CN111238950B - 一种岩石围压装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石围压装置，包括基座和正向围压部件，基座包括加载板支撑座、基座主体和岩石物料台，加载板支撑座对称设置在基座主体前后两侧且与基座主体向上形成U型凹槽，基座主体正中央上方固定设置有岩石物料台，岩石物料台上方放置岩石物料，正向围压部件包括加载板和压板，加载板内侧均对称设置有两个加载板凸起，压板靠近加载板的一面均设置有与加载板凸起相配合的压板凹槽。本发明利用基座和正向围压部件实现双侧围压，结构简单，成本较低，侧向围压部件可与正向围压部件配合使用，使用灵活，适用性广，可有效提高岩石物料所受围压的均匀性，防止岩石物料边角压溃。

Description

一种岩石围压装置

技术领域：

本发明涉及岩石围压模拟加载设备技术领域，具体是指一种岩石试样的围压模拟施加装置。

背景技术：

赋存于地层中的岩体均处于原岩应力状态，即具备一定地应力。该应力状态(也称岩体围压)影响了岩石自身物理力学性质、岩石本构特性、岩石破碎/破坏机制、开挖时开挖装置(含破岩刀具)的破岩载荷特性、破岩效率、破岩机制和使用寿命、以及受到开挖扰动后的沉降变形特性等诸多方面，因此应在相关研究课题中予以重点关注与考量。此外，岩体围压使得天然岩体表现出与无围压应力条件状态下(如实验室环境下制备的普通岩石试样块)及浅表地层中低围压应力条件状态下截然不同的特性，因此，在与深部高应力地下工程的安全评价与灾害防治等试验研究过程中，岩石围压水平的再现与模拟对于试验结果的准确性显得尤为重要。

以全断面岩石隧道掘进机(TBM)刀盘刀具破岩机理研究为例，岩石围压水平是影响岩石密石核衍生发育程度的重要影响因素。岩石密实核(以下简称密实核)是在破岩刀具(如盘形滚刀、切刀等)作用下，刃底岩石被粉碎压实后形成的半球形岩粉体。在研究岩石密实核衍生过程时，现有破岩切削试验条件下，现有硬件装置无法再现出岩层原岩(尤其是深部岩层)所处的围压状态，使得岩石的密实核衍生现象并不明显，严重影响了实验结果的真实性；此外，现有的围压装置结构较复杂、成本较高、应用范围较小，同时对岩石施加的围压不均匀，容易造成岩石物料边角受力集中的现象，造成岩石物料边角被压溃等问题。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种岩石围压装置，利用基座和正向围压部件实现对岩石的围压，结构简单，成本较低，侧向围压部件可与正向围压部件配合使用，使用灵活，适用性广，可有效提高岩石物料所受围压的均匀性，防止岩石物料边角压溃。

本发明提供了一种岩石围压装置，具体技术方案为：包括基座和正向围压部件，所述基座可为整个装置提供支撑力，所述正向围压部件为岩石物料提供正向围压。所述基座包括加载板支撑座、基座主体和岩石物料台。为了使所述基座与所述正向围压部件更好地配合，为岩石物料提供围压，所述加载板支撑座对称设置在所述基座主体前后两侧且与所述基座主体向上形成U型凹槽，所述加载板支撑座可为所述正向围压部件提供支撑力，并为所述正向围压部件相对所述基座作前后移动提供导向作用。所述基座主体正中央上方固定设置有所述岩石物料台，且所述岩石物料台的大小小于所述U型凹槽的大小，所述岩石物料台上方放置有岩石物料，所述岩石物料台的顶面高度与所述加载板支撑座的顶面高度一致。

所述正向围压部件包括加载板和压板；一对所述加载板对称地设置于所述岩石物料的前后两侧，且所述加载板分别设置于与之正对的所述加载板支撑座上；所述加载板可相对所述加载板支撑座前后移动；一对所述加载板两端通过双头螺柱I、螺母和止推轴承对称连接，从而固定前后两个所述加载板并通过调节所述双头螺柱I和所述螺母来调节两个所述加载板之间的距离，为岩石物料提供正向围压。为了使所述加载板与所述压板更好地压合同时保证岩石物料所受围压的均匀性，在所述加载板内侧均对称设置有两个加载板凸起，所述压板对称压合在所述加载板的内侧表面，所述加载板和压板压合后对称压紧在所述岩石物料前后两侧，所述压板靠近所述加载板的一面均设置有与所述加载板凸起相配合的压板凹槽。所述加载板凸起与所述压板凹槽之间相互配合，使得岩石物料均匀受力，有效避免了岩石物料边角受力集中的现象，防止边角压溃，再现了深部岩层原岩所处应力状态所处的围压状态，从而保证了与岩石围压紧密相关的诸多课题研究的准确性。以TBM刀盘刀具破岩机理研究为例，在现有TBM线切割试验台上，借助本发明，可开展围压条件下TBM滚刀破岩试验，并使得刃底岩石密实核充分地衍生发育，为后续定性/定量研究岩石密实核现象提供了良好的试验基础。此外，本发明结构简单紧凑，无需使用液压缸对顶的方式施加围压，大大降低了试验成本。

进一步地，为了更好地固定所述基座，防止实验过程中出现晃动等情况，影响岩石物料所受围压的情况，所述基座底部前后两端对称地固设有基座耳板，所述基座耳板的下底面与所述基座的下底面重合，所述基座耳板的左右两侧各开设有腰型通孔，所述基座通过腰型通孔与实验装置工作台实现可拆卸式紧固连接。

进一步地，为了保证围压更均匀地分布于岩石物料的待加载侧面上，每个所述加载板上的两个所述加载板凸起分别对应所述岩石物料长度方向的三分之一和三分之二处位置。

进一步地，为了提高两个所述加载板凸起及两个所述压板凹槽之间所围部分的强度，使得岩石物料所受围压更加均匀，每个所述加载板上的两个所述加载板凸起之间和每个所述压板上的两个所述压板凹槽之间均设置有加强筋板。

进一步地，为了提高螺纹连接的能量转换效率，实现类似螺旋千斤顶的施力机构，将所述螺母与所述双头螺柱I的一端旋合并通过所述止推轴承紧固于所述加载板的外端面。

进一步地，当所述岩石物料的宽度小于其长度时，为了给岩石物料施加双侧围压，本发明还包括侧向围压部件，所述侧向围压部件包括侧向加载板和垫板；一对所述侧向加载板对称地设置于所述岩石物料的左右两侧，且所述侧向加载板设置于所述基座主体上；所述侧向加载板可相对基座主体左右移动；一对所述侧向加载板通过双头螺柱II、所述螺母和所述止推轴承对称连接，所述侧向加载板中间对称开设有限位凹槽，所述垫板卡设在所述限位凹槽内并与所述侧向加载板的内侧表面压合后一同压紧于所述岩石物料的左右两侧。

进一步地，所述加载板支撑座上还可开设有与所述正向围压部件构成移动副的导向结构，相应地所述正向围压部件的一部分嵌设于所述导向结构内，使得所述正向围压部件可相对所述基座作前后移动以便施加正向围压。

进一步地，为了限制岩石物料的水平位移，在所述岩石物料台的台面上周向设置有若干个限位块。

本发明一种岩石围压装置的有益效果是：通过基座和正向围压部件的相互配合即可为岩石物料提供实验所需要的围压，再现了深部岩层所处的围压状态，保证了岩石的密实核衍生现象，为岩石密实核现象的后续定性、定量研究提供了良好的基础，整体结构简单，无需使用液压缸对顶，成本较低；可根据岩石物料的长宽情况选择双侧围压均使用正向围压部件，或者侧向围压部件与正向围压部件配合使用，使用灵活，适用性广；增加了加载板凸起、压板凹槽以及加强筋板等结构，进一步提高了岩石物料所受围压的均匀性，避免出现岩石物料边角受力集中的现象，有效防止岩石物料边角压溃，且结构更为紧凑。

附图说明：

图1为本发明一种岩石围压装置的结构示意图，

图2为本发明一种岩石围压装置的爆炸结构示意图，

图3为本发明一种岩石围压装置基座的结构示意图，

图4为本发明一种岩石围压装置正向围压部件的结构示意图，

图5为本发明一种岩石围压装置正向围压部件的爆炸结构示意图，

图6为本发明一种岩石围压装置正向围压部件中加载板的结构示意图，

图7为本发明一种岩石围压装置正向围压部件中压板的结构示意图，

图8为本发明一种岩石围压装置侧向围压部件的结构示意图，

图9为本发明一种岩石围压装置侧向围压部件的爆炸结构示意图，

图10为本发明一种岩石围压装置侧向围压部件中侧向加载板的结构示意图，

图中：1、基座，1-1、基座耳板，1-1-1、腰型通孔，1-2、加载板支撑座，1-3、基座主体，1-4、岩石物料台，1-4-1、限位块，2、岩石物料，4、正向围压部件，4-1、双头螺柱I，4-2、螺母，4-3、止推轴承，4-4、加载板，4-4-1、加载板凸起，4-4-2、加强筋板，4-5、压板，4-5-1、压板凹槽，5、侧向围压部件，5-1、双头螺柱II，5-2、侧向加载板，5-2-1、限位凹槽，5-3、垫板。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1、图2和图3所示，一种岩石围压装置，包括基座1和正向围压部件4，基座1用于与实验装置工作台连接，从而更好地固定围压装置，为整个装置提供支撑力；正向围压部件4用于为岩石物料2提供围压。基座1包括加载板支撑座1-2、基座主体1-3和岩石物料台1-4，加载板支撑座1-2对称设置在基座主体1-3前后两侧且与基座主体1-3向上形成U型凹槽，加载板支撑座1-2可为正向围压部件4提供支撑力，并为正向围压部件4相对基座1作前后移动提供导向作用，优选的，加载板支撑座1-2上还可开设有与正向围压部件4构成移动副的导向结构(如燕尾导槽)，相应地正向围压部件4的一部分(更为具体地，为加载板4-4的下部)嵌设于所述导向结构内，使得正向围压部件4可相对基座1作前后移动以便施加正向围压。基座主体1-3正中央上方固定设置有岩石物料台1-4，且岩石物料台1-4的大小小于所述U型凹槽的大小，以便额外安装用于向岩石物料2施加侧向围压的其他部件；岩石物料台1-4上方放置有岩石物料2，优选的，岩石物料2为长方体状且可以为任意长宽，岩石物料台1-4可为岩石物料2提供支撑力。优选的，与加载板支撑座1-2类似地，基座主体1-3上也可增加设置导向结构，以便于侧向围压部件5相对基座1作左右移动以便施加侧向围压。岩石物料台1-4的顶面高度与加载板支撑座1-2的顶面高度一致，从而方便正向围压部件4为岩石物料2提供围压。优选的，岩石物料2的下部可嵌设于或者固设于岩石物料台1-4的上部内；例如，本例中，岩石物料台1-4的台面上周向设置有若干个限位块1-4-1，使得岩石物料2的下部嵌设于岩石物料台1-4的上部。优选的，基座1底部前后两端对称地固设有基座耳板1-1，基座耳板1-1的下底面与基座1的下底面重合，基座耳板1-1的左右两侧各开设有腰型通孔1-1-1，基座1通过腰型通孔1-1-1与实验装置工作台实现可拆卸式紧固连接，从而有效防止因围压装置在使用过程中出现晃动而导致影响试验精度等不利情况。

如图1、图4、图5、图6和图7所示，正向围压部件4包括加载板4-4和压板4-5；一对加载板4-4对称地设置于岩石物料2的前后两侧，且加载板4-4分别设置于与之正对的加载板支撑座1-2上；加载板4-4可相对加载板支撑座1-2前后移动；一对加载板4-4两端通过双头螺柱I4-1、螺母4-2和止推轴承4-3对称连接，螺母4-2与双头螺柱I4-1的一端旋合并通过止推轴承4-3紧固于加载板4-4的外端面，双头螺柱I4-1、螺母4-2和止推轴承4-3共同组成了一个类似螺旋千斤顶的施力机构，利用螺纹连接具有较大传动比和自锁性好的优点，将较小的螺母4-2转动能量逐圈地地累积，并转换成螺母4-2在螺杆上较大的直线运动能量，再利用止推轴承4-3，大大地降低了螺母4-2与加载板4-4端面因螺母4-2不断旋紧而越来越大的摩擦力，从而有效提高了螺纹连接的能量转换效率。一对压板4-5对称地压合在加载板4-4的内侧表面，压板4-5的内侧表面再压紧在岩石物料2前后两侧；加载板4-4、压板4-5和岩石物料2依次由外向内对称地布置。

在加载板4-4内侧上均对称设置有两个加载板凸起4-4-1，优选的，加载板4-4为长方体状，且加载板凸起4-4-1的上下端面与加载板4-4重合，压板4-5靠近加载板4-4的一面均设置有与加载板凸起4-4-1相配合的压板凹槽4-5-1，优选的，每个加载板4-4上的两个加载板凸起4-4-1分别对应岩石物料2长度方向的三分之一和三分之二处位置，即每个压板4-5上的两个压板凹槽4-5-1也分别对应岩石物料2长度方向的三分之一和三分之二处位置，保证了围压更均匀地分布于岩石物料2的待加载侧面上。进一步地，每个加载板4-4上的两个加载板凸起4-4-1之间和每个压板4-5上的两个压板凹槽4-5-1之间均设置有加强筋板4-4-2，可有效提高加载板凸起4-4-1和压板凹槽4-5-1所围部分的强度，使得围压更加均匀。带有加载板凸起4-4-1的加载板4-4与带有压板凹槽4-5-1的压板4-5配合使用，可有效地将加载板4-4两端所受的拉力以集中力的形式传递至压板凹槽4-5-1处，压板4-5再以均布载荷的方式传递至岩石物料2上，从而保证了岩石物料2所受围压的均匀性，防止当加载板4-4直接接触并作用于岩石物料2上时，因加载板4-4两侧受拉弯曲变形而引起岩石物料2边角被压溃的问题；此外，也可使得本发明结构更加紧凑美观。

与现有技术相比，将岩石物料2设置于基座1之上，再简单装配上正向围压部件4后，便可为岩石物料2提供均匀的围压，再现了原岩所处应力状态，从而保证了与岩石围压紧密相关的诸多课题研究的准确性。以TBM刀盘刀具破岩机理研究为例，在现有TBM线切割试验台上，借助本发明，可开展围压条件下TBM滚刀破岩试验，并使得刃底岩石密实核充分地衍生发育，为后续定性/定量研究岩石密实核现象提供了良好的试验基础。此外，本发明结构简单紧凑，无需使用液压缸对顶的方式施加围压，大大降低了试验成本。

优选的，当螺母4-2的可动行程给定时，为了使得加载板4-4储存更多变形能，从而为岩石物料2提供更大的正压力，加载板4-4采用屈服强度高且弹性模量高的钢板。

优选的，当岩石物料2的长度和宽度相接近时，为了向岩石物料2施加双侧围压，本发明还包括两套相互垂直布置的正向围压部件4；此时，为了避免零件发生运动干涉，压板4-5的长度应略小于岩石物料2的长度。

优选的，当岩石物料2的宽度小于其长度时，为了向岩石物料2施加双侧围压，如图1、图8、图9和图10所示，本发明还包括侧向围压部件5。侧向围压部件5包括侧向加载板5-2和垫板5-3；一对侧向加载板5-2对称地设置于岩石物料2的左右两侧，且侧向加载板5-2设置于基座主体1-3上；侧向加载板5-2可相对基座主体1-3左右移动；一对侧向加载板5-2通过双头螺柱II5-1、螺母4-2和止推轴承4-3对称连接，螺母4-2与双头螺柱II5-1的一端旋合并通过止推轴承4-3紧固于侧向加载板5-2的外端面。此外，双头螺柱II5-1、螺母4-2和止推轴承4-3同样组成了一个类似螺旋千斤顶的施力机构。侧向加载板5-2中间对称开设有限位凹槽5-2-1，用于卡设垫板5-3，限制其竖直方向的位移。垫板5-3卡设在限位凹槽5-2-1内；一对垫板5-3对称地压合在侧向加载板5-2的内侧表面上，而垫板5-3的内侧表面压紧在岩石物料2的左右两侧面；垫板5-3的宽度小于岩石物料2的宽度；侧向加载板5-2、垫板5-3和岩石物料2依次由外向内对称地布置；这样一来，不仅保证了岩石物料2所受侧向围压的均匀性，而且防止了当侧向加载板5-2直接接触并作用于岩石物料2上时，因侧向加载板5-2两侧受拉弯曲变形而引起岩石物料2边角压溃的问题。

值得补充说明的是，在应用本发明向岩石物料2施加双侧围压时，可根据岩石物料2的长度与宽度的差异程度，合理选用两套正向围压部件，或单套侧向围压部件与正向围压部件。可见，本发明应用灵活，适用性广。

在使用本发明岩石围压装置为岩石物料2提供围压时，先将基座1通过腰型通孔1-1-1及螺栓与实验装置工作台固定连接，将岩石物料2设置于岩石物料台1-4上，再将正向围压部件4压紧在岩石物料2前后两侧面上，其中，通过加载板凸起4-4-1和压板凹槽4-5-1的相互配合将压板4-5对称压合在加载板4-4的内侧表面，加载板4-4和压板4-5压合后对称压紧在岩石物料2前后两侧，加载板4-4位于加载板支撑座1-2上方且可沿导向结构相对于加载板支撑座1-2前后移动，两侧加载板4-4通过双头螺柱I4-1、螺母4-2和止推轴承4-3固定住，从而为岩石物料2提供正向围压，当岩石物料2的长度和宽度差不多时，双侧围压均可使用正向围压部件4为岩石物料2提供围压，整体装置结构简单、成本较低。

此外，在实际应用中，若岩石物料2的宽度较窄时，可以选用侧向围压部件5来为岩石物料2提供侧向围压。此时可在基座1及岩石物料2安装好后，将垫板5-3卡设在限位凹槽5-2-1内并与侧向加载板5-2的内侧表面压合后一同压紧于岩石物料2的左右两侧，再通过双头螺柱II5-1、螺母4-2和止推轴承4-3将左右两侧侧向加载板5-2固定连接，从而安装好侧向围压部件5，然后按照上述步骤安装好正向围压部件4，实现岩石物料2的双侧围压。正向围压部件4及侧向围压部件5的使用灵活，可适用于不同长宽的岩石物料2，适用性广。

下面将以如图1所示的岩石围压装置为例，根据现有螺旋千斤顶产品的技术参数，估算出本发明的围压模拟能力。按照如图1所示岩石物料2在基座1上的摆放关系，假设垂直岩石物料2前面为x轴，垂直岩石物料2侧面为y轴，垂直岩石物料2顶面为z轴，岩石物料2的长宽高尺寸为300×40×200mm；8根双头螺柱I4-1，4根双头螺柱II5-1，且单根螺柱参考QL5螺旋千斤顶进行选型设计，因此每根螺柱能承受最大拉力F为50kN。通过计算可知，侧向围压部件5可为岩石物料2侧壁所提供的围压P₂约为25MPa。正向围压部件4可为岩石物料2前壁所提供的围压为P₁约为6.67MPa。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“前”、“后”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元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。

最后应说明的是：以上的实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应上述的以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种岩石围压装置，其特征在于：包括基座(1)和正向围压部件(4)，基座(1)包括加载板支撑座(1-2)、基座主体(1-3)和岩石物料台(1-4)，加载板支撑座(1-2)对称设置在基座主体(1-3)前后两侧，且与基座主体(1-3)向上形成U型凹槽，基座主体(1-3)正中央上方固定设置有岩石物料台(1-4)，岩石物料台(1-4)上方放置有岩石物料(2)；

正向围压部件(4)包括加载板(4-4)和压板(4-5)，一对加载板(4-4)对称地设置于岩石物料的前后两侧，且加载板(4-4)分别设置于加载板支撑座(1-2)上，加载板(4-4)可相对加载板支撑座(1-2)前后移动，一对加载板(4-4)两端通过双头螺柱I(4-1)、螺母(4-2)和止推轴承(4-3)对称连接，加载板(4-4)内侧均对称设置有两个加载板凸起(4-4-1)，压板(4-5)靠近加载板(4-4)的一面均设置有与加载板凸起(4-4-1)相配合的压板凹槽(4-5-1)；压板(4-5)对称压合在加载板(4-4)的内侧表面，加载板(4-4)和压板(4-5)压合后对称压紧在岩石物料(2)前后两侧；

岩石物料(2)左右两侧还设置有侧向围压部件(5)，侧向围压部件(5)包括侧向加载板(5-2)和垫板(5-3)，一对侧向加载板(5-2)对称地设置于岩石物料(2)的左右两侧，且侧向加载板(5-2)设置于基座主体(1-3)上，侧向加载板(5-2)可相对基座主体(1-3)左右移动，一对侧向加载板(5-2)通过双头螺柱II(5-1)、螺母(4-2)和止推轴承(4-3)对称连接，侧向加载板(5-2)中间对称开设有限位凹槽(5-2-1)，垫板(5-3)卡设在限位凹槽(5-2-1)内并与侧向加载板(5-2)的内侧表面压合后一同压紧于岩石物料(2)的左右两侧。

2.根据权利要求1的一种岩石围压装置，其特征在于：在岩石物料台(1-4)的台面上周向设置有若干个限位块(1-4-1)，使得岩石物料(2)的下部嵌设于岩石物料台(1-4)的上部。

3.根据权利要求1的一种岩石围压装置，其特征在于：基座(1)底部前后两端对称地固设有基座耳板(1-1)。

4.根据权利要求1的一种岩石围压装置，其特征在于：每个加载板(4-4)上的两个加载板凸起(4-4-1)分别对应岩石物料(2)长度方向的三分之一和三分之二处位置。

5.根据权利要求1的一种岩石围压装置，其特征在于：每个加载板(4-4)上的两个加载板凸起(4-4-1)之间和每个压板(4-5)上的两个压板凹槽(4-5-1)之间均设置有加强筋板(4-4-2)。

6.根据权利要求1的一种岩石围压装置，其特征在于：加载板支撑座(1-2)上还可开设有与正向围压部件(4)构成移动副的导向结构。

7.根据权利要求1的一种岩石围压装置，其特征在于：基座主体1-3上还可开设有与侧向围压部件(5)构成移动副的导向结构。

8.根据权利要求1的一种岩石围压装置，其特征在于：岩石物料台(1-4)的顶面高度与加载板支撑座(1-2)的顶面高度一致。

9.根据权利要求1的一种岩石围压装置，其特征在于：岩石物料台(1-4)的大小小于U型凹槽的大小。

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