CN111238953B - 一种岩石密实核衍生过程观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石密实核衍生过程观测装置，包括基座、正向围压部件和侧向围压部件，基座上装夹有岩石物料，正向围压部件对称压装于岩石物料的前后两面，侧向围压部件对称压装于岩石物料的左右两侧面，岩石物料与两侧正向围压部件之间对称压装有透光衬板，前后两个正向加载板及压板中部均开设有观测窗口，正向加载板上观测窗口左右两侧对称设有加载板凸起，压板上观测窗口左右两侧对称设置有与加载板凸起相配合的压板凹槽，螺母均通过辅助拧紧部件进行拧紧。本发明具备双向围压功能，能够观测到压头贯入板状岩石块试样过程中与工况接近的密实核衍生全过程，为密实核的定性及定量研究提供了便利条件。

Description

一种岩石密实核衍生过程观测装置

技术领域：

本发明涉及岩土工程和隧道工程技术领域，具体涉及一种岩石密实核衍生过程观测装置。

背景技术：

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。由于破岩刀具破岩过程中，与切削刃直接接触的，并非是传统认识上的完整岩石，而是岩石密实核，因此其形成机制和动态衍生机制对刀岩作用过程产生了重要影响。研究表明，密实核对刀具破岩机理、破岩效率、刀具摩擦磨损性能、刀具使用寿命、动力学特性等产生了较大的影响。

研究破岩刀具作用下，岩石密实核动态衍生机理，有助于进一步掌握刀具破岩机理。然而，一方面由于破岩刀具工作环境恶劣，加之部分破岩刀具的破岩运动学特征复杂，如截割头、钻头、滚刀等；另一方面由于岩石为非透明物质，加之岩石密实核衍生过程发生在刃底，因此难以在工作条件下或实验室条件下捕捉观测到岩石密实核动态衍生。也正是由于密实核难以观测，一般在现有有关刀具破岩机理的研究中，未将密实核现象纳入考察，也未有有效的装置辅助研究人员针对密实核现象予以严格的定量分析。此外，由于现有刀具破岩切削试验条件下，现有硬件装置(例如针对滚刀破岩试验用的TBM滚刀标准线切割试验台)无法再现出岩层原岩(尤其是深部岩层)所处的围压状态，导致在现有刀具破岩切削试验中，密实核衍生现象并不明显，且持续过程极为短暂，因此，无法在实验室环境下完整捕捉到类似TBM深部岩层掘进工况下与密实核真实衍生过程向接近的过程。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供能够解决上述问题的一种岩石密实核衍生过程观测装置，具备双向围压功能，能够观测到压头贯入板状岩石块试样过程中与工况接近的密实核衍生全过程，为密实核的定性及定量研究提供了便利条件。

实现本发明目的的技术方案是：一种岩石密实核衍生过程观测装置，包括基座、正向围压部件和侧向围压部件，所述基座上装夹有岩石物料，所述正向围压部件对称压装于所述岩石物料的前后两侧面，为所述岩石物料提供正向围压，所述侧向围压部件对称压装于所述岩石物料的左右两侧面，为所述岩石物料提供侧向围压。

为了在实验过程中能够准确的观测压头静压侵岩过程中密实核的衍生过程以及所述岩石物料在该过程中的变化，所述岩石物料设计为长方体状，且其正向厚度与实验装置所用压头宽度相同。

所述正向围压部件包括两个关于所述岩石物料前后对称设置的正向加载板和两个对称设置的压板；为了便于观测实验现象并将围压均匀地传递于所述岩石物料各向，所述岩石物料与两侧所述正向围压部件之间还对称压装有透光衬板。在所述正向加载板靠近所述岩石物料的内侧面上，左右两侧对称地设置有所述加载板凸起；在所述压板上左右对称地设置有与所述加载板凸起相配合的压板凹槽；两个所述正向加载板位于同一侧的两端通过所述双头螺柱I和所述螺母对称地连接，使得所述正向加载板通过所述加载板凸起对称地压合在所述压板的外侧表面上，而所述压板的内侧表面压紧在所述透光衬板的侧面上；所述透光衬板压装于所述岩石物料的前后两面；

所述正向加载板中上部均开设有观测窗口I；在前后两个所述压板中部，且与所述正向加载板相对应位置处也均开设有所述观测窗口II，这样一来，所述观测窗口I、所述观测窗口II和所述透光衬板依次由外向内构成了一个密实核观测通道；在正对或靠近所述密实核观测通道处可设置有观测装置，优选的，观测装置可以为高速摄像仪等。

所述侧向围压部件包括两个关于所述岩石物料左右对称设置的侧向加载板和两个对称设置的垫板，为了调节并固定所述侧向加载板，两个所述侧向加载板位于同一侧的两端通过双头螺柱II和螺母对称连接；所述侧向加载板的内侧表面通过所述垫板压紧于所述岩石物料。

所述螺母分别与所述正向加载板和所述侧向加载板的外端面之间设置有所述止推轴承。

为了方便将所述螺母进行拧紧，提高实验效率，所述螺母均通过辅助拧紧部件进行拧紧，利用围压装置为所述岩石物料施加均匀的围压，再配合观测通道、观测装置以及透光衬板，能够观测到所述压头贯入所述岩石物料过程中与工况接近的密实核衍生全过程，为密实核的定性和定量研究奠定了良好的基础。

所述正向围压部件和所述侧向围压部件二者中至少一个设置有一套所述辅助拧紧部件，用于同步紧固位于加载板(由于所述正向加载板和所述侧向加载板具备类似结构，实现相同功能，此处即将两加载板统称为加载板)同一侧的所述螺母。

进一步地，为了方便拧紧用于调节及固定所述加载板的若干所述螺母，提高实验效率，所述辅助拧紧部件包括传动蜗杆、若干传动蜗轮和蜗杆安装座；所述传动蜗轮中心开设有与所述螺母相贴合的通孔，并通过该通孔周向固定地套设于所述螺母外周；至少一对所述蜗杆安装座对称地设置于所述加载板上，蜗杆安装座仅可沿与之对应的加载板的板面法向平移一定距离；所述传动蜗杆通过所述蜗杆安装座周向活动地支撑于所述加载板上，且所述传动蜗杆与所述传动蜗轮同时啮合；

进一步地，所述蜗杆安装座包括主座体和座体安装板，其中：

所述座体安装板为T形板，固接于所述加载板上；所述座体安装板的伸出端为锁扣状，且中心处开设有U形的蜗杆导向槽，其导向方向与所述伸出端的伸出方向相同；所述伸出端的伸出方向垂直于所述加载板的板面并指向外部；

所述主座体包括主座体块体和蜗杆导向板；所述主座体块体的前后侧面上开设有与所述伸出端形成有V级导向副的矩形通槽；所述主座体通过所述矩形通槽活动地套设于所述座体安装板的所述伸出端上，使得所述主座体可仅沿所述伸出端的伸出方向往复平移一定距离；所述传动蜗杆的两端均活动地穿过所述主座体块体和所述蜗杆导向槽，使得所述传动蜗杆的两端周向活动地支撑设置于所述主座体块体上；这样一来，所述主座体块体可带动所述传动蜗杆沿所述伸出端的伸出方向往复移动，同时所述传动蜗杆沿所述蜗杆导向槽的导向方向往复移动，从而达到协调松紧所述螺母的过程中所述螺母沿所述双头螺柱I轴线的往复移动。

优选的，所述主座体还设置有蜗杆导向板，更为具体地，是固设在所述主座体上且靠近所述矩形通孔的一侧；一对所述蜗杆导向板关于所述传动蜗杆轴线前后对称地布置；所述蜗杆导向板的内表面与所述传动蜗杆外周面靠近或接触，对所述传动蜗杆起到限位导向作用；

进一步地，所述主座体块体左右侧面上依次开设有与所述矩形通槽相贯通的所述矩形通孔和所述圆形通孔；所述传动蜗杆的每一端均沿轴向由内向外依次活动地穿过所述矩形通孔、所述蜗杆导向槽和所述圆形通孔；所述传动蜗杆的两端均周向活动地嵌设与所述圆形通孔内；

进一步地，所述传动蜗杆左右两端对称地设置有一字状凸起；所述摇杆的一端开设有与所述凸起相配合的所述凹槽；使用时，将两个所述摇杆分别与所述传动蜗杆左右两端配合，并同时旋转，可有效避免所述传动蜗杆由于长距离传动而产生的扭转误差。

进一步地，为了给所述正向围压部件和所述侧向围压部件提供支撑力，所述基座包括加载板支撑座、基座主体和岩石物料台，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，以便安装所述侧向围压部件。所述岩石物料台上方放置所述岩石物料；为了方便所述正向围压部件为所述岩石物料提供围压，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。

进一步地，为了限制所述岩石物料的水平位移，所述岩石物料台的台面上周向设置有若干个限位块。所述基座底部前后两端对称连接有基座耳板，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，所述基座可通过腰型通孔与实验装置工作台实现螺栓紧固。

进一步地，所述加载板支撑座可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，所述基座主体可为所述侧向加载板相对所述基座主体作左右移动提供导向作用，优选的，所述加载板支撑座和所述基座主体上还可开设有与所述正向围压部件和所述侧向围压部件构成移动副的导向结构(如燕尾导槽)，相应地所述正向围压部件和所述侧向围压部件的一部分(更为具体地，为所述正向加载板的下部)嵌设于所述导向结构内，使得所述正向围压部件和所述侧向围压部件可相对所述基座移动以便施加围压。

进一步地，为了保证所述岩石物料所受围压更加均匀，每个所述正向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，且每个所述正向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，所述透光衬板的长度小于所述岩石物料的长度，且其上刻画有参考标尺。

进一步地，为了保证实验时，所述岩石物料本身以及所述岩石物料与外界的接触面无间隙，避免影响实验结果，所述岩石物料与所述透光衬板的贴合面的表面粗糙度Ra<＝3.2、平面度<＝0.015mm、垂直度<＝0.1mm，且所述岩石物料与所述透光衬板之间填充有透明的填缝剂。优选的，所述填缝剂为透明型干挂胶。为了进一步保证围压均匀地分布在所述岩石物料各向的同时不阻碍实验现象的观测，所述透光衬板采用钢化玻璃材料。

本发明一种岩石密实核衍生过程观测装置的有益效果是：

(1)具备双向围压功能，将正向围压部件和侧向围压部件结合，可同时为岩石物料提供正向和侧向均匀的围压，突破了岩石物料边界尺寸条件的限制，避免密实核衍生发育过程因人为因素而缩短；

(2)将围压装置运用于观测装置，利用增加设置的透光衬板、观测窗口等结构，能够观测到压头贯入板状岩石块试样过程中与工况接近的密实核衍生全过程，为密实核的定性及定量研究提供了便利条件；

(3)在观测装置中加入辅助拧紧部件对若干螺母进行拧紧，保证了所有螺母的拧紧程度，进而保证了正向围压部件和侧向围压部件为岩石物料提供的围压的均匀性，同时也有效提高了实验效率；

(4)在正向围压部件中增加设置了压板、加载板凸起和压板凹槽等结构，侧向围压部件中增加设置了垫板，将压板和垫板作为传力部件，加载板凸起和压板凹槽进一步相互配合，有效避免了正向加载板和侧向加载板的挠曲变形，进而避免岩石物料边角压溃。

附图说明：

图1为本发明一种岩石密实核衍生过程观测装置的三维结构示意图，

图2为图1的三维爆炸示意图，

图3为图1的俯视图，

图4为图1中基座的三维结构示意图，

图5为图1中正向围压部件与基座、岩石物料和辅助拧紧部件装配好后的三维局部剖切示意图，

图6为图5中隐藏基座后的三维结构示意图，

图7为图6的三维爆炸示意图，

图8为图7中正向加载板的三维结构示意图，

图9为图7中压板的三维结构示意图，

图10为图7中辅助拧紧部件与正向加载板装配后的三维结构示意图，

图11为图10中传动蜗杆的结构示意图，

图12为图10中传动蜗杆的结构示意图，

图13为图10中主座体的结构示意图，

图14为图10中座体安装板的结构示意图，

图15为图10中摇杆的结构示意图，

图16为图1中侧向围压部件与基座、岩石物料和辅助拧紧部件装配好后的三维局部剖切示意图，

图17为图16中隐藏基座后的三维结构示意图，

图18为图17的三维爆炸结构示意图，

图19为图18中侧向加载板的结构示意图，

图20为利用如图1所示岩石密实核衍生过程观测装置观测到的刃底岩石密实核形貌示意图。

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，本发明一种岩石密实核衍生过程观测装置，包括基座1、正向围压部件4和侧向围压部件5，基座1用于为整个装置提供支撑力，基座1上装夹有岩石物料2，岩石物料2为本装置的实验对象。正向围压部件4对称压装于岩石物料2的前后两侧面，为岩石物料2提供正向围压。

岩石物料2为长方体状，且其正向厚度与实验装置所用压头8宽度相同，因此能够准确地观测压头8静压侵岩过程中密实核9的衍生过程以及岩石物料2在该过程中的变化，避免由于岩石物料2的不透明性而阻碍实验现象的观测。

如图6、图7、图8和图9所示，正向围压部件4包括两个关于岩石物料2前后对称设置的正向加载板4-4和两个对称设置的压板4-5，岩石物料2与正向围压部件4之间还对称压装有透光衬板3，其用于观测实验现象并将围压均匀地传递至岩石物料2各个侧面；正向加载板4-4、压板4-5、透光衬板3和岩石物料2依次由外向内对称地布置。优选的，正向加载板4-4为长方体状，且左右两端共开有两组通孔，用于双头螺柱I4-1通过。前后两个正向加载板4-4中上部均开设有观测窗口I4-4-2；在正向加载板4-4靠近岩石物料2的内侧面上，关于观测窗口4-4-2左右两侧对称地设置有加载板凸起4-4-1；优选的，加载板凸起4-4-1沿竖直方向延伸设置，其长度与正向加载板4-4的高度相等。进一步地，每个正向加载板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，从而保证围压更均匀地分布于整个岩石面。在前后两个压板4-5的中上部，且与正向加载板4-4相对应位置处也均开设有观测窗口II4-5-2；这样一来，观测窗口I4-4-2、观测窗口II4-5-2和透光衬板3依次由外向内构成了一个密实核观测通道；在正对或靠近所述密实核观测通道处可设置有观测装置，优选的，观测装置可以为高速摄像仪等。在压板4-5上，关于观测窗口II4-5-2左右对称地设置有与加载板凸起4-4-1相配合的压板凹槽4-5-1。作为优选，每个正向加载板4-4上的两个加载板凸起4-4-1之间、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4-4-3，用于提高零件刚强度，保证靠近观测窗口4-4-2的岩石物料2所受围压更加均匀。

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紧固于正向加载板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与正向加载板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。

装置在使用时，正向加载板4-4通过加载板凸起4-4-1与压板凹槽4-5-1的相互配合，压合于压板4-5一侧，从而将正向加载板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透光衬板3，从而保证了岩石物料2所受围压的均匀性，防止当正向加载板4-4直接接触并作用于岩石物料2上时，因正向加载板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。

优选的，透光衬板3为长方体状并采用钢化玻璃材料，有助于提高围压分布的均匀性，并且不会阻碍实验现象的观测。优选的，透光衬板3的长度小于岩石物料2的长度，从而防止实验过程中正向加载板4-4、透光衬板3与侧向加载板5-2发生干涉现象。优选的，透光衬板3上刻画有参考标尺；进一步地，考虑到在压头8侵岩试验过程中，若因制造装配精度低而导致岩石物料2与透光衬板3之间存在较大缝隙时，构成密实核9的岩粉物质易在静水压力作用下通过所述缝隙流失，从而导致密实核衍生发育不充分，最终大大削弱岩石密实核衍生过程的观测效果，故岩石物料2与透光衬板3的贴合面的表面粗糙度Ra<＝3.2、平面度<＝0.015mm、垂直度<＝0.1mm，且岩石物料2与透光衬板3之间填充有透明的填缝剂。优选的，所述填缝剂为透明型干挂胶。

侧向围压部件5包括两个关于岩石物料2左右对称设置的侧向加载板5-2和两个对称设置的垫板5-3，两个侧向加载板5-2位于同一侧的两端通过双头螺柱II5-1和螺母4-2对称连接。侧向加载板5-2的内侧表面通过垫板5-3压紧于所述岩石物料2。

正向围压部件4和所述侧向围压部件5二者中至少一个设置有一套所述辅助拧紧部件6，用于同步紧固位于加载板(由于所述正向加载板4-4和所述侧向加载板5-2具备类似结构，实现相同功能，此处即将两加载板统称为加载板)同一侧的所述螺母4-2。

优选地，本发明一种岩石密实核衍生过程观测装置还包括辅助拧紧部件6，用于分别辅助同步拧紧正向围压部件4和侧向围压部件5上的螺母4-2，从而保证了正向围压部件4和侧向围压部件5向岩石物料2的侧面施加均匀围压，同时也有效提高了装配效率。

本发明利用正向围压部件4和侧向围压部件5，可同时为岩石物料2施加均匀的正向和侧向围压，模拟了岩层原岩(尤其是深部岩层)所处的真实围压状态，消除了岩石物料2自身的尺寸效应，确保了密实核得以充分衍生和发育，保证了岩石密实核衍生过程的观测效果。

现以为正向围压部件4配置的辅助拧紧部件6，来介绍其装配方案。如图10至图15所示，辅助拧紧部件6用于同时拧紧加载板上的若干螺母4-2；图中，辅助拧紧部件6包括传动蜗杆6-1、若干传动蜗轮6-2和蜗杆安装座；传动蜗轮6-2中心开设有与螺母4-2相贴合的通孔，例如为六角形孔6-2-1；传动蜗轮6-2通过所述六角形孔周向固定地套设于螺母4-2外周；更为具体地，传动蜗轮6-2靠内侧端面与螺母4-2端面平齐；一对蜗杆安装座对称地设置于加载板(也即正向加载板4-4)上，更为具体地，为左右对称地设置于正向加载板4-4两侧；蜗杆安装座仅可沿与之对应的加载板(也即正向加载板4-4)的板面法向平移一定距离；传动蜗杆6-1通过蜗杆安装座周向活动地支撑于正向加载板4-4上，且传动蜗杆6-1与传动蜗轮6-2同时啮合；利用公知技术，如利用摇杆6-5手动驱动传动蜗杆6-1旋转，达到同步松紧螺母4-2的目的。本例中，更为具体地，传动蜗杆6-1左右两端对称地设置有一字状凸起6-1-1；摇杆6-5的一端开设有与凸起6-1-1相配合的凹槽6-5-1；使用时，将两个摇杆6-5分别与传动蜗杆6-1左右两端配合，并同时旋转，可有效避免传动蜗杆6-1由于长距离传动而产生的扭转误差，拧紧螺母4-2后即可取下摇杆6-5，使用方便，提高了拧紧效率。

优选的，蜗杆安装座包括主座体6-3和座体安装板6-4，其中：

座体安装板6-4为T形板，且主板体表面6-4-3与正向加载板4-4的左右侧面对称地贴合且固接；座体安装板6-4的伸出端6-4-1为锁扣状，且中心处开设有U形的蜗杆导向槽6-4-2，其导向方向与伸出端6-4-1的伸出方向相同；伸出端6-4-1的伸出方向垂直于正向加载板4-4的板面并指向外部；

主座体6-3包括主座体块体6-3-2和蜗杆导向板6-3-1；主座体块体6-3-2的前后侧面上开设有与伸出端6-4-1形成有V级导向副的矩形通槽6-3-4；主座体6-3通过矩形通槽6-3-4活动地套设于座体安装板6-4的伸出端6-4-1上，使得主座体6-3可仅沿伸出端6-4-1的伸出方向往复平移一定距离；传动蜗杆6-1的两端均活动地穿过主座体块体6-3-2和蜗杆导向槽6-4-2，使得传动蜗杆6-1的两端周向活动地支撑设置于主座体块体6-3-2上；这样一来，主座体块体6-3-2可带动传动蜗杆6-1沿伸出端6-4-1的伸出方向往复移动，同时传动蜗杆6-1沿蜗杆导向槽6-4-2的导向方向往复移动，从而达到协调松紧螺母4-2的过程中螺母4-2沿双头螺柱I4-1轴线的往复移动。

优选的，主座体6-3还设置有蜗杆导向板6-3-1，更为具体地，是固设在主座体6-3上且靠近矩形通孔6-3-5的一侧；一对蜗杆导向板6-3-1关于传动蜗杆6-1轴线前后对称地布置；蜗杆导向板6-3-1的内表面与传动蜗杆6-1外周面靠近或接触，对传动蜗杆6-1起到限位导向作用；

进一步地，主座体块体6-3-2左右侧面上依次开设有与矩形通槽6-3-4相贯通的矩形通孔6-3-5和圆形通孔6-3-3；传动蜗杆6-1的每一端均沿轴向由内向外依次活动地穿过矩形通孔6-3-5、蜗杆导向槽6-4-2和圆形通孔6-3-3；传动蜗杆6-1的两端均周向活动地嵌设与圆形通孔6-3-3内；

值得说明的是，与如图10至图15不同的是，图16至图18中用于拧紧侧向围压部件5上的螺母4-2的辅助拧紧部件6，具有如下不同：

1)一对蜗杆安装座左右对称地设置于侧向加载板5-2上；更为具体地，座体安装板6-4的主板体表面6-4-3与侧向加载板5-2的上下侧面对称地贴合且固接；

2)伸出端6-4-1的伸出方向垂直于侧向加载板5-2的板面并指向外部，使得蜗杆安装座仅可沿与之对应的侧向加载板5-2的板面法向平移一定距离；

3)辅助拧紧部件6设置于双头螺柱I4-1与侧向加载板5-2之间；

4)传动蜗杆6-1轴线竖直设置；

5)各组成零部件的具体尺寸不同。例如图16至图18中，由于双头螺柱II5-1的中心距比较大，导致主座体6-3的实际尺寸相对较大；而由于侧向加载板5-2的长度较小，导致传动蜗杆6-1实际尺寸相对较小。在实际运用中，可以根据实际情况调整各组成零部件的具体尺寸大小。

如图4所示，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，且岩石物料台1-4的大小小于U型凹槽的大小，以便安装侧向围压部件5。岩石物料台1-4上方放置有岩石物料2；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，可方便正向围压部件4为岩石物料2提供正向围压。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。基座1底部前后两端对称设置有基座耳板1-1，基座耳板1-1的左右两侧各开设有腰型通孔1-1-1。优选的，基座1可通过腰型通孔1-1-1与实验装置工作台12实现螺栓紧固。

如图5所示，一对正向加载板4-4对称地设置在加载板支撑座1-2上，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，为正向加载板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。

如图16至图19所示，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；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。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。

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；双头螺柱II5-1只有一组，为岩石物料2提供主要的侧向围压，形成施力螺柱组II。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。

如图20所示，本发明在工作时，将基座1通过腰型通孔1-1-1固定在实验装置工作台12上，将岩石物料2卡设在岩石物料台1-4上方，将侧向围压部件5压装于岩石物料2的左右侧壁并使得侧向加载板5-2底面与基座主体1-3的顶面接触，利用辅助拧紧部件6同步拧紧螺母4-2，固定好侧向加载板5-2，为岩石物料2提供侧向围压。将透光衬板3通过透明型干挂胶粘接并压装于岩石物料2的前后两面。再将正向围压部件4压装于两透光衬板3的前后面并使得正向加载板4-4底面与加载板支撑座1-2顶面接触，同样利用辅助拧紧部件6对螺母4-2进行拧紧，固定好正向加载板4-4，为岩石物料2提供正向围压，最后将压头8或TBM滚刀装夹至实验装置上，并对准观测窗口4-4-2的上方，同时架设高速摄像仪，使得镜头对准观测窗口4-4-2，借助前述密实核观测通道对压头8的刃底密实核区域进行观测分析。

利用本发明进行岩石密实核衍生过程观测，压头8或TBM滚刀下压，压头8或TBM滚刀从接触岩石物料2开始，到岩石物料2产生弹塑性变形，再形成损伤区域10，再形成密实核9，最后形成各向裂纹11。用高速摄像仪记录形成密实核9的过程，并利用透光衬板3上的参考标尺，测量每帧画面密实核9与各向裂纹11的形态尺寸参数，从而观测到原本难以观测到的密实核9衍生全过程，最终获得几何学上的衍生发育规律，进而解释岩石破碎机制。

下面将以如图1所示的一种岩石密实核衍生过程观测装置为例，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前面法向为x轴，垂直岩石物料2侧面法向为y轴，垂直岩石物料2顶面法向为z轴，岩石物料2的长宽高尺寸为300×40×200mm；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，最终本发明的正向围压模拟能力预估为6.67MPa，侧向围压模拟能力预估为25MPa。

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 (10)

1.一种岩石密实核衍生过程观测装置，包括基座(1)、正向围压部件(4)和侧向围压部件(5)，基座(1)上装夹有岩石物料(2)，正向围压部件(4)对称压装于岩石物料(2)的前后两侧面，为岩石物料(2)提供正向围压，侧向围压部件(5)对称压装于岩石物料(2)的左右两侧面，为岩石物料(2)提供侧向围压，其特征在于：

岩石物料(2)为长方体状，且其厚度与压头(8)宽度相同；

正向围压部件(4)包括两个关于岩石物料前后对称设置的正向加载板(4-4)和两个对称设置的压板(4-5)；岩石物料(2)与正向围压部件(4)之间还对称压装有透光衬板(3)；在正向加载板(4-4)靠近岩石物料(2)的内侧面上，左右两侧对称地设置有加载板凸起(4-4-1)；在压板(4-5)上左右对称地设置有与加载板凸起(4-4-1)相配合的压板凹槽；两个正向加载板(4-4)位于同一侧的两端通过双头螺柱I(4-1)和螺母(4-2)对称地连接，使得正向加载板(4-4)通过加载板凸起(4-4-1)对称地压合在压板(4-5)的外侧表面上，而压板(4-5)的内侧表面压紧在透光衬板(3)的侧面上；透光衬板(3)压装于岩石物料(2)的前后两面；

正向加载板(4-4)中上部均开设有观测窗口I(4-4-2)；在压板(4-5)中部，且与正向加载板(4-4)相对应位置处也开设有观测窗口II(4-5-2)；观测窗口I、观测窗口II和透光衬板依次由外向内构成了一个密实核观测通道；在靠近密实核观测通道处可设置有观测装置；

侧向围压部件(5)包括两个关于岩石物料左右对称设置的侧向加载板(5-2)和两个对称设置的垫板(5-3)；两个侧向加载板(5-2)位于同一侧的两端通过双头螺柱II(5-1)和螺母(4-2)对称连接；侧向加载板(5-2)的内侧表面通过垫板(5-3)压紧于岩石物料(2)；

螺母(4-2)分别与正向加载板(4-4)和侧向加载板(5-2)的外端面之间设置有止推轴承(4-3)。

2.根据权利要求1所述的一种岩石密实核衍生过程观测装置，其特征在于：正向围压部件(4)和侧向围压部件(5)二者中至少一个设置有一套辅助拧紧部件(6)，用于同步紧固位于加载板同一侧的螺母(4-2)。

3.根据权利要求2所述的一种岩石密实核衍生过程观测装置，其特征在于：

辅助拧紧部件(6)包括传动蜗杆(6-1)、传动蜗轮(6-2)和蜗杆安装座；传动蜗轮(6-2)周向固定地套设于螺母(4-2)外周；至少一对蜗杆安装座对称地设置于加载板上，蜗杆安装座仅可沿与之对应的加载板的板面法向平移一定距离；传动蜗杆(6-1)通过蜗杆安装座周向活动地支撑于加载板上，且传动蜗杆(6-1)与传动蜗轮(6-2)同时啮合。

4.根据权利要求3所述的一种岩石密实核衍生过程观测装置，其特征在于：

蜗杆安装座包括主座体(6-3)和座体安装板(6-4)，其中：

座体安装板(6-4)为T形板，且与加载板固接；座体安装板(6-4)的伸出端(6-4-1)的中心处开设有蜗杆导向槽(6-4-2)，其导向方向与伸出端(6-4-1)的伸出方向相同；伸出端(6-4-1)的伸出方向垂直于加载板的板面并指向外部；

主座体(6-3)包括主座体块体和蜗杆导向板(6-3-1)；主座体块体的前后侧面上开设有与伸出端(6-4-1)形成有V级导向副的矩形通槽(6-3-4)；主座体(6-3)通过矩形通槽(6-3-4)活动地套设于座体安装板(6-4)的伸出端(6-4-1)上，使得主座体(6-3)可仅沿伸出端(6-4-1)的伸出方向往复平移一定距离；传动蜗杆(6-1)的两端均活动地穿过主座体块体和蜗杆导向槽(6-4-2)。

5.根据权利要求4所述的一种岩石密实核衍生过程观测装置，其特征在于：

主座体块体左右侧面上依次开设有与矩形通槽(6-3-4)相贯通的矩形通孔(6-3-5)和圆形通孔(6-3-3)；传动蜗杆(6-1)的每一端均沿轴向由内向外依次活动地穿过矩形通孔(6-3-5)、蜗杆导向槽(6-4-2)和圆形通孔(6-3-3)。

6.根据权利要求5所述的一种岩石密实核衍生过程观测装置，其特征在于：

主座体(6-3)还设置有蜗杆导向板(6-3-1)，固设在主座体(6-3)上且靠近矩形通孔(6-3-5)的一侧；一对蜗杆导向板(6-3-1)关于传动蜗杆(6-1)轴线前后对称地布置；蜗杆导向板(6-3-1)的内表面与传动蜗杆(6-1)外周面靠近。

7.根据权利要求1所述的一种岩石密实核衍生过程观测装置，其特征在于：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)，且岩石物料台(1-4)的大小小于U型凹槽的大小，岩石物料台(1-4)上方放置岩石物料(2)；

加载板支撑座(1-2)可为正向围压部件(4)相对基座(1)作前后移动提供导向作用，基座主体(1-3)可为侧向加载板(5-2)相对基座主体(1-3)作左右移动提供导向作用。

8.根据权利要求1所述的一种岩石密实核衍生过程观测装置，其特征在于：每个正向加载板(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。

9.根据权利要求1所述的一种岩石密实核衍生过程观测装置，其特征在于：透光衬板(3)为钢化玻璃。

10.根据权利要求1所述的一种岩石密实核衍生过程观测装置，其特征在于：透光衬板(3)上刻画有参考标尺。

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