CN107991176A - 一种岩石三轴的拉伸试验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种岩石三轴的拉伸试验装置及其方法，包括加载平台随作动器活塞自由运动的随动联锁装置、台阶式条形滑动轨道和安装于试验机三轴室内的多自由度轴向直接拉伸夹具。该装置结构简单、设计合理且加工制作及使用操作简便，通过随动联锁装置与多自由度轴向直接拉伸夹具使只能进行岩石试件三轴压缩试验的MTS815型等岩石三轴压缩试验机能方便快捷、稳定可靠地完成各种复杂条件下的岩石三轴拉伸力学特性的测试研究。
Description
一种岩石三轴的拉伸试验装置及其方法
技术领域
[0001] 本发明涉及岩石力学测试技术领域，尤其是涉及一种岩石三轴的拉伸试验装置及 其方法。
背景技术
[0002] 在地下工程设计和施工中，岩石的抗拉强度是一个非常重要的力学指标。地下工 程围岩体常处于复杂的应力状态，有的部位则处于压缩应力状态，有的地方处于拉伸应力 状态，由于岩石的抗拉强度远低于抗压强度，所以围岩总是从拉应力区开始破坏。因此，正 确进行地下围岩体应力状态区域划分，即破坏危险区的确定是地下工程围岩稳定性分析评 价的关键，而岩石抗拉强度又是确定工程围岩破坏区的基础资料之一。目前，岩石抗拉强度 的室内测定方法有直接拉伸法和间接拉伸法两大类。由于直接拉伸试验一般存在偏心拉 伸、夹具端部应力集中、试件加工难等问题对测试结果的准确性造成较大影响，所以一直未 能在岩石力学测试领域大规模推广使用，通常采用间接的劈裂拉伸法代替，但研究表明劈 裂拉伸等间接法所测数据与岩石抗拉强度的真实值间仍有不小的偏差，因此，近十几年不 少学者尝试研制各种直接拉伸装置进行岩石的直接拉伸性能测试，取得了一系列研宄成 果，但这些研究基本都集中在单轴拉伸状态下。
[0003] 而对于实际的地下岩体工程，尤其是深部地下岩体工程，其承受着较复杂的应力 状态，有些关键部位，比如开挖巷道的近临空面岩体，在开挖卸荷后，承受两向受压一向受 拉的应力状态，并在这种三轴拉伸应力状态(双向受压，单向受拉)下发生破坏，因此，有必 要深入相关测试研究工作。但目前国内外尚无能对岩石进行三轴拉伸性能测试的专用仪器 设备，仅有个别学者利用简易自制设备开展了少量的研宄工作。美国MTS 815型试验机是研 宄岩石力学性能参数的一款高端大型仪器设备，它可以对岩石进行复杂的三轴压缩测试， 但无法进行三轴拉伸测试。本发明以MTS 815型试验机为基础，研制相关配套装置和夹具， 使之具有三轴直接拉伸功能。
发明内容
[0004]本发明提供一种岩石三轴的拉伸试验装置及其方法，所提供的装置结构简单、设 计合理且加工制作及使用操作简便，通过随动联锁装置与多自由度轴向直接拉伸夹具等使 只能进行岩石试件三轴压缩试验的MTS815型等岩石三轴压缩试验机能方便快捷、稳定可靠 地完成各种复杂条件下的岩石三轴拉伸力学特性的测试研宄，对地下岩体工程的科学合理 设计施工具有重要意义。
[0005]本发明的一种技术方案是这样实现的：一种岩石三轴的拉伸试验装置，包括随动 联锁装置、台阶式条形滑动轨道和多自由度轴向直接拉伸夹具，所述随动联锁装置设置于 所述三轴拉伸夹具的下方；
[0006]所述随动联锁装置包括两个水平设置的刚性横板，放置于所述加载平台与作动器 活塞之间，每一所述横板上均固定安装有前后两组L形限位角铁，所述限位角铁用于连接所 述加载平台与横板;两所述横板的底部通过内凹台阶孔中的内六角短螺栓连接固定在给试 验机加载平台提供位移动力的作动器活塞的上端盖上；
[0007] 多自由度轴向直接拉伸夹具包括一对轴向夹头和2个图章形粘结垫块，位于上方 的轴向夹头主体结构为一多自由度万向节，所述万向节上部分与上联结块连接，上联结块 与试验机的载荷传感器连接;所述万向节下部加工有一 T形滑槽，位于下方的所述轴向夹头 连接有下联结块，其上也设有一 T形滑槽，所述的两个个图章形粘结垫块，一端与圆柱体岩 石试件上下端面牢固胶结，另一端可分别卡入万向节、下联结块的T形滑槽内。
[0008] 作为一种优选的技术方案，所述下联结块与加载平台的连接部通过螺丝固定连 接，且所述下联结块与加载平台的连接部直径相同，所述多自由度轴向直接拉伸夹具与随 动联锁装置连为一体。
[0009] 作为一种优选的技术方案，所述下联结块与上联结块的直径相等，所述上联结块 与试验机的载荷传感器进行螺丝固定连接，使得三轴拉伸夹具与试验机连为一体。
[0010] 作为一种优选的技术方案，所述滑动轨道为台阶式条形滑动轨道，用于加载平台 在滑槽处移动，且预留加载平台与作动器活塞的空间，便于横板放置。
[0011] 作为一种优选的技术方案，所述测试岩样的直径与所述图章形粘结垫块的直径相 适配。
[0012] 本发明的另一种技术方案是这样实现的：一种岩石三轴拉伸试验方法，包括以下 步骤：
[0013] 步骤1、岩石试件准备;将待测试圆柱体岩石试件的上下两个端面用高强度胶粘接 于所述图章形粘结垫块之间，并使岩石试件与两个图章形粘结垫块的中心保持在同一轴线 上;待高强度胶凝固后，在图章形粘结垫块的尾部圆柱体环形凹槽处安装0形橡胶圈；在图 章形粘结垫块与被测试岩样一体的装置上套上热缩管，热缩管的长度要足以覆盖测试岩样 与0形橡胶圈；用热风枪从中间向两边加热热缩管，使之均匀收缩并紧密的贴合于被测试岩 样与上下图章形粘结垫块的表面；
[0014] 步骤2、拉伸装置安装;首先进行随动联锁装置的安装:1)安装台阶式滑动轨道，将 加载平台后推至最里侧，露出试验机作动器活塞的上部端盖;2)将带有内置台阶螺孔的横 板用短螺杆固定作动器活塞的上部端盖上;3)加载平台推回至原位，用L形限位角铁上的长 螺杆和短螺杆将横板紧固到加载平台上，这样加载平台、横板和作动器活塞就实现了联锁， 即加载平台可与作动器活塞同步运动，实现联锁随动;随后进行三轴室内的拉伸夹具安装： 1)用均布小螺栓将上联结块安装在试验机的载荷传感器上;2)将含万向节的上部夹头通过 轴向螺纹与上联结块连接;3)利用均布小螺栓将下联结块固定于加载平台上表面的中心位 置;4)将与被测试岩样粘接的图章形粘结垫块挂接于下联结块与万向节的T型滑槽处，调整 万向节保证万向节、图章形粘结垫块、被测试岩样和下联结块的中心位于同一轴线上;这样 就完成了拉伸装置的安装；
[0015]步骤3、试验测试；1)被测试岩样安装完毕后，拔下三轴室插销，将三轴室平稳落到 加载平台上;将其周围的粗螺钉紧固，形成内部密闭空间；2)对三轴室腔体内进行注油；3) 注油完毕后，对被测岩样施加需要的围压值;4)最后，采用轴向位移控制模式(也可采用应 力或应变控制模式），以规定的加载速率对被测试岩样施加轴向拉伸载荷，直到岩样断裂破 坏。加载过程中由控制电脑实时记录载荷、位移等原始数据;5)实验完毕后进行回油操作， 打开三轴室，取下岩样，然后对试样的断裂面进行观察、拍照和记录等；
[0016] 步骤4、数据处理:试验结束后，试验数据会自动保存在指定文件夹内，数据主要包 括时间、位移、载荷、围压参数;利用这些参数根据研究目的进彳于计算分析，得出不同围压条 件下岩石试件的三轴直接拉伸力学特性及规律。
[0017] 作为一种优选的技术方案，所述粘接所用试剂为3M胶;所述3M胶包括粘接剂和固 定剂。
[0018] 采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：
[0019] 1，所采用的岩石三轴拉伸装置结构简单且制作简便，投入成本较低。同时，该拉伸 试验装置拆装方便，轻便小巧，并且能够重复使用。
[0020] 2,所采用的拉伸试验装置设计合理，包括图章形粘结垫块、万向节及上下联结块 的竖向加载装置，万向节具有多个自由度，便于调节与下联结块、被测试岩样在同一轴线 上。
[0021] 3,所采用的拉伸装置适用于不同类型的被测试岩样，结构简单、安装方便且投入 成本低，使用过程中操作简便且实用价值高，无污染，对周围环境影响小，并且试验时压力 由竖向加载装置的测力装置直接读出，推广应用前景广泛。
[0022] 4,所采用的三轴拉伸试验装置使用操作简便且使用效果好，通过夹头直接与被测 试岩样进行粘接，实验之前只需对断面进行清油处理，能简便、快速完成三轴拉伸试验。
[0023] 5,所采用的三轴拉伸试验装置测试效率高且测试结果准确，测试过程易于控制。
[0024] 6，所采用的三轴拉伸试验方法步骤简单、设计合理且实现方便、可操作性强、试验 成本较低、使用效果好，试验方式灵活，根据实际需要，能测出不同围压值的拉伸强度，拉伸 试验过程易于控制。
[0025] 7,适用范围广，能有效适用于大理岩、花岗岩、砂岩等不同种类的岩石三轴拉伸试 验过程。
[0026] 综上所述，本发明设计合理、实现方便且投入成本较低、所用时间短、使用效果好， 能简便、快速完成岩石的三轴拉伸试验过程，并能对断裂面进行细致分析。
附图说明
[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。
[0028] 图1为本发明实施中三轴拉伸试验装置的结构示意图。
[0029] 图2为本发明实施中三轴拉伸夹具装置的结构示意图。
[0030] 图3为本发明实施中随动联锁装置的结构示意图。
[0031] 图4为本发明实施中万向节的结构示意图。
[0032] 图5为本发明实施中夹头的结构示意图。
[0033] 图6为本发明实施中上联结块的结构示意图。
[0034] 图7为本发明实施中下联结块的结构示意图。
[0035] 图8为本发明实施中横板结构示意图。 LUU°°」 陰^73本友明头施干僧胡机項铦构示意图。
[0037]图10为本发明实施中竖板结构示意图。 _8]财：1_岩石^式件;2_图章形粘结塾块;3__嫌圈;4_万向节;5_上联结块;6_下 联结块;7-T形滑槽;8-粘接剂;9-竖向螺孔;;L0-加载平台；n_竖向螺杆；12_L形限位角铁； 13-台阶式条形滑动轨道;14-横板；15-作动器活塞；16_载荷传感器;17_三轴室；18_试验机 外框架。
具体实施方式
[0039]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0_]根据实验要求，被测试岩样的尺寸规格可以有两种选择，分别为：50X 100mm或30 X lOOram (狗骨头状）。该试验装置能够满足被测试岩样丨在三轴状态下的拉伸试验要求。 [0041]如图1-10所示，一种岩石三轴的拉伸试验装置，包括随动联锁装置和多自由度三 轴拉伸夹具，所述随动联锁装置设置于所述三轴拉伸夹具的下方；
[0042]随动联锁装置包括两个水平设置的横板14,每一横板14上均固定安装有前后两个 竖向设置的L形限位角铁12，L形限位角铁12用于连接加载平台1〇与横板14,每一横板14的 一端部均设有一用于加载平台前后移动的台阶式条形滑动轨道13,两横板14放置于加载平 台10与作动器活塞15之间;两横板14的底部通过短螺栓连接有用于给试验机提供位移动力 的作动器活塞15;
[0043]多自由度三轴拉伸夹具包括一对用于固定测试岩样1的图章形粘结垫块2,位于上 方的图章形粘结垫块2连接有万向节4,万向节4连接有上联结块5,上联结块5与试验机的载 荷传感器16连接，位于下方的图章形粘结垫块2连接有下联结块6,万向头4与下联结块6均 设有一用于挂接图章形粘结垫块2的T型滑槽7。
[0044]下联结块6与加载平台10的连接部通过螺栓固定连接，且下联结块6与加载平台10 的连接部直径相同，多自由度三轴拉伸夹具与随动联锁装置连为一体。
[0045] 下联结块6与上联结块5的直径相等，上联结块5与试验机的载荷传感器I6进行螺 丝固定连接，使得三轴拉伸夹具与试验机连为一体。
[0046] 轨道13为台阶式条形滑动轨道，用于加载平台1〇在滑槽处移动，且预留加载平台 10与作动器活塞15的空间，便于横板14放置。横板14与作动器活塞15进行固定连接，保证同 步上下移动的功能;横板14与加载平台1〇之间使用L形限位角铁进行固定连接，从而保证横 板14、加载平台10和作动器活塞15同时上下移动。
[0047] 测试岩样1的直径与所述图章形粘结垫块2的直径相适配。
[0048] 图章形粘结垫块2主要与被测试岩样1进行粘接，传输轴向应力的作用，因此需要 保证粘接的强度要大于被测试岩样1的拉伸强度;其次被测试岩样1与图章形粘结垫块2保 持在同一轴线上，保证被测试岩样1的均匀受力。 _ 、
[0049] 万向节4主要与图章形粘结垫块2和上联结块5进行连接，万向节4具有多方向的自 由度，具有调节方向的作用，可以保证上下联结块和被测试岩样在拉伸时处于同一轴线处， 图章形粘结垫块2可以在万向节4的T型滑槽7内左右移动，以保证仪器装置处于同一轴线 处;万向节4上方的竖向螺纹主要与上联结块进行固定连接，具有传输应力的作用。
[0050] 所述上联结块5由周围等距的螺孔和中间的竖向螺孔9组成；周围的螺孔直径相 等，所述的竖向螺孔直径大于周围螺孔直径;所述下联结块包括周围等距的螺孔及一定高 度的T型滑槽7，所述T型滑槽7具有一定的高度并且要大于图章形粘结垫块2挂接部位;所述 万向节4由上方的竖向螺栓9及下方的T型滑槽7组成，所述T型滑槽7与图章形粘结垫块2的 上方挂接。上联结块5最主要的是与测试仪器的载荷传感器进行旋转连接，被测试岩样1所 受到应力通过载荷传感器传递到电脑上显示出来。
[0051] 下联结块6与图章形粘结垫块2和测试仪器的受力平台进行连接，首先是对下联结 块6进行固定作用，夹头可以在下联结块的T型滑槽内左右移动，以保证仪器装置处于同一 轴线处。
[0052] 将被测试岩样1与图章形粘结垫块2进行粘接，适用的粘接剂8为3M胶，待3M胶冷却 固定后;将上部的图章形粘结垫块2与万向节4的T型滑槽7进行挂接，保证有可移动的范围； 将下部的图章形粘结垫块2与下联结块的T型滑槽7进行挂接，同样保证有可移动的范围，便 于调节被测试岩样1与图章形粘结垫块2保持在同一轴线上;将万向节4与上联结块5进行螺 旋连接;将上联结块5与测试仪器的载荷传感器16进行螺旋固定连接;将下联结块6与测试 仪器的加载平台10进行螺旋固定连接。
[0053] 水平设置的横板14尺寸内部带有2个相同直径的螺孔，用于与作动器活塞15相连， 作动器活塞15为试验机提供位移动力。水平设置的横板14共有两个，螺孔与作动器活塞15 的螺孔相匹配;L形限位角铁12内置有两个竖向长螺杆11，竖向长螺杆共有两个，一个与横 板14相连固定，另外一个与加载平台10相连固定。
[0054] —种岩石三轴的拉伸试验，包括如下步骤：
[0055] 步骤1、试样粘接;将被测试岩样粘接于所述图章形粘结垫块之间，并使被测试岩 样与图章形粘结垫块保持在同一轴线上;待胶凝固后，在图章形粘结垫块的端口处安装〇型 橡胶圈；在图章形粘结垫块与被测试岩样一体的装置上套上热缩管，热缩管的长度要足以 覆盖测试岩样与0型橡胶圈；用热风机从中间向两边吹热缩管，保证热缩管能够很好的粘接 被测试岩样与上下图章形粘结垫块；
[0056] 步骤2、仪器安装;将滑动轨道、带有螺孔的水平设置的横板和L形限位角铁分别安 装在加载平台与作动器活塞处，组成随动联锁装置;将上联结块安装在载荷传感器处，用螺 丝与上联结块周围的螺孔进行连接;将万向节上方的竖向螺纹与上联结块的竖向螺孔进行 连接;利用螺丝将下联结块周围的螺孔与试验机的加载平台进行连接;将与被测试岩样粘 接的图章形粘结垫块挂接于下联结块与万向节的T型滑槽处，调整万向节保证万向节、图章 形粘结垫块、被测试岩样和下联结块的中心位于同一轴线处；
[0057] 步骤3、拉伸试验:试样安装完毕后，拔下三轴室插销，将三轴室平稳落到加载平台 上。将其周围的粗螺钉紧固，形成内部密闭空间。然后对三轴室腔体内进行注油，注油完毕 后对被测岩样施加一定的围压值(按试验方案要求，施加不同的围压状态）。最后，采用轴向 位移控制模式，以〇. lmm/min的速率对被测试岩样施加拉载荷，直到岩样断裂破坏，加载过 程中由控制电脑实时记录载荷、位移等原始数据。注意，岩样断裂破坏后应尽快结束实验， 防止由于过度拉伸造成的热缩管外套损伤而引起的试样进油。实验完毕后进行回油操作， 打开三轴室，取下岩样，然后对试样的断裂面进行观察、拍照和记录；
[0058] 步骤4、数据处理:试验结束后，试验数据会自动以标准Excel (或dat)格式保存在 指定文件夹内，数据主要包括时间、位移、载荷、围压等参数。研究者可利用这些参数根据研 宄目的进行计算分析，得出不同围压条件下岩石试件的三轴直接拉伸力学特性及规律
[0059] 上述方法，其特征是:步骤1中进行3M胶粘接时，3M胶要混合均匀，并且均匀涂在岩 样两端，夹头与岩样通过3M胶粘接时要保持不能有大的滑动，直到3M胶完全凝固;所述3M胶 的强度要大于被测试岩样的三轴拉伸强度。
[0060] 综上所述，本发明主要用于三轴条件下岩石拉伸试验研究。
[0061] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1. 一种岩石三轴的拉伸试验装置，其特征在于，包括随动联锁装置和多自由度轴向直 接拉伸夹具，所述随动联锁装置设置于所述多自由度轴向拉伸夹具的下方； 所述随动联锁装置包括两个水平设置的刚性横板，放置于所述加载平台与作动器活塞 之间，每一所述横板上均固定安装有前后两组L形限位角铁，所述限位角铁用于所述加载平 台与横板的紧密连接，每一所述横板的外侧一端均设有一用于加载平台前后移动的台阶式 条形滑动轨道;两所述横板上设置有两组内凹台阶孔，孔中可安放内六角短螺栓，并通过它 们将横板连接固定在给试验机加载平台提供位移动力的作动器活塞的上部端盖上； 多自由度轴向直接拉伸夹具包括一对轴向夹头和2个图章形粘结垫块，位于上方的轴 向夹头主体结构为一多自由度万向节，所述万向节上部分与上联结块连接，上联结块与试 验机的载荷传感器连接;所述万向节下部加工有一 T形滑槽，位于下方的所述轴向夹头连接 有下联结块，其上也设有一 T形滑槽，所述的两个图章形粘结垫块，一端与圆柱体岩石试件 上下端面牢固胶结，另一端可分别卡入万向节、下联结块的T形滑槽内。
2. 如权利要求1所述的一种岩石三轴的拉伸试验装置，其特征在于，所述下联结块与加 载平台的连接部通过均匀布置在周边的六个小螺栓固定连接，且所述下联结块与加载平台 的连接部直径相同，所述三轴拉伸夹具与随动联锁装置连为一体。
3. 如权利要求1所述的一种岩石三轴的拉伸试验装置，其特征在于，所述下联结块与上 联结块的直径相等，所述上联结块与试验机的载荷传感器也通过均匀布置在周边的六个小 螺栓固定连接，使得所述三轴拉伸夹具与试验机连为一体。
4. 如权利要求1所述的一种岩石三轴的拉伸试验装置，其特征在于，所述滑动轨道为台 阶式条形滑动轨道，用于加载平台在滑动轨道处移动，且预留加载平台与作动器活塞的空 间，便于横板放置。
5.如权利要求1所述的一种岩石三轴的拉伸试验装置，其特征在于，所述图章形粘结垫 块由头部、颈部和尾部三部分圆柱体组成，各部分直径不同，颈部最细，头部次之，尾部最 粗，其中头部圆柱体直径与轴向拉伸夹具的T形滑槽尺寸匹配，尾部圆柱体直径与待测试岩 石试件的直径相适配。在所述的每个图章形粘结垫块的尾部圆柱体上靠近颈部的位置设置 有一个环形凹槽，并安装上〇形橡胶密封圈。
6.—种岩石三轴拉伸试验方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、岩石试件准备;将待测试圆柱体岩石试件的上下两个端面用高强度胶粘接于所 述图章形粘结垫块之间，并使岩石试件与两个图章形粘结垫块的中心保持在同一轴线上； 待高强度胶凝固后，在图章形粘结垫块的尾部圆柱体环形凹槽处安装〇形橡胶圈；在图章形 粘结垫块与被测试岩样一体的装置上套上热缩管，热缩管的长度要足以覆盖测试岩样与0 形橡胶圈；用热风枪从中间向两边加热热缩管，使之均匀收缩并紧密的贴合于被测试岩样 与上下图章形粘结垫块的表面； 步骤2、拉伸装置安装;首先进行随动联锁装置的安装：1)安装台阶式滑动轨道，将加载 平台后推至最里侧，露出试验机作动器活塞的上部端盖;2)将带有内置台阶螺孔的横板用 短螺杆固定作动器活塞的上部端盖上;3)加载平台推回至原位，用L形限位角铁上的长螺杆 和短螺杆将横板紧固到加载平台上，这样加载平台、横板和作动器活塞就实现了联锁，即加 载平台可与作动器活塞同步运动，实现联锁随动;随后进行三轴室内的拉伸夹具安装:1)用 均布小螺栓将上联结块安装在试验机的载荷传感器上;2)将含万向节的上部夹头通过轴向 螺纹与上联结块连接;3)利用均布小螺栓将下联结块固定于加载平台上表面的中心位置； 4)将与被测试岩样粘接的图章形粘结垫块挂接于下联结块与万向节的T型滑槽处，调整万 向节保证万向节、图章形粘结垫块、被测试岩样和下联结块的中心位于同一轴线上;这样就 完成了拉伸装置的安装； 步骤3、试验测试；1)被测试岩样安装完毕后，拔下三轴室插销，将三轴室平稳落到加载 平台上;将其周围的粗螺钉紧固，形成内部密闭空间；2)对三轴室腔体内进行注油；3)注油 完毕后，对被测岩样施加需要的围压值;4)最后，采用轴向位移控制模式(也可采用应力或 应变控制模式），以规定的加载速率对被测试岩样施加轴向拉伸载荷，直到岩样断裂破坏。 加载过程中由控制电脑实时记录载荷、位移等原始数据;5)实验完毕后进行回油操作，打开 三轴室，取下岩样，然后对试样的断裂面进行观察、拍照和记录等； 步骤4、数据处理:试验结束后，试验数据会自动保存在指定文件夹内，数据主要包括时 间、位移、载荷、围压参数;利用这些参数根据研究目的进行计算分析，得出不同围压条件下 岩石试件的三轴直接拉伸力学特性及规律。
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