CN105486582A - 一种带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪，为上下对称结构，包括上拉伸单元和下拉伸单元，上拉伸单元与下拉伸单元均由沿岩样轴向顺序连接的夹持部、自动纠偏装置和岩样固定部构成；所述自动纠偏装置包括沿岩样轴向顺序安装的上连接部、立方体核和下连接部，上连接部与下连接部相对的表面上均设有两个对称分布的支撑耳，四个支撑耳通过销轴与立方体核的四个侧面铰接，位于同一连接部上的两个支撑耳铰接于立方体核的两相对侧面上；夹持部上开设有环形凹槽；岩样固定部的端部设有黏结槽；该岩石拉伸试验仪在受力后可以通过力分解原理使拉伸装置始终处于垂直对中拉应力状态，很好地解决偏心拉应力问题。

Description

一种带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪

技术领域

本发明涉及一种岩石拉伸试验仪，属于固体材料的测量与测试技术领域。

背景技术

岩体在单向拉伸时能承受的最大拉应力，称为单轴抗拉强度，简称抗拉强度。尽管在工程实践应用中，通常拉应力很少出现，但拉应力造成的破坏依旧是工程材料领域及自然界岩体的主要破坏形式之一，而且岩石抗拉强度相对较低，压缩强度约为10～30倍的抗拉强度。因此，抗拉强度是岩体力学中一个重要的指标，抗拉强度在岩体强度准则的建立，强度包络线的确定以及选择建筑石材中都是非常重要的参数之一。开展岩体的抗拉强度研究具有重大意义。

目前，在技术层面上对岩石抗拉强度的测定主要采用间接测定法和直接测定法两种。其中，间接测定法包括劈裂法，点荷载法等，这些方法主要是利用岩石的抗压强度间接反映其抗拉强度，但是对岩石的抗拉强度起决定性作用的是岩石本身性质方面的因素，诸如矿物成分、粒间连接、孔隙及裂隙等，且抗压荷载与抗拉载荷受力方式具有本质区别，因此间接测定法存在诸多弊端，会产生较大误差。

国内长江科学研究院率先使用的带有球形座的套帽式装置一直作为相关试验规范中推荐的岩石直接拉伸装置，然而，在试验中不难发现，该装置转动灵活度不够，很难避免偏心拉应。发明专利“一种进行岩石直接拉伸强度及变形测量的系统及方法”(专利号：Zl201310697933.6)公开了一种岩石直接拉伸强度及变形测量的方法，该方法需对岩样进行切缝，岩样属硬脆性材料对其进行精密加工较为困难。

因此，如何精确快捷地测定岩石直接拉伸强度一直是岩石力学及其工程地质领域中的研究热点问题，得到了学者及工程人员的普遍关注。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪，该岩石拉伸试验仪在受力后可以通过力分解原理使拉伸装置始终处于垂直对中拉应力状态，很好地解决偏心拉应力问题。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪，至少包括上拉伸单元和下拉伸单元，岩样固定于上拉伸单元与下拉伸单元之间，所述岩石拉伸试验仪为上下对称结构，上拉伸单元与下拉伸单元均由沿岩样轴向顺序连接的夹持部、自动纠偏装置和岩样固定部构成；所述自动纠偏装置包括沿岩样轴向顺序安装的上连接部、立方体核和下连接部，上连接部与下连接部相对的表面上均设有两个对称分布的支撑耳，四个支撑耳通过销轴与立方体核的四个侧面铰接，位于同一连接部上的两个支撑耳铰接于立方体核的两相对侧面上；所述夹持部呈柱状，其上开设有2条以上相互平行的环形凹槽；所述岩样固定部的端部设有黏结槽，黏结槽的槽深为岩样高度的0.03～0.05倍，岩样固定于黏结槽中。

所述上连接部为阶梯轴，其轴径突变处圆弧过渡，两个支撑耳沿上连接部轴向固定于上连接部大轴段的端面上，上连接部的小轴段上开设有2条以上相互平行的环形凹槽，上连接部的小轴段构成岩石拉伸试验仪的夹持部。

所述环形凹槽的凹槽截面呈圆弧状。

所述下连接部的下部开设有开口朝下的黏结槽，下连接部的下部构成岩石拉伸试验仪的岩样固定部。

所述立方体核为棱边圆弧过渡的正方体。

由上述技术方案可知，本发明提供的岩石拉伸试验仪中设置自动纠偏装置，自动纠偏装置由上连接部、立方体核和下连接部构成，上连接部与下连接部相对的表面上均设置两个对称分布的支撑耳，上连接部与下连接部通过支撑耳与立方体核铰接，四个支撑耳分别通过销轴与立方体核的四个侧面铰接并且位于同一连接部上的两个支撑耳铰接于立方体核的两相对侧面上，该纠偏装置在Z轴方向为固定连接，受拉后无相对位移，上连接部通过两个对称支撑耳与立方体核沿X轴(或Y轴)的两相对表面铰接，因此上连接部与立方体核可沿X轴(或Y轴)相对转动，下连接部通过两个对称支撑耳与立方体核沿Y轴(或X轴)的两相对表面铰接，因此下连接部与立方体核可沿Y轴(或X轴)相对转动，上连接部、立方体核和下连接部形成具有两个转动自由度的纠偏结构，由于岩石拉伸试验仪为上下对称结构，上拉伸单元与下拉伸单元中的两个自动纠偏装置结构完全相同，当拉应力矢量方向垂直X轴时，上下两个自动纠偏装置中的上连接部(或下连接部)绕着沿X轴方向布置的销轴旋转；当拉应力矢量方向垂直Y轴时，上下两个自动纠偏装置的下连接部(或上连接部)绕着沿Y轴方向布置的销轴旋转；当拉应力矢量沿着其他方向时，上下两个自动纠偏装置中的上连接部与下连接部同时绕销轴进行X轴、Y轴方向的旋转，调整夹持部-自动纠偏装置-岩样固定部-岩样的轴向姿态，使该岩石拉伸试验仪在受力时会始终处于垂直对中状态，从而克服拉伸试验存在的偏心拉应力问题；为保证试验效果，夹持部上开设2条以上相互平行的环形凹槽，环形凹槽增大夹持部与加载装置的夹具之间的摩擦，保证受力时夹持部与夹具之间无Z轴方向的相对滑动，环形凹槽的凹槽截面呈圆弧状，避免产生应力集中现象，防止夹持部在试验中断裂；岩样固定部与岩样采用黏结固定的方式连接，岩样固定部的端部开设用于容纳岩样端部的黏结槽，黏结槽增大了岩样固定部与岩样的黏结面积，保证黏结效果，黏结槽的槽深为岩样高度的0.03～0.05倍，增加岩样的黏结强度同时避免岩样产生端部效应。

本发明提供的岩石拉伸试验仪中，上连接部与夹持部集成为一体，下连接部与岩样固定部集成为一体，零件数量少、整体结构更精简；立方体核为棱边圆弧过渡的正方体，立方体核为两根相互垂直的销轴提供有效支撑，并且可增加内部的有效空间率，棱边圆弧过渡可以保证调节过程的平滑性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)自动纠偏装置可以进行全方位的角度调节，岩样受力后拉伸保证拉应力矢量始终沿着垂直对中，可以很好地规避偏心拉应力问题，使试验所得的抗拉强度据有很高的保真度。

(2)本发明提供的带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪内部结构简单、零件数量少，在保证试验效果的同时也很大程度上简化了制作与操作难度。

(3)使用本发明进行岩石拉伸试验时，其岩样不需要加工成特殊的形态，符合规范的岩石拉伸试验体就可以用于试验，很大程度上减少了加工成本，节省了试验时间。

附图说明

图1为本发明提供的带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪的结构示意图。

图2为自动纠偏装置的结构示意图。

图3为本发明提供的带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪的使用示意图。

其中，1-万能试验机，2-上拉伸单元，21-上夹持部，22-第一上连接部，23-第一上支撑耳，24-第一X轴方向销轴，25-上立方体核，26-第一下连接部，27-第一Y轴方向销轴，28-第一下支撑耳，29-上黏结槽，3-下拉伸单元，31-下夹持部，32-第二上连接部，33-第二上支撑耳，34-第二X轴方向销轴，35-下立方体核，36-第二下连接部，37-第二Y轴方向销轴，38-第二下支撑耳，39-下黏结槽，4-岩样，5-应变片，6-夹具，7-环形凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪，其结构如图1所示，包括上拉伸单元2和下拉伸单元3，岩样4固定于上拉伸单元2与下拉伸单元3之间，所述岩石拉伸试验仪为上下对称结构，上拉伸单元2与下拉伸单元3均由沿岩样轴向即Z轴方向顺序连接的夹持部、自动纠偏装置和岩样固定部构成；

上拉伸单元2由沿岩样轴向顺序连接的上夹持部21、上自动纠偏装置和上岩样固定部构成；参见图2，所述上自动纠偏装置包括沿岩样轴向顺序安装的第一上连接部22、上立方体核25和第一下连接部26，上立方体核25的为棱边圆弧过渡的正方体，第一上连接部22与第一下连接部26相对的表面上均设有两个对称分布的支撑耳，具体为沿X轴方向固定于第一上连接部22下表面的两个第一上支撑耳23和沿Y轴方向固定于第一下连接部26上表面的两个第一下支撑耳28，两个第一上支撑耳23通过第一X轴方向销轴24与上立方体核25的两相对侧面铰接，两个第一下支撑耳28通过第一Y轴方向销轴27与上立方体核25的另外两相对侧面铰接；所述第一上连接部22为阶梯轴，其轴径突变处圆弧过渡，两个第一上支撑耳23沿第一上连接部22轴向固定于第一上连接部22大轴段的端面上，第一上连接部22的小轴段上开设有2条以上相互平行的环形凹槽7，环形凹槽7的凹槽截面呈圆弧状，第一上连接部22的小轴段构成岩石拉伸试验仪的上夹持部21；所述第一下连接部26的下部开设有开口朝下的上黏结槽29，上黏结槽29的槽深为岩样高度的0.03～0.05倍，第一下连接部26的下部构成岩石拉伸试验仪的上岩样固定部；

下拉伸单元3由沿岩样轴向顺序连接的下岩样固定部、下自动纠偏装置和下夹持部31构成，包括下夹持部31、第二上连接部32、第二上支撑耳33、第二X轴方向销轴34、下立方体核35、第二下连接部36、第二Y轴方向销轴37和第二下支撑耳38，第二下连接部36的上部开设有开口朝上的下黏结槽39，第二下连接部36的上部构成岩石拉伸试验仪的下岩样固定部，由于下拉伸单元3与上拉伸单元2结构相同，下拉伸单元3中各组成结构之间的连接关系不再赘述；岩样4的两端分别固定于上黏结槽29和下黏结槽39中，试验时加载装置分别夹持上夹持部21和下夹持部31。

将本发明提供的带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪用于岩石拉伸试验，该试验以万能试验机为依托，万能试验机提供试验所需的拉伸应力，整体试验装置如图3所示，其具体操作步骤如下：

(1)选取岩样4，根据相关规范对岩石拉伸试验中岩样的规定，岩样直径为Φ48～54mm，高径比为2～2.5，本试验选取直径为50mm、长度为100mm的岩石作为岩样，其两端不平整度允许偏差±0.05mm；

(2)将岩样4的两端通过高强树脂胶黏结固定于上黏结槽29和下黏结槽39中，，此黏结剂可以有效地黏结岩石，黏接面的最大抗拉强度能满足常见岩石直接拉伸试验的要求；

(3)将应变片5按规定黏贴在岩样4表面，在测量岩石受力抗拉强度同时测量岩样4微小的应变状况，并做好试验中采集数据的准备；

(4)将准备好的试件通过万能试验机1上的夹具6夹固装置的上夹持部21和下夹持部31，上夹持部21和下夹持部31分别夹固后，开始试验，如图3所示；

(5)试验过程中，缓慢均匀的施加拉载荷，一般约为0.1～0.3MPa/s，当施加拉载荷后，自动纠偏装置上部分会绕着转轴做前后调整，下部分则绕着转轴做左右调整，保证了拉伸试验仪始终处于垂直对中状态，力矢量沿着轴线方向作用于岩样，克服了偏心拉应力难题，通过计算机实时采集拉应力和应变片所反馈的岩样应变程度，直至岩样4被拉断，试验结束。

Claims (5)

1.一种带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪，至少包括上拉伸单元和下拉伸单元，岩样固定于上拉伸单元与下拉伸单元之间，其特征在于：所述岩石拉伸试验仪为上下对称结构，上拉伸单元与下拉伸单元均由沿岩样轴向顺序连接的夹持部、自动纠偏装置和岩样固定部构成；所述自动纠偏装置包括沿岩样轴向顺序安装的上连接部、立方体核和下连接部，上连接部与下连接部相对的表面上均设有两个对称分布的支撑耳，四个支撑耳通过销轴与立方体核的四个侧面铰接，位于同一连接部上的两个支撑耳铰接于立方体核的两相对侧面上；所述夹持部呈柱状，其上开设有2条以上相互平行的环形凹槽；所述岩样固定部的端部设有黏结槽，黏结槽的槽深为岩样高度的0.03～0.05倍，岩样固定于黏结槽中。

2.根据权利要求1所述带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪，其特征在于：所述上连接部为阶梯轴，其轴径突变处圆弧过渡，两个支撑耳沿上连接部轴向固定于上连接部大轴段的端面上，上连接部的小轴段上开设有2条以上相互平行的环形凹槽，上连接部的小轴段构成岩石拉伸试验仪的夹持部。

3.根据权利要求2所述带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪，其特征在于：所述环形凹槽的凹槽截面呈圆弧状。

4.根据权利要求1所述带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪，其特征在于：所述下连接部的下部开设有开口朝下的黏结槽，下连接部的下部构成岩石拉伸试验仪的岩样固定部。

5.根据权利要求1所述带自动纠偏装置的岩石拉伸试验仪，其特征在于：所述立方体核为棱边圆弧过渡的正方体。