CN111323311A - 单轴压缩变形检测装置及应用其的方法和系统 - Google Patents

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张春玲
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Abstract

本发明涉及一种单轴压缩变形检测装置及应用其的方法和系统，涉及岩石压缩变形试验技术领域，旨在解决现有的单轴压缩模量试验机需要多人配合使用，导致使用不便和人力浪费的问题，其包括架体、轴向施力机构以及检测机构，所述架体包括底座，所述底座上设置有用于固定岩石试样柱的检测架，所述检测架包括呈上下分布且竖向滑移的两个限制环，两个限制环分别连接有多个用于固定岩石试样柱的锁紧件，检测机构包括多个位移传感器，位移传感器为电子式传感器且至少有一个对外信号输出端，多个位移传感器分为轴向变形传感器和径向变形传感器。本发明应用后便于工作人员完成检测数据获取，可相对减少人力浪费及人为误差，提高结果的准确性。

Description

单轴压缩变形检测装置及应用其的方法和系统
技术领域
本发明涉及岩石压缩变形试验技术领域，尤其是涉及一种单轴压缩变形检测装置及应用其的方法和系统。
背景技术
岩石的物理力学参数是基础数据，如果得不到准确值，对任何岩石工程的强度设计和变形验算，就得不到精确的设计和评价，所以大多数的工程规范都有安全系数来增大安全的保障。
其中岩石变形试验是为测定岩石在一定的载荷作用或者卸荷作用下变形特性指标而进行的试验。通过试验测定岩石的变形模量、弹性模量以及泊松比等岩石工程中不可缺少的岩石力学参数。
公开号为CN206057087U的专利公开了一种无机结合料稳定类材料试件的单轴压缩模量试验机，包括试件、与对试件进行压缩的上压块和下底座，所述的试件上安装有压缩模量检测装置，所述的压缩模量检测装置包括与试件连接的上刚性环和下刚性环，所述的上刚性环与下刚性环通过拧紧螺栓与试件进行连接，所述的上刚性环与下刚性环之间通过可拆卸螺栓连接，所述的可拆卸螺栓的上端与上刚性环固定连接，可拆卸螺栓的下端与下刚性环通过固定螺母螺纹连接，所述的上刚性环和下刚性环之间设置有三个均匀分布的传感器，所述的传感器的上端与上刚性环固定连接，所述的传感器的下端与下刚性环上的顶头螺栓对应设置。
上述技术方案提供了一种可做岩石单轴压缩试验的装置，其是相关实验室和测试机构常用的一种装置，但是其存在以下缺陷：
利用现有试验机对岩石试样柱(试件)做试验时，需要多点检测，以保证数据准确性，而现有的检测数据读取依赖人工分别读取，这导致试验过程中需要多名工作人员配合，一方面造成人力浪费，另一方面读数不便且存在延时误差，因此本发明提出一种新的技术方案。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种单轴压缩变形检测装置，其应用后便于工作人员完成检测数据获取，可相对减少人力浪费并提高试验精度。
本发明的上述发明目的一是通过以下技术方案得以实现的：一种单轴压缩变形检测装置，包括架体、轴向施力机构以及检测机构，所述架体包括底座，所述底座上设置有用于固定岩石试样柱的检测架，所述检测架包括呈上下分布且竖向滑移的两个限制环，两个所述限制环分别连接有多个用于固定岩石试样柱的锁紧件，所述轴向施力机构设置于检测架的上方且其用于对岩石试样柱施力，所述检测机构包括多个位移传感器，
所述位移传感器为电子式传感器且至少有一个对外信号输出端，多个所述位移传感器分为轴向变形传感器和径向变形传感器；
所述轴向变形传感器连接于一个限制环且其检测方向平行于岩石试样柱，另一个限制环上固定有适配轴向变形传感器的基准板；
所述径向变形传感器连接若干个限制环，径向变形传感器的检测方向为岩石试样柱的径向且检测端朝向岩石试样柱。
通过采用上述技术方案，工作人员可将多个位移传感器电信号连接于计算机并对计算机设置，使得在工作过程中操作计算机即可便捷的获取多个位移传感器的检测数据，从而缓解多人参与，人力浪费的问题；同时，因为本发明除了可对岩石试样柱的轴向变形做检测外，还可对其径向变形做检测，所以应用本发明后，工作人员的数据和判断相对更为精确和全面。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述位移传感器为接触式直线位移传感器，所述位移传感器的检测头可拆卸连接有抵接端头，轴向变形传感器的抵接端头抵接于基准板，径向变形传感器的抵接端头抵接于岩石试样柱。
通过采用上述技术方案，相对非接触式的位移传感器，接触式直线位移传感器可在更低的成本下保证较高的精度；同时，因为位移传感器的检测端通过抵接端头抵接检测物体或基准面，而抵接端头可拆卸连接于位移传感器，所以在必要时，工作人员可对抵接端头做更换。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述位移传感器滑移连接于限制环且滑移方向平行于检测方向。
通过采用上述技术方案，工作人员可根据岩石试样柱的直径、高度移动位移传感器，调节其位置，从而本发明的适用性相对更强。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述检测机构还包括用于检测施力机构施力大小的压力传感器，所述压力传感器为电子式传感器且至少有一个对外信号输出端。
通过采用上述技术方案，本发明还可便捷的获取岩石试样柱的荷载，即受力大小，从而工作人员应用本发明后岩石应力应变关系计算分析相对更为便捷。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述底座上设置有调高组件，所述调高组件包括多个叠放的调高单元，所述调高单元的上部凸起并且下部内凹形成适配的凹槽，检测架放置于调高单元上。
通过采用上述技术方案，工作人员可根据岩石试样柱的高度等适应性的叠放多个调高单元，以便利用本发明进行单轴压缩变形检测，从而本发明的适用性相对更强。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述压力传感器设置于底座内且调高单元的重力施加于压力传感器的检测端。
通过采用上述技术方案，压力传感器非直接接受撞击，其相对不易损坏。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述轴向施力机构包括直线驱动器以及设置于直线驱动器的驱动端的上压盖，所述直线驱动器的驱动方向为竖向，所述上压盖作用于岩石试样柱的上端。
通过采用上述技术方案，本发明采用直线驱动器带动上压盖向下移动，利用上压盖压持施力于岩石试样柱的上端，做压缩模拟动作。
本发明目的二是提供一种单轴压缩变形试验方法，在提高试验精度和全面性的同时还可方便相关人员更直观的观察、分析、使用试验结果。
本发明的上述发明目的二是通过以下技术方案得以实现的：
一种单轴压缩变形试验方法，包括：
S1、获取岩石试样柱基础参数，应用权利要求4所述的单轴压缩变形检测装置获取测试数据；
所述岩石试样柱基础参数包括试样柱的直径和高度；所述测试数据包括荷载、多个轴向变形量、多个径向变形变形量；
S2、制表，其包括根据岩石试样柱基准参数、测试数据制出压缩变形监测表；所述压缩变形监测表设置试验公式计算轴向应变、径向应变、轴向应力以及50值，并于表中记录各个计算结果；
50值包括岩石试样抗压强度50％时的应力数值和轴向应变数值、径向应变数值、弹模数值、泊松比数值。
S3、制图，其包括根据S2的计算结果制出应力应变关系图。
通过采用上述技术方案，本发明可产生压缩变形监测表和应力应变关系图，工作人员可通过观察两者，更为直观和清晰的了解试验结果，方便后续的结果使用等，从而使用效果相对更佳。
本发明目的三是提供一种单轴压缩变形试验系统，其在提高试验精度和全面性的同时还方便相关人员获取试验结果。
本发明的上述发明目的三是通过以下技术方案得以实现的：
一种单轴压缩变形试验系统，包括如权利要求4所述的单轴压缩变形检测装置，还包括用户终端，所述用户终端电信号连接于单轴压缩变形检测装置的压力传感器、位移传感器以及施力机构，所述用户终端内预设有权利要求8所述的单轴压缩变形试验方法的程序，所述用户终端内的程序被加载并执行实现如权利要求8所述的单轴压缩变形试验方法。
通过采用上述技术方案，单轴压缩变形检测装置反馈检测信号至用户终端，用户终端通过相应的程序对检测数据处理，自动得出相应试验数据和图、表，从而试验更为方便。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1、设置多个轴向变形传感器检测岩石试样柱的轴向变形并输出，设置多个径向变形传感器检测试样柱的径向变形并输出，从而本发明可多点位检测岩石试样柱的变形量，并对其轴向、径向变形做检测，即应用本发明后可工作人员得出更精确、更全面的试验结果；同时，工作人员还可通过计算机连接传感器，便捷获取多个传感器的检测数据，减少多人配合参与试验的繁琐和人力浪费；
2、通过将单轴压缩变形检测装置输出的数据和岩石试样柱的基准参数处理，产生相应的压缩变形监测表和应力应变关系图，使工作人员可更为直观和清晰的了解试验结果，方便后续的结果使用等；
3、单轴压缩变形检测装置连接并反馈相应信息到计算机，计算机加载并执行用于产生压缩变形监测表和应力应变关系图的程序，从而本发明可方便工作人员得到试验结果。
附图说明
图1是本发明的单轴压缩变形检测装置的整体结构示意图；
图2是本发明的检测架和检测机构的局部爆炸示意图；
图3为本发明的架体和调高组件的局部爆炸示意图；
图4为本发明的实施例二的步骤示意图；
图5为本发明的压缩变形监测表；
图6为本发明的应力应变关系图；
图7为本发明的系统框图，主要用以展示用户终端和单轴压缩变形检测装置的连接结构。
图中，11、底座；12、上安装座；121、导引套；13、支撑柱；31、压力传感器；32、位移传感器；32a、滑槽；321、抵接端头；322、连接卡板；323、紧固螺栓；41、限制环；42、锁紧件；43、基准板；5、调高组件；51、调高单元；61、直线驱动器；62、上压盖；7、用户终端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
参照图1，为本发明公开的一种单轴压缩变形检测装置，包括架体、轴向施力机构以及检测机构，其中架体包括底座11，底座11可固定于工作台上，其呈圆盘状。在底座11的侧方设置有竖向的支撑柱13，支撑柱13为两个，其对称的设置于底座11的两侧且固定于工作台；在支撑柱13的上部穿设并固定有上安装座12，上安装座12和底座11同中心轴。
轴向施力机构设置于上安装座12且其朝下(朝底座11侧)施力；使用时，岩石试样柱(附图未示出)竖向放置于底座11上，轴向施力机构自上而下施力于其上端。
检测装置包括多个位移传感器32，位移传感器32用于检测岩石受压之后的变形量；位移传感器32为电子式传感器且至少有一个对外信号输出端，以用于后续(通过数字转换模块/无线通讯模块)电信号连接计算机。
由于应用本发明后，工作人员操作计算机即可便捷获取多个位移传感器32的检测数据，不必再多人配合试验，所以本发明可便于工作人员完成单轴压缩变形试验，辅助减少人力浪费。
参照图2，为保证试样过程中岩石试样柱能保持竖向，本发明包括用于对其固定的检测架，检测架包括呈上下分布的两个限制环41，两个限制环41非固定连接，可做竖向的相对位移；在两个限制环41上分别固定连接有多个锁紧件42，锁紧件42为锁紧螺栓，其一端为有螺栓头，另一端为抵接端；锁紧螺栓螺纹连接于限制环41且其抵接端伸入限制环41内。
使用时，岩石试样柱竖向置于限制环41内，工作人员转动锁紧螺栓，使其抵接端抵触于岩石试样柱；多个锁紧螺栓相互配合，实现将限制环固定于岩石试样柱。
参照图2，位移传感器32为八个，八个位移传感器均匀的分为两组，一组用于检测岩石试样柱轴向变形量，为轴向变形传感器；另一组用于检测岩石试样柱的径向变形量，为径向变形传感器。
四个轴向变形传感器环绕上部的限制环41均匀设置且其检测端朝下；在下部的限制环41上通过螺栓固定有“Z”状的基准板43，基准板43的数量为四个且其横置部位于轴向变形传感器的检测端的正下方，以做轴向变形传感器的检测基准。
参照图2，位移传感器32为接触式直线位移传感器，其检测端套设(螺纹连接)有适配的抵接端头321，轴向变形传感器上的抵接端头321的下端为圆头(减小磨损)且抵接于基准板43上；四个轴向变形传感器相互配合，支撑上部的限制环41置于下部的限制环41的上方。
由于抵接端头321以套设的方式和轴向变形传感器连接，所以工作人员可根据需要对其进行更换。
使用时，限制环41通过锁紧螺栓锁紧于岩石试样柱的上端，当轴向施力机构对岩石试样柱上端施压，岩石试样柱轴向变形的同时带动固定于上部的限制环41的轴向变形传感器移动，从而轴向变形传感器可检测出试样的轴向变形量。
参照图,2，在下部的限制环41上通过螺栓固定有“Z”型座，径向变形传感器安装于“Z”型座的上部，其检测方向为横向且检测端朝向岩石试样柱；径向变形传感器的检测端同样套设抵接端头321，抵接端头321在测试过程中抵接于岩石试样柱，以用于检测岩石试样柱受压时的径向变形。
四个径向变形传感器环绕中心的岩石试样柱均匀分布。
根据上述内容，本发明可对试样柱的轴向四点位、径向四点位做变形检测，从而应用本发明测试得出的应力、应变关系精确相对较高且更为全面。
参照图2，在上部的限制环41和“Z”型座上分别固定多个可做一定形变的连接卡板322，例如：合金薄板；连接卡板322横置，其长度方向的两端对外，相向弯折分别形成滑动弯头。在位移传感器32的机体上沿长度方向开设有滑槽32a，滑槽32a的两端和背离位移传感器32的中心一侧呈开口结构；滑动弯头的端部滑移连接于滑槽32a，两个滑动弯头相互配合锁抱位移传感器32。
在滑动弯头上穿设有紧固螺栓323，紧固螺栓323平行于连接卡板322的厚度方向且端头螺纹连接于位移传感器32的安装位置(固定于限制环41的增设板)。
当滑动弯头滑移连接于滑槽32a且完成位置调节，工作人员转动紧固螺栓323，使其拉动滑动弯头朝向连接卡板322的主体移动，以夹持固定位移传感器32，从而本发明的位移传感器32安装调节相对方便。
参照图3，在底座11上还设置有调高组件5，调高组件5包括多个叠放的调高单元51，调高单元51呈圆柱状，多个调高单元51的厚度(高度)可根据需求，设为不同，以方便工作人员根据需要进行组合。
调高单元51由中心柱和套设固定的边套构成，中心柱突出边套的上端，而下端收进边套的下端，从而多个调高单元51叠放后相对更稳定。
参照图3，为提高本发明的检测效果，检测机构还包括用于检测轴向施力机构施力大小的压力传感器31。压力传感器31可选择轮辐式压力传感器，其可嵌设进入底座11，调高单元51落在压力传感器31的检测端，以便其检测轴向施力机构施加的压力大小。
参照图3，轴向施力机构包括直线驱动器61，直线驱动器61可选择伺服电缸/液压缸/气缸，其缸体固定于上安装座12朝向的一侧，伸缩杆朝下；在伸缩杆的下端固定有上压盖62，两者可通过螺纹连接或销接的方式固定，以便后续工作人员根据试样的直径和大小做相应更换等，从而使用效果更佳。
上安装座12的下侧固定导引套121，直线驱动器61安装于导引套121内，上压盖62竖向滑移连接于导引套121。
使用过程：
1、确定岩石试样柱的放置高度，选择合适的调高单元51叠放；
2、将两个限制环41叠放，再将岩石试样柱插入两个限制环41内；
3、转动锁紧件42将两个限制环41分别固定于岩石试样柱的两端，保证岩石试样柱的上端高于上部的限制环41，调节位移传感器32的位置，使抵接端头抵接于对应位置；
4、将固定有试样柱的检测架放置于调高单元51上；
5、控制直线驱动器61带动上压盖62压在试样柱的上端并继续移动，以施加一定的压力进行测试。
实施例二：
参照图4，为本发明公开的一种单轴压缩变形试验方法，包括：
S1、获取岩石试样柱基础参数；应用实施例一所述的单轴压缩变形检测装置获取测试数据；
岩石试样柱基础参数包括试样柱的直径和高度，其可由工作人员通过尺具测量得到，测量可为多点测量，以保证测量准确度，测量点位例如：两端、中部；
测试数据包括荷载、四个轴向变形量、四个径向变形变形量；
荷载为单轴压缩变形检测装置的施力机构施加于岩石试样柱的上端的压力，其可根据压力传感器31输出的检测信号获取；
轴向变形量为岩石试样柱在受压时轴向发生的变形量，其可通过轴向变形传感器输出的检测信号获取；
径向变形量为岩石试样柱在受压时径向发生的变形量，其可通过径向变形传感器输出的检测信号获取。
S2、制表，其包括根据S1中的岩石试样柱基础参数、测试数据制出压缩变形监测表；
其中压缩变形监测表设置试验公式计算轴向应变、径向应变、轴向应力以及50值，并于表中记录各个计算结果；50值包括岩石试样抗压强度50％时的应力数值和轴向应变数值、径向应变数值、弹模数值、泊松比数值。
试验公式包括轴向应力算法、轴向应变算法、径向应变算法以及50算法；
轴向应力算法包括σ＝P/(π*D2)*4000；其中σ为应力，单位Mpa；P为施加于岩石试样柱轴向上的力-荷载，单位(kN)；D为直径，单位mm。
轴向应变算法包括εL＝(X1+X2+X3+X4)/(4*G)*10，单位0.0001；其中εL为轴向应变；X1-X4分别为各个轴向变形传感器反馈的检测数据；G为标距，为限制环41之间的间距，单位mm。
径向应变算法包括εD＝(Y1+Y2+Y3+Y4)/(4*D)*10，单位0.0001；其中εD为径向应变；Y1-Y4分别为各个径向变形传感器反馈的检测数据。
50算法包括计算σ50、εL50、εD50、E50和μ50。
对制出的表格改进，增设试验编号、岩石类型(岩石名称)以及标距(其为上下两个限制环41之间的间距，为工作人员根据岩石试样柱的高度确定，其小于岩石试样柱的高度)。
以图5所展示的表格为例。
σ50＝L2*0.5；L2为峰值强度，即岩石试样柱破坏时的最大应力，其单位Mpa。
εL50＝(B17-X1)*(X4-X3)/(X2-X1)+X3，其用于查找出表中B5到B14处最接近B17的两个值，及其相应的G列值，并查出B17对应的轴向应变值。
其中B17为表中的B17，即为计算出的σ50；
X1为在表中B5到B14处查找到的小于B17的最大的值，X3为同一行G列相应的值；
X2为在表中B5到B14处查找到的大于B17的最小的值，X4为同一行G列相应的值；
εD50的计算方式同理于εL50，只需将上述内容中的G改为L即可。
E50＝σ50/εL50；μ50＝εD50/εL50。
S3、制图，其包括在根据S2的计算结果制出应力应变关系图，如图6所述。
在对同一岩石做试验时，可用多个试样做多次测试并按照上述步骤操作，此时在应力应变关系图的边侧，还可增加多组E50和μ50的总表并于表中求平均值。
在根据上述步骤操作后，本发明可更精确、更全面地的做单轴压缩变形试验且其试验结果观察、使用更为方便。
实施例三：
参照图7，为本发明公开的单轴压缩变形试验系统，包括实施例一所述的单轴压缩变形检测装置，还包括用户终端7。
用户终端7可选择计算机；单轴压缩变形检测装置的压力传感器31以及位移传感器32通过数字转换模块电信号连接于计算机；直线驱动器61电信号连接伺服驱动器，伺服驱动器电信号连接运动控制器，运动控制卡电信号连接于计算机，从而压力传感器31以及位移传感器32可反馈检测信号至计算机，工作人员可通过计算机对直线驱动器61做控制。
进一步的，计算机中预安装有如实施例二所述单轴压缩变形试验方法的程序，其中获取在岩石试样柱的基准参数为工作人员通过适配的键盘、触摸屏手动录入至计算机。
计算机在加载上述程序后，对反馈回来的数据处理，生成如实施例二所述的表格和图形，以提高使用的便捷性。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单轴压缩变形检测装置，包括架体、轴向施力机构以及检测机构，所述架体包括底座（11），所述底座（11）上设置有用于固定岩石试样柱的检测架，所述检测架包括呈上下分布且竖向滑移的两个限制环（41），两个所述限制环（41）分别连接有多个用于固定岩石试样柱的锁紧件（42），所述轴向施力机构设置于检测架的上方且其用于对岩石试样柱施力，所述检测机构包括多个位移传感器（32），其特征在于：
所述位移传感器（32）为电子式传感器且至少有一个对外信号输出端，多个所述位移传感器（32）分为轴向变形传感器和径向变形传感器；
所述轴向变形传感器连接于一个限制环（41）且其检测方向平行于岩石试样柱，另一个限制环（41）上固定有适配轴向变形传感器的基准板（43）；
所述径向变形传感器连接若干个限制环（41），径向变形传感器的检测方向为岩石试样柱的径向且检测端朝向岩石试样柱。
2.根据权利要求1所述的单轴压缩变形检测装置，其特征在于：所述位移传感器（32）为接触式直线位移传感器，所述位移传感器（32）的检测头可拆卸连接有抵接端头（321），轴向变形传感器的抵接端头（321）抵接于基准板（43），径向变形传感器的抵接端头（321）抵接于岩石试样柱。
3.根据权利要求1所述的单轴压缩变形检测装置，其特征在于：所述位移传感器（32）滑移连接于限制环（41）且滑移方向平行于检测方向。
4.根据权利要求1所述的单轴压缩变形检测装置，其特征在于：所述检测机构还包括用于检测施力机构施力大小的压力传感器（31），所述压力传感器（31）为电子式传感器且至少有一个对外信号输出端。
5.根据权利要求4所述的单轴压缩变形检测装置，其特征在于：所述底座（11）上设置有调高组件（5），所述调高组件（5）包括多个叠放的调高单元（51），所述调高单元（51）的上部凸起并且下部内凹形成适配的凹槽，检测架放置于调高单元（51）上。
6.根据权利要求5所述的单轴压缩变形检测装置，其特征在于：所述压力传感器（31）设置于底座（11）内且调高单元（51）的重力施加于压力传感器（31）的检测端。
7.根据权利要求1所述的单轴压缩变形检测装置，其特征在于：所述轴向施力机构包括直线驱动器（61）以及设置于直线驱动器（61）的驱动端的上压盖（62），所述直线驱动器（61）的驱动方向为竖向，所述上压盖（62）作用于岩石试样柱的上端。
8.一种单轴压缩变形试验方法，其特征在于，包括：
S1、获取岩石试样柱基础参数，应用权利要求4所述的单轴压缩变形检测装置获取测试数据；
所述岩石试样柱基础参数包括试样柱的直径和高度；所述测试数据包括荷载、多个轴向变形量、多个径向变形变形量；
S2、制表，其包括根据岩石试样柱基准参数、测试数据制出压缩变形监测表；
所述压缩变形监测表设置试验公式计算轴向应变、径向应变、轴向应力以及50值，并于表中记录各个计算结果；
50值包括岩石试样抗压强度50%时的应力数值和轴向应变数值、径向应变数值、弹模数值、泊松比数值；
S3、制图，其包括根据S2的计算结果制出应力应变关系图。
9.一种单轴压缩变形试验系统，其特征在于：包括如权利要求4所述的单轴压缩变形检测装置，还包括用户终端（7），所述用户终端（7）电信号连接于单轴压缩变形检测装置的压力传感器（31）、位移传感器（32）以及施力机构，所述用户终端（7）内预设有权利要求8所述的单轴压缩变形试验方法的程序，所述用户终端（7）内的程序被加载并执行实现如权利要求8所述的单轴压缩变形试验方法。
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