CN107991186B - 含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置及方法，其装置包括含裂隙平台巴西试样加工装置、应力加载系统、声发射系统和VIC‑3D非接触全场应变测量系统；含裂隙平台巴西试样加工装置包括底座、试样模具、滑槽、滑块和裂隙成形片；应力加载系统包括电子万能试验机和第一计算机；声发射系统包括第二计算机、数据采集机箱、前置放大器和声发射传感器；VIC‑3D非接触全场应变测量系统包括VIC‑3D测量仪和第三计算机；其方法包括步骤：一、含裂隙平台巴西试样的制备；二、搭建试验装置；步骤三、轴向压缩试验。本发明测得的数据能够真实地反映含裂隙类岩石的抗拉强度、裂隙扩展演化规律和破裂模式以及裂隙对其的影响规律。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置及方法。
背景技术
岩石的抗拉强度是衡量岩体力学性质的重要指标，是用来建立岩石强度判据，确定强度包络线以及选择建筑石材不可缺少的参数。研究岩体的抗拉性能对隧道、工程边坡及地下工程洞室的围岩体有重要意义。目前，测定岩石抗拉强度的方法有：直接拉伸试验，巴西劈裂法，正方形板对轴压裂试验，对轴压模拉伸试验等。由于巴西劈裂容易操作和对试样要求较低，所以通常采用巴西劈裂法测定岩石的抗拉强度。巴西试验用于测试岩石类脆性材料的抗拉强度已经有40多年的历史，并在国外诸多工程领域中得到广泛的应用。1978年国际岩石力学学会将其作为测试岩石抗拉强度的推荐方法之一。目前国际上测试岩样抗拉强度的标准方法主要是巴西劈裂试验。虽然巴西圆盘试验已经成为目前国际上测试岩石类脆性材料抗拉强度的通行方法，并被写入我国及日本、美国、英国等国的相关技术规范之中。巴西圆盘劈裂是用一个实心圆柱形试件，使它承受径向压缩线载荷至破坏，间接地求出岩石的抗拉强度。其理论依据是按照Bouss inesq半无限体上作用着集中力的解析解的叠加。然而，这一经典的测试方法还有很多不足。如在进行巴西劈裂试验时，加载处会因为应力集中首先脆断，巴西劈裂的中心起裂条件不能得到保证。并且线荷载加载形式必然导致试样从加载点起裂，不满足中心起裂条件；而且垫条刚度、强度的大小及垫条的尺寸、形状等直接影响载荷与试件接触面的接触程度，从而影响到岩石抗拉强度的测试精度；现有平台巴西劈裂试验的抗拉强度公式是基于完整巴西圆盘试样的平面应力问题的弹性力学的解析解，而试样实际上处于三维应力状态且试样为平台巴西试样，其抗拉强度公式存在较大误差；此外，现有巴西劈裂抗拉强度实验测试方法多是对完整岩样进行，并未考虑裂隙对其抗拉强度及破坏模式的影响，更未考虑裂隙偏心对其抗拉强度及破坏模式的影响。而岩石中所包含的大量的微裂隙和孔隙，对岩块抗拉强度影响很大，直接削弱了岩块的抗拉强度。因此现有技术中的方法已不适宜于测试岩石类脆性材料的抗拉强度，特别是含裂隙类岩石材料的抗拉强度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单，设计新颖合理，实现方便，测得的数据能够真实地反映含裂隙类岩石的抗拉强度、裂隙扩展演化规律和破裂模式以及裂隙对其的影响规律，实用性强，便于推广使用的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，其特征在于：包括用于将类岩石材料加工成含裂隙平台巴西试样的含裂隙平台巴西试样加工装置和用于给含裂隙平台巴西试样加载应力的应力加载系统，以及用于采集在应力加载过程中含裂隙平台巴西试样内部结构损伤演化过程的声发射特征参数的声发射系统和用于采集在应力加载过程中含裂隙平台巴西试样表面细观结构变化图像的VIC-3D非接触全场应变测量系统；
所述含裂隙平台巴西试样加工装置包括底座、设置在底座上的试样模具安装槽和底部插入试样模具安装槽内且与底座固定连接的试样模具，所述试样模具安装槽的横截面轮廓曲线为由依次连接的第一直线、第一圆弧、第二直线和第二圆弧构成的与试样模具的横截面轮廓曲线形状相同的曲线，所述试样模具的横截面轮廓与含裂隙平台巴西试样的轮廓相对应，所述第一直线和第二直线对称设置，所述第一圆弧和第二圆弧对称设置，所述第一圆弧和第二圆弧的圆心在同一点上，所述第一圆弧和第二圆弧的半径相等，所述底座套装于试样模具内的部分为试样成形台，所述试样成形台的顶部十字交叉设置有滑槽，所述滑槽上滑动连接有滑块，所述滑块顶部转动连接有用于在含裂隙平台巴西试样中形成裂隙的裂隙成形片；
所述应力加载系统包括电子万能试验机和与电子万能试验机的应力加载探头相接的第一计算机；
所述声发射系统包括第二计算机和与第二计算机连接的数据采集机箱，以及通过电缆与数据采集机箱连接的前置放大器；所述前置放大器的输入端通过信号线连接有声发射传感器；
所述VIC-3D非接触全场应变测量系统包括VIC-3D测量仪和与VIC-3D测量仪相接的第三计算机。
上述的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，其特征在于：所述底座的形状为长方体形。
上述的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，其特征在于：所述试样模具由左半试样模具和右半试样模具对接构成，所述左半试样模具的横截面轮廓曲线包括第一圆弧的大半部分、第一直线和第二圆弧的小半部分，所述右半试样模具的横截面轮廓曲线包括第一圆弧的小半部分、第二直线和第二圆弧的大半部分，所述左半试样模具位于横截面轮廓曲线第一直线段部分的外壁上设置左半连接耳，所述左半连接耳上设置有第一螺纹孔，所述左半试样模具通过穿入第一螺纹孔内的第一螺栓与底座固定连接；所述右半试样模具位于横截面轮廓曲线第二直线段部分的外壁上设置右半连接耳，所述左半连接耳上设置有第二螺纹孔，所述右半试样模具通过穿入第二螺纹孔内的第二螺栓与底座固定连接；所述试样模具的上部设置有用于固定左半试样模具和右半试样模具的卡箍。
上述的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，其特征在于：所述裂隙成形片的形状为矩形、圆形或椭圆形。
上述的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，其特征在于：所述第一直线的两个端点与第一圆弧和第二圆弧的圆心的连线之间的夹角α与第二直线的两个端点与第一圆弧和第二圆弧的圆心的连线之间的夹角β相等且均为20°～30°。
上述的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，其特征在于：所述滑槽为中间设置有向上凸起的长条形凸块的长条形滑槽，所述滑块为宽度与所述长条形滑槽的宽度相配合且用于滑动连接到所述长条形滑槽中的长方体形滑块，所述滑块的底部设置有用于滑动连接在所述长条形凸块上的长条形开口，所述滑块的顶面上设置有第一圆柱形卡槽，所述滑块位于第一圆柱形卡槽的底面中心位置处设置有第二圆柱形卡槽，所述裂隙成形片的底部固定连接在用于卡合连接到第一圆柱形卡槽内且能够在第一圆柱形卡槽内转动的裂隙成形片底板上，所述裂隙成形片底板的底部设置有用于卡合连接到第二圆柱形卡槽内且能够在第二圆柱形卡槽内转动的裂隙成形片转动轴。
上述的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，其特征在于：所述声发射系统为SAEU2S声发射系统。
本发明还公开了一种方法步骤简单，能够进行试验过程中的应力–应变、VIC-3D观测图像和声发射信号的采集，测得的数据能够真实地反映含裂隙类岩石的抗拉强度、裂隙扩展演化规律和破裂模式以及裂隙对其的影响规律，实用性强，便于推广使用的的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、含裂隙平台巴西试样的制备，具体过程为：
步骤101、配置好制备含裂隙平台巴西试样的类岩石材料并搅拌均匀；
步骤102、将所述含裂隙平台巴西试样加工装置装配好；
步骤103、将所述含裂隙平台巴西试样加工装置清理干净，并在试样模具的内壁上涂抹润滑油；
步骤104、将步骤101中准备的类岩石材料填入试样模具中并不断捣实；
步骤105、用刮板刮平位于试样模具顶部的类岩石材料表面；
步骤106、将装入类岩石材料的含裂隙平台巴西试样加工装置放入养护箱中放置24h后，将含裂隙平台巴西试样加工装置从养护箱中取出；
步骤107、拆除试样模具，取出类岩石材料成型的含裂隙平台巴西试样；
步骤108、将拆模后的含裂隙平台巴西试样置于养护箱内养护7天后取出，完成试验所需含裂隙平台巴西试样的制备；
步骤二、搭建含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，具体过程为：
步骤201、依次连接所述应力加载系统、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统；
步骤202、取制备好的含裂隙平台巴西试样放置在电子万能试验机的试验平台上，并将声发射传感器固定在含裂隙平台巴西试样的两侧，在声发射传感器和含裂隙平台巴西试样之间涂抹耦合剂或黄油，确保声发射传感器和含裂隙平台巴西试样接触良好；
步骤203、开启所述声发射系统后，用自动铅笔在含裂隙平台巴西试样两端进行断铅操作，查看所述声发射系统检测的数据，根据数据矫正声发射传感器的固定位置；
步骤204、开启所述VIC-3D非接触全场应变测量系统，并开启所述应力加载系统，调整好所述VIC-3D非接触全场应变测量系统中VIC-3D测量仪的位置；
步骤三、轴向压缩试验，具体过程为：
步骤301、将电子万能试验机的应力加载探头下降速度转到高速，待应力加载探头与含裂隙平台巴西试样剩余1cm～2cm距离时暂停电子万能试验机，并将电子万能试验机的应力加载探头下降速度转到低速，再使应力加载探头缓缓下降，在下降过程中，观察电子万能试验机所连第一计算机上显示的加载力的数值，当加载力数值接近零时暂停，然后将所有数值项目清零；
步骤302、利用电子万能试验机按位移加载，在加载的同时，开始采用所述声发射系统对含裂隙平台巴西试样进行声发射数据的采集，并采用所述VIC-3D非接触全场应变测量系统对含裂隙平台巴西试样瞬时变化情况照片进行采集；加载时的加载速率为0.05mm/min，数据采集频率为1Hz，直至含裂隙平台巴西试样破坏，停止加载和数据采集，记录并保存电子万能试验机、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据。
上述的方法，其特征在于：步骤101中所述类岩石材料由水泥、细砂和水按照水泥：细砂：水＝4：2：1的比例配置而成，所述水泥为R42.5水泥，所述细砂的粒径为0.55mm～0.83mm；步骤102所述含裂隙平台巴西试样加工装置中，裂隙成形片的形状为矩形，厚度为1mm；通过调节滑块在滑槽上的位置，使裂隙成形片距离含裂隙平台巴西试样的几何中心的距离为12.5mm；通过旋转裂隙成形片，使裂隙成形片的倾角为45°。
上述的方法，其特征在于：步骤106中和步骤108中所述养护箱内的温度为19.4℃，湿度为99％。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置的结构简单，设计新颖合理，实现方便。
2、本发明采用了含裂隙平台巴西试样来代替圆盘试样进行抗拉强度测试，能够将施加在试样上的集中力变为在试样上的均布荷载，改善了加载处由于压应力极高而先压坏的不合理情况，并且避免了垫条对类岩石抗拉强度的测试精度的影响。
3、本发明含裂隙平台巴西试样加工装置中，采用预埋裂隙成形片的方式来形成模拟岩石中裂纹的裂隙，能够根据试验的需要，设置不同裂隙尺寸、裂隙倾角、裂隙宽度以及裂隙形状(矩形，圆形，椭圆形等)，达到了更加接近岩石非均质各向异性的目的。
4、本发明的含裂隙平台巴西试样加工装置，能够直接制备出形状满足试验需要的含裂隙平台巴西试样，解决了真实岩样不易加工裂隙的困难，避免了现有技术中钻孔取芯的方法取芯造成的材料和成本的浪费。
5、本发明的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，通过设置声发射系统，能够实时的反映含裂隙平台巴西试样内部结构损伤演化过程的声发射特征的变化规律。
6、本发明的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，通过设置VIC-3D非接触全场应变测量系统，能对含裂隙平台巴西试样表面进行动态显微观测，获得含裂隙平台巴西试样表面细观结构变化的实时图像，为含裂隙对抗拉强度、裂隙扩展演化和破裂模式的影响规律研究提供依据。
7、本发明的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，装配使用方便，能够更加真实地反映类岩石性质，避免了垫条对岩石抗拉强度的测试精度的影响。
8、本发明的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验方法的方法步骤简单，能够进行试验过程中的应力–应变、VIC-3D观测图像和声发射信号的采集，为进一步研究类岩石的力学特性提供丰富的基础资料。
9、本发明考虑了裂隙对类岩石抗拉强度及破坏模式的影响，还能够测试裂隙偏心对类岩石抗拉强度及破坏模式的影响，测得的数据能够真实地反映含裂隙类岩石的抗拉强度、裂隙扩展演化规律和破裂模式以及裂隙对其的影响规律，实用性强，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，实现方便，采用了含裂隙平台巴西试样进行类岩石抗拉强度测试，测得的数据能够真实地反映含裂隙类岩石的抗拉强度、裂隙扩展演化规律和破裂模式以及裂隙对其的影响规律，实用性强，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明应力加载系统、声发射系统和VIC-3D非接触全场应变测量系统的连接关系示意图。
图2为本发明含裂隙平台巴西试样加工装置的俯视图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为图3的B部放大图。
图5为本发明滑槽在底座上的设置形状示意图。
图6为本发明滑块的结构示意图。
图7为图6的俯视图。
图8为本发明裂隙成形片、裂隙成形片底板和裂隙成形片转动轴的连接关系示意图。
图9为图8的俯视图。
图10为图8的左视图。
图11为本发明含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验的方法流程框图。
附图标记说明:
1—卡箍； 2-1—左半连接耳； 2-2—右半连接耳；
3—裂隙成形片； 4—滑槽； 5—试样模具；
5-1—左半试样模具； 5-2—右半试样模具； 5-3—第一直线；
5-4—第一圆弧； 5-5—第二直线； 5-6—第二圆弧；
6—底座； 7—试样成形台； 8-1—第一螺纹孔；
8-2—第二螺纹孔； 9—滑块； 9-1—第一圆柱形卡槽；
9-2—第二圆柱形卡槽； 9-3—长条形开口； 10—裂隙成形片底板；
11—裂隙成形片转动轴； 12-1—电子万能试验机； 12-2—应力加载探头；
12-3—第一计算机； 13-1—第二计算机； 13-2—数据采集机箱；
13-3—前置放大器； 13-4—声发射传感器； 14-1—VIC-3D测量仪；
14-2—第三计算机； 15-1—第一螺栓； 15-2—第二螺栓；
16—含裂隙平台巴西试样。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，包括用于将类岩石材料加工成含裂隙平台巴西试样16的含裂隙平台巴西试样加工装置和用于给含裂隙平台巴西试样16加载应力的应力加载系统，以及用于采集在应力加载过程中含裂隙平台巴西试样16内部结构损伤演化过程的声发射特征参数的声发射系统和用于采集在应力加载过程中含裂隙平台巴西试样16表面细观结构变化图像的VIC-3D非接触全场应变测量系统；
如图2、图3和图4所示，所述含裂隙平台巴西试样加工装置包括底座6、设置在底座6上的试样模具安装槽和底部插入试样模具安装槽内且与底座6固定连接的试样模具5，所述试样模具安装槽的横截面轮廓曲线为由依次连接的第一直线5-3、第一圆弧5-4、第二直线5-5和第二圆弧5-6构成的与试样模具5的横截面轮廓曲线形状相同的曲线，所述试样模具5的横截面轮廓与含裂隙平台巴西试样16的轮廓相对应，所述第一直线5-3和第二直线5-5对称设置，所述第一圆弧5-4和第二圆弧5-6对称设置，所述第一圆弧5-4和第二圆弧5-6的圆心在同一点上，所述第一圆弧5-4和第二圆弧5-6的半径相等，所述底座6套装于试样模具5内的部分为试样成形台7，所述试样成形台7的顶部十字交叉设置有滑槽4，所述滑槽4上滑动连接有滑块9，所述滑块9顶部转动连接有用于在含裂隙平台巴西试样16中形成裂隙的裂隙成形片3；
如图1所示，所述应力加载系统包括电子万能试验机12-1和与电子万能试验机12-1的应力加载探头12-2相接的第一计算机12-3；
如图1所示，所述声发射系统包括第二计算机13-1和与第二计算机13-1连接的数据采集机箱13-2，以及通过电缆与数据采集机箱13-2连接的前置放大器13-3；所述前置放大器13-3的输入端通过信号线连接有声发射传感器13-4；
如图1所示，所述VIC-3D非接触全场应变测量系统包括VIC-3D测量仪14-1和与VIC-3D测量仪14-1相接的第三计算机14-2。
本实施例中，如图2和图3所示，所述底座6的形状为长方体形。
本实施例中，如图2和图3所示，所述试样模具5由左半试样模具5-1和右半试样模具5-2对接构成，所述左半试样模具5-1的横截面轮廓曲线包括第一圆弧5-4的大半部分、第一直线5-3和第二圆弧5-6的小半部分，所述右半试样模具5-2的横截面轮廓曲线包括第一圆弧5-4的小半部分、第二直线5-5和第二圆弧5-6的大半部分，所述左半试样模具5-1位于横截面轮廓曲线第一直线5-3段部分的外壁上设置左半连接耳2-1，所述左半连接耳2-1上设置有第一螺纹孔8-1，所述左半试样模具5-1通过穿入第一螺纹孔8-1内的第一螺栓15-1与底座6固定连接；所述右半试样模具5-2位于横截面轮廓曲线第二直线5-5段部分的外壁上设置右半连接耳2-2，所述左半连接耳2-2上设置有第二螺纹孔8-2，所述右半试样模具5-2通过穿入第二螺纹孔8-2内的第二螺栓15-2与底座6固定连接；所述试样模具5的上部设置有用于固定左半试样模具5-1和右半试样模具5-2的卡箍1。
本实施例中，所述裂隙成形片3的形状为矩形、圆形或椭圆形。具体实施时，当试验需要含裂隙平台巴西试样16中有矩形的裂隙时，选择矩形的裂隙成形片3；当试验需要含裂隙平台巴西试样16中有圆形的裂隙时，选择圆形的裂隙成形片3；当试验需要含裂隙平台巴西试样16中有椭圆形的裂隙时，选择椭圆形的裂隙成形片3；通过调整裂隙成形片3的尺寸，就能够在含裂隙平台巴西试样16中形成不同尺寸的裂隙；通过调整裂隙成形片3的厚度，就能够在含裂隙平台巴西试样16中形成不同宽度的裂隙。具体实施时，所述裂隙成形片3为钢片。
本实施例中，所述第一直线5-3的两个端点与第一圆弧5-4和第二圆弧5-6的圆心的连线之间的夹角α与第二直线5-5的两个端点与第一圆弧5-4和第二圆弧5-6的圆心的连线之间的夹角β相等且均为20°～30°。
本实施例中，如图5所示，所述滑槽4为中间设置有向上凸起的长条形凸块的长条形滑槽，如图6和图7所示，所述滑块9为宽度与所述长条形滑槽的宽度相配合且用于滑动连接到所述长条形滑槽中的长方体形滑块，所述滑块9的底部设置有用于滑动连接在所述长条形凸块上的长条形开口9-3，所述滑块9的顶面上设置有第一圆柱形卡槽9-1，所述滑块9位于第一圆柱形卡槽9-1的底面中心位置处设置有第二圆柱形卡槽9-2，如图8、图9和图10所示，所述裂隙成形片3的底部固定连接在用于卡合连接到第一圆柱形卡槽9-1内且能够在第一圆柱形卡槽9-1内转动的裂隙成形片底板10上，所述裂隙成形片底板10的底部设置有用于卡合连接到第二圆柱形卡槽9-2内且能够在第二圆柱形卡槽9-2内转动的裂隙成形片转动轴11。具体实施时，用力扳动裂隙成形片3，裂隙成形片3底部的裂隙成形片底板10能够在第一圆柱形卡槽9-1内转动，裂隙成形片转动轴11能够在第二圆柱形卡槽9-2内转动，从而实现了裂隙成形片3的转动，这样就能够在含裂隙平台巴西试样16中形成不同倾角的裂隙。通过调节滑块9在滑槽4上的位置，能够在含裂隙平台巴西试样16中形成距离试样的几何中心距离不同的裂隙。
本实施例中，所述声发射系统为SAEU2S声发射系统。
如图11所示，本发明的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验方法，包括以下步骤：
步骤一、含裂隙平台巴西试样16的制备，具体过程为：
步骤101、配置好制备含裂隙平台巴西试样16的类岩石材料并搅拌均匀；
本实施例中，步骤101中所述类岩石材料由水泥、细砂和水按照水泥：细砂：水＝4：2：1的比例配置而成，所述水泥为R42.5水泥，所述细砂的粒径为0.55mm～0.83mm。
步骤102、将所述含裂隙平台巴西试样加工装置装配好；
本实施例中，步骤102所述含裂隙平台巴西试样加工装置中，裂隙成形片3的形状为矩形，厚度为1mm；通过调节滑块9在滑槽4上的位置，使裂隙成形片3距离含裂隙平台巴西试样16的几何中心的距离为12.5mm；通过旋转裂隙成形片3，使裂隙成形片3的倾角为45°。这样就能够使成型的含裂隙平台巴西试样16上裂隙的宽度为1mm，距几何中心的距离为12.5mm，倾角为45°；
步骤103、将所述含裂隙平台巴西试样加工装置清理干净，并在试样模具5的内壁上涂抹润滑油；
步骤104、将步骤101中准备的类岩石材料填入试样模具5中并不断捣实；通过捣实，能够防止所述含裂隙平台巴西试样16内部存在气泡；
步骤105、用刮板刮平位于试样模具5顶部的类岩石材料表面；具体实施时，所成型的所述含裂隙平台巴西试样16两端面平整度误差不大于0.05mm，沿试样高度，直径的误差不大于0.3mm；试样端面垂直于试样轴线，最大偏差不大于0.25°；
步骤106、将装入类岩石材料的含裂隙平台巴西试样加工装置放入养护箱中放置24h后，将含裂隙平台巴西试样加工装置从养护箱中取出；
本实施例中，步骤106中和步骤108中所述养护箱内的温度为19.4℃，湿度为99％。
步骤107、拆除试样模具5，取出类岩石材料成型的含裂隙平台巴西试样16；具体实施时，先拆除连接在左半连接耳2-1上第一螺纹孔8-1内的第一螺栓15-1和连接在右半连接耳2-2上第二螺纹孔8-2内的第二螺栓15-2，再拆除试样模具5上部的卡箍1，最后拆开对接的左半试样模具5-1和右半试样模具5-2，取出含裂隙平台巴西试样16；
步骤108、将拆模后的含裂隙平台巴西试样16置于养护箱内养护7天后取出，完成试验所需含裂隙平台巴西试样16的制备；
步骤二、搭建含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，具体过程为：
步骤201、依次连接所述应力加载系统、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统；
步骤202、取制备好的含裂隙平台巴西试样16放置在电子万能试验机12-1的试验平台上，并将声发射传感器13-4固定在含裂隙平台巴西试样16的两侧，在声发射传感器13-4和含裂隙平台巴西试样16之间涂抹耦合剂或黄油，确保声发射传感器13-4和含裂隙平台巴西试样16接触良好；
步骤203、开启所述声发射系统后，用自动铅笔在含裂隙平台巴西试样16两端进行断铅操作，查看所述声发射系统检测的数据，根据数据矫正声发射传感器13-4的固定位置；
步骤204、开启所述VIC-3D非接触全场应变测量系统，并开启所述应力加载系统，调整好所述VIC-3D非接触全场应变测量系统中VIC-3D测量仪14-1的位置；
步骤三、轴向压缩试验，具体过程为：
步骤301、将电子万能试验机12-1的应力加载探头12-2下降速度转到高速，待应力加载探头12-2与含裂隙平台巴西试样16剩余1cm～2cm距离时暂停电子万能试验机12-1，并将电子万能试验机12-1的应力加载探头12-2下降速度转到低速，再使应力加载探头12-2缓缓下降，在下降过程中，观察电子万能试验机12-1所连第一计算机12-3上显示的加载力的数值，当加载力数值接近零时暂停，然后将所有数值项目清零；
步骤302、利用电子万能试验机12-1按位移加载，在加载的同时，开始采用所述声发射系统对含裂隙平台巴西试样16进行声发射数据的采集，并采用所述VIC-3D非接触全场应变测量系统对含裂隙平台巴西试样16瞬时变化情况照片进行采集；加载时的加载速率为0.05mm/min，数据采集频率为1Hz，直至含裂隙平台巴西试样16破坏，停止加载和数据采集，记录并保存电子万能试验机12-1、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据。
综上所述，本发明采用了含裂隙平台巴西试样来代替圆盘试样进行抗拉强度测试，能够进行试验过程中的应力–应变、VIC-3D观测图像和声发射信号的采集，测得的数据能够真实地反映含裂隙类岩石的抗拉强度、裂隙扩展演化规律和破裂模式以及裂隙对其的影响规律，为进一步研究类岩石的力学特性提供丰富的基础资料。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，其特征在于：包括用于将类岩石材料加工成含裂隙平台巴西试样(16)的含裂隙平台巴西试样加工装置和用于给含裂隙平台巴西试样(16)加载应力的应力加载系统，以及用于采集在应力加载过程中含裂隙平台巴西试样(16)内部结构损伤演化过程的声发射特征参数的声发射系统和用于采集在应力加载过程中含裂隙平台巴西试样(16)表面细观结构变化图像的VIC-3D非接触全场应变测量系统；
所述含裂隙平台巴西试样加工装置包括底座(6)、设置在底座(6)上的试样模具安装槽和底部插入试样模具安装槽内且与底座(6)固定连接的试样模具(5)，所述试样模具安装槽的横截面轮廓曲线为由依次连接的第一直线(5-3)、第一圆弧(5-4)、第二直线(5-5)和第二圆弧(5-6)构成的与试样模具(5)的横截面轮廓曲线形状相同的曲线，所述试样模具(5)的横截面轮廓与含裂隙平台巴西试样(16)的轮廓相对应，所述第一直线(5-3)和第二直线(5-5)对称设置，所述第一圆弧(5-4)和第二圆弧(5-6)对称设置，所述第一圆弧(5-4)和第二圆弧(5-6)的圆心在同一点上，所述第一圆弧(5-4)和第二圆弧(5-6)的半径相等，所述底座(6)套装于试样模具(5)内的部分为试样成形台(7)，所述试样成形台(7)的顶部十字交叉设置有滑槽(4)，所述滑槽(4)上滑动连接有滑块(9)，所述滑块(9)顶部转动连接有用于在含裂隙平台巴西试样(16)中形成裂隙的裂隙成形片(3)；
所述应力加载系统包括电子万能试验机(12-1)和与电子万能试验机(12-1)的应力加载探头(12-2)相接的第一计算机(12-3)；
所述声发射系统包括第二计算机(13-1)和与第二计算机(13-1)连接的数据采集机箱(13-2)，以及通过电缆与数据采集机箱(13-2)连接的前置放大器(13-3)；所述前置放大器(13-3)的输入端通过信号线连接有声发射传感器(13-4)；
所述VIC-3D非接触全场应变测量系统包括VIC-3D测量仪(14-1)和与VIC-3D测量仪(14-1)相接的第三计算机(14-2)；
所述底座(6)的形状为长方体形，所述裂隙成形片(3)的形状为矩形、圆形或椭圆形。
2.按照权利要求1所述的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，其特征在于：所述试样模具(5)由左半试样模具(5-1)和右半试样模具(5-2)对接构成，所述左半试样模具(5-1)的横截面轮廓曲线包括第一圆弧(5-4)的大半部分、第一直线(5-3)和第二圆弧(5-6)的小半部分，所述右半试样模具(5-2)的横截面轮廓曲线包括第一圆弧(5-4)的小半部分、第二直线(5-5)和第二圆弧(5-6)的大半部分，所述左半试样模具(5-1)位于横截面轮廓曲线第一直线(5-3)段部分的外壁上设置左半连接耳(2-1)，所述左半连接耳(2-1)上设置有第一螺纹孔(8-1)，所述左半试样模具(5-1)通过穿入第一螺纹孔(8-1)内的第一螺栓(15-1)与底座(6)固定连接；所述右半试样模具(5-2)位于横截面轮廓曲线第二直线(5-5)段部分的外壁上设置右半连接耳(2-2)，所述左半连接耳(2-2)上设置有第二螺纹孔(8-2)，所述右半试样模具(5-2)通过穿入第二螺纹孔(8-2)内的第二螺栓(15-2)与底座(6)固定连接；所述试样模具(5)的上部设置有用于固定左半试样模具(5-1)和右半试样模具(5-2)的卡箍(1)。
3.按照权利要求1所述的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，其特征在于：所述第一直线(5-3)的两个端点与第一圆弧(5-4)和第二圆弧(5-6)的圆心的连线之间的夹角α与第二直线(5-5)的两个端点与第一圆弧(5-4)和第二圆弧(5-6)的圆心的连线之间的夹角β相等且均为20°～30°。
4.按照权利要求1所述的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，其特征在于：所述滑槽(4)为中间设置有向上凸起的长条形凸块的长条形滑槽，所述滑块(9)为宽度与所述长条形滑槽的宽度相配合且用于滑动连接到所述长条形滑槽中的长方体形滑块，所述滑块(9)的底部设置有用于滑动连接在所述长条形凸块上的长条形开口(9-3)，所述滑块(9)的顶面上设置有第一圆柱形卡槽(9-1)，所述滑块(9)位于第一圆柱形卡槽(9-1)的底面中心位置处设置有第二圆柱形卡槽(9-2)，所述裂隙成形片(3)的底部固定连接在用于卡合连接到第一圆柱形卡槽(9-1)内且能够在第一圆柱形卡槽(9-1)内转动的裂隙成形片底板(10)上，所述裂隙成形片底板(10)的底部设置有用于卡合连接到第二圆柱形卡槽(9-2)内且能够在第二圆柱形卡槽(9-2)内转动的裂隙成形片转动轴(11)。
5.按照权利要求1所述的含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，其特征在于：所述声发射系统为SAEU2S声发射系统。
6.一种利用如权利要求1所述试验装置进行含裂隙类岩石抗拉强度测试的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、含裂隙平台巴西试样(16)的制备，具体过程为：
步骤101、配置好制备含裂隙平台巴西试样(16)的类岩石材料并搅拌均匀；
步骤102、将所述含裂隙平台巴西试样加工装置装配好；
步骤103、将所述含裂隙平台巴西试样加工装置清理干净，并在试样模具(5)的内壁上涂抹润滑油；
步骤104、将步骤101中准备的类岩石材料填入试样模具(5)中并不断捣实；
步骤105、用刮板刮平位于试样模具(5)顶部的类岩石材料表面；
步骤106、将装入类岩石材料的含裂隙平台巴西试样加工装置放入养护箱中放置24h后，将含裂隙平台巴西试样加工装置从养护箱中取出；
步骤107、拆除试样模具(5)，取出类岩石材料成型的含裂隙平台巴西试样(16)；
步骤108、将拆模后的含裂隙平台巴西试样(16)置于养护箱内养护7天后取出，完成试验所需含裂隙平台巴西试样(16)的制备；
步骤二、搭建含裂隙类岩石抗拉强度测试用试验装置，具体过程为：
步骤201、依次连接所述应力加载系统、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统；
步骤202、取制备好的含裂隙平台巴西试样(16)放置在电子万能试验机(12-1)的试验平台上，并将声发射传感器(13-4)固定在含裂隙平台巴西试样(16)的两侧，在声发射传感器(13-4)和含裂隙平台巴西试样(16)之间涂抹耦合剂或黄油，确保声发射传感器(13-4)和含裂隙平台巴西试样(16)接触良好；
步骤203、开启所述声发射系统后，用自动铅笔在含裂隙平台巴西试样(16)两端进行断铅操作，查看所述声发射系统检测的数据，根据数据矫正声发射传感器(13-4)的固定位置；
步骤204、开启所述VIC-3D非接触全场应变测量系统，并开启所述应力加载系统，调整好所述VIC-3D非接触全场应变测量系统中VIC-3D测量仪(14-1)的位置；
步骤三、轴向压缩试验，具体过程为：
步骤301、将电子万能试验机(12-1)的应力加载探头(12-2)下降速度转到高速，待应力加载探头(12-2)与含裂隙平台巴西试样(16)剩余1cm～2cm距离时暂停电子万能试验机(12-1)，并将电子万能试验机(12-1)的应力加载探头(12-2)下降速度转到低速，再使应力加载探头(12-2)缓缓下降，在下降过程中，观察电子万能试验机(12-1)所连第一计算机(12-3)上显示的加载力的数值，当加载力数值接近零时暂停，然后将所有数值项目清零；
步骤302、利用电子万能试验机(12-1)按位移加载，在加载的同时，开始采用所述声发射系统对含裂隙平台巴西试样(16)进行声发射数据的采集，并采用所述VIC-3D非接触全场应变测量系统对含裂隙平台巴西试样(16)瞬时变化情况照片进行采集；加载时的加载速率为0.05mm/min，数据采集频率为1Hz，直至含裂隙平台巴西试样(16)破坏，停止加载和数据采集，记录并保存电子万能试验机(12-1)、所述声发射系统和所述VIC-3D非接触全场应变测量系统的数据。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤101中所述类岩石材料由水泥、细砂和水按照水泥：细砂：水＝4：2：1的比例配置而成，所述水泥为R42.5水泥，所述细砂的粒径为0.55mm～0.83mm；步骤102所述含裂隙平台巴西试样加工装置中，裂隙成形片(3)的形状为矩形，厚度为1mm；通过调节滑块(9)在滑槽(4)上的位置，使裂隙成形片(3)距离含裂隙平台巴西试样(16)的几何中心的距离为12.5mm；通过旋转裂隙成形片(3)，使裂隙成形片(3)的倾角为45°。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤106中和步骤108中所述养护箱内的温度为19.4℃，湿度为99％。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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