CN110044683B - 一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变的装置及方法，它包括用于试验的岩样，在岩样的内部加工有多个小孔，所述小孔的内部填充有膨胀剂；相邻两个所述小孔之间形成岩桥，在岩桥的不同区域布设有用于测量岩桥所受应力的分布式光纤、透明网格纸或应力监测点；所述小孔的内部，在靠近岩桥的两侧放置有钢板，两块相邻的钢板之间用钢筋相连。该方法可事实监测测得各项力学参数，实时对岩样受力情况及时反馈，且此方法操作简单、成本低、结构简单，可应用于对各种形状大小岩样的抗拉抗压模量的检测，具有广泛的工程实践意义及应用前景。
Description
技术领域
本装置涉及一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变的技术及方法，主要适用于指导岩石长期受拉或长期受压情况下的稳定性，测量计算岩样的力学参数。
背景技术
在进行岩石抗拉强度测试的研究中发现，直接法与间接法测试结果的差别很大，这很可能是由于材料的拉伸与压缩弹性模量不相等造成的，只有测量出材料的拉伸与压缩弹性模量或拉压弹模比，才能确定间接法岩石抗拉强度的测试值与真实抗拉强度的关系。可见，拉压弹性模量的不相等会明显地影响结构内的应力分布，虽然处于三向压应力场的地下岩石工程结构的应力分析可不考虑这种影响，但对于采场顶板以及出现切向拉应力的巷道围岩稳定性分析就应该考虑这种影响，这样就会遇到材料拉伸和压缩弹性模量的测试问题。分别利用岩石试件的单轴拉伸和单轴压缩试验进行应力一应交关系的测定，可以获得岩石的拉伸和压缩弹性模量，这种方法在理论上是可行的，但应用起来却十分困难。
目前测量岩石抗拉强度的方法有直接拉伸法、圆盘劈裂法、圆环劈裂法、弯曲试验法等等，直接拉伸法最可靠，但做起来难度很大，其他方法都不可靠，弯曲试验法分为三点式和两点式，但无论三点式弯曲还是四点式弯曲拉、压弹性模量不等和屈服引起的误差仍无法避免，现有弯曲法测抗拉模量的方法偏差很大，因此，解决这一系列问题对指导岩石长期受拉或长期受压情况下的稳定性，测量计算岩样的力学参数具有重要意义。
发明内容
本发明针对自主提出的运用于工程中的指导岩石长期受拉或长期受压情况下的稳定性，测量计算岩样的力学参数，为解决目前测量岩石抗拉强度的方法不可靠、难度大，且无法指导岩石长期受拉或长期受压情况下的稳定性等问题，自主设计了一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变的技术及方法，该方法可事实监测测得各项力学参数，实时对岩样受力情况及时反馈，且此方法操作简单、成本低、结构简单，可应用于对各种形状大小岩样的抗拉抗压模量的检测，具有广泛的工程实践意义及应用前景。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变的装置，它包括用于试验的岩样，在岩样的内部加工有多个小孔，所述小孔的内部填充有膨胀剂；相邻两个所述小孔之间形成岩桥，在岩桥的不同区域布设有用于测量岩桥所受应力的分布式光纤、透明网格纸或应力监测点；所述小孔的内部，在靠近岩桥的两侧放置有钢板，两块相邻的钢板之间用钢筋相连。
所述小孔的截面形状为圆形、三角形或矩形；小孔的孔距和孔径根据实际测试需求确定。
所述膨胀剂采用岩石膨胀剂，所述膨胀剂的用量根据所需膨力量级确定。
所述透明网格纸由具有一定柔度和韧性的材料制成，并具有一定的延展性，其可根据岩桥变形有一定的形变，即使透明网格纸有部分变化，使得透明网格纸不被破坏。
所述应力监测点根据其在岩桥上的运动轨迹和运动距离，推断岩桥的变形情况。
所述小孔为两个时，岩桥中间部分受到拉应力和压应力的作用，即垂直于岩桥方向受到拉应力作用，平行于岩桥方向受到压应力作用，可以很好得测出岩样的抗/压模量。
所述小孔靠近岩桥的两侧放置钢板，两钢板之间用钢筋连接，将压应力消除，使得岩桥上只有拉应力的作用，从而测量岩样的抗拉模量。
所述小孔为多个时，即小孔围成一个封闭区域，再向小孔中加入膨胀剂，此时所测区域只有压应力作用，可以很好得测出岩样的抗压模量。
采用任意一项所述利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变装置的测试方法，其特征在于他包括以下步骤：
Step1：材料准备：准备表面较平整的待测岩样，钻头，分布式光纤，膨胀剂，具有一定柔度和韧性的透明网格纸，具有一定强度和刚度的钢板以及钢筋；
Step2：制作透明网格纸：使用具有一定柔度和韧性的透明纸，在透明纸上利用直尺和记号笔画上网格，网格边长为a，网格可以随着岩石变形而发生形变，从而很好得反应岩石的受力情况；
Step3：制作应力平衡装置：使用刚度和强度较大的钢板和钢筋，按照在岩样上所钻小孔的大小，制作可以放入小孔的两块钢板，将钢板用钢筋在钢板的四个角处连接成一个整体，即用四根钢筋连接的两块钢板；
Step4：安装监测设备：在两小孔之间，即形成岩桥的区域贴上上述所述的透明网格纸，用粘接剂将透明网格纸粘接到岩桥表面，使透明网格纸上的网格可以根据岩桥的位移而发生移动；还可在岩桥上布设分布式光纤，利用分布式光纤直接得出岩样的位移；
Step5：模拟试验：在准备好的岩样上使用钻头按照测量目的打上小孔，在小孔之间将要形成岩桥的区域贴上制作好的透明网格纸或者分布式光纤，在小孔中按监测要求放置应力平衡装置，将钢板一侧放置在接近岩桥一侧，再向小孔应力平衡装置中加入膨胀剂，观察所要监测的数据；
Step6：根据测得的各项力学参数，研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律、应力均化规律及自动卸压规律，为实际工程提供相关的理论支撑。
一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变装置的测试方法，在表面光滑的岩石上取岩样，按照需求使用大小不一的钻头在岩样上打上小孔，通过控制小孔的孔径和孔距调节膨胀剂的用量，进一步调整力的大小，在测量单项应力时，小孔内部可以设置用钢筋连接的钢板，也可以设置多个小孔测量压应力，在小孔之间的岩桥部位安置分布式光纤，或在其上打应力监测点，还可以使用具有一定延展性的透明纸做成透明网格，再向小孔中注入准备好的岩石膨胀剂，利用岩石膨胀剂可长期施力的特点，观测应力监测点和透明网格的位移推测其变形场，利用变形场推测出抗拉抗压模量等力学参数。
本发明有如下有益效果：
1、本发明创新性的在所要测量岩石上进行原位的抗拉抗压模量的测量，在不破坏岩样自身结构的前提下，只对岩样部分区域进行钻孔操作，使得测量结果更加真实可靠，更具有工程意义。
2、针对自主提出的运用于工程中的抗拉抗压模量的测量技术，自主设计了该方法，利用该方法能够很好的测量形状不均匀的岩样的抗拉抗压模量，通过小孔的孔径和小孔间孔距的大小来调节所要测量岩样的受力大小。
3、本发明所提出的方法可实时监测岩样受力区域，或所形成的岩桥区域的受力情况，利用透明网格纸的位移，以及在力的作用岩样的变形情况，可通过变形场得出应力场，再通过应力场求出岩样的抗拉抗压模量。
4、本发明提出利用膨胀剂作为施力装置提供了一种长久施力装置，只需操作一次就可得到长久力，有效的解决了无法长时间施力的问题，提供了一种长期施力装置，使得实验更易操作。
5、本发明提出的多个小孔的方法可很好的平衡拉应力的作用，从而更加有效的测量岩样的抗拉模量；所述应力平衡装置可以很好得平衡岩桥所受的压应力，从而更加真实的测量岩样的抗拉模量。
6、本发明有效地解决了模拟情况失真，模拟操作不方便等问题，从而能够更好得测量岩石的抗拉抗压模量，此方法操作简单、成本低、结构简单，可应用于对各种形状大小岩样的抗拉抗压模量的检测，具有广泛的工程实践意义及应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明涉及的岩样及小孔整体示意图。
图2为本发明涉及的岩桥受力情况示意详图。
图3为本发明涉及的受力平衡装置示意详图。
图4为本发明涉及的应力平衡装置放置及受力情况示意详图。
图5为本发明涉及的多孔情况下应力示意详图。
图6为本发明涉及的岩桥局部透明网格纸布设示意详图。
图中：膨胀剂1，岩样2，小孔3，分布式光纤4，应力5，透明网格纸6，岩桥7，应力监测点8，钢筋9，钢板10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
请参阅图1-6，一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变的装置，它包括用于试验的岩样2，在岩样2的内部加工有多个小孔3，所述小孔3的内部填充有膨胀剂1；相邻两个所述小孔3之间形成岩桥7，在岩桥7的不同区域布设有用于测量岩桥7所受应力的分布式光纤4、透明网格纸6或应力监测点8；所述小孔3的内部，在靠近岩桥7的两侧放置有钢板10，两块相邻的钢板10之间用钢筋9相连。通过采用上述的装置，可事实监测测得各项力学参数，实时对岩样受力情况及时反馈，且此方法操作简单、成本低、结构简单，可应用于对各种形状大小岩样的抗拉抗压模量的检测，具有广泛的工程实践意义及应用前景。
进一步的，所述小孔3的截面形状为圆形、三角形或矩形；小孔3的孔距和孔径根据实际测试需求确定。
进一步的，所述岩样2所测区域使岩样表面相对比较平整，以便于透明网格纸的粘贴等后续工作。
进一步的，所述膨胀剂1采用岩石膨胀剂，所述膨胀剂1的用量根据小孔3的孔径确定。所述膨胀剂放入准备好的小孔中，向其中加入水，让其发生反应，从而提供长期且较大的力。
进一步的，所述透明网格纸6由具有一定柔度和韧性的材料制成，并具有一定的延展性，其可根据岩桥7变形有一定的形变，即使透明网格纸6有部分变化，使得透明网格纸6不被破坏。网格边长为a，网格可以随着岩石变形而发生形变，从而很好得反应岩石的受力情况。
进一步的，所述应力监测点8根据其在岩桥7上的运动轨迹和运动距离，推断岩桥7的变形情况。
所述小孔3为两个时，岩桥7中间部分受到拉应力5和压应力5的作用，即垂直于岩桥7方向受到拉应力5作用，平行于岩桥7方向受到压应力5作用，可以很好得测出岩样的抗/压模量。
所述小孔3靠近岩桥7的两侧放置钢板10，两钢板10之间用钢筋9连接，将压应力5消除，使得岩桥7上只有拉应力5的作用，从而测量岩样的抗拉模量。
所述小孔3为多个时，即小孔3围成一个封闭区域，再向小孔3中加入膨胀剂1，此时所测区域只有压应力5作用，可以很好得测出岩样的抗压模量。
实施例2：
采用任意一项所述利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变装置的测试方法，其特征在于他包括以下步骤：
Step1：材料准备：准备表面较平整的待测岩样2，钻头，分布式光纤4，膨胀剂1，具有一定柔度和韧性的透明网格纸6，具有一定强度和刚度的钢板10以及钢筋9；
Step2：制作透明网格纸6：使用具有一定柔度和韧性的透明纸，在透明纸上利用直尺和记号笔画上网格，网格边长为a，网格可以随着岩石变形而发生形变，从而很好得反应岩石的受力情况；
Step3：制作应力平衡装置：使用刚度和强度较大的钢板10和钢筋9，按照在岩样上所钻小孔3的大小，制作可以放入小孔的两块钢板10，将钢板10用钢筋9在钢板的四个角处连接成一个整体，即用四根钢筋连接的两块钢板；
Step4：安装监测设备：在两小孔3之间，即形成岩桥7的区域贴上上述所述的透明网格纸6，用粘接剂将透明网格纸6粘接到岩桥7表面，使透明网格纸6上的网格可以根据岩桥7的位移而发生移动；还可在岩桥7上布设分布式光纤4，利用分布式光纤4直接得出岩样的位移；
Step5：模拟试验：在准备好的岩样上使用钻头按照测量目的打上小孔3，在小孔3之间将要形成岩桥的区域贴上制作好的透明网格纸6或者分布式光纤4，在小孔3中按监测要求放置应力平衡装置，将钢板一侧放置在接近岩桥一侧，再向小孔应力平衡装置中加入膨胀剂1，观察所要监测的数据；
Step6：根据测得的各项力学参数，研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律、应力均化规律及自动卸压规律，为实际工程提供相关的理论支撑。
实施例3：
一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变装置的测试方法，在表面光滑的岩石上取岩样2，按照需求使用大小不一的钻头在岩样2上打上小孔3，通过控制小孔3的孔径和孔距调节膨胀剂1的用量，进一步调整力的大小，在测量单项应力5时，小孔3内部可以设置用钢筋9连接的钢板10，也可以设置多个小孔3测量压应力5，在小孔3之间的岩桥7部位安置分布式光纤4，或在其上打应力监测点8，还可以使用具有一定延展性的透明纸做成透明网格6，再向小孔3中注入准备好的岩石膨胀剂1，利用岩石膨胀剂1可长期施力的特点，观测应力监测点8和透明网格6的位移推测其变形场，利用变形场推测出抗拉抗压模量等力学参数。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变的装置，其特征在于：包括用于试验的岩样（2），在岩样（2）的内部加工有多个小孔（3），所述小孔（3）的内部填充有膨胀剂（1）；相邻两个所述小孔（3）之间形成岩桥（7），在岩桥（7）的不同区域布设有用于测量岩桥（7）所受应力的分布式光纤（4）、透明网格纸（6）或应力监测点（8）；所述小孔（3）为两个时，岩桥（7）中间部分受到拉应力（5）和压应力（5）的作用，即垂直于岩桥（7）方向受到拉应力（5）作用，平行于岩桥（7）方向受到压应力（5）作用，在所述小孔（3）的内部，在靠近岩桥（7）的两侧放置钢板（10），两块相邻的钢板（10）之间用钢筋（9）相连，将压应力（5）消除，使得岩桥（7）上只有拉应力（5）的作用，从而测量岩样的抗拉模量；所述小孔（3）为多个时，即小孔（3）围成一个封闭区域，再向小孔（3）中加入膨胀剂（1），此时所测区域只有压应力（5）作用，可以很好的测出岩样的抗压模量。
2.根据权利要求1所述的一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变的装置，其特征在于：所述小孔（3）的截面形状为圆形、三角形或矩形；小孔（3）的孔距和孔径根据实际测试需求确定。
3.根据权利要求1所述的一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变的装置，其特征在于：所述膨胀剂（1）采用岩石膨胀剂。
4.根据权利要求1所述的一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变的装置，其特征在于：所述透明网格纸（6）由具有一定柔度和韧性的材料制成，并具有一定的延展性，其可根据岩桥（7）变形有一定的形变，即使透明网格纸（6）有部分变化，使得透明网格纸（6）不被破坏。
5.根据权利要求1所述的一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变的装置，其特征在于：可根据所述应力监测点（8）在岩桥（7）上的运动轨迹和运动距离，推断岩桥（7）的变形情况。
6.采用权利要求1-5任意一项所述利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变装置的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
Step1：材料准备：准备表面较平整的待测岩样（2），钻头，分布式光纤（4），膨胀剂（1），具有一定柔度和韧性的透明网格纸（6），具有一定强度和刚度的钢板（10）以及钢筋（9）；
Step2：制作透明网格纸（6）：使用具有一定柔度和韧性的透明纸，在透明纸上利用直尺和记号笔画上网格，网格边长为a，网格可以随着岩石变形而发生形变，从而很好的 反应岩石的受力情况；
Step3：制作应力平衡装置：使用刚度和强度较大的钢板（10）和钢筋（9），按照在岩样上所钻小孔（3）的大小，制作可以放入小孔的两块钢板（10），将钢板（10）用钢筋（9）在钢板的四个角处连接成一个整体，即用四根钢筋连接的两块钢板；
Step4：安装监测设备：在两小孔（3）之间，即形成岩桥（7）的区域贴上所述的透明网格纸（6），用粘接剂将透明网格纸（6）粘接到岩桥（7）表面，使透明网格纸（6）上的网格可以根据岩桥（7）的位移而发生移动；还可在岩桥（7）上布设分布式光纤（4），利用分布式光纤（4）直接得出岩样的位移；
Step5：模拟试验：在准备好的岩样上使用钻头按照测量目的打上小孔（3），在小孔（3）之间将要形成岩桥的区域贴上制作好的透明网格纸（6）或者分布式光纤（4），在小孔（3）中按监测要求放置应力平衡装置，将钢板一侧放置在接近岩桥一侧，再向小孔应力平衡装置中加入膨胀剂（1），观察所要监测的数据；
Step6：根据测得的各项力学参数，研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律、应力均化规律及自动卸压规律，为实际工程提供相关的理论支撑。
7.根据权利要求6所述的一种利用膨胀剂测试孔间岩桥抗拉抗压蠕变装置的测试方法，其特征在于：在表面光滑的岩石上取岩样（2），按照需求使用大小不一的钻头在岩样（2）上打上小孔（3），通过控制小孔（3）的孔径和孔距调节膨胀剂（1）的用量，进一步调整力的大小，在测量单项应力（5）时，如果小孔（3）为两个，则在小孔（3）内部设置用钢筋（9）连接的钢板（10），将压应力（5）消除，使得岩桥（7）上只有拉应力（5）的作用，如果小孔（3）为多个，即小孔（3）围成一个封闭区域，此时所测区域只有压应力（5）作用；在小孔（3）之间的岩桥（7）部位安置分布式光纤（4），或在岩桥（7）上打应力监测点（8），或在岩桥（7）部位使用具有一定延展性的透明纸做成的透明网格纸（6），再向小孔（3）中注入准备好的岩石膨胀剂（1），利用岩石膨胀剂（1）可长期施力的特点，观测应力监测点（8）和透明网格（6）的位移推测其变形场，利用变形场推测出抗拉抗压模量等力学参数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
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Application publication date: 20190723 Assignee: Hongchuang (Yichang) Architectural Design Co.,Ltd. Assignor: CHINA THREE GORGES University Contract record no.: X2023980031470 Denomination of invention: A device and method for testing tensile and compressive creep of rock bridge between holes by using expansion agent Granted publication date: 20210727 License type: Common License Record date: 20230116 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
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Assignee: Hongchuang (Yichang) Architectural Design Co.,Ltd. Assignor: CHINA THREE GORGES University Contract record no.: X2023980031470 Date of cancellation: 20230721 |