，T型承压底座（5）直径120mm，T型承压底座（5）采用的材料为不锈钢。

5.按照权利要求1所述一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置，其特征在于：所述电阻式应变仪（1）采用扬州泰司TS3862静态电阻应变仪，所述应变片（3）型号为BF350型电阻式应变片。