CN109752234B

CN109752234B - 一种拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置

Info

Publication number: CN109752234B
Application number: CN201910144569.8A
Authority: CN
Inventors: 岑夺丰; 刘超; 黄达; 郭颖泉; 宋宜祥
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2021-01-19
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: CN109752234A

Abstract

本发明公开了一种拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置，包括竖直上拉伸装置、竖直下拉伸装置、水平左压缩装置和水平右压缩装置；竖直上加载装置与竖直下加载装置的结构完全相同，试验时分别与岩石试样的上下端头连接；竖直上加载装置包括

形拉伸件、T形拉伸件、上下侧滚珠排、拉头、铰链和试验机拉伸加载头；水平左压缩装置和水平右压缩装置的结构完全相同，试验时分别与岩石试样的左右侧面的中间位置连接；水平左压缩装置包括压头、传压件、左右侧滚珠排和试验机压缩加载头。本装置在岩石拉压试验过程中可实现拉伸力实时对中，压应力作用于试样中部而非全表面，压缩方向保证接触面受力均匀，以避免拉头粘结处的试样端头效应。

Description

一种拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置

技术领域

本发明涉及岩石类材料力学性能研究领域，具体是一种拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置。

背景技术

随着经济的快速发展，重大基础设施建设日益频繁且地质环境越来越复杂，如深部矿山开采、隧道工程、水电工程、地下厂房建设等通常面临显著的高地应力以及强烈的开采扰动特性。地下硐室开挖使围岩的应力状态重分布：强开挖卸荷作用下，硐室侧墙挠动区硬脆性岩体的卸荷差异回弹(差异变形)导致灾变性的径向拉应力产生，与环向压应力一起形成拉压应力环境。拉压应力作用下，造成硐室侧墙挠动区岩体张性破坏，例如诱发岩体张性松弛、劈裂(表层围岩剥离)甚至岩爆等灾害。因此，深部高应力下的开挖卸荷区岩体的拉压变形破坏和强度特性是工程建设中必须明确的基本岩体力学问题之一。

然而，由于岩石的脆性破坏特征和试验技术上的困难，目前缺乏较好的岩石双轴拉压试验装置。目前已有的一些双轴拉压试验(如文献《王怀亮,宋玉普,曲晓东,任峰.大坝原级配混凝土在双轴拉压及三轴拉压压受力状态下的试验研究[J].土木工程学报,2007,40(7):104-110》)多针对混凝土材料，且缺乏满意的拉伸对中方法。尤其是压缩加载过程会使试样发生压缩方向的变形和轻微的位移，需要实时对拉伸方向的试样受力进行对中，目前均缺乏相应的装置和手段。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置，其特征在于该装置包括竖直上拉伸装置、竖直下拉伸装置、水平左压缩装置和水平右压缩装置；

所述竖直上加载装置与竖直下加载装置的结构完全相同，试验时分别与岩石试样的上下端头连接；所述竖直上加载装置包括

形拉伸件、T形拉伸件、上下侧滚珠排、拉头、铰链和试验机拉伸加载头；所述

形拉伸件的一端固定于试验机拉伸加载头上，内部通过上下侧滚珠排放置有T形拉伸件，T形拉伸件能够在

形拉伸件内部左右滑动；T形拉伸件的一端伸出

形拉伸件的另一端，通过铰链与拉头的一端连接；拉头的另一端与岩石试样的上端头连接；

所述水平左压缩装置和水平右压缩装置的结构完全相同，试验时分别与岩石试样的左右侧面的中间位置连接；所述水平左压缩装置包括压头、传压件、左右侧滚珠排和试验机压缩加载头；所述传压件的一端通过传压件凹槽内放置的左右侧滚珠排与试验机压缩加载头连接，另一端为球形凸起；压头的一端面与岩石试样的左侧面的中间位置连接，另一端面具有球形凹槽，与传压件的球形凸起相匹配，形成球铰式接触。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本装置在岩石拉压试验过程中可实现拉伸力实时对中，压应力作用于试样中部而非全表面，压缩方向保证接触面受力均匀，以避免拉头粘结处的试样端头效应。

(2)本装置的T形拉伸件可以通过

形拉伸件上的滚珠在水平方向自由滑动，即在加载过程中可实时自动调整水平向的位置，从而保持拉伸方向的实时对中。

(3)本装置实验时竖向方向施加拉力，水平方向施加压力，两个方向的力的施加是相互独立的，互不干扰。两个方向可以同时施加力，也可以一个方向固定，另一个方向施加。

(4)本装置结构简易，性能可靠，配合传统双轴试验机使用，可开展多种双轴拉压应力试验，为获取岩石类材料在拉压组合荷载下的力学特性提供了高精确度的试验手段。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构主视示意图；

图2为本发明一种实施例的去掉试验机压缩加载头后的整体结构左视示意图；

图3为本发明一种实施例的

形拉伸件立体示意图；

图4为本发明一种实施例的T形拉伸件立体示意图；

图5为本发明一种实施例的拉头立体示意图；

图6为本发明一种实施例的压头和传压件连接示意图。

图中：1、竖直上拉伸装置；2、竖直下拉伸装置；3、水平左压缩装置；4、水平右压缩装置；5、岩石试样；11、

形拉伸件；12、T形拉伸件；13、拉头；14、铰链；15、试验机拉伸加载头；16、上下侧滚珠排；31、压头；32、传压件；33、试验机压缩加载头；34、左右侧滚珠排；111、顶板；112、侧部连接板；113、底板；121、水平板；122、竖向长方体柱；1221、凹槽一；1222、插孔一；1223、插销一；131、水平块；132、凸头；1321、凹槽二；1322、插孔二；1323、插销二；

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置(简称装置，参见图1-6)，其特征在于该装置包括竖直上拉伸装置1、竖直下拉伸装置2、水平左压缩装置3和水平右压缩装置4；

所述竖直上加载装置1与竖直下加载装置2的结构完全相同，试验时分别与岩石试样5的上下端头连接；所述竖直上加载装置1包括

形拉伸件11、T形拉伸件12、上下侧滚珠排16、拉头13、铰链14和试验机拉伸加载头15；所述

形拉伸件11的一端固定于试验机拉伸加载头15上，内部通过上下侧滚珠排16放置有T形拉伸件12，T形拉伸件12能够在

形拉伸件11内部左右滑动；T形拉伸件12的一端伸出

形拉伸件11的另一端，通过铰链14与拉头13的一端连接；拉头13的另一端与岩石试样5的上端头连接；拉头13与岩石试样5连接处的端面与岩石试样5的上端头的形状和尺寸完全相同，保证岩石试样5竖向均匀受拉；

所述水平左压缩装置3和水平右压缩装置4的结构完全相同，试验时分别与岩石试样5的左右侧面的中间位置连接；所述水平左压缩装置3包括压头31、传压件32、左右侧滚珠排34和试验机压缩加载头33；所述传压件32的一端通过传压件32凹槽内放置的左右侧滚珠排34与试验机压缩加载头33连接，左右侧滚珠排34用于减小摩擦，传压件32的另一端为球形凸起；压头31的一端面与岩石试样5的左侧面的中间位置连接，另一端面具有球形凹槽，与传压件32的球形凸起相匹配，形成球铰式接触，施加水平向预压力后使得压头31表面与岩石试样5表面紧密接触；压头31与岩石试样5连接处的端面与拉头13与岩石试样5连接处的端面的形状和尺寸完全相同。

所述

形拉伸件11由一块顶板111、两块侧部连接板112和两块底板113组成；所述顶板111的一端面水平固定于试验机拉伸加载头15上，另一端面的前后部分别与一块侧部连接板112的一端固定连接；两块底板113水平固定于各自的侧部连接板112的另一端；底板113具有凹槽，用于放置上下侧滚珠排16；两块底板113的中间具有空隙，用于T形拉伸件12的竖向长方体柱122通过上下侧滚珠排16左右滑动。

所述T形拉伸件12由水平板121和一端固定在水平板121上的竖向长方体柱122组成；所述水平板121置于

形拉伸件11内部，通过上下侧滚珠排16与

形拉伸件11的底板113连接；所述竖向长方体柱122的另一端连接铰链14的一端，具体是竖向长方体柱122的端头设置有凹槽一1221、插孔一1222和插销一1223，铰链14的一端伸入凹槽一1221中，插销一1223穿过插孔一1222将铰链14固定于凹槽一1221中。

所述拉头13由水平块131和固定在水平块131上的凸头132组成；所述水平块131通过强力胶与岩石试样5连接，水平块131与岩石试样5连接处的端面与岩石试样5的上端头的形状和尺寸完全相同；所述凸头132连接铰链14的另一端，具体是凸头132包括凹槽二1321、插孔二1322和插销二1323，铰链14的另一端伸入凹槽二1321中，插销二1323穿过插孔二1322将铰链14固定于凹槽二1321中。

所述压头31与岩石试样5连接处的端面之间依次设置冷底子油和锡箔纸，以减少摩擦。

所述岩石试样5为长方体，高与底面边长之比为2，高为竖向受拉方向。实验时是正方体部分受拉压应力影响，这样是为了防止竖直拉伸装置与水平压缩装置在试验过程中发生冲突，侧向不受压部分不会在试验中发生破坏，仅作为连接位置。

形为顺时针旋转90°的c形。

本发明的工作原理和工作流程是：

(1)先将岩石试样5的上下端头通过强力胶分别与竖直上拉伸装置1和竖直下拉伸装置2的拉头连接；再将竖直上拉伸装置1和竖直下拉伸装置2的

形拉伸件分别安装在各自的试验机拉伸加载头上，同时对岩石试样5施加较小的竖向预拉力；最后再将水平左压缩装置3和水平右压缩装置4的传压件分别安装在各自的试验机压缩加载头上，同时对岩石试样5施加较小的水平向预压力，使得压头表面与岩石试样5表面紧密接触。

(2)开始试验，当需要测量在一定压应力作用下使试样破坏的拉应力时，增加压应力至一定值并维持恒定，再增加拉应力至岩石试样5发生破坏，停止试验。当需要测量在一定拉应力作用下使试样破坏的压应力时，增加拉应力至一定值并维持恒定，再增加压应力至岩石试样5发生破坏，停止试验。当需要同时测量使试样破坏的拉应力和压应力时，可使拉应力和压应力分别按一定的加载速率同时增加，直至岩石试样5发生破坏(发生压破坏还是拉破坏由各自的加载速率控制)，停止试验，测得破坏时的拉应力与压应力。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置，其特征在于该装置包括竖直上拉伸装置、竖直下拉伸装置、水平左压缩装置和水平右压缩装置；

所述竖直上拉伸装置与竖直下拉伸装置的结构完全相同，试验时分别与岩石试样的上下端头连接；所述竖直上拉伸装置包括ᴒ形拉伸件、T形拉伸件、上下侧滚珠排、拉头、铰链和试验机拉伸加载头；所述ᴒ形拉伸件的一端固定于试验机拉伸加载头上，内部通过上下侧滚珠排放置有T形拉伸件，T形拉伸件能够在ᴒ形拉伸件内部左右滑动；T形拉伸件的一端伸出ᴒ形拉伸件的另一端，通过铰链与拉头的一端连接；拉头的另一端与岩石试样的上端头连接；

所述水平左压缩装置和水平右压缩装置的结构完全相同，试验时分别与岩石试样的左右侧面的中间位置连接；所述水平左压缩装置包括压头、传压件、左右侧滚珠排和试验机压缩加载头；所述传压件的一端通过传压件凹槽内放置的左右侧滚珠排与试验机压缩加载头连接，另一端为球形凸起；压头的一端面与岩石试样的左侧面的中间位置连接，另一端面具有球形凹槽，与传压件的球形凸起相匹配，形成球铰式接触；

所述ᴒ形拉伸件由一块顶板、两块侧部连接板和两块底板组成；所述顶板的一端面水平固定于试验机拉伸加载头上，另一端面的前后部分别与一块侧部连接板的一端固定连接；两块底板水平固定于各自的侧部连接板的另一端；底板具有凹槽，用于放置上下侧滚珠排；两块底板的中间具有空隙，用于T形拉伸件的竖向长方体柱通过上下侧滚珠排左右滑动；

所述T形拉伸件由水平板和一端固定在水平板上的竖向长方体柱组成；所述水平板置于ᴒ形拉伸件内部，通过上下侧滚珠排与ᴒ形拉伸件的底板连接；所述竖向长方体柱的另一端连接铰链的一端。

2.根据权利要求1所述的拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置，其特征在于拉头与岩石试样连接处的端面与岩石试样的上端头的形状和尺寸完全相同，保证岩石试样竖向均匀受拉；压头与岩石试样连接处的端面与拉头与岩石试样连接处的端面的形状和尺寸完全相同。

3.根据权利要求1所述的拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置，其特征在于竖向长方体柱的端头设置有凹槽一、插孔一和插销一；铰链的一端伸入凹槽一中，插销一穿过插孔一将铰链固定于凹槽一中。

4.根据权利要求1所述的拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置，其特征在于所述拉头由水平块和固定在水平块上的凸头组成；所述水平块与岩石试样连接；所述凸头连接铰链的另一端。

5.根据权利要求4所述的拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置，其特征在于凸头包括凹槽二、插孔二和插销二；铰链的另一端伸入凹槽二中，插销二穿过插孔二将铰链固定于凹槽二中。

6.根据权利要求1所述的拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置，其特征在于所述压头与岩石试样连接处的端面之间依次设置冷底子油和锡箔纸，以减少摩擦；拉头的水平块通过强力胶与岩石试样连接。

7.根据权利要求1所述的拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置，其特征在于所述岩石试样为长方体，高与底面边长之比为2，高为竖向受拉方向。