CN106969742B - 一种柱状类岩石材料侧向变形测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柱状类岩石材料侧向变形测量装置和测量方法，测量装置包括固定装置、传动装置和测量装置，测量方法为：通过传动装置将试样在变形过程中产生的径向位移以及试样轴向变形引起装置产生的轴向误差位移通过传动装置转化为垂直传动杆的轴向位移d₂；传动装置包括置于岩石柱侧壁的水平传动杆、与水平传动杆远离试样的一端相连的倾斜挡板和与倾斜挡板上端面相接触的垂直传动杆，倾斜挡板与水平方向的夹角为θ，d₂为垂直传动杆的轴向位移；由位移测量装置测量试样变形过程中的轴向误差位移d₁；通过d₁、d₂和θ得出试样的径向位移。本发明利用传动装置将试样在变形过程中产生的径向位移和轴向误差位移均转换为垂直传动杆的轴向位移，抗干扰性强。

Description

一种柱状类岩石材料侧向变形测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种变形测量装置及测量方法，尤其涉及一种柱状类岩石材料侧向变形测量装置及测量方法。

背景技术

目前，在岩石力学常规三轴试验中，柱状试样的侧向变形测量灵敏度和精度一直是备受关注的问题，柱状试样的侧面为曲面，直接测得试样直径的变化值存在难度，由于试样侧向变形的非均匀性，对于提高环向变形测量的精准度一直是个难题。现有技术中一类采用测量试样某一水平面上周长的变化值间接得到试样的侧向变形。采用贴变形片式的环向位移传感器，将环向位移转化为桥路电阻电压变化值输出，固定方式一般采用链式、钢丝绳式、箍圈式。在使用过程中发现，变形片式环向位移传感器存在量程范围小，可调控性小，变形片电阻对温度敏感，输出电信号受温度影响大，数据波动性大，且使用一段时间后测量灵敏度和精度降低，使用寿命短的问题。现有技术中钢丝绳式的固定方式在预紧固定过程中需保持较大牵引力将钢丝绳拉紧，操作费时费力。现有技术中还有一类采用位移传感器对顶方式直接测量试样变形过程径向位移，由于位移传感器与试样侧面是点点接触，一方面点接触在试样非均匀变形时因装置自身重量容易出现脱离或传感器轴线方向偏离径向等问题，导致测量误差增大，同时易损坏位移传感器的顶头，另一方面需要的水平方向空间大，在一些空间局限的围压室内不适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的缺陷，提供一种柱状类岩石材料侧向变形测量装置，直接测量试样变形产生的径向位移。

为解决上述问题，所采取的技术方案为：一种柱状类岩石材料侧向变形测量装置，包括

固定装置，所述的固定装置包括用于放置样品的载物台和水平套于试样外围的水平约束环，所述的水平约束环上设置有与试样径向方向一致的筒形滑轨；

传动装置，所述的传动装置包括水平传动杆和垂直传动杆，所述的水平传动杆置于所述的水平约束环的上方，所述的水平传动杆一端固定连接支承板、一端穿过筒形滑轨固定连接倾斜挡板，所述筒形滑轨的内径与水平传动杆的直径相当，所述的支承板在测量过程中与试样侧壁紧密贴合，所述的支承板呈中心对称设置在样品的周向位置，所述的倾斜挡板与水平方向呈倾斜设置，所述倾斜挡板与水平面的交线垂直于所述的水平传动杆；所述的垂直传动杆一端与倾斜挡板接触，一端与测量装置连接，所述的支承板与所述的水平约束环之间还设有处于预紧状态的弹性部件；

测量装置，所述的测量装置包括在竖直方向放置的第一位移传感器和第二位移传感器，所述第一位移传感器的探头与所述水平约束环背向水平传动杆的一面接触，所述第二位移传感器的探头与垂直传动杆接触。

进一步的，所述的第一位移传感器和所述的第二位移传感器分别通过第一固定模块和第二固定模块固定在固定杆上，所述的固定杆固定在所述的载物台上，所述的第二固定模块上设置有竖直约束套筒，所述的竖直约束套筒下端孔径与垂直传动杆杆径相当，所述的垂直传动杆靠近第二位移传感器的一端设有两平行圆盘，所述的第二位移传感器和所述的两平行圆盘置于竖直约束套筒内。

进一步的，所述的竖直约束套筒侧壁设有用于保持套筒内外压平衡的开孔。

进一步的，所述的支承板、所述的第二位移传感器和所述的固定杆均设置4个，所述的第二固定模块设置一个且固定在其一的固定杆上。

进一步的，所述的位移传感器为LVDT直线位移传感器。

进一步的，所述的倾斜挡板与水平方向呈45°夹角设置，所述的支承板为弧形弯板，所述弧形弯板的曲率与试样的侧壁曲率一致，所述的支承板置于试样的中间位置处，所述的弹性部件为弹簧。

进一步的，所述的倾斜挡板下端面竖向设置有转接块，所述的转接块上设有与水平传动杆相对应的固定孔，所述的水平传动杆连接倾斜挡板的一端设有螺纹，所述的水平传动杆通过固定孔和螺母固定在倾斜挡板上。

进一步的，每个所述的支承板与倾斜挡板之间均连接有两个相互平行的水平传动杆，所述的筒形滑轨含两个，所述的筒形滑轨焊接在水平约束环朝向水平传动杆的一侧，所述的弹性部件置于两平行水平传动杆的中间位置且与水平传动杆平行。

本发明公布了一种基于上述变形测量装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)组装支承板、挡板、水平约束环和水平传动杆；

(2)放置试样，并将步骤1中的组装件上的支承板固定试样中部，使若干支承板处于同一水平面；

(3)安装固定杆、第一位移传感器、第二位移传感器和垂直传动杆；保证垂直传动杆的顶头可落在挡板上并可以在一定范围内滑动；

(4)对试样施加应变并记录第一位移传感器和第二位移传感器的位移变化，利用公式Δd＝(d₂-d₁)/tanθ计算试样的径向位移，d₁为第一位移传感器的位移变化值、d₂为第二位移传感器的位移变化值，θ为倾斜挡板与水平方向的夹角；

(5)试验结束，按顺序拆卸第二位移传感器、第二固定模块、取下步骤1中的组装件、取下试样、拆卸第一位移传感器、第一固定模块、旋下固定杆。

本发明所产生的有益效果：1)本发明采用几个相同支承板与试样侧面贴合，利用弹性部件将装置固定在试样侧面，附着在试样侧面的装置自身重量轻，且支承板与试样侧面摩擦力大，使用过程不存在脱离或者传动杆轴线偏离径向的问题。

2)本发明采用几块相互独立的支承板贴合试样侧面一周，可将试样变形过程中径向位移反馈到传动装置，能够较全面地反应试样侧面变形情况。

3)传动装置中包含径向的水平传动杆和垂直传动杆，且利用挡板将位移转化为垂直传动杆竖直方向的位移，抗干扰性强。

4)本发明可在密闭小空间范围内工作，适用性强。

5)本发明采用高精度的位移传感器直接测得径向位移，灵敏度高。

6)装置在工作过程受温度影响极小，对实验室温度控制要求低。

7)本发明可结合常规三轴试验仪实现对试样三轴压缩过程的径向位移的测量，从而得到侧向变形值。

附图说明

图1，本发明的结构示意图；

图2，本发明的正视图；

图3，本发明的右视图；

图4，本发明的俯视图；

图5，本发明传动装置与测量装置的局部示意图；

图6，本发明各装置的位置关系图；

图7，本发明的45°挡板、垂直传动杆、LVDT1接触关系图；

图8，本发明的支承板、水平传动杆、筒形滑轨的位置关系示意图；

图9，本发明的弹簧装配示意图；

图10，倾斜挡板结构示意图；

图11，径向位移计算原理图；

图中：1试样，2支承板，3滑轨，4水平约束环，5水平传动杆，6挡板， 7转接块，7a固定孔，8垂直传动杆，8a平行圆盘，9竖直约束套筒， 9a开孔，10第一固定模块，10a第一通孔，10b第二通孔，11第二固定模块，11a第三通孔，12固定杆，13第一位移传感器，14第二位移传感器，15第一固定螺丝，16弹簧，第一圆柱体16a、第二圆柱体16b、 17载物台，18下压头，19固定螺丝。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式和附图对本发明做进一步的解释说明。如图1-10所示，一种柱状类岩石材料侧向变形测量装置，包括固定装置、传动装置、测量装置和轴向约束装置，固定装置包括载物台和置于载物台上端的下压头；传动装置包括水平传动杆5、倾斜挡板6、垂直传动杆8、支承板2和弹簧16，轴向约束装置由竖直约束套筒9、第一固定模块10、第二固定模块11、固定杆12组成，测量装置由第一位移传感器13和第二位移传感器14组成；支承板2与岩石试样1侧面完全贴合，背面中部与两根水平传动杆5的一端部固定，水平传动杆5穿过筒形滑轨3，其另一端插入倾斜挡板6上转接块7的圆形通孔7a，通过第一固定螺丝15与倾斜挡板6固定；支承板2背面中部通过弹簧16与筒形滑轨3端部连接；垂直传动杆8顶头与倾斜挡板6接触，其底部设置两个直径相同的圆盘8a，置于竖直约束套筒9中；第二位移传感器14 置于竖直约束套筒9中，探头与垂直传动杆8顶端圆盘8a接触，第二固定模块11将竖直约束套筒9固定在固定杆12上的标定位置，第一位移传感器13探头与水平约束环4接触，第一固定模块10将第一位移传感器13固定在固定杆12上，固定杆12端部通过螺纹与载物台连接；岩石试样1侧面变形，支承板2产生位移，在弹簧16作用下始终保持与试样侧面贴合，通过传动装置将支承板2产生的水平径向位移转化为垂直传动杆的位移传递到第二位移传感器14，试样的轴向变形引起水平约束环4产生的轴向位移由第一位移传感器13测出，从而得到径向位移，第一位移传感器13和第二位移传感器14均为LVDT直线位移传感器。

本实施例中，以标准圆柱形岩石试样1的单轴压缩试验为例，装置支承板2的圆弧半径选用25mm，保证支承板2可以与试样侧面完全贴合，提高装置测量的准确性；支承板2宽度选用20mm，可放置在试样中部的高度四分之一的范围内，可排除试样端部效应对侧向变形测量的影响。装置采用4块相同的相互独立的支承板2对称分布在试样中部一周，对应4个传动装置和4个第二位移传感器14；装置选用1个误差补偿位移传感器即第一位移传感器13；本实施例装置采用的合金材料密度小，硬度大，在高压环境下不会产生变形。

本实施例中，所述两根水平传动杆5相互平行，对称固定在支承板2背面中部，杆轴线在同一水平面上，且在同一水平面上对称轴过支承板2中心、试样轴心，使得传动装置传递的物理量为试样的径向位移。

本实施例中，所述筒形滑轨3下端焊接在水平约束环4上，滑轨 3轴心与水平传动杆5轴心重合，滑轨3内径与水平传动杆5直径相等，接触面光滑，且只允许水平传动杆5沿其轴线方向运动，支承板 2和滑轨3的约束作用可保证装置安装的水平状态。

本实施例中，所述支承板2背面中心位置，即两水平传动杆5对称中心，设置第一圆柱体16a，所述水平约束环4上两筒形滑轨3对称中心水平设置第二圆柱体16b，两个圆柱体尺寸相同，且轴心重合，直径与弹簧16内径相等，弹簧16两端可套入圆柱体做沿其轴向伸缩，起到保持支承板2始终与试样侧面贴合，维持装置不脱离试样的作用。装置安装到试样上后，两圆柱体端面最近距离约10mm，水平约束环4 内径选用70mm，为水平传动杆5滑动留出空间。

本实施例中，所述水平约束环4为整体圆环，内径大于岩石试样1 直径，环宽度大于筒形滑轨3长度，水平约束环4保证了装置的整体性，使得支承板2固定的高度在同一水平。

本实施例中，所述挡板6选用45°的倾斜挡板6，挡板选用矩形挡板，下端设置长方体转接块7，转接块7与挡板6一体成型，转接块7 水平方向设置两个圆形通孔7a，通孔直径与水平传动杆5直径相等，轴线与水平传动杆5轴线重合，水平传动杆5端部直径小于杆直径，允许水平传动杆5插入通孔；转接块7下端面低于水平约束环4下端面，在弹簧16作用下转接块7可被水平约束环4阻挡，起到限位作用。

本实施例中，所述水平传动杆5端部近转接块7端轴向设置内置螺纹，第一固定螺丝15可旋入将水平传动杆5与45°挡板6固定，第一固定螺丝15的螺丝头直径大于通孔直径。

本实施例中，所述45°挡板6与垂直传动杆8顶头接触的平面为光滑平面，且与水平方向成45°倾斜角，起到将水平径向位移转化为竖直方向位移的作用。

本实施例中，所述垂直传动杆8与45°挡板6接触的顶头为光滑的圆球面，减小摩擦，可在挡板斜面上自由滑动，垂直传动杆8底部设置的两直径相同的平行圆盘8a，置于竖直约束套筒9中，直径与约束套筒内径相等，接触面光滑，垂直传动杆8轴线垂直于水平约束环4 平面，且只做轴向运动。

本实施例中，所述竖直约束套筒9轴心与垂直传动杆8重合，在其下端中心设置圆形通孔，孔径与垂直传动杆8的杆径相等。

本实施例中，所述竖直约束套筒9侧面等间隔开孔9a，孔间距小于垂直传动杆8两圆盘间距，保持竖直约束套筒9的内外压相等。

本实施例中，所述竖直约束套筒9侧面设置固定螺丝，可将第二位移传感器14固定在竖直约束套筒9内。

本实施例中，所述第二固定模块11端部轴向设置第三通孔11a，孔径与固定杆12直径相等，侧面设置固定螺丝，可将第二固定模块11 固定在杆上。

本实施例中，所述第一固定模块10两端轴向分别设置第一通孔 10a、第二通孔10b，第一通孔10a孔径与固定杆12直径相等，第二通孔10b孔径与第一位移传感器13直径相等，通孔侧面分别设置固定螺丝。

本实施例中，所述第二位移传感器14直径与竖直约束套筒9内径相等，第二位移传感器14顶头与垂直传动杆8底端圆盘8a接触。

本实施例中，所述固定杆12下端部设置螺纹，可旋入载物台17 上对称设置的螺孔内，固定杆12轴心垂直于载物台17上端面。

本实施例中，所述弹簧16的劲度系数满足：装置安装到试样上后，弹簧16处于预紧状态，使支承板2与试样侧面的摩擦力大于第二位移传感器14探头的压力与垂直传动杆8自重之和，防止装置脱落。

该装置的基本工作原理为：根据装置支承板2和传动装置的特征，试样侧向变形产生的径向位移传递到支承板2，通过传动装置将径向位移、轴向误差位移均转变为轴向传递到第二位移传感器14输出，通过第一位移传感器13输出值测得轴向误差位移，从而得到径向位移。

本实施例中，以标准圆柱形岩石试样1Φ50×100的单轴压缩试验为例，试验在常规三轴压缩仪上进行，将本装置结合仪器使用实现对试样圧缩过程中的径向位移的测量，其使用方法如下：

1将支承板、水平传动杆、挡板和水平约束环组装在一起；

2将固定杆12旋入载物台17固定，选择一根固定杆12安装第一固定模块10，要求第一固定模块10上端面高度低于预估试样中部高度，即低于下压头18高度与试样一半高度之和，为第一位移传感器13留出工作空间，将第一位移传感器13装入第二通孔10b，用固定螺丝固定。

3拉开支承板2，将水平约束环4套入试样，在试样中部位置松开支承板2，使得支承板2与试样侧面完全贴合，此时水平约束环4 处于水平状态，弹簧16处于预紧状态，将装置固定在试样侧面中部，随试样运动。

4将试样整体安装到载物台17上，试样下端面与下压头18接触，调整挡板6位置，使得处于轴对称的两挡板6中心连线与固定杆12轴线相交，保证垂直传动杆8的顶头可落在挡板上并可以在一定范围内滑动，此时第一位移传感器13与水平约束环4接触，记录初始值d₁₀。

5将第二固定模块11套入固定杆12，使得垂直传动杆8一端与挡板接触并顶上一段距离后，旋紧螺丝固定位置，将第二位移传感器14 装入竖直约束套筒9，第二位移传感器14的探头与垂直传动杆8接触，并记录初值d₂₀。

6试样发生变形，记录第一位移传感器的终值d₁₁和第二位移传感器的终值d₂₁，并计算得出试样的径向位移。

7试验结束，按顺序拆卸第二位移传感器14、第二固定模块11；从载物台17上取下试样，拉动支承板2，使得装置与试样分离；拆卸第一位移传感器13、第一固定模块10，最终旋下固定杆12，完成装置拆卸。

上述步骤5中的计算方法为Δd＝((d₂₁-d₂₀)-(d₁₁-d₁₀))/ tanθ，该公式中的d₁₀为第一位移传感器的初值，d₁₁为第一位移传感器的终值，d₂₀为第二位移传感器的初值，d₂₁为第二位移传感器的终值，θ为倾斜挡板与水平方向的夹角，该公式的推导过程如下：如图 11所示，水平传动杆产生的位移可分解为试样在变形过程中发生的轴向误差位移d1和径向位移Δd，由位移关系可得垂直传动杆的位移 d₂：d₂＝Δdtanθ-(-d₁)＝Δdtanθ+d₁

Δd＝(d₂-d₁)/tanθ

d₁＝d₁₁-d₁₀；d₂＝d₂₁-d₂₀

故Δd＝((d₂₁-d₂₀)-(d₁₁-d₁₀))/tanθ。

若倾斜挡板与水平方向的夹角为45°，则：Δd＝(d₂₁-d₂₀)- (d₁₁-d₁₀)。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种柱状类岩石材料侧向变形测量装置，其特征在于：包括固定装置，所述的固定装置包括用于放置样品的载物台和水平套于试样外围的水平约束环，所述的水平约束环上设置有与试样径向方向一致的筒形滑轨；

传动装置，所述的传动装置包括水平传动杆和垂直传动杆，所述的水平传动杆置于所述的水平约束环的上方，所述的水平传动杆一端固定连接支承板、一端穿过筒形滑轨固定连接倾斜挡板，所述筒形滑轨的内径与水平传动杆的直径相当，所述的支承板在测量过程中与试样侧壁紧密贴合，所述的支承板呈中心对称设置在样品的周向位置，所述的倾斜挡板与水平方向呈倾斜设置，所述倾斜挡板与水平面的交线垂直于所述的水平传动杆；所述的垂直传动杆一端与倾斜挡板接触，一端与测量装置连接，所述的支承板与所述的水平约束环之间还设有处于预紧状态的弹性部件；

测量装置，所述的测量装置包括在竖直方向放置的第一位移传感器和第二位移传感器，所述第一位移传感器的探头与所述水平约束环背向水平传动杆的一面接触，所述第二位移传感器的探头与垂直传动杆接触。

2.根据权利要求1所述的柱状类岩石材料侧向变形测量装置，其特征在于：所述的第一位移传感器和所述的第二位移传感器分别通过第一固定模块和第二固定模块固定在固定杆上，所述的固定杆固定在所述的载物台上，所述的第二固定模块上设置有竖直约束套筒，所述的竖直约束套筒下端孔径与垂直传动杆杆径相当，所述的垂直传动杆靠近第二位移传感器的一端设有两平行圆盘，所述的第二位移传感器和所述的两平行圆盘置于竖直约束套筒内。

3.根据权利要求2所述的柱状类岩石材料侧向变形测量装置，其特征在于：所述的竖直约束套筒侧壁设有用于保持套筒内外压平衡的开孔。

4.根据权利要求2所述的柱状类岩石材料侧向变形测量装置，其特征在于：所述的支承板、所述的第二位移传感器和所述的固定杆均设置4个，所述的第二固定模块设置一个且固定在其一的固定杆上。

5.根据权利要求1所述的柱状类岩石材料侧向变形测量装置，其特征在于：所述的位移传感器为LVDT直线位移传感器。

6.根据权利要求1所述的柱状类岩石材料侧向变形测量装置，其特征在于：所述的倾斜挡板与水平方向呈45°夹角设置，所述的支承板为弧形弯板，所述弧形弯板的曲率与试样的侧壁曲率一致，所述的支承板置于试样的中间位置处，所述的弹性部件为弹簧。

7.根据权利要求6所述的柱状类岩石材料侧向变形测量装置，其特征在于：所述的倾斜挡板下端面竖向设置有转接块，所述的转接块上设有与水平传动杆相对应的固定孔，所述的水平传动杆连接倾斜挡板的一端设有螺纹，所述的水平传动杆通过固定孔和螺母固定在倾斜挡板上。

8.根据权利要求1-7任一项所述的柱状类岩石材料侧向变形测量装置，其特征在于：每个所述的支承板与倾斜挡板之间均连接有两个相互平行的水平传动杆，所述的筒形滑轨含两个，所述的筒形滑轨焊接在水平约束环朝向水平传动杆的一侧，所述的弹性部件置于两平行水平传动杆的中间位置且与水平传动杆平行。

9.一种基于权利要求1所述柱状类岩石材料侧向变形测量装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)组装支承板、挡板、水平约束环和水平传动杆；

(2)放置试样，并将步骤1中的组装件上的支承板固定试样中部，使若干支承板处于同一水平面；

(3)安装固定杆、第一位移传感器、第二位移传感器和垂直传动杆；保证垂直传动杆的顶头可落在挡板上并可以在一定范围内滑动；

(4)对试样施加应变并记录第一位移传感器和第二位移传感器的位移变化，利用公式(d₂-d₁)/tanθ计算试样的径向位移，d₁为第一位移传感器的位移变化值、d₂为第二位移传感器的位移变化值，θ为倾斜挡板与水平方向的夹角；

(5)试验结束，按顺序拆卸第二位移传感器、第二固定模块、取下步骤1中的组装件、取下试样、拆卸第一位移传感器、第一固定模块、旋下固定杆；所述第一固定模块用于固定所述第一位移传感器，所述第二固定模块用于固定所述第二位移传感器；

所述的第一位移传感器和所述的第二位移传感器分别通过第一固定模块和第二固定模块固定在固定杆上，所述的固定杆固定在所述的载物台上。