CN108303321A

CN108303321A - 一种岩石在水环境下力学性能实验装置及其实验方法

Info

Publication number: CN108303321A
Application number: CN201810163653.XA
Authority: CN
Inventors: 唐世斌; 程琳
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2018-07-20

Abstract

一种岩石在水环境下力学性能实验装置及其实验方法，属于土木工程、水利水电工程技术领域。与现有技术相比，该实验装置及其实验方法的优点在于：在承压板、支撑柱、连接板以及底座的相互连接下，有效解决了巴西劈裂试验，半圆盘三点弯曲试验试件受力不平衡、不均匀、不集中的不足。可以在水环境下进行巴西劈裂试验和半圆盘三点弯曲试验。承压板与支撑架之间的距离，以及半圆盘三点弯曲的两个试验支撑架之间的距离可以调节，以适合不同尺寸的岩石试样。深入探究几何尺寸对于岩石在水环境下力学性能的实验。通过底座上的毫米刻度线读出试样支撑间距，有利于探究不同支撑间距岩石在水环境下的力学性能。

Description

一种岩石在水环境下力学性能实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及一种岩石在水环境下力学性能实验装置及其实验方法，属于土木工程、水利水电工程技术领域。

背景技术

岩石是抗压不抗拉的材料，抗拉强度远低于抗压强度。因此，岩石抗拉强度和断裂参数的实验对岩石工程设计尤为重要。国际上常采用巴西劈裂法来实验岩石的抗拉强度，而采用半圆盘三点弯曲试验来实验岩石的断裂韧度。由于这两种方法所需要的岩石试样几何形状简单、易于制备、成本低等特点，受到越来越多的科研人员的关注与青睐。

岩石是天然材料，其力学特性不仅仅取决于岩石本身的结构，还在很大程度上受到环境中水的影响，也即水能极大地降低岩石的力学性能。针对水对岩石抗拉强度和断裂韧度的影响，研究者往往是将试样在不同的水环境中浸泡不同的时刻，以此代表不同的含水率，然后再对这些不同含水率的岩石试样进行巴西劈裂和半圆盘三点弯曲的实验，以获得含水率与抗拉强度和断裂韧度的关系。目前的巴西劈裂和半圆盘三点弯曲实验装置是无水环境下的实验方法，也即实验时岩石样品处于无水的环境中（也即空气中）。但是，在实际的岩石工程中，某些条件下岩石往往长期浸泡在水中（例如水电站蓄水后，水位线以下的岩石长期处于水环境中），也即需要开展水环境下岩石的抗拉强度和断裂韧度的实验，这不同于空气中不同含水率岩样的力学实验，因而迫切需要提供实验期间岩石样品一直处于水环境中的实验装置。此外，目前用于实验岩石抗拉强度和断裂韧性的装置固定单一，巴西劈裂和断裂韧度的实验往往是两套不同的装置，难以通用。目前实验装置的局限性严重阻碍了岩石在水环境下力学性能的深入研究。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种岩石在水环境下力学性能实验装置及其实验方法。采用该实验装置可以开展巴西劈裂试验，半圆盘三点弯曲试验，水环境下的巴西劈裂试验，水环境下的半圆盘三点弯曲试验，并且满足试样不同尺寸，不同裂隙长度，不同裂隙倾斜角度，不同水环境的要求。本实验装置大大提高了实验的精度和可靠度，是岩石力学性能实验装置上的创新，具有良好的科研使用价值。

本发明采用的技术方案是：一种对岩石在水环境下力学性能实验装置，它包括承压板，两个支撑柱，两个连接板，试验支撑架，底座，它还包括圆柱体支架和围挡，实验装置采用左右对称结构，所述支撑柱通过下端部的螺纹固定连接在底座上，两个支撑柱分别穿过一个连接板，并插入承压板中，穿过试验支撑架的圆柱体支架的两端分别与连接板螺纹连接；所述承压板的下部设有向外凸起的、以便保证施加的线荷载通过试样圆心的第二半圆柱体，承压板采用拆卸式结构来调节承压板与试验支撑架之间的距离；所述底座上设有毫米刻度线、燕尾槽导轨和排水通道，燕尾槽导轨两侧的底座表面上均有毫米刻度线，燕尾槽滑台与燕尾槽导轨滑动配合；所述围挡由树脂材料做成，其采用直径与底座直径相等的薄壁结构，围挡和底座用胶粘接，并包围设置在底座上的所有构件。

在进行半圆盘三点弯曲试验时，所述试验支撑架采用两个半圆盘三点弯曲试验支撑架，半圆盘三点弯曲试验支撑架是由向外凸起的第一半圆柱体、设有通孔的第一梯形立柱和第一燕尾槽滑台构成。

在进行巴西劈裂试验时，所述试验支撑架采用一个巴西劈裂试验支撑架，巴西劈裂试验支撑架是由向外凸起的第三半圆柱体、设有通孔的第二梯形立柱和第二燕尾槽滑台构成。

所述第一半圆柱体、第二半圆柱体和第三半圆柱体采用司太立HRC40材质，其余部位全部采用304不锈钢材质。

所述的一种对岩石在水环境下力学性能实验装置的实验方法，采用下列步骤：

（a）根据实验要求选取所需试样的尺寸、裂缝长度、裂缝倾角；

（b）安装好实验装置，并把整个实验装置放置于压力机平台上，调整实验装置保证底座完全水平；

（c）取下承压板，调整试验支撑架达到预定的位置，校核平衡对准对齐；

（d）将承压板重新安置于实验装置原来的位置，确保试样与实验装置的稳定；

（e）在控制试验机的计算机上进行实验的准备工作；

（f）往实验装置中加水，水量至少淹没试样，根据实验要求确定泡水时间；

（g）当试样的泡水时间达到预定要求时，启动压力机开始预加载，使压力机的压头与承压板接触，然后缓慢加载，进行泡水试验；

（h）实验结束之后，通过排水通道排水，取下实验装置，实验结束。

在进行巴西劈裂实验时，所述试验支撑架选用一个巴西劈裂试验支撑架，试样选用圆盘试样；在进行半圆盘三点弯曲试验时，所述试验支撑架选用两个半圆盘三点弯曲试验支撑架，试样选用半圆盘试样；在进行干湿循环实验时，需要按照预定的实验方案循环将实验装置充满水或者将水放出。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，这种岩石在水环境下力学性能实验装置及其实验方法的优点在于：

（1）在承压板、支撑柱、连接板以及底座的相互连接下，有效解决了巴西劈裂试验，半圆盘三点弯曲试验试件受力不平衡不均匀不集中的不足之处，保证施加的线荷载通过试件的圆心，受力明确均匀，结果精确可靠。

（2）本实验装置可以进行巴西劈裂试验，半圆盘三点弯曲试验，水环境下的巴西劈裂试验，水环境下的半圆盘三点弯曲试验，以及干湿循环下巴西劈裂和半圆盘三点弯曲实验。还可以更换不同的支撑架实现多种实验要求，集多功能于一体的装置。

（3）本实验装置的承压板与支撑架之间的距离，以及半圆盘三点弯曲的两个支撑架之间的距离可以调节，因此可以通过调节承压板与支撑架，以及支撑架之间的距离，适合不同尺寸的岩石试样。深入探究几何尺寸对于岩石在水环境下力学性能的实验。

（4）本实验装置可以在燕尾槽滑台与燕尾槽导轨滑动配合下，通过底座上两侧的毫米刻度线更容易精确读出试样支撑间距，有利于探究不同支撑间距对于岩石在水环境下力学性能的实验。

（5）本装置可拆卸可更换，易于清洗，耐久性强。

附图说明

图1是半圆盘三点弯曲试验装置立体图。

图2是半圆盘三点弯曲试验装置平面图。

图3是半圆盘三点弯曲试验装置俯视图。

图4是半圆盘三点弯曲试验支撑架正视图。

图5是半圆盘三点弯曲试验支撑架俯视图。

图6是半圆盘三点弯曲试验支撑架侧视图。

图7是巴西劈裂试验装置立体图。

图8是巴西劈裂试验装置平面图。

图9是巴西劈裂试验装置俯视图。

图10是巴西劈裂试验支撑架正视图。

图11是巴西劈裂试验支撑架俯视图。

图12是巴西劈裂试验支撑架侧视图。

图中：1、承压板，2、支撑柱，3、连接板，4、第一梯形立柱，5、圆柱体支架，5a、通孔，6、底座，7、围挡，8、第一半圆柱体，9、第二半圆柱体，10、毫米刻度线，11、排水通道，12、第一燕尾槽滑台，13、燕尾槽导轨，14、半圆盘三点弯曲试验支撑架，15、巴西劈裂试验支撑架，16、螺纹，17、第三半圆柱体，18、第二梯形立柱，19、第二燕尾槽滑台。

具体实施方式

这种对岩石在水环境下力学性能实验装置包括承压板1，两个支撑柱2，两个连接板3，底座6、圆柱体支架5和围挡7，实验装置采用左右对称结构，支撑柱2通过下端部的螺纹固定连接在底座6上，两个支撑柱2分别穿过一个连接板3，并插入承压板1中，穿过试验支撑架的圆柱体支架5的两端分别与连接板3螺纹连接。承压板1的下部设有向外凸起的、以便保证施加的线荷载通过试样圆心的第二半圆柱体9，承压板1采用拆卸式结构来调节承压板1与试验支撑架之间的距离。底座6上设有毫米刻度线10、燕尾槽导轨13和排水通道11，燕尾槽导轨13两侧的底座6表面上均有毫米刻度线10，燕尾槽滑台与燕尾槽导轨13滑动配合。围挡7由树脂材料做成，其采用直径与底座6直径相等的薄壁结构，围挡7和底座6用胶粘接，并包围设置在底座6上的所有构件。

图1、2、3示出了半圆盘三点弯曲试验装置的结构图。图4、5、6示出了半圆盘三点弯曲试验支撑架的结构图。在进行半圆盘三点弯曲试验时，试验支撑架采用两个半圆盘三点弯曲试验支撑架14，半圆盘三点弯曲试验支撑架14是由向外凸起的第一半圆柱体8、设有通孔5a的第一梯形立柱4和第一燕尾槽滑台12构成。

图7、8、9示出了巴西劈裂试验装置的结构图。图10、11、12示出了巴西劈裂试验支撑架的结构图。在进行巴西劈裂试验时，试验支撑架采用一个巴西劈裂试验支撑架15，巴西劈裂试验支撑架15是由向外凸起的第三半圆柱体17、设有通孔5a的第二梯形立柱18和第二燕尾槽滑台19构成。

这种对岩石在水环境下力学性能实验装置的实验方法采用下列步骤：

（b）安装好实验装置，并把整个实验装置放置于压力机平台上，调整实验装置保证底座6完全水平；

（c）取下承压板1，调整试验支撑架达到预定的位置，校核平衡对准对齐；在进行巴西劈裂实验时，试验支撑架选用一个巴西劈裂试验支撑架15，试样选用圆盘试样；在进行半圆盘三点弯曲试验时，所述试验支撑架选用两个半圆盘三点弯曲试验支撑架14，试样选用半圆盘试样；

（d）将承压板1重新安置于实验装置原来的位置，确保试样与实验装置的稳定；

（e）在控制试验机的计算机上进行实验的准备工作；

（h）实验结束之后，通过排水通道11排水，取下实验装置，实验结束。

在进行干湿循环实验时，需要按照预定的实验方案循环将实验装置充满水或者将水放出。

Claims

1.一种对岩石在水环境下力学性能实验装置，它包括承压板（1），两个支撑柱（2），两个连接板（3），试验支撑架，底座（6），其特征是：它还包括圆柱体支架（5）和围挡（7），实验装置采用左右对称结构，所述支撑柱（2）通过下端部的螺纹固定连接在底座（6）上，两个支撑柱（2）分别穿过一个连接板（3），并插入承压板（1）中，穿过试验支撑架的圆柱体支架（5）的两端分别与连接板（3）螺纹连接；所述承压板（1）的下部设有向外凸起的、以便保证施加的线荷载通过试样圆心的第二半圆柱体（9），承压板（1）采用拆卸式结构来调节承压板（1）与试验支撑架之间的距离；所述底座（6）上设有毫米刻度线（10）、燕尾槽导轨（13）和排水通道（11），燕尾槽导轨（13）两侧的底座（6）表面上均有毫米刻度线（10），燕尾槽滑台与燕尾槽导轨（13）滑动配合；所述围挡（7）由树脂材料做成，其采用直径与底座（6）直径相等的薄壁结构，围挡（7）和底座（6）用胶粘接，并包围设置在底座（6）上的所有构件。

2.根据权利要求1所述的一种对岩石在水环境下力学性能实验装置，其特征是：在进行半圆盘三点弯曲试验时，所述试验支撑架采用两个半圆盘三点弯曲试验支撑架（14），半圆盘三点弯曲试验支撑架（14）是由向外凸起的第一半圆柱体（8）、设有通孔（5a）的第一梯形立柱（4）和第一燕尾槽滑台（12）构成。

3.根据权利要求1所述的一种对岩石在水环境下力学性能实验装置，其特征是：在进行巴西劈裂试验时，所述试验支撑架采用一个巴西劈裂试验支撑架（15），巴西劈裂试验支撑架（15）是由向外凸起的第三半圆柱体（17）、设有通孔（5a）的第二梯形立柱（18）和第二燕尾槽滑台（19）构成。

4.根据权利要求1所述的一种对岩石在水环境下力学性能实验装置，其特征是：所述第一半圆柱体（8）、第二半圆柱体（9）和第三半圆柱体（17）采用司太立HRC40材质，其余部位全部采用304不锈钢材质。

5.根据权利要求1所述的一种对岩石在水环境下力学性能实验装置的实验方法，其特征是：采用下列步骤：

（b）安装好实验装置，并把整个实验装置放置于压力机平台上，调整实验装置保证底座（6）完全水平；

（c）取下承压板（1），调整试验支撑架达到预定的位置，校核平衡对准对齐；

（d）将承压板（1）重新安置于实验装置原来的位置，确保试样与实验装置的稳定；

（e）在控制试验机的计算机上进行实验的准备工作；

（h）实验结束之后，通过排水通道（11）排水，取下实验装置，实验结束。

6.根据权利要求5所述的一种对岩石在水环境下力学性能实验装置的实验方法，其特征是：在进行巴西劈裂实验时，所述试验支撑架选用一个巴西劈裂试验支撑架（15），试样选用圆盘试样；在进行半圆盘三点弯曲试验时，所述试验支撑架选用两个半圆盘三点弯曲试验支撑架（14），试样选用半圆盘试样；在进行干湿循环实验时，需要按照预定的实验方案循环将实验装置充满水或者将水放出。