CN109115613A - 一种岩石直接拉伸实验装置及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种岩石直接拉伸实验装置及其应用方法，岩石试样为长方体形。装置包括内、外套装的内框架和外框架，内框架可沿外框架的侧壁上下滑动，外框架的顶部和内框架的底部对称连接有竖向拉伸垫板，内、外框架的侧面对称连接有横向加载头；试样的顶面和底面分别与竖向拉伸垫板粘结，采用岩石剪切流变仪通过横向加载头给试样的一对侧面施加横向荷载，采用岩石剪切流变仪通过内框架顶部给试样施加竖向荷载，通过竖向拉伸垫板实现对试样的竖向拉伸实验。本发明的装置结构简单，方法可靠，适用于测试不同长宽比的矩形裂隙岩石试样或类岩材料试样在不同侧压条件下的拉伸强度。实验所得数据真实可靠，并可为地下工程开挖与设计提供科学的实验条件。

Description

一种岩石直接拉伸实验装置及其应用方法
技术领域
本发明涉及一种岩石力学参数测试设备，特别是涉及一种岩石直接拉伸实验装置及其应用方法。
背景技术
地下工程开挖过程中，原有原岩应力会受到开挖工程的影响而进行重新分布，从而使得岩体处于不同的应力作用下并产生破坏。研究显示，岩石拉伸强度远小于岩石抗压强度，因此岩石多数破坏均起源于拉伸应力区内。
而相比于岩石抗压强度性质等方面的研究工作而言，岩石拉伸状态下的力学特性及破坏行为研究工作相对较少。主要原因是目前拉伸测试方法存在局限性，较多的学者均采用巴西劈裂等间接拉伸测试方法进行实验研究，而该方法在试样尺寸及测试结果等方面难以满足目前的研究要求。
此外，实际岩体工程中许多岩体均在拉伸受力状态下产生破坏，尤其是深部巷道开挖过程中，巷道临空面位置岩体常处于侧向围压限制下的拉伸作用状态，此时，两侧的围压对岩体的拉伸力学特性存在着重要的影响。在侧向压力和竖向拉力作用下，岩体内部的裂纹起裂、扩展以及贯通过程与压应力或压剪应力环境下将会有明显的区别。因此，研究侧向压力限制下的岩石拉伸力学性质与破坏行为有着重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于岩石剪切流变仪的岩石直接拉伸实验装置及其应用方法，可对岩石试样进行不同侧压作用下的拉伸实验，得出岩石试样真实可靠的实验数据。
本发明提供的这种岩石直接拉伸实验装置，岩石试样为长方体形。本装置包括内、外套装的内框架和外框架，内框架可沿外框架的侧壁上下滑动，外框架的顶部和内框架的底部对称连接有竖向拉伸垫板，内、外框架的侧面对称连接有横向加载头；试样的顶面和底面分别与竖向拉伸垫板粘结，采用岩石剪切流变仪通过横向加载轴给试样的一对侧面施加横向荷载，采用岩石剪切流变仪的竖向加载轴通过内框架顶部给试样施加竖向荷载。
上述技术方案的一种实施方式中，所述内、外框架均为包括顶板、底板及一对侧板长方体形框架，两者以竖向中心面共面套装。
上述技术方案的一种实施方式中，所述内框架的底板上侧和外框架的顶板下侧对称开设有位于两框架竖向中心面上的T形槽。
上述技术方案的一种实施方式中，所述外框架的一对侧板上对称开设有沿其高度方向的矩形孔，所述内框架的一对侧板外侧对称连接有矩形板。
上述技术方案的一种实施方式中，所述内框架和外框架之间以所述矩形板置于所述矩形孔中、内框架的侧板从外框架的顶板穿过套装，矩形板和矩形孔之间为间隙配合。
上述技术方案的一种实施方式中，所述横向加载头为T型加载头，包括矩形加载板及垂直连接于其中心位置处的传力杆。
上述技术方案的一种实施方式中，所述内框架侧板外侧的矩形板中心位置处开设有贯穿所述矩形板和侧板厚度的安装孔，所述横向加载头的传力杆从安装孔中穿过，传力杆与安装孔之间有间隙。
上述技术方案的一种实施方式中，所述外框架包括以所述矩形孔宽度方向中心面为对称面的两部分，两部分的顶板和底板通过螺栓、螺母组件连接紧固。
上述技术方案的一种实施方式中，所述竖向拉伸垫板的横截面形状为工字型，其中一翼板插接于所述T形槽中，另一翼板与试样粘结。
本发明提供的利用上述技术方案对岩石试样进行拉伸实验的方法，包括以下步骤：
(1)调节外框架顶部竖向拉伸垫板和内框架底部竖向拉伸垫板之间的间距至试样高度；
(2)将试样的顶面和底面分别与竖向拉伸垫板通过粘结胶粘结；
(3)使横向加载头与试样的一对侧面接触，使岩石剪切流变仪的横向加载轴通过横向加载头给试样侧面施加横向荷载至选定的设定值；
(4)使岩石剪切流变仪的竖向加载轴给内框架的顶部施加竖向荷载，内框架沿外框架侧壁向下滑动，通过试样顶面和底面粘结的竖向拉伸垫板对试样进行竖向拉伸，直至试样断裂破坏；加载过程中采用前置摄像机对试样内部的裂纹扩展过程进行拍摄，并记录实时载荷、位移及对破坏面进行观察与拍照；
(5)实验结束后对记录数据进行分析；
(6)更换试样，重复上述步骤，其中步骤(3)施加横向荷载至另一个设定值。
本发明以岩石剪切流变仪为基础，巧妙的将装置的内、外框架套装，且使内框架可沿外框架的侧壁上下滑动，在内外框架的套装侧壁垂直穿套横向加载头，通过外框架顶部和内框架底部对称连接的两块竖向拉伸垫板将试样固定。实验时，先使岩石剪切流变仪的横向剪切装置给横向加载头施加横向荷载至设定值，然后使岩石剪切流变仪的竖向剪切装置给内框架的顶部施加竖向荷载，由于内框架可沿外框架的侧壁上下滑动，所以内框架的竖向荷载作用下向下运动，从而通过其底部的竖向拉伸垫板将试样往下拉，试样的上端通过竖向拉伸垫板与外框架的顶部连为一体了，而外框架固定不动，所以本发明的装置对岩石的直接竖向拉伸操作稳定，可准确获得岩石的拉伸破坏强度。
附图说明
图1为本发明一个实施例的主视结构示意图。
图2为图1中外框架的轴侧结构示意图。
图3为图1中内框架的轴侧结构示意图。
图4为图1中横向加载头的轴侧结构示意图。
图5为图1中竖向拉伸垫板的轴侧结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例公开的这种岩石直接拉伸实验装置，岩石试样为长方体形样体。本实验装置主要包括外框架1、内框架2、横向加载头3和竖向拉伸垫板4。
结合图1和图2可以看出，本实施例的外框架1为有顶板、底板和一对侧板的长方体形框架，其顶板的长度方向中心面上开设有T形槽，其侧板上对称开设有沿其高度方向的矩形孔。
结合图1和图3可以看出，本实施例的内框架2也是有顶板、底板和一对侧板的长方体形框架，其底板的长度方向中心面上开设有T形槽，其侧板外侧对称连接有矩形板21，矩形板的中心位置处开设有贯穿矩形板及侧板厚度的矩形孔。
结合图1至图3可以看出，内框架2以其侧板外侧的矩形板21置于外框架1侧板上的矩形孔中、内框架2的侧板从外框架1的顶板穿过套装。
为了使内框架2可沿外框架1上下滑动，矩形板和矩形孔之间为间隙配合。为了使内框架沿外框架的上下滑动更顺畅，本实施例在外框架侧板上矩形孔的侧壁涂抹润滑油。
为了便于内、外框架的装配，本实施例将外框架以其侧板上矩形孔的宽度方向中心面为对称面分半制作，两分半的顶板和底板上对应位置处分别加工圆孔，通过穿过圆孔的螺栓配合螺母连接紧固，如图2所示(未画螺栓螺母)。从图1可以看出，横向加载头3垂直于内、外框架的侧板布置，所以，需在内框架2的侧板及矩形板21上开设安装孔，即图3中所示贯穿矩形板和侧板厚度的矩形孔。
结合体1和图4可以看出，本实施例的横向加载头3为T型加载头，包括矩形加载板和垂直焊接于矩形加载板中心位置处的传力杆，传力杆的横截面形状为矩形。
为了避免本装置给试样施加竖向荷载过程中横向加载头3与内框架2之间产生摩擦，所以需使横向加载头3的传力杆与内框架2侧板上的矩形孔之间有一定的间隙。
结合图1和图5可以看出，本实施例竖向拉伸垫板4的横截面形状为工字型，且两翼板的宽度不等。两竖向拉伸垫板4分别以较窄的翼板插接于内、外框架上的T型槽中。
上述实验装置的组装步骤如下：
(1)将内框架套入外框架的一个分半件中，然后将外框架的另一个分半将内框架套住，仔细检查边缝耦合状况，待所有边缝均吻合好后将外框架两个分半件的顶板和底板之间通过螺栓及螺母连接紧固。
(2)将横向加载头的传力杆从内框架的内腔中往外穿过内框架侧板上的矩形孔，使横向加载头的矩形加载板位于内框架的内腔中。
(3)将两块竖向拉伸垫板分别插入内、外框架上的T型槽中。本实施例将竖向拉伸垫板与内、外框架的底板和顶板之间通过可拆卸方式的插接方式连接，这样使本装置可适用于不同尺寸的岩石试样进行直接拉伸实验，且可快速实现试样的更换安装。
装置装配好后，试样进行拉伸实验的步骤如下：
(1)试样与竖向拉伸垫板的粘结固定
将竖向拉伸垫板从组装好的装置上取下，采用强力胶水将试样竖向拉伸的顶面和底面分别与竖向拉伸垫板的较长翼板粘结。
(2)将外框架放置于剪切流变仪的加载台上，将横向加载头的矩形加载板与试样的侧面接触，将岩石剪切流变仪的横向加载轴与横向加载头的传力杆连接，通过横向加载头的矩形加载板给试样的一对侧面施加横向荷载，加载速率为0.1mm/min，直至横向荷载加至选定的设定值。
(3)使岩石剪切流变仪的竖向加载轴给内框架的顶板施加竖向荷载，加载速率为0.1mm/min。内框架在竖向荷载作用下相对于外框架向下运动，从而通过两竖向拉伸垫板实现对试样的竖向拉伸作用，直至试样断裂破坏。
对应内、外框架没有侧板的开口侧设置摄像机，加载过程中通过摄像机对试样内部的裂纹扩展过程进行拍摄，并记录实时载荷、位移等参数及对破坏面进行观察与拍照。
(4)实验结束后对记录数据进行分析。
实验结束后终于载荷、位移等参数均可通过Excel保存和导出，研究人员可以利用这些数据分析不同侧向压力作用下的岩石拉伸力学性质。
一个试样对应一个设定的横向荷载，更换试样对其施加相应的设定横向荷载后重步骤(3)和(4)。
综上所述，本发明能够实现岩石在不同侧压作用下的竖向拉伸实验，准确的获取岩石拉伸破坏强度，并便于观察复杂拉伸测试下岩石内部裂纹起裂以及扩展过程。

Claims (10)

1.一种岩石直接拉伸实验装置，岩石试样为长方体形，其特征在于：本装置包括内、外套装的内框架和外框架，内框架可沿外框架的侧壁上下滑动，外框架的顶部和内框架的底部对称连接有竖向拉伸垫板，内、外框架的侧面对称连接有横向加载头；试样的顶面和底面分别与竖向拉伸垫板粘结，采用岩石剪切流变仪通过横向加载轴给试样的一对侧面施加横向荷载，采用岩石剪切流变仪的竖向加载轴通过内框架顶部给试样施加竖向荷载。
2.根据要求1所述的岩石直接拉伸实验装置，其特征在于：所述内、外框架均为包括顶板、底板及一对侧板的长方体形框架，两者以竖向中心面共面套装。
3.根据要求2所述的岩石直接拉伸实验装置，其特征在于：所述内框架的底板上侧和外框架的顶板下侧对称开设有位于两框架竖向中心面上的T形槽。
4.根据要求2所述的岩石直接拉伸实验装置，其特征在于：所述外框架的一对侧板上对称开设有沿其高度方向的矩形孔，所述内框架的一对侧板外侧对应矩形孔位置处对称连接有矩形板。
5.根据要求4所述的岩石直接拉伸实验装置，其特征在于：所述内框架和外框架之间以所述矩形板置于所述矩形孔中、内框架的侧板从外框架的顶板穿过套装，矩形板和矩形孔之间为间隙配合。
6.根据要求4所述的岩石直接拉伸实验装置，其特征在于：所述横向加载头为T型加载头，包括矩形加载板及垂直连接于其中心位置处的传力杆。
7.根据要求6所述的岩石直接拉伸实验装置，其特征在于：所述内框架侧板外侧的矩形板中心位置处开设有贯穿矩形板和侧板厚度的安装孔，所述横向加载头的传力杆从安装孔中穿过，传力杆与安装孔之间有间隙。
8.根据要求4所述岩石直接拉伸实验装置，其特征在于：所述外框架包括以所述矩形孔宽度方向中心面为对称面的两部分，两部分的顶板和底板通过螺栓螺母组件连接紧固。
9.根据要求3所述的岩石直接拉伸实验装置，其特征在于：所述竖向拉伸垫板的横截面形状为工字型，其中一翼板插接于所述T形槽中，另一翼板与试样粘结。
10.一种利用权利要求1所述装置对岩石试样进行拉伸实验的方法，包括以下步骤：
(1)调节外框架顶部竖向拉伸垫板和内框架底部竖向拉伸垫板之间的间距至试样高度；
(2)将试样的顶面和底面分别与竖向拉伸垫板通过粘结胶粘结；
(3)使横向加载头与试样的一对侧面接触，使岩石剪切流变仪的横向剪切装置通过横向加载头给试样侧面施加横向荷载至选定的设定值；
(4)使岩石剪切流变仪的竖向剪切装置给内框架的顶部施加竖向荷载，内框架沿外框架侧壁向下滑动，通过试样顶面和底面粘结的竖向拉伸垫板对试样进行竖向拉伸，直至试样断裂破坏；加载过程中采用前置摄像机对试样内部的裂纹扩展过程进行拍摄，并记录实时载荷、位移及对破坏面进行观察与拍照；
(5)实验结束后对记录数据进行分析；
(6)更换试样，重复上述步骤，其中步骤(3)施加横向荷载至另一个设定值。
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