CN106546491B - 一种可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置，包括左固定板、右固定板和位于左固定板与右固定板之间的压板，左固定板和有固定板通过平行设置的若干个圆柱形的导向杆连接，压板套在导向杆上，在压板与右固定板之间设有第一油压泵，左固定板与压板之间安装有试样盒，试样盒与左固定板之间安装有压力传感器，在试样盒的顶部安装有刚性输水垫块，刚性输水垫块设有出水口，刚性输水垫块的出水口与刚性水压罐连接，由油压泵通过水压罐向试件预制孔隙施加水压。本发明可配合大多数单轴压缩试压机使用，且操作灵活随试件尺寸要求灵活，造价低，适用于实验室以及各种工程中双轴压缩‑水力耦合左右情况下岩体裂隙的扩展试验。

Description

一种可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置

技术领域

本发明涉及可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置，属于岩石压力测试领域。

背景技术

目前在实验室中所开展的研究主要集中在单轴压缩、单轴拉伸以及三轴压缩等方面，而关于岩石双轴压缩状态特性的成果则相对比较少。对于岩石地下工程而言，如隧道(洞)、基坑开挖过后，在一些特定情况下，作用在岩体上的荷载极其路径变化是极其复杂的，岩石大多会处于双向压缩状态(σ1≥σ2，σ3＝0)，且伴随高应力水压作用，内边界部分位置的围岩就近似处于双轴受压状态，研究此种应力状态下的岩体特性对分析内边界围岩的长期稳定性有着重要意义。因此，有必要开展岩石的双轴压缩试验及其理论分析。

本装置对岩样侧向进行加压且对特定预制孔隙进行施加孔隙水压，是作为一种辅助装置，现在各实验室可记录采集数据绝大部分是单轴仪器或者假三轴仪器，不能精确对岩样侧向施加压力以及记录实验过程中各压力、位移等参数，但实际工程中，作用在岩体单元上的荷载以及应力路径极其复杂多变，市场上特有的双轴压缩仪器成品市价格高昂试验代价太大且对试样尺寸限制较大。且各室内试验仪器中的渗流以及孔隙水压加载试验不能实现对特定孔隙进行特定数值水压的加载。本装置可配合各岩石力学实验室中原有的单轴或者三轴试验机使用，且能够实时记录岩石在压缩过程中侧向位移随侧向荷载的变化，且在施加侧压的同时，可对岩石预制孔隙进行水压加载，有效的解决了低成本双轴预制孔隙水压试验困难的问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可拆卸岩体侧向加载以及孔隙水压辅助试验装置，可配合大多数单轴压缩试压机使用，且在双轴施加同时可向预制裂纹施加水压。操作灵活，对试件尺寸要求灵活，造价低。

技术方案：为实现上述目的，本发明的可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置，包括左固定板、右固定板和位于左固定板与右固定板之间的压板，所述左固定板和有固定板通过平行设置的若干个圆柱形的导向杆连接，所述压板套在导向杆上，在压板与右固定板之间设有第一油压泵，通过第一油压泵的作用带动压板的移动，所述左固定板与压板之间安装有容纳试样的试样盒，试样盒与左固定板之间安装有检测试样盒压力的压力传感器，在试样盒上安装有检测岩石轴向位移与水平位移的位移传感器，试样盒内的试样预设有通水管道，在试样盒的顶部安装有刚性输水垫块，刚性输水垫块设有出水口，出水口与通水管道对齐，刚性输水垫块的出水口与刚性水压罐连接，刚性水压罐与第二油压泵连接。

作为优选，所述试样盒包含左侧夹板、右侧夹板、底板和盖板，岩石位于左侧夹板、右侧夹板、底板和盖板形成的到空腔中，左侧夹板与压板相连接，在左侧夹板和盖板上均设有位移传感器。

作为优选，所述右侧夹板通过第一万向头与压板连接，左侧夹板通过第二万向头与压力传感器连接。

作为优选，所述左侧夹板和盖板上的位移传感器均与支架连接，支架安装在右固定板上。

作为优选，所述压板上安装有套杆，套杆通过线性轴承安装在导向杆上。

作为优选，所述左固定板和右固定板均通过滚轮安装在侧向加压平台上。

在本发明中，所述试样盒上部盖板由刚性输水垫块代替，垫块由所述紫铜管连接到刚性水压罐中。所述刚性水压罐由上下两块圆形钢块、环形套筒、四根连杆组成与所述油压泵连接，且压力由所述水压表测定。刚性输水垫块内部钻有联通的流水通道：一端为入水口与水压罐交换装置相连，另一端口在垫块底面为出水口与试样顶端导管口相连。底面端口为中心钻有环形凹槽并与O型垫圈相匹配，以保持其密封性。在向试样中注入高压水之前，需要预先在垫块底面凹槽处嵌入O型垫圈，用转换接头连接好垫块与试样，以充分保证接口密封性。刚性加载块通过高压紫铜软管连接，中间设置精密水压表读取水压值。

有益效果：本发明的可拆卸岩体侧向加压与孔隙水压耦合辅助试验装置，具有以下优点：

(1)本装置可配合国内大多单轴压缩以及三轴压缩等常规试验机使用。

(2)本装置不同于传统封闭式加载空间，便于摄像机捕捉岩体在不同加载过程及状态下的裂隙扩展以及破坏特征。且可以连续直观的观察岩体内部以及表面的裂纹扩展请扩和破坏过程。

(3)由于试样夹板、盖板、底板尺寸可以灵活变化，所以本装置可以适应多种尺寸的岩样，对试验的包容性大大增加。

(4)解决了孔隙水压中单个孔隙水压控制问题，传统渗透压试验不能控制某个裂纹水压大小以及情况。该装置可以在施加侧向荷载情况下同时控制浇筑的类岩石材料中的预制裂隙的水压。

(5)装置简洁，操作简单，费用低廉。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是可控制侧向加压装置的侧视图。

图3是可控制侧向加压装置的俯视图。

图4是孔隙水压加压装置的示意图。

图5是侧向加压平台结构示意图。

图6是可控制侧向加压装置内部空间核心装置侧视图。

图7是刚性输水垫块与试样主视图。

图中：1-导向杆，2-侧向加压平台，3-套杆，4-压板，5-第一油压泵，6-万向头，7夹板，8-压力传感器，9-位移感应器支架，10-底板，11-刚性输水垫块，12-刚性水压罐，13-水压表。

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1至图7所示，本发明的可拆卸岩体侧向加压孔隙水压耦合辅助试验装置，包括左固定板、右固定板和位于左固定板与右固定板之间的压板4，所述左固定板和右固定板通过平行设置的若干个圆柱形的导向杆1连接，所述压板4套在导向杆1上，在压板与右固定板之间设有第一油压泵5，通过第一油压泵5的作用带动压板4的移动，所述左固定板与压板4之间安装有容纳试样的试样盒7，试样盒与左固定板之间安装有检测试样盒7压力的压力传感器8，在试样盒7上安装有检测岩石轴向位移与水平位移的位移传感器。固定侧向后，在试样盒的顶部安装有刚性输水垫块11，浇筑试样预留通水管道，刚性输水垫块11出水口与试样预留通水管道对齐，出水口与试样预留管道之间由橡胶圈密封。刚性水压罐12与出水口连接并保证水压通畅，在刚性水压罐上安装有水压表13，然后进行单轴竖向加载，加到适当压力暂停加载，保证该荷载不会对试件造成明显损伤且能保证通水设备与试件管道接口密闭，然后由第二油压泵施加到相应的水压。

在本发明中，所述试样盒7包含左侧夹板、右侧夹板、底板10和盖板，岩石位于左侧夹板、右侧夹板、底板10和盖板形成的到空腔中，左侧夹板与压板4相连接，在左侧夹板和盖板上均设有位移传感器，两个位移传感器分别检测出岩石的水平和竖直位移。所述压板4由于反力架的内力作用向右侧夹板施加荷载，压板4与夹板之间设置压力传感器8，传感器转换为数字信息由压力显示器显示。其中压力传感器8中贴有应变片，由轮辐式电阻应变片转换为电信号由电子显示器显示。

在本发明中，所述右侧夹板通过第一万向头与压板4连接，左侧夹板通过第二万向头6与压力传感器8连接。万向头为一球型钢球，底面为平面，固定在压板4或固定板所需高度的位置。在压板4或者固定板上相应高度设置一球型凹槽，与球型万向头组合，球型钢球在凹槽内可各角度转动调整夹板方向，以保证岩体侧向均匀受力。两万向头为一圆形钢球分别固定在压板4与压力传感器上，压板4与夹板上分别设置与钢球对应的半球型凹槽，钢球与凹槽接触，受压时可保证夹板可随试件的变形向任意方向转动，从而保证夹板与岩样侧面完全贴合且岩样受力均匀。两万向压头保持在同一水平线，且球型凹槽与万向压头也保持同一高度，以防止施压时装置发生竖向搓动。

在本发明中，所述左侧夹板和盖板上的位移传感器均与支架9连接，支架9安装在右固定板上，正交的两根支架9固定于压力传感器的螺丝上。轴向位移感应器与顶端盖板接触，水平位移与压板4相接触，可以测得左右侧水平位移之和。所述压板4上安装有套杆3，套杆3通过线性轴承安装在导向杆1上，以减小压板4与导向杆1之间的摩擦，相应的摩擦系数可减小到可接受范围内(μ＝0.005-0.015)。压板4固定在线性轴承的套杆3上，套杆3承载球与轴承外套点接触，钢球以最小的摩擦阻力滚动，因此直线轴承具有摩擦小，且比较稳定，不随轴承速度而变化，能获得灵敏度高、精度高的平稳直线运动。所述左固定板和右固定板均通过滚轮安装在侧向加压平台2上。所述侧向加压平台2与反力架之间由滑轮接触相连，平台设置水平导向槽，滑轮与上述套杆3确保对左右压板4施加相同荷载，即试件左右所受荷载相同，且确保试件侧向荷载过程中试件一直处于轴向位置不变。

在本发明中，压力传感器8采用轮辐式称重(测力)传感器参数，采用合金钢材质；低外型抗侧向力，综合误差为可接受的0.05％～0.03％。该感应器内部前后贴有应变片，受力时由受压面与受拉面计算压力，使用惠斯顿电桥将力学信号转为电信号，从而在电子压力显示器上显示出压力值。

在本发明中，所需的试样需要预留塑料管通水管道，刚性输水垫块11出水孔需对准试验进水通道，且出水孔有表面制一圆形凹槽用于放置橡胶圈，当施加适当压力时，橡胶圈使刚性输水垫块出水口与试样进水口密封。然后第二油压泵对刚性水压罐12施加水压，水压值由水压表13控制与读取。

在本发明中，刚性输水垫块出水孔有表面制一圆形凹槽用于放置橡胶圈，刚性输水垫块11与刚性水压罐12由紫铜管相连。油压泵5与刚性水压罐12相连且对其施加水压。水压表13连接在刚性水压罐12上，保持装置以及与试样顺畅，水压表13读数值即是试样孔隙水压。

位移传感器支架9固定于压力感应器上，分别在水平与竖直方向设置传感器夹孔，用于试验过程中夹住传感器，且夹孔可以沿着固定杆移动。由于轴向压力使得试件中心位置固定以及底部滚针滑轮作用，侧向传感器可测压板4的侧向位移，即可准确测得岩样的侧向位移。

侧向加压平台2为可调节多功能底座，可调节多功能底座可调节高度以适应不同试件的高度差异，且中间预留孔洞用于放置单轴压缩试验机的底部平台，可辅助国内大多单轴试验机使用。该底座由水平检测尺保证其水平。

该装置底板10与盖板分别放置于试件底部与顶部，底部安置于单轴试验机平台上，顶部盖板与单轴压缩试验机轴向压头接触承受荷载。

本装置作为双轴试验中的辅助系统，由第一油压泵5提供侧向荷载，通过套杆3固定的压板4位移提供侧向荷载，从而对岩样施加侧向荷载。侧向位移以压板4位移为准，轴向位移由原有的单轴压缩试验方法确定。侧向荷载由压力感应器感知并转换为电信号由电子显示器显示。

本装置配合RMT-150B岩石力学试验系统的操作方法及使用原理如下。(以定侧压逐步增轴压的应力路径为例)

使用方法：

(1)将切制或者浇筑的类材料型长方体试样放置于有底板10、盖板与夹板构成的长方体空间中；

(2)将底板10与刚性输水垫块11放置于岩样底部与顶部，刚性输水垫块11出水孔需对准试验进水通道；

(3)放置好岩样首先施加试件轴向荷载，加载到2～3MPa为宜，以达到固定试件的目的且压缩橡胶圈使输水装置与试样进水管密封，随后可施加试验需要的水压；

(4)随后利用第一油压泵5施加侧向荷载，侧压加载速率由试验人员手动控制，加载过程中，需根据电子压力显示器加载到设定的数值1％～2％以达到固定的作用；

(5)轴向和侧向各方向以相应的以低压固定好后安装位移传感器，轴向位移传感器感应头与轴向盖片相接触，侧向传感器感应头与压板4相接触，如图2所示。传感器装上后，根据“自检查”状态下所显示的读数值，将位移传感器调整到合适的位置。(本例RMT-150读数值由红色变为蓝色即表示位移传感器安装到位)位移传感器必须夹紧，否则，在试验过程中可能会出现失控；

(6)安装好位移感应器后可按设定的应力路径进行加载，本例首先对侧向进行预压，加载到设定数值后保持常压，继而进行轴向加载；

(7)由于本装置加载空间属于半开放，所以进行各向加载过程中，可使用高速摄像机对试件的裂纹和变形破坏过程进行拍摄观察和记录；

(8)本装置在荷载施加过程中可任意的进行暂停、卸荷等操作，灵活应对不同的试验要求以及工程概况。

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 (6)

1.一种可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置，其特征在于：包括左固定板、右固定板和位于左固定板与右固定板之间的压板，所述左固定板和右固定板通过平行设置的若干个圆柱形的导向杆连接，所述压板套在导向杆上，在压板与右固定板之间设有第一油压泵，通过第一油压泵的作用带动压板的移动，所述左固定板与压板之间安装有容纳试样的试样盒，试样盒与左固定板之间安装有检测试样盒压力的压力传感器，在试样盒上安装有检测岩石轴向位移与水平位移的位移传感器，试样盒内的试样预设有通水管道，试样底部放置有底板，顶部有刚性输水垫块，刚性输水垫块设有出水口，出水口朝向试样的一端为环形凹槽，环形凹槽内安装有O型垫圈，出水口另一端与通水管道对齐，刚性输水垫块的出水口与刚性水压罐连接，刚性水压罐与第二油压泵连接，试样底部安置于单轴压缩试验机平台上，顶部刚性输水垫块与单轴压缩试验机轴向压头接触，承受荷载。

2.根据权利要求1所述的可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置，其特征在于：所述试样盒包含左侧夹板、右侧夹板、底板和刚性输水垫块，岩石位于左侧夹板、右侧夹板、底板和刚性输水垫块形成的到空腔中，左侧夹板与压板相连接，在左侧夹板和盖板上均设有位移传感器。

3.根据权利要求2所述的可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置，其特征在于：所述右侧夹板通过第一万向头与压板连接，左侧夹板通过第二万向头与压力传感器连接。

4.根据权利要求2所述的可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置，其特征在于：所述左侧夹板和刚性输水垫块上的位移传感器均与支架连接，支架安装在右固定板上。

5.根据权利要求1所述的可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置，其特征在于：所述压板上安装有套杆，套杆通过线性轴承安装在导向杆上。

6.根据权利要求1所述的可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置，其特征在于：所述左固定板和右固定板均通过滚轮安装在侧向加压平台上。

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