CN105806710A - 一种用于岩体拉压协同作用的实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于岩体拉压协同作用的实验仪，包括框架、拉压力作用装置、压力加载装置、拉力加载装置、伺服控制装置和数据处理装置；本发明所提供的用于岩体拉压协同作用的实验仪中，拉压杆的两端分别设置有第一岩体和第二岩体，当伺服控制装置施加竖直向上的力于拉压柱时，拉压柱将有向上运动的趋势，在此过程中对处于其上方的第一岩体施加向上的压力、对处于其下方的第二岩体施加向上的拉力，并且第一岩体、第二岩体力的记载完全是同步进行的。这样，通过压力传感器和拉力传感器分别可以采集处于压缩状态的第一岩体、处于拉伸状态的第二岩体的力信号。

Description

一种用于岩体拉压协同作用的实验仪

技术领域

本发明涉及岩体结构强度测试技术领域，特别涉及一种用于岩体拉压协同作用的实验仪。

背景技术

在地震工程、爆破工程、岩石地下工程等领域中，岩石往往是处在拉压同步协同作用下而发生的变形破坏，岩石的抗压强度、抗拉强度是反映岩石基本力学性质的重要参数，因此详细地研究岩石在相同加载速率下同步的抗压、抗拉强度关系是非常必要的。

目前，岩石抗压强度基本可分为单轴和三轴下的抗压强度，其测定方法也可通过国内外制造的仪器精确的测得。而测定岩石抗拉强度的方法主要有直接法和间接法两种。其中，操作性最强的是巴西圆盘劈裂试验方法，属于间接方法中最常用的一种。通过实验结果及数值分析可知，岩石试样中最大拉应力应该出现在试样端面的中心部位。但是，由于巴西圆盘劈裂试验中加载点应力集中的影响，岩石试样必然会从端面加载点处起裂破坏，这样试样的破坏便不可能满足中心起裂条件。而且，通过这种间接方法来测得的岩石抗拉强度能否代表岩石真实的抗拉强度还有待研究。因此，研究者们在测定岩石抗拉强度的直接试验中，研制出了专门夹持岩石试件的夹具，但是由于岩石材料的脆性特征，该夹持具的缺点是常常无法保证试件在夹持过程中不被夹坏，也不能保证试件端部受拉过程中处于均匀受力状态。因此，目前也采用将岩石试件的端部通过高强度胶粘接在加载头上，以实现均匀拉伸加载。

但是以上岩石的抗压强度和抗拉强度均是独立测得的，没有考虑岩石在实际加载过程中拉压同步协调变形破坏的情况，无法考虑岩石在同步协调变形破坏过程中的抗压强度和抗拉强度的关系。

因此，如何测得岩石在相同加载速率下同步的抗压、抗拉强度关系，已经成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种用于岩体拉压协同作用的实验仪，包括框架、拉压力作用装置、压力加载装置、拉力加载装置、伺服控制装置和数据处理装置；

所述拉压力作用装置包括竖直设置的拉压柱，所述拉压柱与所述框架沿竖直方向可相对运动；

所述伺服控制装置，用于控制施加于所述拉压柱上的竖直力的大小；

所述压力加载装置包括固定部件，所述固定部件固定于所述框架，且位于所述拉压柱的上方；第一岩体的上端部固定连接所述固定部件的下端面，第一岩体的下端部支撑于所述拉压柱的上端面；所述压力加载装置还包括至少一个压力传感器，用于实时采集所述第一岩体所受的法向压力值；

所述拉力加载装置包括支撑部件，所述支撑部件固定于所述基座，第二岩体的上、下两端部分别固定连接所述拉压柱的下端部和所述支撑部件；所述拉力加载装置还包括至少一个拉力传感器，用于实时采集第二岩体拉力；

所述数据处理装置连接各所述压力传感器和所述拉力传感器，处理由各所述压力传感器和拉力传感器采集的压力值和拉力值，以获取压力值与拉力值之间的关系。

本发明所提供的用于岩体拉压协同作用的实验仪中，拉压杆的两端分别设置有第一岩体和第二岩体，当伺服控制装置施加竖直向上的力于拉压柱时，拉压柱将有向上运动的趋势，在此过程中对处于其上方的第一岩体施加向上的压力、对处于其下方的第二岩体施加向上的拉力，并且第一岩体、第二岩体力的记载完全是同步进行的。这样，通过压力传感器和拉力传感器分别可以采集处于压缩状态的第一岩体、处于拉伸状态的第二岩体的力信号。

通过数据处理装置分析、处理压力传感器、拉力传感器的力信号，可以获得抗压强度与抗拉强度的同步协同作用关系。

可选的，所述拉压力作用装置还包括围成空腔的缸体，所述缸体固定于所述框架的侧壁，所述空腔的顶壁、底壁具有同轴通孔；

所述拉压柱包括中部大径部和两端部小径部，所述中部大径部置于所述空腔内部，两所述端部小径部分别自所述空腔的上下两所述通孔穿至外部，并且两所述端部小径部与相应通孔内壁周向密封；所述中部大径部与所述空腔密封滑动，并且将所述空腔隔离为上腔体和下腔体；

所述伺服控制装置包括主控器、液压源；所述主控器用于控制所述液压源的输出压力；所述上腔体和下腔体其中一者连通所述液压源。

可选的，所述压力加载装置还进一步包括具有向下开口结构的压力腔体，所述压力腔体的开口与所述缸体的顶壁通孔围成密封的压力腔室，所述压力腔体或者所述缸体上还设置有连通所述压力腔室和液压源的通道；

所述固定部件固定于所述压力腔体的开口内部；

所述压力腔体通过升降立柱吊装于所述框架。

可选的，还包括密封套，所述第一岩体封装于所述密封套的内部，通过所述密封套与所述压力腔室中的油液隔离。

可选的，所述压力腔体的上端面设置有周向均布的螺纹孔，所述升降立柱的下端部为与所述螺纹孔相配合的螺纹部；并且位于所述框架下方的所述升降立柱的杆段也为螺纹杆段，所述螺纹杆段上设有定位螺母。

可选的，所述压力腔体的下端部具有周向折弯部，所述折弯部通过螺栓固定连接所述缸体。

可选的，所述支撑部件为设置于所述基座底面的凸台。

可选的，所述拉力传感器的数量为两个，分别设置于所述拉压柱与所述第二岩体的上端部之间、所述第二岩体的下端部和所述支撑部件之间。

可选的，所述拉力传感器固定于所述拉压柱和所述第二岩体其中一者，并且与另一者球形铰接；或/和，

所述拉力传感器固定于所述支撑部件和所述第二岩体其中一者，并且与另一者球形铰接。

可选的，所述压力传感器的数量为两个，分别设置于所述拉压柱与所述第一岩体的之间、所述第一岩体和所述固定部件之间。

可选的，所述伺服控制装置包括进一步包括油源水冷系统；

所述油源水冷系统用于对系统中工作油液冷却；

所述主控器为双回路闭环主控器。

附图说明

图1为本发明一种优选实施例中用于岩体拉压协同作用的实验仪的结构图；

图2为图1中部分装置的结构图；

图3为图2中I-I视图。

其中，图1-3中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

固定部件1、升降立柱2、定位螺母3、框架4、压力传感器5、压力腔体6、螺栓7、压力传感器8、缸体9、拉压柱10、拉力传感器11、球形铰12、球形铰13、数据处理装置14、主控器15、第一岩体16、垫片17、密封圈18、第二岩体19、拉力传感器20、油源水冷系统21、液压源22。

具体实施方式

针对现有技术中提出的上述技术问题，本文进行了深入研究，最终研究出一种能够同时模拟岩体在压力和拉力同时作用环境中岩体的性能变化的实验仪。

为使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图3，图1为本发明一种优选实施例中用于岩体拉压协同作用的实验仪的结构图；图2为图1中部分装置的结构图；图3为图2中I-I视图。

在一种实施例中，本发明所提供的用于岩体拉压协同作用的实验仪，包括框架4，拉压力作用装置、压力加载装置、拉力加载装置、伺服控制装置和数据处理装置14。框架4可以进一步包括主框架和基座，主框架可以与基座为一体结构，也可以为分体结构，两者通过螺栓连接方式。

拉压力作用装置包括竖直设置的拉压柱10，拉压柱10与框架4沿竖直方向可相对运动，当然拉压柱10可以直接或者间接的支撑于框架4侧壁并且与框架4侧壁沿竖直方向可滑动，在下文中给出了拉压力作用装置的具体实施方式。拉压柱10的作用力来源于伺服控制装置，即伺服控制装置用于控制施加于拉压柱10上的竖直力的大小，伺服控制装置可以为液压系统，也可以为气压系统，当然也可以为其他力施加系统。本文只要以液压系统为例详细介绍技术方案，本领域内技术人员应当理解，伺服控制装置为气压或者其他施加系统也在本文的保护范围之内。

压力加载装置主要包括固定部件1，固定部件1固定于框架4上，并且位于拉压柱10的上方。第一岩体16的上端部固定连接固定部件1的下端部，第一岩体16的下端部支撑于拉压柱10的上端面，也就是说，第一岩体16置于拉压柱10和固定部件1之间。压力加载装置还包括至少一个压力传感器，压力传感器用于实时采集第一岩体16所收的法向压力值。通常压力传感器的数量为两个，如图压力传感器5、压力传感器8，两压力传感器分别安装于第一岩体16的两端面，即两个压力传感器分别设置于拉压柱10与所述第一岩体16的之间、第一岩体16和固定部件1之间。

压力传感器的安装方式本文中不再详细介绍，本领域内技术人员在本文公开的基础上是可以实施的，即本文中不记载压力传感器的安装方式是不影响本领域内技术人员对本技术方案理解和实施的。

拉力加载装置包括支撑部件，支撑部件固定于基座，支撑部件与基座可以为分体结构，也可以为一体结构，例如支撑部件为设置于基座底面的凸台。第二岩体19的上下两端部分别固定连接拉压柱10的下端部和支撑部件；第二岩体19与拉压柱10、支撑部件的固定方式可以与现有技术相同，即利用粘接或夹持方式。通常，第二岩体19的两端面可以通过环氧树脂胶粘接于拉伸柱和支撑部件上。同理，第一岩体16的固定方式亦如此。

拉力加载装置还可以包括至少一个拉力传感器，用于实时采集第二岩体19拉力。拉力传感器的数量优选为两个，其安装方式优选设置于第二岩体19的两端部，即拉力传感器11和拉力传感器20分别设置于拉压柱10与第二岩体19的上端部之间、第二岩体19的下端部和支撑部件之间。

数据处理装置14连接各压力传感器和拉力传感器，处理由各压力传感器和拉力传感器采集的压力值和拉力值，以获取压力值与拉力值之间的关系。

本文以第一岩体16受压力、第二岩体19受拉力为例介绍技术方案的技术效果，当然，第一岩体16、第二岩体19的受力情况相反也在本文的保护范围之内，即第一岩体16受拉力，第二岩体19受压力。

本发明所提供的用于岩体拉压协同作用的实验仪中，拉压杆的两端分别设置有第一岩体16和第二岩体19，当伺服控制装置施加竖直向上的力于拉压柱10时，拉压柱10将有向上运动的趋势，在此过程中对处于其上方的第一岩体16施加向上的压力、对处于其下方的第二岩体19施加向上的拉力，并且第一岩体16、第二岩体19力的记载完全是同步进行的。这样，通过压力传感器和拉力传感器分别可以采集处于压缩状态的第一岩体16、处于拉伸状态的第二岩体19的力信号。

通过数据处理装置14分析、处理压力传感器、拉力传感器的力信号，可以获得抗压强度与抗拉强度的同步协同作用关系。

具体地，以下给出了拉压力作用装置的一种具体实施方式。

在一种具体实施方式中，拉压力作用装置还包括围成空腔的缸体9，缸体9固定于框架4的侧壁，空腔的顶壁、底壁具有同轴通孔；拉压柱10包括中部大径部和两端部小径部，中部大径部置于空腔内部，两端部小径部分别自空腔的上下两通孔穿至外部，并且两端部小径部与相应通孔内壁周向密封；中部大径部与空腔密封滑动，并且将空腔隔离为上腔体和下腔体；

伺服控制装置可以包括主控器15和液压源22，其中主控器15可以为双回路闭环主控器；另外伺服控制装置还可以进一步包括油源水冷系统21，油源水冷系统21用于对系统中工作油液冷却；双回路闭环主控器用于控制液压源22的输出压力；上腔体和下腔体其中一者连通液压源22。

上述实施例中，主控器15控制液压源22向上腔体或者下腔体通入液压油，随着液压油的不断通入，液压油将推动拉压柱10向上或向下移动，这样位于拉压柱10两端的第一岩体16和第二岩体19其中一者受拉，另一者受压，实现压力、拉力同步加载。液压系统施力过程稳定性比较好。

上述各实施例中，压力加载装置还可以进一步包括具有向下开口结构的压力腔体6，压力腔体6的开口与缸体9的顶壁通孔围成密封的压力腔室，压力腔体6或者缸体9上还设置有连通压力腔室和液压源22的通道。本文给出了连通压力腔室和液压源22的通道开设于缸体9的具体实施例。

固定部件1固定于压力腔体6的开口内部，也就是说，固定部件1设于压力腔室内部，固定部件1可以固定于压力腔室的顶壁。压力腔体6通过升降立柱2吊装于框架4。

其中，为了方便固定部件1的安装，压力腔室的顶壁可以开设有通孔，所述固定部件1的上端部卡装于通孔内部，并且周向与顶壁通孔密封，即固定部件1相当于安装于顶壁通孔内部的密封塞。

上述实施例中，第一岩体16设于密封的压力腔室内部，并且压力腔室通过通道连通液压源22，这样液压源22的压力油可以进入压力腔室内部，对第一岩体16形成外围压力，进而实现不同外围压力下对第一岩体16的压缩。

为了避免压力油对第一岩体16试验的影响，可以进一步设置密封套，第一岩体16封装于密封套内部，第一岩体16通过密封套与压力腔室内的油液隔离。

上述各实施例中，压力腔体6的上端面设置有周向均布的螺纹孔，升降立柱2的下端部为与螺纹孔相配合的螺纹部；并且位于框架4下方的升降立柱2的杆段也为螺纹杆段，螺纹杆段上设有定位螺母3。

实验前，先转动升降立柱2，在升降立柱2与压力腔体6螺纹配合的作用下，压力腔体6将向上运动以打开压力腔室，压力腔体6向上运动适当距离后，将第一岩体16安装于拉压杆和固定部件1之间，然后向相反方向转动升降立柱2，将压力腔体6缓缓放至缸体9上方形成密封压力腔室，并将压力腔体6和缸体9固定。

第二岩体19安装于拉压杆与支撑部件之间具体步骤不做详述。

在一种优选的实施方式中，压力腔体6与缸体9的固定方式可以为：压力腔体6的下端部具有周向折弯部，折弯部通过螺栓7固定连接缸体9。

本文中拉力传感器固定于拉压柱10和所述第二岩体19其中一者，并且与另一者球形铰接；或/和，拉力传感器固定于支撑部件和第二岩体19其中一者，并且与另一者球形铰接。

优选位于第二岩体19两端的拉力传感器均与其连接的部件球形铰接。拉力传感器的安装座固定于第一岩体16，也可以固定于支撑部件和拉压柱10，图2中给出了上、下两拉力传感器分别固定连接支撑部件、拉压柱10，与第二岩体19通过球形铰12、球形铰13铰接的具体实施方式。

上述各实施例中，压力腔体66与缸体的密封垫可以增加垫片17等密封件，以增加两者的密封性。同理，拉压柱10的大端部周向可以设置密封圈18，增加拉压柱10与缸体9的密封性。

以上对本发明所提供的一种用于岩体拉压协同作用的实验仪进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种用于岩体拉压协同作用的实验仪，其特征在于，包括框架(4)、拉压力作用装置、压力加载装置、拉力加载装置、伺服控制装置和数据处理装置(14)；

所述拉压力作用装置包括竖直设置的拉压柱，所述拉压柱与所述框架(4)沿竖直方向可相对运动；

所述伺服控制装置，用于控制施加于所述拉压柱上的竖直力的大小；

所述压力加载装置包括固定部件(1)，所述固定部件(1)固定于所述框架(4)，且位于所述拉压柱的上方；第一岩体(16)的上端部可固定连接所述固定部件(1)的下端面，第一岩体(16)的下端部可支撑于所述拉压柱的上端面；所述压力加载装置还包括至少一个压力传感器，用于实时采集所述第一岩体(16)所受的法向压力值；

所述拉力加载装置包括支撑部件，所述支撑部件固定于所述基座，第二岩体(19)的上、下两端部可分别固定连接所述拉压柱的下端部和所述支撑部件；所述拉力加载装置还包括至少一个拉力传感器，用于实时采集第二岩体(19)拉力；

所述数据处理装置(14)连接各所述压力传感器和所述拉力传感器，处理由各所述压力传感器和拉力传感器采集的压力值和拉力值，以获取压力值与拉力值之间的关系。

2.如权利要求1所述的实验仪，其特征在于，所述拉压力作用装置还包括围成空腔的缸体(9)，所述缸体(9)固定于所述框架(4)的侧壁，所述空腔的顶壁、底壁具有同轴通孔；

所述拉压柱包括中部大径部和两端部小径部，所述中部大径部置于所述空腔内部，两所述端部小径部分别自所述空腔的上下两所述通孔穿至外部，并且两所述端部小径部与相应通孔内壁周向密封；所述中部大径部与所述空腔密封滑动，并且将所述空腔隔离为上腔体和下腔体；

所述伺服控制装置包括主控器、液压源(22)；所述主控器(15)用于控制所述液压源(22)的输出压力；所述上腔体和下腔体其中一者连通所述液压源(22)。

3.如权利要求1所述的实验仪，其特征在于，所述压力加载装置还进一步包括具有向下开口结构的压力腔体，所述压力腔体的开口与所述缸体(9)的顶壁通孔围成密封的压力腔室，所述压力腔体或者所述缸体(9)上还设置有连通所述压力腔室和液压源(22)的通道；

所述固定部件(1)固定于所述压力腔体的开口内部；

所述压力腔体通过升降立柱(2)吊装于所述框架(4)。

4.如权利要求3所述的实验仪，其特征在于，还包括密封套，所述第一岩体(16)封装于所述密封套的内部，通过所述密封套与所述压力腔室中的油液隔离。

5.如权利要求3所述的实验仪，其特征在于，所述压力腔体的上端面设置有周向均布的螺纹孔，所述升降立柱(2)的下端部为与所述螺纹孔相配合的螺纹部；并且位于所述框架(4)下方的所述升降立柱(2)的杆段也为螺纹杆段，所述螺纹杆段上设有定位螺母。

6.如权利要求3所述的实验仪，其特征在于，所述压力腔体的下端部具有周向折弯部，所述折弯部通过螺栓固定连接所述缸体(9)。

7.如权利要求1所述的实验仪，其特征在于，所述支撑部件为设置于所述基座底面的凸台。

8.如权利要求1至7任一项所述的实验仪，其特征在于，所述拉力传感器的数量为两个，分别设置于所述拉压柱与所述第二岩体(19)的上端部之间、所述第二岩体(19)的下端部和所述支撑部件之间。

9.如权利要求8所述的实验仪，其特征在于，所述拉力传感器固定于所述拉压柱和所述第二岩体(19)其中一者，并且与另一者球形铰接；或/和，

所述拉力传感器固定于所述支撑部件和所述第二岩体(19)其中一者，并且与另一者球形铰接。

10.如权利要求1至7任一项所述的实验仪，其特征在于，所述压力传感器的数量为两个，分别设置于所述拉压柱与所述第一岩体(16)的之间、所述第一岩体(16)和所述固定部件(1)之间。

11.如权利要求2所述的实验仪，其特征在于，所述伺服控制装置包括进一步包括油源水冷系统(21)；

所述油源水冷系统(21)用于对系统中工作油液冷却；

所述主控器为双回路闭环主控器。