CN104807699B - 原位岩石抗拉强度试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高岩石抗拉强度试验数据准确度的原位岩石抗拉强度试验装置及其试验方法。本发明的原位岩石抗拉强度试验装置，包括取芯装置、粘结装置和拉伸装置；所述取芯装置包括由下部金刚石钻头和上部金刚石钻头套接而成的钻头，所述下部金刚石钻头的外径小于上部金刚石钻头的外径；所述粘结装置包括顶端带有螺纹杆的圆柱形套帽，所述套帽的凹部内表面中心设有凸起；所述拉伸装置包括与套帽的螺纹杆套接的万向联轴器，与所述万向联轴器套接的高强螺纹杆，套在套帽和万向联轴器外部的套筒，与所述高强螺纹杆相连的液压千斤顶，所述高强螺纹杆伸出液压千斤顶的一端通过锚具和锚片固定；所述液压千斤顶通过液压管与锚杆拉拔仪相连。本专利所得数据精确可靠，试验装置构造简单，试验方法简便，易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗拉强度试验装置及其试验方法，尤其是一种原位岩石抗拉强度试验装置及其试验方法。
背景技术
岩石的抗拉强度是指岩石芯样在垂直拉力的作用下达到最终破坏时的极限应力值。岩石材料比较显著的一个特点就是其抗拉强度要比其抗压强度值小得多，因而处于复杂应力状态中的岩石在发生破坏时往往在其受到较大拉应力的地方发生断裂，故在岩石的力学性能当中，抗拉破坏是值得研究的一种重要现象。
通常岩石的抗拉强度测试可以分为两种方法，分别是直接拉伸法和间接拉伸法。直接拉伸法需要将钻取的岩石芯样与带有拉杆的金属套帽牢固粘接，使用拉伸设备拉伸拉杆从而使岩石芯样发生拉伸破坏，但需要保证芯样两端的拉力同时处在芯样圆心位置，否则会发生偏心拉伸，影响试验数据。间接拉伸法根据《工程岩体试验方法标准(GB/T 50266-2013)》要求采用劈裂法，即在试件直径上方，施加一对线性荷载，使试件沿直径方向发生破坏。
相对于直接拉伸法，间接拉伸法操作简单，适合在试验室内进行操作，但是由于岩石劈裂抗拉时，岩石处于一种复杂的应力状态之中，而非单一方向的拉伸，因此所得的抗拉试验数据准确度稍低。直接拉伸法所需的试验设备有较高的要求，且操作相对复杂一些，但可以保证岩石处在单一方向的拉伸状态之中，所得的抗拉试验数据较为准确。故推荐使用直接拉伸法测试岩石的抗拉强度。
目前已有直接拉伸的装置可以测试岩石的抗拉强度，如一种进行岩石直接拉伸强度及变形测量的系统及方法(申请号201310697933.6)、套筒粘接的岩石直接拉伸试验装置及试验方法(申请号201310507021.8)、岩石拉伸-剪切试验系统(申请号201310040993.0)，但这些装置仅仅局限于测试岩石试样的抗拉强度，无法对处于原位的岩石进行抗拉强度的测试。岩石在未发生扰动之前处于一种复杂的应力状态，因而要想测得其准确的抗拉强度试验数据，就要尽可能的减少对测试岩石的扰动。将脱离山体的岩石试块经过一系列的加工扰动形成的试验室所需的圆柱体芯样，与原山体内部的岩石性能已经有了改变，故利用上述拉伸装置所得试验数据的精确度还需进一步判定。
发明内容
本发明提供了一种提高岩石抗拉强度试验数据准确度的原位岩石抗拉强度试验装置及其试验方法。
实现本发明目的之一的原位岩石抗拉强度试验装置，包括取芯装置、粘结装置和拉伸装置；
所述取芯装置包括由下部金刚石钻头和上部金刚石钻头套接而成的钻头，所述下部金刚石钻头的外径小于上部金刚石钻头的外径。
所述粘结装置包括顶端带有螺纹杆的圆柱形套帽，所述套帽的凹部内表面中心设有凸起。
所述拉伸装置包括与套帽的螺纹杆套接的万向联轴器，与所述万向联轴器套接的高强螺纹杆，套在套帽和万向联轴器外部的套筒，与所述高强螺纹杆相连的液压千斤顶，所述高强螺纹杆伸出液压千斤顶的一端通过锚具和锚片固定；所述液压千斤顶通过液压管与锚杆拉拔仪相连。
所述套帽的外侧设有压片，所述压片套在套帽的螺纹杆上，所述压片的两端设有通孔，所述通孔上设有膨胀螺栓将压片固定在岩石上。
所述下部金刚石钻头内径为50mm，外径为60mm；所述上部金刚石钻头内径为50mm，外径为80mm，高度为50mm。
所述下部金刚石钻头的上端外表面设有螺纹，所述上部金刚石钻头的内表面开有凹槽，所述凹槽的表面设有与下部金刚石钻头相配合的螺纹。下端内侧开有凹槽并带有内螺纹用以与下部金刚石钻头套接，保证钻头内部平滑相接。
所述万向联轴器两端均有一定深度的螺纹孔，螺纹孔与高强螺纹杆牢固螺纹连接。万向联轴器可以保证在拉伸试验时实现拉杆与芯样圆心的自动对中，避免偏心受拉，影响试验数据的准确性。
所述套筒顶部中央开有圆孔，所述高强螺纹杆伸出所述圆孔，所述套筒底部外伸一定长度的圆环作为套筒的支撑。
实现本发明目的之二的原位岩石抗拉强度试验方法，包括
1)用地质锤敲除所需测试部位的表层薄弱岩石，选取较平整面作为钻芯平面，将取芯装置与水钻套接，保持金刚石钻头与钻芯平面相垂直，钻取所需深度的岩芯试样；
2)试样钻取后找出岩芯的中心位置，用带有三角合金钻头的手枪钻在中心点处钻出凹槽，之后将岩芯表层打磨平整并清洗干净，在套帽内部均匀涂抹高强粘接胶，将内部凸起与岩芯凹槽对中，轻轻旋转套帽使粘接胶均匀涂抹在岩芯表层及侧面，静置24小时，使粘接胶达到最大强度；
3)当粘接胶达到最大强度后，用万向联轴器的一端与套帽顶部的螺纹杆套接，另一端与高强螺纹杆套接，然后将高强螺纹杆穿过套筒顶部圆孔，套筒底部放在平整的岩石面作为支撑，液压千斤顶中央穿过高强螺纹杆底端与套筒顶部相接触，之后用锚具和锚片夹紧高强螺纹杆，液压千斤顶通过液压管与锚杆拉拔仪相连；
4)锚杆拉拔仪经过调试后，对锚杆拉拔仪的压杆均匀施加压力，使液压千斤顶带动高强螺纹杆均匀上升，记录芯样断裂时锚杆拉拔仪所显示的最大数值，测量芯样断裂部位的直径，并计算岩石的抗拉强度。
所述步骤(2)与步骤(3)之间还有一个固定步骤：预先在岩芯两侧钻取一定深度的圆孔，将套帽与岩芯粘接后，将套帽顶部的螺纹杆穿过压片的中心孔，芯样两边的圆孔与压片两边的通孔对中，使用膨胀螺栓将压片紧紧固定在岩壁上，当粘接胶达到最大强度后，拆除压片。此步骤可以有效的保证套帽与芯样的粘接强度。
本发明的原位岩石抗拉强度试验装置及其试验方法的有益效果如下：
本发明的原位岩石抗拉强度试验装置及其试验方法，适用于测试不同部位原位岩石的抗拉强度，所得数据精确可靠，试验装置构造简单，试验方法简便，易于操作。
附图说明
图1为本发明的原位岩石抗拉强度试验装置的测试工作示意图。
图2为本发明的原位岩石抗拉强度试验装置的测试工作示意图二。
图3为本发明的原位岩石抗拉强度试验装置的钻头示意图。
图4为本发明的原位岩石抗拉强度试验装置的压片示意图。
具体实施方式
如图1～4所示，本发明的原位岩石抗拉强度试验装置，包括取芯装置、粘结装置和拉伸装置；
所述取芯装置包括由下部金刚石钻头12和上部金刚石钻头13套接而成的钻头，所述下部金刚石钻头12的外径小于上部金刚石钻头13的外径。
所述粘结装置包括顶端带有螺纹杆的圆柱形套帽3，所述套帽3的凹部内表面中心设有凸起10。
所述拉伸装置包括与套帽3的螺纹杆套接的万向联轴器5，与所述万向联轴器5套接的高强螺纹杆6，套在套帽3和万向联轴器5外部的套筒4，与所述高强螺纹杆6相连的液压千斤顶7，所述高强螺纹杆6伸出液压千斤顶7的一端通过锚具8和锚片9固定；所述液压千斤顶7通过液压管与锚杆拉拔仪11相连。
所述套帽3的外侧设有压片14，所述压片14套在套帽3的螺纹杆上，所述压片14的两端设有通孔，所述通孔上设有膨胀螺栓15将压片14固定在岩石上。
所述下部金刚石钻头12内径为50mm，外径为60mm；所述上部金刚石钻头13内径为50mm，外径为80mm，高度为50mm。
所述下部金刚石钻头12的上端外表面设有螺纹，所述上部金刚石钻头13的内表面开有凹槽，所述凹槽的表面设有与下部金刚石钻头12相配合的螺纹。下端内侧开有凹槽并带有内螺纹用以与下部金刚石钻头12套接，保证钻头内部平滑相接。
所述万向联轴器5两端均有一定深度的螺纹孔，螺纹孔与高强螺纹杆6牢固螺纹连接。万向联轴器5可以保证在拉伸试验时实现拉杆与芯样圆心的自动对中，避免偏心受拉，影响试验数据的准确性。
所述套筒4顶部中央开有圆孔，所述高强螺纹杆6伸出所述圆孔，所述套筒4底部外伸一定长度的圆环作为套筒的支撑。
如图1、2所示，本发明的原位岩石抗拉强度试验方法，包括
1)用地质锤敲除所需测试部位的表层薄弱岩石，选取较平整面作为钻芯平面，将取芯装置与水钻套接，保持金刚石钻头与钻芯平面相垂直，钻取所需深度的岩芯试样；
2)试样钻取后找出岩芯的中心位置，用带有三角合金钻头的手枪钻在中心点处钻出凹槽，之后将岩芯表层打磨平整并清洗干净，在套帽3内部均匀涂抹高强粘接胶2，将内部凸起10与岩芯凹槽对中，轻轻旋转套帽3使粘接胶均匀涂抹在岩芯表层及侧面，静置24小时，使粘接胶达到最大强度；
预先在岩芯两侧钻取一定深度的圆孔，将套帽3与岩芯粘接后，将套帽3顶部的螺纹杆穿过压片14的中心孔，芯样两边的圆孔与压片14两边的通孔对中，使用膨胀螺栓15将压片14紧紧固定在岩壁上；
3)当粘接胶达2到最大强度后，拆除压片14，用万向联轴器5的一端与套帽3顶部的螺纹杆套接，另一端与高强螺纹杆6套接，然后将高强螺纹杆6穿过套筒4顶部圆孔，套筒4底部放在平整的岩石面作为支撑，液压千斤顶7中央穿过高强螺纹杆6底端与套筒4顶部相接触，之后用锚具8和锚片9夹紧高强螺纹杆6，液压千斤顶7通过液压管与锚杆拉拔仪11相连；
4)锚杆拉拔仪11经过调试后，对锚杆拉拔仪11的压杆均匀施加压力，使液压千斤顶7带动高强螺纹杆6均匀上升，记录芯样断裂时锚杆拉拔仪所显示的最大数值，测量芯样断裂部位的直径，并计算岩石的抗拉强度。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本发明技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.原位岩石抗拉强度试验装置，包括取芯装置、粘结装置和拉伸装置；所述取芯装置包括由下部金刚石钻头和上部金刚石钻头套接而成的钻头， 所述下部金刚石钻头的外径小于上部金刚石钻头的外径；所述粘结装置包括顶端带有螺纹杆的圆柱形套帽，所述套帽的凹部内表面 中心设有凸起；所述拉伸装置包括与套帽的螺纹杆套接的万向联轴器，与所述万向联轴器 套接的高强螺纹杆，套在套帽和万向联轴器外部的套筒，与所述高强螺纹杆相连的液压千斤顶，所述高强螺纹杆伸出液压千斤顶的一端通过锚具和锚片固 定；所述液压千斤顶通过液压管与锚杆拉拔仪相连；所述万向联轴器两端均有一定深度的螺纹孔，螺纹孔与高强螺纹杆牢固螺纹连接；所述上部金刚石钻头内径为 50mm，外径为80mm，高度为50mm。
2.根据权利要求1所述的原位岩石抗拉强度试验装置，其特征在于：所 述套帽的外侧设有压片，所述压片套在套帽的螺纹杆上，所述压片的两端设有 通孔，所述通孔上设有膨胀螺栓将压片固定在岩石上。
3.根据权利要求1所述的原位岩石抗拉强度试验装置，其特征在于： 所述下部金刚石钻头内径为50mm，外径为60mm；所述上部金刚石钻头内径为 50mm，外径为80mm，高度为50mm。
4.根据权利要求1所述的原位岩石抗拉强度试验装置，其特征在于： 所述下部金刚石钻头的上端外表面设有螺纹，所述上部金刚石钻头的内表面开 有凹槽，所述凹槽的表面设有与下部金刚石钻头相配合的螺纹。
5.根据权利要求1～4任一所述的原位岩石抗拉强度试验装置，其特征在 于：所述套筒顶部中央开有圆孔，所述高强螺纹杆伸出所述圆孔，所述套筒底 部外伸一定长度的圆环作为套筒的支撑。
6.原位岩石抗拉强度试验方法，包括：
(1)用地质锤敲除所需测试部位的表层薄弱岩石，选取较平整面作为钻 芯平面，将取芯装置与水钻套接，保持金刚石钻头与钻芯平面相垂直，钻取所 需深度的岩芯试样；
(2)试样钻取后找出岩芯的中心位置，用带有三角合金钻头的手枪钻在 中心点处钻出凹槽，之后将岩芯表层打磨平整并清洗干净，在套帽内部均匀涂 抹高强粘接胶，将内部凸起与岩芯凹槽对中，轻轻旋转套帽使粘接胶均匀涂抹 在岩芯表层及侧面，静置24小时，使粘接胶达到最大强度；
(3)当粘接胶达到最大强度后，用万向联轴器的一端与套帽顶部的螺纹 杆套接，另一端与高强螺纹杆套接，然后将高强螺纹杆穿过套筒顶部圆孔，套 筒底部放在平整的岩石面作为支撑，液压千斤顶中央穿过高强螺纹杆底端与套 筒顶部相接触，之后用锚具和锚片夹紧高强螺纹杆，液压千斤顶通过液压管与 锚杆拉拔仪相连；
(4)锚杆拉拔仪经过调试后，对锚杆拉拔仪的压杆均匀施加压力，使液 压千斤顶带动高强螺纹杆均匀上升，记录芯样断裂时锚杆拉拔仪所显示的最大 数值，测量芯样断裂部位的直径，并计算岩石的抗拉强度。
7.根据权利要求6所述的原位岩石抗拉强度试验方法，其特征在于：所述步骤(2)与步骤(3)之间还有一个固定步骤：预先在岩芯两侧钻取一定深 度的圆孔，将套帽与岩芯粘接后，将套帽顶部的螺纹杆穿过压片的中心孔，芯 样两边的圆孔与压片两边的通孔对中，使用膨胀螺栓将压片紧紧固定在岩壁 上，当粘接胶达到最大强度后，拆除压片。
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