CN104596850A - 岩石轴向拉伸试验装置及岩石轴向拉伸试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种岩石轴向拉伸试验装置及岩石轴向拉伸试验方法，特别是一种材料力学试验领域的岩石轴向拉伸试验装置及岩石轴向拉伸试验方法。本发明提供一种结构简单，并且既可以保证试件与上下拉头粘接时完全轴向对中，又可以保证在拉伸试验进行过程中有效消除偏心现象的岩石轴向拉伸试验装置，包括立柱、上定位套、下定位套、上拉头、下拉头、试件夹紧套和底板，还包括夹紧件，所述夹紧件包括内侧面和外侧面，所述内侧面为圆柱形，所述外侧面为锥面，所述夹紧套上设置有与夹紧件外侧面匹配的锥面，所述夹紧件位于夹紧套的锥面中。本发明的岩石拉伸试验装置，解决了岩石试件受拉时的偏心问题。使得在夹紧岩石试件的过程中实现岩石试件对中。

Description

岩石轴向拉伸试验装置及岩石轴向拉伸试验方法

技术领域

本发明涉及一种岩石轴向拉伸试验装置及岩石轴向拉伸试验方法，特别是一种材料力学试验领域的岩石轴向拉伸试验装置及岩石轴向拉伸试验方法。

背景技术

岩石在大多数情况下承受压应力而较少承受拉应力。因此，压缩和剪切应力状态受到重视，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。但是目前工程岩体中的应力状态常常很复杂，有些区域处于压应力状态，但有些区域则处于拉应力或拉剪应力状态。

岩石类材料最显著的特点就是抗拉强度远小于抗压强度，岩体的破坏常常从拉应力区或拉剪应力区开始，出现拉破坏或拉剪破坏。因此，研究拉应力作用下特别是单轴直接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。

目前，岩石的抗拉强度通常采用劈裂法(巴西法)抗拉强度试验获得，但是劈裂法试验时，岩石试样的应力状态很复杂，与单轴拉伸时的应力状态相去甚远，导致测得的抗拉强度与真实值有较大差距，不能真实反映岩石的力学性质，且无法获得岩石的拉应力～应变曲线。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～应变曲线等；对于高强度岩石(抗拉强度超过10MPa)的直接拉伸试验更是无法开展。

目前国内关于岩石直接拉伸试验的试验装置及试验方法的研究现状如下：

(1)《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。

(2)《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，二是用粘胶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，试验过程中无法避免岩石试件偏心受拉。

(3)《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的试验方法，自行设计了拉-压转换器，用504高级万能粘胶将试件粘接在拉块上，岩石试件使用磨光机加工，仍然不能完全消除偏心的影响。

(4)《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，该装置采用粘胶将试件与上下拉头粘接，无法消除偏心的影响。

综上所述，现有技术中还没有一种结构简单，并且既可以保证试件与上下拉头粘接时完全轴向对中，又可以保证在拉伸试验进行过程中有效消除偏心现象，进而提高试验精度的岩石轴向拉伸试验装置及岩石轴向拉伸试验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题提供一种结构简单，并且既可以保证试件与上下拉头粘接时完全轴向对中，又可以保证在拉伸试验进行过程中有效消除偏心现象，进而提高试验精度的岩石轴向拉伸试验装置。

为解决上述技术问题所采用的岩石轴向拉伸试验装置，包括立柱、上定位套、下定位套、上拉头、下拉头、试件夹紧套和底板，所述立柱固定安装在底板上，所述上定位套与立柱连接，并且上定位套可沿立柱的轴向移动，所述下定位套与立柱连接，并且下定位套可沿立柱的轴向移动，所述试件夹紧套与立柱连接，并且试件夹紧套可沿立柱的轴向移动，所述上拉头与上定位套连接，所述下拉头与下定位套连接，还包括夹紧件，所述夹紧件包括内侧面和外侧面，所述内侧面为圆柱形，所述外侧面为锥面，所述夹紧套上设置有与夹紧件外侧面匹配的锥面，所述夹紧件位于夹紧套的锥面中。

进一步的是，所述夹紧件为分体结构。

进一步的是，还包括拉伸定位装置，所述拉伸定位装置包括上连接座和下连接座，所述上连接座与上拉头为球铰连接，所述下连接座与下拉头为球铰连接。

进一步的是，所述拉伸定位装置还包括上球窝座、上球铰，所述上球铰位于上球窝座内，所述上球铰上设置有上连杆，所述上连杆与上拉头连接，所述上连杆可以相对上连接座转动；还包括下球窝座、下球铰，所述下球铰位于下球窝座内，所述下球铰上设置有下连杆，所述下连杆与下拉头连接，所述下连杆可以相对下连接座转动。

进一步的是，还包括两组T型槽结构，每组T型槽结构包括槽体和T型滑块，所述槽体上设置有T型槽，所述上拉头和上连杆分别与一组T型槽结构的槽体和T型滑块连接，所述下拉头和下连杆分别与另一组T型槽结构的槽体和T型滑块连接。

进一步的是，所述上连杆和下连杆上还设置有锁紧螺母。

进一步的是，还包括旋转手轮，所述旋转手轮的上端安装在上定位套上，下端与夹紧套螺纹连接。

进一步的是，所述上拉头与上定位套螺纹连接，上拉头的上端还是设置有上微调旋钮；所述下拉头与下定位套螺纹连接，下拉头的下端还是设置有下微调旋钮。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种操作简单，并且既可以保证试件与上下拉头粘接时完全轴向对中，又可以保证在拉伸试验进行过程中有效消除偏心现象，进而提高试验精度的岩石轴向拉伸试验方法。

为解决上述技术问题所采用的岩石轴向拉伸试验方法，包括以下几个步骤：

a、准备好如权利要求1所述的岩石轴向拉伸试验装置；

b、将岩石试件连同夹紧件一起放入夹紧套的锥面中，然后使夹紧套相对夹紧件向下移动，将岩石试件夹紧；

c、在上拉头和下拉头上涂抹粘接剂，然后将上拉头和下拉头分别与岩石试件粘接在一起；

d、待粘接剂初凝后，松开夹紧件，并取出与上拉头和下拉头粘接在一起的岩石试件；

e、待粘接剂完全凝结后，将上拉头和下拉头粘接在一起的岩石试件安装在万能试验机上进行拉伸试验。

进一步的是，在b步骤中，采用分体结构形式的夹紧件。

本发明的有益效果是：采用本发明的岩石拉伸试验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，如巴西法等，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。由于拉伸定位装置设置了球铰的连接方式，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。由于夹紧套与夹紧件采用了锥面配合的方式，使得在夹紧岩石试件的过程中实现岩石试件对中。又由于夹紧件采用了分体结构，使得即使岩石试件形状不规则的情况下也能实现准确对中解决了岩石试件粘接偏心的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明拉伸定位装置的结构示意图；

图中零部件、部位及编号：立柱1、上定位套2、下定位套3、上拉头4、下拉头5、试件夹紧套6、底板7、岩石试件8、上连接座9、下连接座10、上连杆11、下连杆12、槽体13、T型滑块14、旋转手轮15、上微调旋钮16、下微调旋钮17、夹紧旋钮18、夹紧件托板19、试件托板20、夹紧卡位套21、上球窝座22、下球窝座23。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1及图2所示，本发明所采用的岩石轴向拉伸试验装置，包括立柱1、上定位套2、下定位套3、上拉头4、下拉头5、试件夹紧套6和底板7，所述立柱1固定安装在底板7上，所述上定位套2与立柱1连接，并且上定位套2可沿立柱1的轴向移动，所述下定位套3与立柱1连接，并且下定位套3可沿立柱1的轴向移动，所述试件夹紧套6与立柱1连接，并且试件夹紧套6可沿立柱1的轴向移动，所述上拉头4与上定位套2连接，所述下拉头5与下定位套3连接，还包括夹紧件，所述夹紧件包括内侧面和外侧面，所述内侧面为圆柱形，所述外侧面为锥面，所述夹紧套上设置有与夹紧件外侧面匹配的锥面，所述夹紧件位于夹紧套的锥面中。夹紧件的内侧面在夹紧时与岩石试件8接触，外侧面与夹紧套的锥面配合，夹紧套向下移动过程中将岩石与夹紧件一起夹紧，夹紧时在夹紧套与夹紧件锥面配合的作用下现岩石试件8自动对中，这样就防止了岩石试件8相对夹紧套产生偏心的现象。还可以在夹紧件的下方设置夹紧件托板19和试件托板20，夹紧件托板19固定安装在立柱1上用来在岩石试件8被夹紧前托住夹紧件。试件托板20用来在夹紧前托住岩石试件8，岩石试件8托板放置在立柱1上的固定槽位上，并可以自由取下。立柱1上可以设置键槽，以约束上定位套2以及下定位套3沿立柱1上下移动。还可以在夹紧件的上方设置夹紧卡位套21，以辅助定位夹紧件的位置。为了方便固定上定位套2和下定位套3的位置，在上定位套2和下定位套3上还设置有夹紧旋钮18。

所述夹紧件为分体结构。由于岩石试件8形状有可能不是规则的圆柱形，因此夹紧件采用分体结构，使夹紧件由多个互不相连的分体部分组成，这样在夹紧过程中分体部分可以自动调整位置，使不规则的岩石试件8在夹紧过程中逐渐对中。因此即使岩石试件8不是标准直径的试件，也能保证岩石试件8的中心线与上拉头4和下拉头5的中心线重合，从而消除粘接试件引起的偏心。采用前述结构可省去对岩石试件8的精加工，简化了拉伸试验的程序，减少了试验的准备时间，降低了试验成本，并且可以显著提高试验的精度。具体实施时夹紧件可以采用三片式的分体结构。

还包括拉伸定位装置，所述拉伸定位装置包括上连接座9和下连接座10，所述上连接座9与上拉头4为球铰连接，所述下连接座10与下拉头5为球铰连接。由于采用前述的拉伸定位装置，如果进行拉伸试验过程中产生了拉力偏心的趋势时，上拉头4和下拉头5会分别自动相对上连接座9和下连接座10转动，调整岩石试件8的角度，以消除偏心的现象。

所述拉伸定位装置还包括上球窝座22、上球铰，所述上球铰位于上球窝座22内，所述上球铰上设置有上连杆11，所述上连杆11与上拉头4连接，所述上连杆11可以相对上连接座9转动；还包括下球窝座23、下球铰，所述下球铰位于下球窝座23内，所述下球铰上设置有下连杆12，所述下连杆12与下拉头5连接，所述下连杆12可以相对下连接座10转动。前述结构可以实现上拉头4和下拉头5会分别自动相对上连接座9和下连接座10转动。

还包括两组T型槽结构，每组T型槽结构包括槽体13和T型滑块14，所述槽体13上设置有T型槽，所述上拉头4和上连杆11分别与一组T型槽结构的槽体13和T型滑块14连接，所述下拉头5和下连杆12分别与另一组T型槽结构的槽体13和T型滑块14连接。上拉头4和下拉头5通过T型槽结构实现了与上球窝座22与下球窝座23的可拆卸连接。T型槽可以带有一定的弧度，既保证了T型滑槽与T型滑块紧密配合，又避免了直角在反复装卸和受力过程中产生的变形导至配合失效。

所述上连杆11和下连杆12上还设置有锁紧螺母。锁紧螺母锁紧时上连杆11和下连杆12可以固定不动，此时可以直接模拟实际情况。锁紧螺母锁松开时上连杆11和下连杆12可以转动，此时可以消除岩石试件8受拉时的偏心。

还包括旋转手轮15，所述旋转手轮15的上端安装在上定位套2上，下端与夹紧套螺纹连接。转动手轮能够驱动试件夹紧套6沿立柱1上下移动。

所述上拉头4与上定位套2螺纹连接，上拉头4的上端还是设置有上微调旋钮16；所述下拉头5与下定位套3螺纹连接，下拉头5的下端还是设置有下微调旋钮17。转动上微调旋钮16或者下微调旋钮17可以控制粘接剂的厚度。

如图1所示，本发明所采用的岩石轴向拉伸试验方法，包括以下几个步骤：

a、准备好如权利要求1所述的岩石轴向拉伸试验装置；

b、将岩石试件8连同夹紧件一起放入夹紧套的锥面中，然后使夹紧套相对夹紧件向下移动，将岩石试件8夹紧；

c、在上拉头4和下拉头5上涂抹粘接剂，然后将上拉头4和下拉头5分别与岩石试件8粘接在一起；

d、待粘接剂初凝后，松开夹紧件，并取出与上拉头4和下拉头5粘接在一起的岩石试件8；

e、待粘接剂完全凝结后，将上拉头4和下拉头5粘接在一起的岩石试件8安装在万能试验机上进行拉伸试验。夹紧件的内侧面在夹紧时与岩石试件8接触，外侧面与夹紧套的锥面配合，夹紧套向下移动过程中将岩石与夹紧件一起夹紧，夹紧时在夹紧套与夹紧件锥面配合的作用下现岩石试件8自动对中，这样就防止了岩石试件8相对夹紧套产生偏心的现象。

在b步骤中，采用分体结构形式的夹紧件。由于岩石试件8形状有可能不是规则的圆柱形，因此夹紧件采用分体结构，使夹紧件由多个互不相连的分体部分组成，这样在夹紧过程中分体部分可以自动调整位置，使不规则的岩石试件8在夹紧过程中逐渐对中。因此即使岩石试件8不是标准直径的试件，也能保证岩石试件8的中心线与上拉头4和下拉头5的中心线重合，从而消除粘接试件引起的偏心。采用前述结构可省去对岩石试件8的精加工，简化了拉伸试验的程序，减少了试验的准备时间，降低了试验成本，并且可以显著提高试验的精度。

详细的岩石拉伸试验步骤如下：

一、将岩石试件8连同夹紧件放入试件夹紧套6中，岩石试件8下端用试件托板20托住；

二、将夹紧套和上定位套2放下并用力压实，夹紧岩石试件8，固定上定位套2，取下试件托板20；

三、通过上定位套2、下定位套3、上微调旋钮16、下微调旋钮17调整拉头与试件的位置，并使用高强度粘胶将试件与拉头粘接；

四、在上拉头4和下拉头5上涂抹粘接剂，转动上微调旋钮16控制粘接剂的厚度，将多余的粘接剂挤出；

五、待粘接剂初凝后，将夹紧卡位套21放在夹紧件与上定位套2之间，固定上定位套2，转动旋转手轮15，将夹紧件松开，取出端部粘接有上拉头4和下拉头5的试件，继续粘接下一个试件；

六、待粘接剂完全凝结后，将粘接试件的上拉头4和下拉头5与T型滑块14相连；

七、将连接有T型滑槽的上连接座9和下连接座10安装在万能试验机的上，调整试验机的拉伸空间；

八、将连接岩石试件8的T型滑块14滑入T型滑槽内，拉伸试验时先施加预紧力，然后采用应变或应力控制方式，以0.5mm/min～0.1mm/min或0.5MPa/min～0.1MPa/min的速率进行轴向拉伸试验，连续加载直至试件被轴向拉伸破坏；

九、通过拉伸传感器测取岩石试件8的抗拉强度、极限拉应变、拉应力～拉应变曲线。

Claims (10)

1.岩石轴向拉伸试验装置，包括立柱(1)、上定位套(2)、下定位套(3)、上拉头(4)、下拉头(5)、试件夹紧套(6)和底板(7)，所述立柱(1)固定安装在底板(7)上，所述上定位套(2)与立柱(1)连接，并且上定位套(2)可沿立柱(1)的轴向移动，所述下定位套(3)与立柱(1)连接，并且下定位套(3)可沿立柱(1)的轴向移动，所述试件夹紧套(6)与立柱(1)连接，并且试件夹紧套(6)可沿立柱(1)的轴向移动，所述上拉头(4)与上定位套(2)连接，所述下拉头(5)与下定位套(3)连接，其特征在于：还包括夹紧件，所述夹紧件包括内侧面和外侧面，所述内侧面为圆柱形，所述外侧面为锥面，所述夹紧套上设置有与夹紧件外侧面匹配的锥面，所述夹紧件位于夹紧套的锥面中。

2.如权利要求1所述的岩石轴向拉伸试验装置，其特征在于：所述夹紧件为分体结构。

3.如权利要求1所述的岩石轴向拉伸试验装置，其特征在于：还包括拉伸定位装置，所述拉伸定位装置包括上连接座(9)和下连接座(10)，所述上连接座(9)与上拉头(4)为球铰连接，所述下连接座(10)与下拉头(5)为球铰连接。

4.如权利要求3所述的岩石轴向拉伸试验装置，其特征在于：所述拉伸定位装置还包括上球窝座(22)、上球铰，所述上球铰位于上球窝座(22)内，所述上球铰上设置有上连杆(11)，所述上连杆(11)与上拉头(4)连接，所述上连杆(11)可以相对上连接座(9)转动；还包括下球窝座(23)、下球铰，所述下球铰位于下球窝座(23)内，所述下球铰上设置有下连杆(12)，所述下连杆(12)与下拉头(5)连接，所述下连杆(12)可以相对下连接座(10)转动。

5.如权利要求4所述的岩石轴向拉伸试验装置，其特征在于：还包括两组T型槽结构，每组T型槽结构包括槽体(13)和T型滑块(14)，所述槽体(13)上设置有T型槽，所述上拉头(4)和上连杆(11)分别与一组T型槽结构的槽体(13)和T型滑块(14)连接，所述下拉头(5)和下连杆(12)分别与另一组T型槽结构的槽体(13)和T型滑块(14)连接。

6.如权利要求5所述的岩石轴向拉伸试验装置，其特征在于：所述上连杆(11)和下连杆(12)上还设置有锁紧螺母。

7.如权利要求1所述的岩石轴向拉伸试验装置，其特征在于：还包括旋转手轮(15)，所述旋转手轮(15)的上端安装在上定位套(2)上，下端与夹紧套螺纹连接。

8.如权利要求1所述的岩石轴向拉伸试验装置，其特征在于：所述上拉头(4)与上定位套(2)螺纹连接，上拉头(4)的上端还是设置有上微调旋钮(16)；所述下拉头(5)与下定位套(3)螺纹连接，下拉头(5)的下端还是设置有下微调旋钮(17)。

9.岩石轴向拉伸试验方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

a、准备好如权利要求1所述的岩石轴向拉伸试验装置；

b、将岩石试件(8)连同夹紧件一起放入夹紧套的锥面中，然后使夹紧套相对夹紧件向下移动，将岩石试件(8)夹紧；

c、在上拉头(4)和下拉头(5)上涂抹粘接剂，然后将上拉头(4)和下拉头(5)分别与岩石试件(8)粘接在一起；

d、待粘接剂初凝后，松开夹紧件，并取出与上拉头(4)和下拉头(5)粘接在一起的岩石试件(8)；

e、待粘接剂完全凝结后，将与上拉头(4)和下拉头(5)粘接在一起的岩石试件(8)安装在万能试验机上进行拉伸试验。

10.如权利要求9所述的岩石轴向拉伸试验方法，其特征在于：在b步骤中，采用分体结构形式的夹紧件。