CN110411834A - 单轴压缩实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩石单轴压缩实验辅助装置领域，公开了一种单轴压缩实验装置，其包括依加压方向顺序布置的顶盖、装置压头和装置底座，顶盖与装置压头固定连接，所述顶盖用于与试验机压头连接，装置压头的外形为同轴的空心圆柱和单调变径实心回转体的组合，空心圆柱的侧壁上开有线槽，装置底座的外形为同轴的单调变径实心回转体和空心圆柱的组合，装置底座的空心圆柱的侧壁上也开有线槽，两单调变径实心回转体的直径较小端面为所述的工作面，装置底座的空心圆柱内侧设置用于与试验机底座连接的装置底座限位结构。其能够在探头不承压的情况下完成测量，能实时分析试件在不同应力水平下的轴向及横向波速变化，提高了试验结果的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石试验领域的单轴压缩实验装置，尤其是一种能够用于超声波损伤检测的实验装置。
背景技术
岩石作为一种天然材料，无论多么致密，其内部始终含有不同程度的初始缺陷，如微裂纹、空隙等。当岩石开始承受外力作用时，其内部的微缺陷被压密闭合，结构更加致密，相应的介质波速有所上升，这也可以解释为什么在某些工程岩体中会出现岩样波速小于原位岩体波速的现象；随着外力的逐渐升高，介质波速升高达到峰值，岩石内部的微裂隙开始萌发、扩展，在某一时刻贯通形成宏观裂纹并最终导致岩石的失稳破坏，其在波速上的变化则体现为随着裂纹的逐渐扩展波速加速下降，由此可见，岩石内部损伤状态与其中的介质波速存在密切的联系。因此开展不同载荷与应力水平下的岩石超声波检测试验，并通过波速、波形的变化来评价、描述岩石材料的损伤累积过程对于工程稳定性控制和安全性预测具有重要的意义。
由于超声波传感器本身不具备承压能力，所以传统的岩石超声波检测试验多是针对天然状态下岩石的无损检测，即探头与岩石直接接触且探头两端无附加载荷。即便想探究不同应力条件下岩石内部的波速变化特征，超声波探头也多置于岩样的侧面，无法直接对轴向的波速变化进行讨论。
2004年6月于《地球物理学进展》第19卷第2期发表的作者为杨宏峰等的文章《轴向压力下砂岩波速的实验研究》一文中公开了一种单轴压缩试验装置，它包括根据换能器的尺寸大小所设计的一对换能器保护环，并在换能器与试件之间加垫钢垫块作为换能器的替代承压装置，从而达到直接测量轴向波速的目的。
该方案所采用的主体承压部分为换能器保护环，该环实为一钢环，为了使应力分布更加均匀，在所述钢环与实验样品之设置有钢垫块,根据材料力学受力分析可知，该方案荷载主要集中于试件的外圆周部分，越往试件中心应力缺失越明显，可见该装置并未仔细考虑岩石受压过程中力的传递效率，从而导致试件的破坏形态与正常单轴压缩条件下不相一致且该装置无法测量岩样的横向波速。由此看来，开发一种既不影响应力传递又可替代换能器承压的装置，满足能实时分析不同应力水平下的轴向及横向波速变化，进而探讨其随应力变化的内部损伤规律与波速变化之间的耦合关系，已经成为开展相关实验研究的关键问题与迫切需要。
发明内容
基于对上述装置的结构和试验要求的深入分析，本发明所要解决的技术问题是提供一种基本不影响应力传递效率且能配合换能器直接测量岩石各向波速的单轴压缩实验装置，本发明目的主要是借助于模拟计算和实验验证的方式，通过优化装置的结构形式实现的，从而保证应力传导效率，提高试验结果的可靠性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：单轴压缩实验装置，包括依加压方向顺序布置的顶盖、装置压头和装置底座，顶盖与装置压头固定连接，装置压头和装置底座的工作面相对，两工作面之间为试件安装位，所述顶盖用于与试验机压头连接，装置压头的外形为同轴的空心圆柱和单调变径实心回转体的组合，空心圆柱的侧壁上开有线槽，装置底座的外形为同轴的单调变径实心回转体和空心圆柱的组合，装置底座的空心圆柱的侧壁上也开有线槽，两单调变径实心回转体的直径较小端面为所述的工作面，装置底座的空心圆柱内侧设置用于与试验机底座连接的装置底座限位结构。
上述装置的组成部件中，以顶盖和装置底座限位结构保证装置压头和装置底座的同心度，并借助该两部件将上述装置安装在试验机上，装置压头和装置底座内部的空心圆柱分别作为上、下轴向探头的安装位置，而空心圆柱的侧壁上均开设线槽以容纳探头的馈线通过；装置压头和装置底座的实体部分，从形状上来说，是同轴的单调变径实心回转体和空心圆柱的组合，为一体式的结构，该部分用于压力的传导，从本发明后文的分析可见，这样的形状能够基本拟合常单轴压缩条件下力的传递效果，从而为实现本发明目的起到关键作用。相对于现有的试验装置而言，其装配过程简单，试件的非承压表面裸露，能够同时对试件的轴向和横向波速进行测量，也能安装其它的应变片，方便在单轴压缩实验中进行各种参数的收集，且力的传导效率与不使用该实验装置而直接安装试件时保持了较好的一致性。
从发明人的模拟计算来看，所述的单调变径实心回转体最优的形状是球缺，为兼顾拟合效果和加工方便，折衷选择所述装置压头的单调变径实心回转体及装置底座的单调变径实心回转体均为圆台。与前面的叙述一致：所述两圆台均以直径较小的底面为所述的工作面。
就此种情况下装置压头和装置底座的形状而言，所述两圆台直径较大的底面，可以与所述空心圆柱内部的圆孔的底面重合，以减轻装置压头和装置底座的重量，也可以与所述空心圆柱内部的圆孔的底面还有一定的距离，即所述空心圆柱的圆孔底面与所述圆台之间还有一部分实心圆柱体，这对于力的传导效率略有好处，但会增加装置压头和装置底座的重量。
为将本装置用于单轴压缩条件下更准确的进行超声波损伤检测，为了保证声波沿轴线传播，所述压头的圆孔的底面及其工作面的加工平整度均≤0.01mm，所述底座的圆孔的底面及其工作面的加工平整度均≤0.01mm。
为方便装拆轴向探头，在底座的空心圆柱内侧设置一定位板作为所述的装置底座限位结构，因要与空心圆柱部分相配合，定位板为圆形板，为便于装配同时保证同心度，定位板和底座之间宜为间隙配合；在定位板的中心处，一面设置有定位销孔，可通过匹配的定位销与试验机的底座定位连接，而另一面设置有弹簧，弹簧力可将下轴向探头可靠的固定在装置底座的圆孔的底面与定位板之间。
为方便横向探头的固定和定位，在所述装置底座的空心圆柱外侧设置有横向探头安装结构，设计所述横向探头安装结构包括一设有中心孔的支板，支板的中心孔与所述底座的外圆间隙配合，中心孔的四周布置有呈十字对称分布的四个立柱，各立柱上均连接有与支板相平行且高度一致的托板，所述托板用于连接横向探头，任两个相对的立柱的托板上可安装一对横向探头，所述结构可基本保证对中精度。
为方便装拆探头及根据试件尺寸调节探头位置，所述托板与一螺杆固定连接，所述螺杆与立柱上端的安装孔滑动连接并通过螺母限位，托板上开设有探头安装孔，当探头一端抵靠在试件上时，另一端依靠螺母进行限位，实现探头的径向固定。
考虑到多数试验机压头的现有结构，设计所述顶盖通过中心螺纹孔及匹配的螺栓与试验机压头连接。
此外，顶盖与装置压头之间也需要固定连接，所述顶盖通过呈三角分布的三颗螺钉与装置压头连接，装置压头上设置有相对应的螺钉孔，方便定位安装和拆卸试验装置。
本发明的有益效果是：设计专用的装置压头和装置底座用以安装轴向超声波探头，能够在探头不承压的情况下，直接测量轴向波速，同时该结构可保证轴向探头的准确对心，也可测量横向波速，因受压过程中应力的传递效率有保障，应用本发明的实验装置可基本拟合正常单轴压缩条件，从而应用本发明的实验装置时试件的破坏形态可视为正常单轴压缩条件下试件的破坏形态，亦能实时分析试件在不同应力水平下的轴向及横向波速变化，提高了试验结果的可靠性。
附图说明
图1是本发明的实验装置的组装示意图。
图2是图1中顶盖的示意图。
图3是图1中装置压头的示意图。
图4是图1中装置底座的示意图。
图5是图1中定位板的示意图。
图6是图1的横向探头安装结构中支板的示意图。
图7是图1中横向探头安装结构中托板的示意图。
图8至图10是“不采用/采用本发明实施例的实验装置”分别对三种试件进行单轴压缩实验的应力应变曲线对比示意图。
图中标记为：1-顶盖，2-装置压头，3-装置底座，4-定位板，5-横向探头安装结构，6-圆孔，7-线槽，8-销孔，9-中心孔，10-螺柱，11-探头，12-支板，13-立柱，14-托板，15-螺杆，16-螺母，17-探头安装孔，18-试件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例：
如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本发明的用于超声波损伤检测的单轴压缩实验装置，其包括顶盖1、装置压头2、装置底座3、定位板4、横向探头安装结构5。
如图2所示，所述顶盖1为一空心法兰盘，在圆心处有一中心螺纹孔，通过匹配的螺柱10可连接试验机的压头，盘面上均匀分布三个通孔，并在通孔一端设置沉孔，作为与装置压头2连接的螺钉过孔，另在法兰盘的侧面可对称分布两个盲孔(图中未示出)，通过向盲孔中插入操纵杆配合实现该法兰盘与试验机压头之间的装卸配合。
如图3所示，所述装置压头2的形状为壁厚均匀的空心圆柱与圆台的组合，所述空心圆柱内部圆孔6的底面与所述圆台较大直径的端面重合，空心圆柱端的端面称为上端面，圆台端较小直径的端面称为下端面，为工作面，空心圆柱内的圆孔6主要用于放置轴向超声波探头；空心圆柱的壁上开有一凹槽作为线槽7，用于容纳换能器馈线通过；装置压头2的上端面上均匀分布三个螺纹孔，与顶盖1上的三个通孔相对应，通过螺钉可将装置压头2与顶盖1相连接。为了保证声波沿轴线传播，所述圆孔6的底面以及装置压头2的下端面的加工平整度均控制在0.01mm以内。
如图4所示，所述装置底座3的形状与装置压头2类似，为圆台与壁厚均匀的空心圆柱的组合，所述圆台较大直径的端面与所述空心圆柱内部圆孔6的底面重合，圆台端的较小直径的端面称为上端面，为工作面，空心圆柱端的端面称为下端面，空心圆柱内的圆孔6亦用于放置轴向超声波探头，同时空心圆柱的壁上开有一凹槽作为线槽7，用于容纳换能器馈线通过。为了保证声波沿轴线传播，所述圆孔6的底面以及装置底座3的上端面的加工平整度均控制在0.01mm以内。
如图5所示，所述定位板4为一圆形薄板，圆心处设置一销孔8通过定位销与试验机底座连接，薄板一面连接弹簧，用于给探头均匀施压，使其紧贴装置底座3的圆孔6的底面。定位板4的公差带在装置底座3上的圆孔的公差带之下，两者之间采用间隙配合，一方面保证拆卸的方便性，另一方面又保证底座不会产生较大水平滑动。
装置压头、装置底座及定位板的结构设计配合平整度的控制能够较好地保证轴向探头装配到所述装置中后的对心，即一对轴向探头基本能够位于同一轴线上，以保证测量精度。也可利用其它的辅助装置配合实现在空心圆柱内安装的轴向探头的安装位置的同轴度。
如图1、图6和图7所示，设置在装置底座3外侧的横向探头安装结构5包括一设有中心孔9的支板12，中心孔9的四周布置有呈十字对称分布的四个立柱13，各立柱13上均连接有与支板12相平行且高度一致的托板14，所述托板14用于连接横向探头，托板14与一螺杆15固定连接，所述螺杆15与立柱13滑动连接并通过螺母16限位，托板14上开设有探头安装孔17，任两个相对的立柱13的托板14上可安装一对横向探头，通过螺杆15及螺母16可调整、固定探头端与试件18之间的距离，使探头11与试件18紧密贴合。横向探头安装结构5的中心孔9的公差带在底座3的外圆直径的公差带之上，两者之间采用间隙配合。
当采用上述实验装置开展单轴压缩状态下的超声波实验时，按照以下步骤进行试验：
(1)在装置压头2的圆孔底面、试件18的两个端面以及装置底座3的圆孔底面均匀涂抹凡士林作为耦合剂，以保证超声波在分界面上的良好传播，完成上述工作后将声波探头平放至装置压头2与装置底座3的圆孔内。
(2)令横向波速探头的接线柱穿过托板14上的探头安装孔17，连接探头与馈线并旋紧探头11的螺纹套管，完成螺杆15与探头11之间的连接。
(3)将顶盖1通过3通孔与内置探头的装置压头2固定连接，并通过螺柱及中心螺纹孔10与试验机压头之间固定相连。
(4)通过定位销及销孔8使定位板4与试验机底座相连接，在定位板4上放置一弹簧11，将内置探头的装置底座3放置于定位板4之上，再将横向探头安装结构5的支板12套装在装置底座3上；将接有探头11的螺杆15分别穿过立柱13上端的安装孔，并通过螺母16使螺杆15与支板12固定连接。
(5)将贴有应变片的试件18放置在装置底座3上，启动试验机使装置压头2的底面与试件18的端面相接触，预压三十分钟保证装置压头2、装置底座3与试件18的充分接触。
(6)调节螺母16的位置，推动螺杆15调整横向探头与与试件侧表面之间的距离，在确认探头与试件表面充分接触后，旋紧螺母16以定位螺杆15。以支板12为支撑，通过螺杆15及托板14上的两组横向探头11，可以对各个方向的横向波速变化进行测试，并且能保证探头与试样测表面的充分耦合以及发射、接收探头之间的对心度。
(7)启动试验机，设置加载速率，在不同应力水平下对试件18不同方向的波速波形进行采集。
本发明的实验装置通过将探头内置，能直接探测到单轴受压试件的轴向波速，并且能充分保证发射探头与接收探头之间的对心度。以支板及立柱为支撑，通过连接有螺杆的托板来安装横向探头，可以对各个方向的波速变化进行测试，并且能保证探头与试样测表面的充分耦合以及发射、接收探头之间的对心度。
在设计加工本发明的实验装置时，本发明实验装置首先提出了本发明实验装置的整体构造包括用于与试验机压头连接的顶盖、用于分别固定试件受压方向上、下表面的装置压头和装置底座，且装置压头和装置底座采用类似的结构形状，均大致采用一体成型的回转体结构，中心设置有探头容纳空腔，在侧壁的局部设置允许探头馈线通过的线槽，同时，装置底座通过装置底座限位结构与试验机底座连接，并可进一步在装置底座外侧设置横向探头安装结构。
考虑到装置使用的目的不仅是安装探头方便，还要尽可能的保持其在应力传导方向与未使用装置时尽量保持一致。本发明的装置需要在装置压头和装置底座中预留空腔用来安设声波探头，在利用加载设备加载，压头受力过程中，空腔会导致应力集中现象，同时压头会对力的传递产生一定影响。因此，发明人对所设计装置的压头及其底座进行了力学分析与强度校核，并进一步采用数值软件反复模拟单轴加载条件下装置内部的应力分布，来优化影响轴向探头之间应力传导的装置压头和装置底座的体型结构，最后还设计了一组对比实验，用于验证加装本实施例装置前后试样应力-应变曲线与峰值强度的一致性。下面简要对本发明实验装置模型建立和优化过程进行叙述。
本发明采用Abacus对实心圆柱压头/底座、空心圆柱压头/底座(压头/底座外形为圆柱形但有圆形沉孔作为探头容纳腔)和实施例的装置压头/底座三种形态压头/底座在相同受力条件下的应力分布进行数值模拟，模型的约束为应力边界条件，载荷为面力，大小为50Mpa，模拟结果显示，实心圆柱压头/底座与试件接触面的外圆周部分出现存在一定的应力集中现象，应力极值为343.1Mpa,应力分布较为均匀；空心圆柱压头/底座，其应力集中现象加剧，应力极值为379.9Mpa，且试件端部的应力分布极不均匀；实施例的装置压头/底座，应力集中现象依然存在，应力极值为336.1Mpa，与实心圆柱压头/底座较为接近，且应力分布较空心圆柱压头/底座更加均匀。
除此之外，发明人分别采用具有相同性质的两种大理岩试件、一种砂岩试件进行岩石的单轴压缩实验，实验的控制变量为是否装载实施例的实验装置，对比分析了是否使用本发明的实验装置对于不同类型岩石应力-应变曲线与峰值强度一致性的影响，实验结果与分析如附图8-图10所示。
其中岩石峰值强度对照结果如下表1所示。
表1岩石峰值强度对照结果
| 实验组别 | Mb-1 | Mb-2 | Sd-1 |
| 有压头(Mpa) | 78.98 | 66.93 | 33.95 |
| 无压头(Mpa) | 76.1 | 68.07 | 33.44 |
| 相对误差(％) | 3.78 | -1.67 | 1.53 |
注：实验组别中的Mb-1、Mb-2和Sb-1，Mb代表的是大理岩、Sb代表的是砂岩；“-1”“-2”代表是这一类岩石里的第几组样品。
实验结果显示，同组岩石装载实施例的实验装置前后的应力应变曲线吻合度极高，峰值强度的相对误差不超过4％，考虑到岩石的个体性差异，压头对于岩石峰值强度的影响基本可以忽略不计。
本装置进行前述对比实验时搭配使用的是日本OYO公司所生产的sonic viewer超声波探测仪，该仪器采样频率大、精度高、波形清晰，与市场同类产品相比具有卓越的横波测试性能。
Claims (10)
1.单轴压缩实验装置，其特征是：包括依加压方向顺序布置的顶盖、装置压头和装置底座，顶盖与装置压头固定连接，装置压头和装置底座的工作面相对，两工作面之间为试件安装位，所述顶盖用于与试验机压头连接，装置压头的外形为同轴的空心圆柱和单调变径实心回转体的组合，空心圆柱的侧壁上开有线槽，装置底座的外形为同轴的单调变径实心回转体和空心圆柱的组合，装置底座的空心圆柱的侧壁上也开有线槽，两单调变径实心回转体的直径较小端面为所述的工作面，装置底座的空心圆柱内侧设置用于与试验机底座连接的装置底座限位结构。
2.如权利要求1所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述装置压头的单调变径实心回转体及装置底座的单调变径实心回转体均为圆台。
3.如权利要求2所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述圆台直径较大的底面分别与所述空心圆柱内部的圆孔的底面重合。
4.如权利要求1所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述装置压头的单调变径实心回转体及装置底座的单调变径实心回转体均为球缺。
5.如权利要求1所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述装置压头的圆孔的底面及其工作面的加工平整度均≤0.01mm，所述装置底座的圆孔的底面及其工作面的加工平整度均≤0.01mm。
6.如权利要求1所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述装置底座限位结构为定位板，定位板为圆形板，其中心处一面设置有定位销孔而另一面设置有弹簧，定位板与装置底座之间为间隙配合。
7.如权利要求1所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述装置底座的空心圆柱外侧设置有横向探头安装结构，所述横向探头安装结构包括一设有中心孔的支板，支板的中心孔与所述底座的外圆间隙配合，中心孔的四周布置有呈十字对称分布的四个立柱，各立柱上均连接有与支板相平行且高度一致的托板，所述托板用于连接横向探头。
8.如权利要求7所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述托板与一螺杆固定连接，所述螺杆与立柱上端的安装孔滑动连接并通过螺母限位，托板上开设有探头安装孔。
9.如权利要求1所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述顶盖通过中心螺纹孔及匹配的螺栓与试验机压头连接。
10.如权利要求1所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述顶盖通过呈三角分布的三颗螺钉与装置压头连接，装置压头上设置有相对应的螺钉孔。
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