CN111157344A - 岩石抗拉强度的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石抗拉强度的测量装置及测量方法，装置包括下位座、上位座、下位耐压块、上位耐压块、施力机构和位移传感器；施力机构包括缸套和活塞杆，缸套设置于下位耐压块内，缸套底部与下位耐压块之间区域为高压腔，活塞杆的顶端伸出缸套外与上位耐压块接触；上位座的一侧与上位压块相连，下位座与上位座之间和/或下位耐压块与上位耐压块之间设有张紧复位机构；下位座与下位耐压块通过高压接头相连，高压接头的输出口与高压腔连通，自高压接头输入驱动活塞杆运动从而实现下位耐压块和上位耐压块的外扩使待测试岩样发生张拉破坏。待测试岩样从上、下位耐压块的分离处起裂，试验的起裂位置可控，从而保证了测试的可重复性。

Description

岩石抗拉强度的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于岩石力学特性室内试验技术领域，特别是涉及一种岩石抗拉强度的测量装置及测量方法。

背景技术

岩石的抗拉强度是岩石的一个重要力学性质，也是岩石结构稳定性分析的一个重要参数。岩石的抗拉强度远小于其抗压强度，当岩石受到的拉应力高于岩石的抗拉强度时，岩石发生拉伸破坏，因此准确获得岩石的抗拉强度对研究岩石破坏具有重要意义。

目前测量岩石抗拉强度的方法有直接拉伸法、劈裂法以及点载荷法等。然而，这些测试方法都存在一些不足：

(1)采用直接拉伸法可得出较准确的抗拉强度值，但是采用该法试件制备比较困难，试验技术复杂，试样的拉破坏断面位置难以控制，容易在试样与夹具连接处破断，影响测试精度；

(2)采用劈裂法测岩石的抗拉强度值时，由于试样端部与加载块接触位置附近的压应力区难以避免，导致所测得的抗拉强度值偏大；

(3)采用点载荷试验测量岩石的抗拉强度值时，测试结果离散性大，为了确保测试精度，试验一般规定每组试验必须达到一定数量，通常进行15个试件以上的试验，然后取平均值，费时费力。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种测试过程简便、测试结果准确可靠的岩石抗拉强度的测量装置及测量方法。

本发明提供的这种岩石抗拉强度的测量装置，该装置包括下位座、上位座、下位耐压块、上位耐压块、施力机构和位移传感器；施力机构包括缸套和活塞杆，缸套设置于下位耐压块内，缸套底部与下位耐压块之间区域为高压腔，活塞杆的顶端伸出缸套外与上位耐压块接触；上位座的一侧与上位压块相连，下位座与上位座之间和/或下位耐压块与上位耐压块之间设有张紧复位机构；下位座与下位耐压块通过高压接头相连，高压接头的输出口与高压腔连通，自高压接头输入驱动活塞杆运动从而实现下位耐压块和上位耐压块的外扩使待测试岩样发生张拉破坏。

为了提高运动的稳定性，所述缸套为底端开口的双缸套体，所述活塞为土型活塞，两活塞缸内均设有活塞，活塞与套体的内壁之间设有密封圈；缸套固接于所述下位耐压块上、活塞缸与高压腔连通。

作为优选，所述下位耐压块为半圆柱桶体，其轴向截面为L型，包括桶壁和端板，桶壁内设轴向通道和径向通道，径向通道连通轴向通道与所述缸套的内腔。

在一个具体实施方式中，所述施力机构还包括缸座，缸座内对应所述轴向通道位置处设有高压通道，缸座固接于所述下位耐压块的侧壁外，高压接头伸至高压通道内。

为了保证压力施加均匀，在所述下位耐压块和所述上位耐压块外分别均布有凸棱。

在一个具体实施方式中，所述下位座和所述上位座均为L型座体，所述位移传感器竖直布置于下位座的水平段上用以测量下位座与上位座的相对位移。

作为优选，所述张紧复位机构包括竖向张紧复位机构和横向张紧复位机构；竖向张紧复位机构安装于所述上位座和所述下位座之间，横向张紧复位机构安装于所述下位耐压块与所述上位耐压块之间。

作为优选，所述竖向张紧复位机构包括对拉弹簧和一对张紧螺栓；其中一个张紧螺栓竖直安装于上位座上，另一个张紧螺栓竖直安装于下位座上，对拉弹簧连接于两张紧螺栓之间。

作为优选，所述横向张紧复位机构包括对拉弹簧和一对张紧螺栓；其中一个张紧螺栓沿轴向安装于上位耐压块，另一个张紧螺栓沿轴向安装于下位耐压块，对拉弹簧连接于两张紧螺栓之间。

本发明还提供了一种岩石抗拉强度的测量方法，该方法利用上述的测量装置为工具，按如下步骤进行：

(1)、制备待测试的岩样，岩样为环形岩样，其内径大于下位耐压块与上位耐压块的外径和；

(2)、调节上位耐压块和下位耐压块至复位扣合，将岩样套于下位耐压块与上位耐压块外；

(3)、通过高压接头向高压腔内注入流体，驱动活塞杆运动，下位耐压块和上位耐压块外扩至与岩样的内孔孔壁紧贴；

(4)、将位移传感器调零；

(5)、继续通过高压接头向高压腔内注入流体，继续推动活塞杆运动，使上位耐压块和下位耐压块继续分离至待测试岩样的内孔孔壁发生张拉破坏；

(6)、实时记录测试全过程中的上位耐压块和下位耐压块之间的相对位移和高压腔内压力，并绘制压力随相对位移发生变化的相关曲线；

(7)、提取待测试岩样的内孔孔壁发生张拉破坏时的压力峰值载荷；

(8)、根据岩石破坏理论，当切向应力σ_θ与岩石的抗拉强度大小相同时，岩石发生拉伸破坏，因此岩石的抗拉强度可由待测试岩样内孔孔壁岩石发生破坏时的切向应力σ_θ(a)直观反映，其计算公式为：

式中，σ_θ为切向应力,P_i为施加在待测试岩样内孔孔壁上的压力，a为待测试岩样的内孔半径，b为待测试岩样的外径，r为岩样内选取点到岩样中心的径向距离，k为修正系数。

本发明在投入使用时，首先制备待测试的环形岩样，调节好装置使上位耐压块和下位耐压块至复位扣合，将岩样套于下位耐压块与上位耐压块外；其次向高压腔内注入流体，驱动活塞杆运动，下位耐压块和上位耐压块外扩至与岩样的内孔孔壁紧贴，将位移传感器调零；然后继续推动活塞杆运动，使上位耐压块和下位耐压块继续分离至待测试岩样的内孔孔壁发生张拉破坏；并实时记录测试全过程中的上位耐压块和下位耐压块之间的相对位移和高压腔内压力，并绘制压力随相对位移发生变化的相关曲线；再提取待测试岩样的内孔孔壁发生张拉破坏时的压力峰值载荷；最后根据岩石破坏理论进行计算即可得到抗拉强度。直接将岩样套上，不需要对岩样进行贴垫条等处理，使试验过程更方便、简捷；通过位移传感器测量出上、下位耐压块之间的相对位移，用来反映岩石孔壁岩石单元的张拉位移，试验测量更加准确；通过获得岩石被撑开时的压力载荷来反映岩石受拉破坏时的峰值载荷，从而计算得到岩石的抗拉强度，测试结果直观；测量时，待测试岩样从上、下位耐压块的分离处起裂，试验的起裂位置可控，从而保证了测试的可重复性，避免了测试结果的随机性和离散性，提高测试结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例中测量装置的剖视示意图。

图2为图1的侧视放大示意图。

图3为图1中A处的放大示意图。

图4为本优选实施例中测量装置的测量状态示意图。

图5为图4的侧视放大示意图。

图6为本优选实施例中待测岩样受力示意图。

图示序号：

1—下位座；

2—上位座；

3—下位耐压块，31—桶壁，32—端板，33—凸棱；

4—上位耐压块；

5—施力机构，51—缸座，52—缸套，53—活塞杆；

6—位移传感器；

7—竖向张紧复位机构，71—张紧螺栓，72—对拉弹簧；

8—横向张紧复位机构；

9—高压接头；

01—岩样。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实施例公开的这种岩石抗拉强度的测量装置，包括下位座1、上位座2、下位耐压块3、上位耐压块4、施力机构5、位移传感器6、竖向张紧复位机构7和横向张紧复位机构8。

下位座1和上位座2均为L型座体。下位座1的水平段和竖直段中部均设有通孔，上位座倒扣于下位座上通过竖向张紧复位机构7拉紧，竖向张紧复位机构7包括一对张紧螺栓71和对拉弹簧72，两张紧螺栓相向竖直布置，上部的张紧螺栓螺纹连接于上位座2上，下部的张紧螺栓螺纹连接于下位座上，对拉弹簧连接于两张紧螺栓的杆部之间。

下位耐压块3为半圆柱桶体，其轴向截面为L型，包括桶壁31和端板32，桶壁内设轴向通道和径向通道，桶壁外均布有凸棱33用以向岩样均匀施压；上位耐压块4为半圆柱桶体，其轴向截面为L型，包括桶壁和端板，桶壁外也均布有凸棱，上位耐压块4桶壁的一端预埋有螺栓。上位耐压块4扣于下位耐压块3上通过横向张紧复位机构8拉紧，横向张紧复位机构8包括对拉弹簧和一对张紧螺栓；其中一个张紧螺栓沿轴向安装于上位耐压块，另一个张紧螺栓沿轴向安装于下位耐压块，对拉弹簧连接于两张紧螺栓的头部之间。

如图3所示，施力机构5包括缸座51、缸套52和活塞杆53；缸座51为圆台座，其内沿轴向设有高压通道；缸套52为底端开口的双缸套体；活塞53为土型活塞，一对活塞分别置于对应的活塞腔内，活塞杆的顶部伸出缸套外与上位耐压块接触，并在活塞与缸套之间设置有密封圈。

在装配时，将缸座51固接于下位座的竖直段外，并使高压通道与竖直段上通孔对正，然后将高压接头9的一端穿过通孔插入高压通道内，将下位耐压块3安装于缸座外使轴向通道与高压通道对齐连通，将缸套52扣于下位耐压块上，缸套内的两活塞腔分别与对应的径向通道连通；将位移传感器6安装于下位座水平段上的通孔处，顶端朝向上位座2用以检测上位座与下位座的相对位移。

使用时自高压接头9向高压腔内注入液压油，液压油推动活塞杆上行实现下位耐压块与上位耐压块的分离从而破坏岩样。

运用本实施例公开的这种测量装置为工具进行岩样的抗拉强度测量时，详细步骤为：

(1)、制备待测试的岩样01，岩样为环形岩样，其内径大于下位耐压块与上位耐压块的外径和；

(2)、安装、运行、调试好测量装置，将上位耐压块和下位耐压块复位，将待测试岩样的内孔沿复位好的上、下位耐压块的轴线方向放入安装在耐压块的中间位置，如图4、图5所示；

(3)、通过高压接头向高压腔内注入液压油，推动活塞杆运动，至下位耐压块和上位耐压块外扩以与岩样的内孔孔壁紧贴后停止注油；

(4)、将位移传感器调零；

(5)、继续通过高压接头向高压腔内注入液压油，持续推动活塞杆运动，使上位耐压块和下位耐压块继续分离至待测试岩样的内孔孔壁发生张拉破坏；

(6)、实时记录测试全过程中的上位耐压块和下位耐压块之间的相对位移和高压腔内压力，并绘制压力随相对位移发生变化的相关曲线；

(7)、提取待测试岩样的内孔孔壁发生张拉破坏时的液压峰值载荷；

(8)、根据图6所示的待测试岩样受力示意图，待测试岩样内孔附近岩石单元上的切向应力σ_θ(r)如式(1)所示；根据岩石破坏理论，当切向应力σ_θ与岩石的抗拉强度大小相同时，岩石发生拉伸破坏，因此，岩石的抗拉强度可由待测试岩样内孔孔壁岩石发生破坏时的切向应力σ_θ(a)直观反映，其计算公式如式(2)所示：

式中，σ_θ为切向应力,P_i为施加在待测试岩样内孔孔壁上的压力，a为待测试岩样的内孔半径，b为待测试岩样的外径，r为岩样内选取点到岩样中心的径向距离，k为修正系数。

本发明相较于现有的装置和方法而言具有以下优势：

1、可以直接将岩样套上，不需要对岩样进行贴垫条等处理，使试验过程更方便、简捷；

2、通过位移传感器测量出上、下位耐压块之间的相对位移，用来反映岩石孔壁岩石单元的张拉位移，试验测量更加准确；

3、通过获得岩石被撑开时的压力载荷来反映岩石受拉破坏时的峰值载荷，从而计算得到岩石的抗拉强度，测试结果直观；

4、测量时，待测试岩样从上、下位耐压块的分离处起裂，试验的起裂位置可控，从而保证了测试的可重复性，避免了测试结果的随机性和离散性，提高测试结果的可靠性。

Claims (10)

1.一种岩石抗拉强度的测量装置，其特征在于：该装置包括下位座、上位座、下位耐压块、上位耐压块、施力机构和位移传感器；

施力机构包括缸套和活塞杆，缸套设置于下位耐压块内，缸套底部与下位耐压块之间区域为高压腔，活塞杆的顶端伸出缸套外与上位耐压块接触；

上位座的一侧与上位压块相连，下位座与上位座之间和/或下位耐压块与上位耐压块之间设有张紧复位机构；

下位座与下位耐压块通过高压接头相连，高压接头的输出口与高压腔连通，自高压接头输入驱动活塞杆运动从而实现下位耐压块和上位耐压块的外扩使待测试岩样发生张拉破坏。

2.如权利要求1所述的岩石抗拉强度的测量装置，其特征在于：所述缸套为底端开口的双缸套体，所述活塞为土型活塞，两活塞缸内均设有活塞，活塞与套体的内壁之间设有密封圈；缸套固接于所述下位耐压块上、活塞缸与高压腔连通。

3.如权利要求2所述的岩石抗拉强度的测量装置，其特征在于：所述下位耐压块为半圆柱桶体，其轴向截面为L型，包括桶壁和端板，桶壁内设轴向通道和径向通道，径向通道连通轴向通道与所述缸套的内腔。

4.如权利要求3所述的岩石抗拉强度的测量装置，其特征在于：所述施力机构还包括缸座，缸座内对应所述轴向通道位置处设有高压通道，缸座固接于所述下位耐压块的侧壁外，高压接头伸至高压通道内。

5.如权利要求1或4所述的岩石抗拉强度的测量装置，其特征在于：所述下位耐压块和所述上位耐压块外分别均布有凸棱。

6.如权利要求1所述的岩石抗拉强度的测量装置，其特征在于：所述下位座和所述上位座均为L型座体，所述位移传感器竖直布置于下位座的水平段上用以测量下位座与上位座的相对位移。

7.如权利要求1所述的岩石抗拉强度的测量装置，其特征在于：所述张紧复位机构包括竖向张紧复位机构和横向张紧复位机构；竖向张紧复位机构安装于所述上位座和所述下位座之间，横向张紧复位机构安装于所述下位耐压块与所述上位耐压块之间。

8.如权利要求7所述的岩石抗拉强度的测量装置，其特征在于：所述竖向张紧复位机构包括对拉弹簧和一对张紧螺栓；其中一个张紧螺栓竖直安装于上位座上，另一个张紧螺栓竖直安装于下位座上，对拉弹簧连接于两张紧螺栓之间。

9.如权利要求7所述的岩石抗拉强度的测量装置，其特征在于：所述横向张紧复位机构包括对拉弹簧和一对张紧螺栓；其中一个张紧螺栓沿轴向安装于上位耐压块，另一个张紧螺栓沿轴向安装于下位耐压块，对拉弹簧连接于两张紧螺栓之间。

10.一种岩石抗拉强度的测量方法，其特征在于，该方法利用权利要求1所述的测量装置为工具，按如下步骤进行：

(1)、制备待测试的岩样，岩样为环形岩样，其内径大于下位耐压块与上位耐压块的外径和；

(2)、调节上位耐压块和下位耐压块至复位扣合，将岩样套于下位耐压块与上位耐压块外；

(3)、通过高压接头向高压腔内注入流体，驱动活塞杆运动，下位耐压块和上位耐压块外扩至与岩样的内孔孔壁紧贴；

(4)、将位移传感器调零；

(5)、继续通过高压接头向高压腔内注入流体，继续推动活塞杆运动，使上位耐压块和下位耐压块继续分离至待测试岩样的内孔孔壁发生张拉破坏；

(6)、实时记录测试全过程中的上位耐压块和下位耐压块之间的相对位移和高压腔内压力，并绘制压力随相对位移发生变化的相关曲线；

(7)、提取待测试岩样的内孔孔壁发生张拉破坏时的压力峰值载荷；

(8)、根据岩石破坏理论，当切向应力σ_θ与岩石的抗拉强度大小相同时，岩石发生拉伸破坏，因此岩石的抗拉强度可由待测试岩样内孔孔壁岩石发生破坏时的切向应力σ_θ(a)直观反映，其计算公式为：

式中，σ_θ为切向应力,P_i为施加在待测试岩样内孔孔壁上的压力，a为待测试岩样的内孔半径，b为待测试岩样的外径，r为岩样内选取点到岩样中心的径向距离，k为修正系数。

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