CN109443885B - 一种岩石三轴拉伸试验试件组装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩石力学性能测试试验装置及方法领域，特别涉及一种岩石三轴拉伸试验试件组装置及其制造方法。一种岩石三轴拉伸试验试件组装置，包括平台圆柱体岩石试件、刚性粘结头及防油保护层，其中岩石试件组件的两端通过粘胶与刚性粘结头粘接，防油保护层套设在岩石试件与刚性粘结头外侧并与岩石试件及刚性粘结头的外侧紧贴，所述平台圆柱体岩石试件包括圆柱主体、在圆柱主体中部两侧对称切削而成的具有一定深度的切削平台及平滑过渡到所述切削平台上下两端的平滑过渡区。本发明提供的岩石力学性能测试试验组件及其制作方法克服端部效应和应力集中影响，确保试件中部拉伸断裂，提高测试的成功率。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学性能测试试验装置及方法领域，特别涉及一种岩石三轴拉伸试验试件组装置及其制造方法。
背景技术
岩石等脆性材料的抗拉强度远低于抗压强度，拉伸破坏是岩石的主要破坏方式之一，实际工程建设中岩石和混凝土等脆性材料的抗拉强度是必须要掌握的基础参数。在隧道、巷道、硐室等地下岩体工程的开挖施工过程中，地下岩体由于开挖卸荷作用会产生张拉应力，结构体围岩常发生拉伸失稳破坏，通常表现为局部冒顶、片帮甚至是塌方等事故，不仅影响工程的进度，还对地下人员、设施造成重大威胁。由于地下岩体工程在未开挖前通常处于三维应力状态，因此，研究岩石在三轴直接拉伸状态(两向受压，一向受拉状态)下的强度及变形规律对研究围岩失稳破坏具有重要意义。
目前用于抗拉强度测试的方法有间接测试法和直接测试法。间接测试法是通过劈裂试验间接计算获得抗拉强度，此方法虽然测试简单，但影响因素较多，测得的抗拉强度并不能完全反映真实情况。现有直接测试法包括夹持法和粘接法，虽然能使拉伸破坏沿试件内部承载力最低部位发生，测得的结果相对于间接测试法更为真实可靠，但由于多种原因，导致岩石的单轴直接拉伸试验较难实现且成功率较低。比如夹持法通常采用的岩块试件为哑铃形，测试时常因试样对中困难(需确保拉伸应力平行于拉伸试件轴心)而产生附加弯矩或扭矩而导致测试结果明显偏低，还会出现因夹持产生的应力集中使破坏多产生在夹持部位的现象。粘接法最初直接采用圆柱体试件进行直拉，测试中常发生试件与金属头的粘接部位脱胶情况发生，导致测试失败；即使使用高强度环氧树脂胶，保证粘结质量，也常因为端部效应产生的应力集中而使破坏发生在近端部，而此时端部的受力状态并非单纯的拉应力，因此测试结果也不是很准确。后来有时学者将岩石打磨成两端粗、中间细的“狗骨”形试件以解决断裂无法发生在中部的问题。但这种“狗骨”形试件由于对加工技术要求高，成品率低，加工成本高等原因，限制了直接法的大规模推广应用。因此，想对岩石进行更为复杂的三向受力状态下的直接拉伸试验更加困难。
综上所述，如何提高测试的成功率并获得岩石真实的直接拉伸强度、变形参数及应力-应变全曲线仍是目前岩石等脆性材料三轴直接拉伸测试的难题。
发明内容
本发明提供了一种岩石三轴拉伸试验试件组装置及其制造方法，其目的是为了降低对岩石试件的加工要求，克服端部效应和应力集中影响，确保试件中部拉伸断裂，提高测试的成功率并便于安装测量轴向变形的应变引伸计，以获得岩石真实的直接拉伸强度、变形参数及应力-应变全曲线。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种岩石三轴拉伸试验试件组装置，该岩石三轴拉伸试验试件组装置包括平台圆柱体岩石试件、刚性粘结头及防油保护层，其中平台圆柱体岩石试件的两端通过粘胶与刚性粘结头粘接，防油保护层套设在平台圆柱体岩石试件与刚性粘结头外侧并与岩石试件及刚性粘结头的外侧紧贴，其特征在于，在所述平台圆柱体岩石试件包括圆柱主体、在圆柱主体中部两侧对称切削而成的切削平台及平滑过渡到所述切削平台的上下两端的平滑过渡区。
作为优选地，所述平滑过渡区形状为内凹的光滑圆弧形。
作为优选地，所述圆弧的弧顶与相邻的圆柱端面存在一定的间距。
作为优选地，所述间距为15mm。
作为优选地，所述粘胶为高强度环氧树脂胶。
作为优选地，所述刚性粘结头包括上端面、下端面及连接上端面和下端面之间的连接部，上端面与下端面均为圆柱形，其中下端面外侧加工有放置O 型密封圈的密封槽，直径与岩石试件直径相同，下端面通过粘胶与岩石试件与粘结为一体。
作为优选地，所述上端面直径为30mm，下端面直径为50mm。
作为优选地，所述热缩套管受热收缩后紧贴岩石试件及刚性粘结头外侧并挤压O型密封圈变形。
作为优选地，在岩石试件未切削的两侧对称的中部区域还夹持有轴向应变引伸计，所述轴向应变引伸计用于测量加载过程中的应变变化情况。
本发明还提供了一种前述岩石三轴拉伸试验试件组装置的制造方法，包括步骤：1)将圆柱体岩石试件(端面不平行度和侧面不垂直度均小于0.02mm) 平放固定在双头精雕机的精雕平台上，使用双头刀具两侧对称加工、精雕形成所述切削平台及切削平台两端的圆弧；
2)将加工好的岩石试件与刚性粘结头通过高强度环氧树脂胶对中粘接、固化；
3)待粘胶固化后，把O型橡胶密封圈套入粘结头密封槽中，然后用直径 65-75mm的塑料热缩管套住、并加热，使其受热收缩后紧贴在岩石试件外侧形成防油保护层；
4)随后将轴向应变引伸计夹持在岩石试件未切削的两侧对称的中部区域，用来测量加载过程中的应变变化；
更进一步地，还包括步骤5)：将步骤4中制作完成的岩石试验装置两端的刚性粘结头分别卡入拉伸试验机三轴室内的多自由度拉伸夹具的卡槽内，并对中放置；试验机对岩石试件施加微小接触载荷后，关闭三轴室，形成密闭加载空间，并均速施加预定围压至岩石试件外表面，最后对岩石试件施加轴向拉伸载荷，使之拉伸破坏。
本发明的上述方案有如下的有益效果：岩石试件包括圆柱主体、在圆柱主体两侧中部对称切削而成的切削平台及平滑过渡到所述切削平台的平滑过渡区，其中所述平滑过渡区设置为圆弧的方式，切削平台与圆弧相切，这样直接拉伸岩石试件时可克服端部的应力集中现象，控制断裂发生在岩石试件的中部，使测量结果更加地准确；同时将所述岩石试件保留了两个侧面保持原有的圆柱体形状，相较于直接采用整个圆弧过渡的方式的狗骨形试件而言，解决了无法在其中安装轴向应变引伸计的问题，可直接获得三轴拉伸过程中的应力-应变全曲线；而且现有技术的狗骨形试件通常是通过将圆柱体试件磨成两端粗中间细形式，但是这种方式容易出现圆柱体周向打磨不均导致在岩石试件在拉伸的过程中产生弯矩及扭矩导致测量不准，因此本申请相对于现有技术而言降低了加工成型难度，降低了生产成本，克服端部效应和应力集中影响，使测量结果更加准确。并且所设计试件上还可以方便安装上应变引伸计，可以直接测取加载过程中的全应力-应变曲线。
附图说明
图1为本发明岩石三轴拉伸试验试件组的结构示意图；
图2为本发明平台圆柱体岩石试件的主视图；
图3为本发明平台圆柱体岩石试件的侧视图；
图4为本发明平台圆柱体岩石试件的俯视图；
图5为本发明岩石三轴拉伸试验试件组刚性粘结头的结构示意图。
附图标记说明：
1-平台圆柱体岩石试件、2-平滑过渡区、3-切削平台、4-刚性粘结头5-密封槽、6-高强度环氧树脂胶、7-防油保护层、8-轴向应变引伸计、9-O型密封圈。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，显然，所描述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在发明的描述中，需要说明的是，术语““中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对位置的重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
本发明针对现有的问题，提供了一种岩石三轴拉伸试验组件装置及其制造方法，该装置及方法相对于现有技术而言，克服端部效应和应力集中影响，确保试件中部拉伸断裂，提高测试的成功率并获得岩石真实的直接拉伸强度和极限应变值。
如图1～4所示，本发明的实施例提供了一种岩石三轴拉伸试验试件组装置，包括岩石试件1、刚性粘结头4及防油保护层7，其中岩石试件1的两端通过粘胶6与刚性粘结头4粘接，防油保护层7套设在岩石试件1与刚性粘结头4 外侧并与岩石试件1及刚性粘结头4的外侧紧贴，在所述岩石试件1包括圆柱主体、在圆柱主体中部两侧对称切削而成的具有一定深度的切削平台3及平滑过渡到所述切削平台上下两端的平滑过渡区2。
所述对称切削平台3是在完整圆柱体标准岩石试样两侧中部通过切削加工而成的，与圆柱轴线平行且是具有一定长度和深度的对称平面，平台深度可以根据需要进行调整，优选地，岩石试件1圆柱主体为φ50mm×100mm的标准试样；平滑过渡区2形状为内凹的光滑圆弧形，圆弧弧顶距离圆柱体体端面一定距离，优选地，弧顶距圆柱端面15mm，即保留圆柱体两端各有一部分不进行切削，该设计主要是保证端部的强度，避免端部在拉伸的过程中提前断裂。从上下端的弧顶位置通过渐近式相切方式平缓过渡至平台面3，上下、左右均保持对称；其中圆弧与平台光滑过渡，即平面与圆弧相切，所述方式避免了二者连接位置产生应力集中；该设计相对于整体采用圆弧的方式而言，本发明能够避免中间位置横截面面积最小处由于提前断裂，本申请中将中部设置为平台的方式，能够使中间位置应力保持相同，避免出现了应力集中，从而能够准确测量拉伸应力。而本发明中的过渡圆弧能够避免切削平台3与圆柱体侧面的拐角位置处出现应力集中而提前断裂，导致不能准确测量拉伸应力。
岩石试件1的对称平台及过渡曲面采用数控双头精雕机加工，加工采用 1mm的小刀径，按预先设计的形状进行精确铣削加工，首先在岩石试件1的两侧先加工切削平台，再从上下端的弧顶位置通过渐近式相切方式平缓过渡至平台面，上下、左右均保持对称；
如图5所示，刚性粘结头4材质为工具钢，包括上端面、下端面及连接上端面和下端面之间的连接部，上端面与下端面均为圆柱形，其中下端面外侧加工有放置O型密封圈9的密封槽5，下端面直径与岩石试件直径相同，并通过粘胶6与岩石试件1与粘结为一体，外形呈工字型。优选地，下端面通过高强度环氧树脂胶6与岩石试件1两端面粘接为一体，上端卡入可装入材料试验机三轴室内的多自由度拉伸夹具的卡槽内，起到传递拉伸载荷的作用，所述结构能够更好的克服端部效应。
所述刚性粘结头4上还设有安放O型橡胶密封圈9的密封槽5；防油保护层7材料为塑料热缩套管，利用热风枪加热收缩使其牢固紧贴在岩石试件组件外侧，同时挤压O型圈隔绝外部液压油渗入。
优选地，刚性粘结头上端面直径为30mm，下端面上加工有放置O型密封圈的密封槽，下端面直径与岩样直径相同，为50mm，通过高强度环氧树脂胶与试件粘接为一体；
优选地，在岩石试件1组件未切削的两侧对称的中部区域还夹持有轴向应变引伸计8，所述轴向应变引伸计8用于测量加载过程中的应变变化情况。
本发明与现有技术相比有如下优点：(1)发明的平台圆柱体直接拉伸试件不但能进行岩石的单轴直接拉伸试验，还能进行复杂的三轴直接拉伸试验； (2)该形状试件加工工艺简便，加工成本低，成品率高，经济性强，便于大规模推广应用；(3)新型岩石试件两端粗、中部细，测试时易于保证试件对中，可消除附加弯扭矩影响，而且还可以克服端部效应引起的应力集中作用，保证断裂发生在试件中部；(4)发生断裂的中部平台横截面积相同，克服了传统“狗骨”形试样上横截面积不等带来的安装轴向应变引伸计困难及截面积不易准确确定的问题，可方便地在试件上安装高精度轴向应变引伸计，实时获得整个拉伸过程中的应力-应变全曲线。
实施例二
本发明还提供了一种岩石三轴拉伸试验组件的制造方法，其中岩石三轴拉伸试验组件为实施例一中所述的试验组件，在此不再作赘述。
圆柱体岩块试件的加工方法使用的加工机器为数控双头精雕机；
进一步地，所述数控双头精雕机兼容CAD/CAM软件，可按所设计的形状进行岩石精确自动控制切削加工；
进一步地，加工采用的刀径为1mm的小刀径，可以完成较大岩石试件的精确铣削；
所述试验组件的具体制作方法包括步骤：
1)将岩样上下两端及对称平台一侧固定在精雕平台上，使用双头刀具两侧同时对称加工，多次精雕成形所述切削平台及切削平台两端的圆弧；再使用丙酮或无水酒精仔细清洗圆柱主体两侧端面及刚性粘结头下端面；
2)将高强度环氧树脂胶均匀涂抹于刚性粘结头下端面及岩石圆柱主体端面；将二者涂胶端面对接粘贴，并放置在专用对中支架上稳定固化；待高强度环氧树脂胶固化后，圆柱主体与工字型刚性粘结头粘为一体；
3)剪取一段直径65-75mm的塑料热缩套管，长度与工字型刚性粘结头上下两端等长，将热缩套管套在岩石试件组件外侧，并用热风枪从试样中部向两侧均匀吹风加热，使其受热收缩后紧贴在岩石试件组件外侧，与O型密封圈一起作用隔绝外部液体渗入；
4)将轴向应变引伸计夹持在岩石试件组件未切削的两侧对称母线中部区域，用来测量加载过程中的应变变化。
在所述岩石组件制作完成后，还包括步骤5)A、将包含待测岩石的平台圆柱体岩石试件组件的刚性粘结头两端分别卡入试验机三轴室内的多自由度拉伸夹具的卡槽内，对中放置；
B、调节试验系统给予岩石试件组件一定的拉伸预载荷；
C、关闭三轴室，形成密闭加载空间，并均速施加预定围压σ3至岩石试件组件外表面；
D、设置试验程序后，对岩石试件组件行轴向拉伸试验，在轴向拉力P的作用下，直至拉伸破坏。电脑自动记录加载过程中的载荷、变形及应变等数据，完成岩石三轴直接拉伸测试过程；
E、试验完毕后按如下公式计算岩石所受拉应力σ1，A为对称平台段的横截面积，能在绘图软件中快速得到。同时还可以根据公式
计算得出岩石所受拉应力σ1，
F、试验完毕后，按下述公式(2)计算岩石试件的弹性模量E，εa为应力-应变曲线弹性段靠近直线开始端的轴向应变值，εb为应力-应变曲线弹性段靠近直线结束端的轴向应变值，σa为应力-应变曲线弹性段靠近直线开始端的轴向应力值，σb为应力-应变曲线弹性段靠近直线结束端的轴向应力值。根据弹性模量E可以反映出岩石试件的刚性。
另外，还可以利用采集到的原始数据，绘制出所测岩石试件三轴拉伸过程中的应力-应变全曲线。
本发明提供的用于岩石三轴直接拉伸试验的方法，能在实验室内实现岩石的三轴直接拉伸测试研究，克服端部效应和应力集中影响，确保试件中部断裂，得出不同围压条件下岩石直接拉伸破坏的强度与变形规律，为工程岩体的科学合理支护设计与研究提供理论指导。
本发明与现有技术相比有如下优点：(1)发明的平台圆柱体直接拉伸试件不但能进行岩石的单轴直接拉伸试验，还能进行复杂的三轴直接拉伸试验； (2)该形状试件加工工艺简便，加工成本低，成品率高，经济性强，便于大规模推广应用；(3)新型试件两端粗、中部细，测试时易于保证试件对中，可消除附加弯扭矩影响，而且还可以克服端部效应引起的应力集中作用，保证断裂发生在试件中部；(4)发生断裂的中部平台横截面积相同，克服了传统“狗骨”形试样上横截面积不等带来的安装轴向应变引伸计困难及截面积不易准确确定的问题，可方便地在试件上安装高精度轴向应变引伸计，实时获得整个拉伸过程中的应力-应变全曲线。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种岩石三轴拉伸试验试件组装置的制造方法，所述装置包括平台圆柱体岩石试件、刚性粘结头及防油保护层，其中平台圆柱体岩石试件的两端通过高强度环氧树脂胶与刚性粘结头粘接，防油保护层套设在平台圆柱体岩石试件与刚性粘结头外侧并与平台圆柱体岩石试件及刚性粘结头的外侧紧贴，其特征在于，所述平台圆柱体岩石试件包括圆柱主体、在圆柱主体中部两侧对称切削而成的具有一定深度的切削平台及平滑过渡到所述切削平台上下两端的平滑过渡区；所述平滑过渡区形状为内凹的光滑圆弧形；所述平滑过渡区的弧顶与相邻的圆柱端面存在间距；
所述岩石三轴拉伸试验试件组装置的制造方法，包括以下步骤：
1)将圆柱体岩石试件固定在数控双头精雕机的精雕平台上，使用双头刀具两侧对称加工、精雕形成所述切削平台及切削平台两端的圆弧；首先在岩石试件的两侧先加工切削平台，再从上下端的弧顶位置通过渐近式相切方式平缓过渡至平台面，再使用丙酮或无水酒精仔细清洗圆柱主体两侧端面及刚性粘结头下端面；
2)将高强度环氧树脂胶均匀涂抹于刚性粘结头下端面及岩石圆柱主体端面；将二者涂胶端面对接粘贴，并放置在对中支架上稳定固化；待高强度环氧树脂胶固化后，圆柱主体与工字型刚性粘结头粘为一体；
3)待高强度环氧树脂胶固化后，把O型橡胶密封圈套入粘结头密封槽中，然后用直径为65-75mm，长度与工字型刚性粘结头上下两端等长的塑料热缩套管套住、并加热，使其受热收缩后紧贴在岩石试件外侧形成防油保护层，与O型密封圈一起作用隔绝外部液体渗入；
4)将轴向应变引伸计夹持在岩石试件未切削的两侧对称的中部区域，用来测量加载过程中的应变变化；
所述数控双头精雕机兼容CAD/CAM软件，按所设计的形状进行岩石精确自动控制切削加工；加工采用的刀径为1mm的小刀径。
2.根据权利要求1所述的岩石三轴拉伸试验试件组装置的制造方法，其特征在于，所述刚性粘结头上端面直径为30mm，刚性粘结头下端面直径为50mm。
3.根据权利要求2所述的岩石三轴拉伸试验试件组装置的制造方法，其特征在于，所述防油保护层为热缩套管，所述热缩套管受热收缩后紧贴岩石试件及刚性粘结头外侧并挤压O型密封圈变形。
4.根据权利要求1所述的岩石三轴拉伸试验试件组装置的制造方法，其特征在于，还包括步骤5)：将步骤4中制作完成的岩石试验装置两端的刚性粘结头分别卡入拉伸试验机三轴室内的多自由度拉伸夹具的卡槽内，并对中放置；试验机对岩石试件施加微小接触载荷后，关闭三轴室，形成密闭加载空间，并均速施加预定围压至岩石试件外表面，最后对岩石试件施加轴向拉伸载荷，使之拉伸破坏。
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