CN104792609A - 一种用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统及其试验方法，在有限条件下试验测得板状岩样的力学响应及力学行为。约束系统包括两块侧向约束板、刚性连接杆、上下垫板、应变片、数据采集系统、声发射系统、数字照相系统以及竖向加载系统。两块相对的侧向约束板之间放置板状岩样，利用四根刚性连接杆穿过两块侧向约束板相对应位置的螺栓孔，将侧向约束板和板状岩样固定成整体。刚性连接杆上的应变片可以测得刚性连接杆的轴力，数字照相系统不间断采集板状岩样表面的变形和裂纹扩展过程，声发射系统实时记录板状岩样的声发射特征信息。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学与工程技术领域，尤其涉及一种用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统。
背景技术
在岩体中进行洞室开挖时,洞室周边岩体中会出现应力重分布,部分边界应力可能会达到岩石屈服极限。岩石在压力作用下由弹性变形阶段进入塑性变形阶段之后,会出现各种形式的破坏，严重时甚至会发生突出、岩爆,这些不稳定现象始终威胁着地下洞室的安全。为了更好地了解岩体的力学特性,对岩石的强度、受力破坏过程及其破坏机理等力学性质开展深入研究具有重要工程应用价值。
目前在实验室中对岩样所开展的研究主要有单轴压缩、单轴拉伸以及三轴压缩。但现实情况是，洞室开挖后会出现临空面，围岩沿洞室径向产生卸荷；围岩在洞室切向方向受到载荷的作用；围岩沿洞室轴受约束且认为无应变，此类问题一般可简化为平面应变模型。因此传统的单轴试验和常规三轴试验不能模拟与工程实际相似的力学状态。
申请号为CN200720177228的实用新型专利介绍了一种煤岩、气耦合渗透性双向加载试验装置，该装置能够实现在竖向加载，一个水平方向受侧向约束，另一个水平方向为自由面。但由于水平方向的限制不是绝对的，该装置无法测得侧向约束方向在试验中的变形及受力大小。
《河南理工大学学报(自然科学版)》2007年第4期介绍了由河南理工大学和加拿大McGill大学联合研究开发的等刚度双向加载系统IBLS。该系统可在相互垂直的两个方向实现主动加载，并且可实现等刚度加载，该系统利用主动加载的形式实现对岩样一个水平方向的约束，但该系统的构造相对复杂，经济成本大，并且目前尚无此类双向加载试验设备标准。
作者为李佳，2014年西南交通大学硕士学位论文《单轴和双轴压缩下裂隙性岩石力学特性试验研究》介绍了一种通过真三轴仪实现对岩样的双轴加载，利用真三轴仪的竖向轴和其中一个水平方向轴实现对岩样的竖向加载和一个水平方向的约束，但利用真三轴试验机实现双轴加载的成本太大，同时岩石试样的尺寸是固定的，无法研究双轴荷载下岩样的尺寸效应。
利用板状岩样进行试验的优点是，板状岩样表面的裂纹扩展均发生在一个平面内，裂纹受力状态均为平面应力状态，试验过程中可以方便地观察到岩样表面裂纹的扩展状况，便于记录整个加载过程中岩样表面裂纹的扩展和贯通，获得更多岩样变化信息，同样也利于裂纹扩展的分析。
岩石有侧限压缩试验的研究开展得较少，为进一步认识岩石的力学特性，对岩石进行有侧限压缩测试与有侧限加载试验有着重要的理论价值。目前已研发岩样有侧限加载装置的主要缺点有：结构复杂、造价昂贵、获取数据少。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统及其试验方法，能够在有限条件下试验测得板状岩样的力学响应及力学行为。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统，包括两块侧向约束板、刚性连接杆、上下垫板、应变片、数据采集系统、声发射系统、数字照相系统以及竖向加载系统；所述每块侧向约束板的四个角部设有螺栓孔，两块侧向约束板之间用于放置板状岩样，所述刚性连接杆穿过所述两块侧向约束板对应的螺栓孔并在所述刚性连接杆两端通过超长螺母固定所述侧向约束板和板状岩样，所述刚性连接杆上设计有应变槽，应变片粘贴在所述应变槽中并连接数据采集系统，声发射系统的声发射探头粘贴在板状岩样上，数字照相系统布置在板状岩样前方，所述上下垫板分别放置于板状岩样的顶部和底部，竖向加载系统直接与所述上部垫板相接触。
进一步的，所述刚性连接杆两端为梯形螺纹。
进一步的，所述两块侧向约束板以及上下垫板的相对岩样一侧涂覆润滑材料。
进一步的，所述超长螺母的长度为60mm-80mm。
用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统的试验方法，包括以下步骤：
1)将两块侧向约束板相向对齐，将板状岩样竖起并设置在两块侧向约束板之间的中间位置；
2)将四根刚性连接杆分别穿过两块侧向约束板四个角部预留的对应螺栓孔，在各刚性连接杆两端拧上超长螺母，将刚性连接杆、侧向约束板和板状岩样固定成整体；
3)在每根刚性连接杆中间的应变槽位置粘贴应变片，在岩样表面粘贴声发射探头；
4)将刚性连接杆、侧向约束板和板状岩样固定好的整体放置到岩石单轴压缩试验机上，并在岩样的顶部和底部放置上下垫板；
5)在板状岩样正前方安设数字照相系统，并将应变片连接到数据采集系统，将声发射探头连接到声发射系统；
6)单轴压缩试验机将荷载施加在板状岩样顶部的垫板上，在负荷加载过程中，数字照相系统不间断采集板状岩样表面的变形和裂纹扩展过程，数据采集系统实时记录刚性连接杆的轴力数据并计算得到板状岩样对约束系统的横向支撑反力，声发射系统实时记录板状岩样的声发射特征信息。
有益效果：本发明与现有技术相比，在实现对板状岩样施加轴向荷载和侧向约束的前提下，本发明的约束系统结构构造极为简单，经济成本大为降低。利用简单的岩石单轴压缩试验机结合本发明就可进行试验，不仅可以测得加载过程中刚性连接杆的轴力，还可以据此得到岩样对约束系统的横向支撑反力。通过更换不同大小的侧向约束板就可研究不同尺寸板状岩样在双轴荷载下的尺寸效应；在单轴试验机加载情况下可以观察记录整个试验过程中岩样表面裂纹的生成、扩展与贯通情况。
附图说明
图1为侧向约束板的示意图；
图2侧向约束板、刚性连接杆以及超长螺母的组合示意图；
图3为刚性连接杆的细部示意图；
图4为上下垫板的示意图；
图5为用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统的主视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图5所示，用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统包括两块侧向约束板1、刚性连接杆2、上下垫板3、应变片4、数据采集系统5、声发射系统7、数字照相系统8以及竖向加载系统。如图1、图2所示，侧向约束板1为具有足够刚度的钢板，每块侧向约束板1四个角部设计有四个螺栓孔，螺栓孔尺寸稍大于刚性连接杆2，既保证刚性连接杆2能够穿过螺栓孔又保证侧向约束系统的稳定性。如图3所示，刚性连接杆2中间部位设有应变槽10，两端设计有螺纹。两块侧向约束板1之间用于放置板状岩样，利用4根刚性连接杆2穿过两块侧向约束板1对应的螺栓孔，并在刚性连接杆2两端通过超长螺母9固定侧向约束板1和板状岩样，超长螺母9的长度为60mm-80mm。在实验过程中超长螺母9受力会相对较大，为增加系统刚度，刚性连接杆2两端的螺纹设计为梯形螺纹。应变片4粘贴在刚性连接杆2上的应变槽中并连接数据采集系统5，声发射系统7的声发射探头6粘贴在板状岩样上，数字照相系统8布置在板状岩样前方。如图4所示，上下垫板3为有足够刚度的钢板，分别放置于板状岩样的顶部和底部；上部垫板直接和竖向加载系统接触，即直接和岩石试验机压头接触，荷载经由上垫板传至板状岩样，上下垫板增强了试验机的刚度。同时为了减小上下垫板3及侧向约束板1与板状岩石之间摩擦影响，在两块侧向约束板1以及上下垫板3的相对岩样一侧涂覆润滑材料，润滑材料可以是润滑油。
在板状岩样受压缩过程中，竖向加载系可以记录板状岩样加载方向的应力应变曲线。同时，利用刚性连接杆上的应变片4可以测得试验过程中刚性连接杆2的轴力，进而可以得到受压缩岩样的横向支撑反力。通过声发射系统7可以记录板状岩样压缩过程中的声发射特征信息。通过数字照相系统8可以记录岩样表面的变形和裂纹扩展过程。
用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统的试验方法，包括以下步骤：
1)将两块侧向约束板1相向对齐，将板状岩样竖起并设置在两块侧向约束板1之间的中间位置，使板状岩样侧面与侧向约束板1中间部位对正；
2)将四根刚性连接杆2分别穿过两块侧向约束板四个角部预留的对应螺栓孔，在各刚性连接杆两端拧上超长螺母9，将刚性连接杆2、侧向约束板1和板状岩样固定成整体；
3)在每根刚性连接杆2中间的应变槽位置粘贴应变片4，在岩样表面粘贴声发射探头6；
4)将刚性连接杆2、侧向约束板1和板状岩样固定好的整体放置到岩石单轴压缩试验机上，并在岩样的顶部和底部放置上下垫板3；
5)在板状岩样正前方安设数字照相系统8，并确保摄像机角度合适，图像清晰；将应变片4连接到数据采集系统5，将声发射探头6连接到声发射系统7；
6)单轴压缩试验机将荷载施加在板状岩样顶部的垫板上，在负荷加载过程中，数字照相系统8不间断采集板状岩样表面的变形和裂纹扩展过程，数据采集系统5实时记录刚性连接杆2的轴力数据并计算得到板状岩样对约束系统的横向支撑反力，声发射系统7实时记录板状岩样的声发射特征信息。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统，其特征在于：包括两块侧向约束板(1)、刚性连接杆(2)、上下垫板(3)、应变片(4)、数据采集系统(5)、声发射系统(7)、数字照相系统(8)以及竖向加载系统；所述每块侧向约束板(1)的四个角部设有螺栓孔，两块侧向约束板(1)之间用于放置板状岩样，所述刚性连接杆(2)穿过所述两块侧向约束板(1)对应的螺栓孔并在所述刚性连接杆(2)两端通过超长螺母(9)固定所述侧向约束板(1)和板状岩样，所述刚性连接杆(2)上设计有应变槽，应变片(4)粘贴在所述应变槽中并连接数据采集系统(5)，声发射系统(7)的声发射探头(6)粘贴在板状岩样上，数字照相系统(8)布置在板状岩样前方，所述上下垫板(3)分别放置于板状岩样的顶部和底部，竖向加载系统直接与所述上部垫板相接触。
2.根据权利要求1所述用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统，其特征在于：所述刚性连接杆(2)两端为梯形螺纹。
3.根据权利要求1所述用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统，其特征在于：所述两块侧向约束板(1)以及上下垫板(3)的相对岩样一侧涂覆润滑材料。
4.根据权利要求1所述用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统，其特征在于：所述超长螺母(9)的长度为60mm-80mm。
5.用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将两块侧向约束板(1)相向对齐，将板状岩样竖起并设置在两块侧向约束板(1)之间的中间位置；
2)将四根刚性连接杆(2)分别穿过两块侧向约束板四个角部预留的对应螺栓孔，在各刚性连接杆两端拧上超长螺母(9)，将刚性连接杆(2)、侧向约束板(1)和板状岩样固定成整体；
3)在每根刚性连接杆(2)中间的应变槽位置粘贴应变片(4)，在岩样表面粘贴声发射探头(6)；
4)将刚性连接杆(2)、侧向约束板(1)和板状岩样固定好的整体放置到岩石单轴压缩试验机上，并在岩样的顶部和底部放置上下垫板(3)；
5)在板状岩样正前方安设数字照相系统(8)，并将应变片(4)连接到数据采集系统(5)，将声发射探头(6)连接到声发射系统(7)；
6)单轴压缩试验机将荷载施加在板状岩样顶部的垫板上，在负荷加载过程中，数字照相系统(8)不间断采集板状岩样表面的变形和裂纹扩展过程，数据采集系统(5)实时记录刚性连接杆(2)的轴力数据并计算得到板状岩样对约束系统的横向支撑反力，声发射系统(7)实时记录板状岩样的声发射特征信息。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Su Haijian Inventor after: Jing Hongwen Inventor after: Wu Xingjie Inventor after: Zhao Honghui Inventor before: Jing Hongwen Inventor before: Su Haijian Inventor before: Wu Xingjie Inventor before: Zhao Honghui |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: JING HONGWEN SU HAIJIAN WU XINGJIE ZHAO HONGHUI TO: SU HAIJIAN JING HONGWEN WU XINGJIE ZHAO HONGHUI |
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| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150722 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |