CN111380755B - 一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置及加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置及加载方法，属于材料复杂荷载测试技术领域，与单轴压缩试验机组合使用，试验装置能精确地实现对试样的加卸荷，能使试样从双向受压状态转化到压剪受力状态，并且能控制转化速率以及力的大小，荷载可控性高，具有足够的加卸载精度，对试验试样无特殊要求，无需进行二次加工，试验装置的加载系统结构简单，便于加工和后期维护，能够方便的进行试验操作，在不影响已有的单轴压缩试验机的正常使用的前提下，能够实现岩石试样的多角度压剪加卸载试验。

Description

一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置及加载方法

技术领域

本发明属于材料复杂荷载测试技术领域，涉及一种岩石试验装置，可用于岩石材料多角度压剪加卸荷的试验，具体地说为一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置及加载方法。

背景技术

近年来，随着国内基础设施建设的不断加速发展，国家对基础工程的建设投资力度也在不断加大。基础设施建设作为一切企业，单位和居民生产经营工作和生活的共同物质基础，受到国家的重点关注。

基础设施建设中的大坝、道桥、隧道和地下工程等建设施工问题是岩土工程学科的重要研究对象。其中，矿产资源开发、地下资源储藏、核废料地下淹埋等工程中出现的深部岩石力学问题亟待解决。目前，岩石的常规性能测试技术已经比较成熟，但岩石的常规性能指标已不能表征深部岩石复杂应力条件下的力学性质以及破坏规律。因此，研究岩石材料从稳定应力状态突变至复杂应力状态的力学性质及破坏规律，对于深部岩土工程的现场施工具有重要的现实意义。

受客观实验条件的限制，国内大多数岩石力学研究机构以及高校的相关专业仅配备有成本较低、便于基础教学的单轴压缩试验机和结构面剪切试验机。这类试验机一般只通过某一加载方向进行加载，进而得到岩石的单轴或剪切的力学性能。这从根本上限制了复杂应力条件下岩石力学性质的研究。在充分发挥现有仪器平台的基础上，创造出适用于复杂应力加卸荷条件的试验仪器，对于岩石力学试验研究意义重大。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置及加载方法，与单轴压缩试验机组合使用，在不影响已有的单轴压缩试验机的正常使用的前提下，能够实现岩石试样的多角度压剪加卸载试验。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置，该试验装置由加载系统、液压系统、应力应变控制系统组成。其中包括：上夹板、下夹板、顶升器、液压储存箱、球阀、液压施加电机、液压平衡器、液压监测器、球阀、液压调节系统、压力记录器、导管、信号传导线、应力应变检测器、应力应变-液压控制处理器；所述液压储存箱通过所述导管与所述液压平衡器相连接；所述液压平衡器上安装所述液压施加电机和所述液压监测器；所述液压平衡器通过带有所述球阀的所述导管与所述液压调节系统相连接；所述压力记录器安装在所述液压调节系统上；所述液压调节系统通过所述信号传导线受所述应力应变-液压控制处理器控制；所述液压调节系统通过带有所述球阀的所述导管与所述顶升器相连接；所述球阀开关受所述应力应变-液压控制处理器控制；所述顶升器上安装有所述应力应变检测器；所述应力应变检测器通过所述信号传导线向所述应力应变-液压控制处理器传送试样所受应力应变的相关数值。

可选的，试验装置尺寸可根据试样尺寸形状定制，只需改变加载系统的试验装置组件即可实现对不同尺寸形状试样的多角度压剪卸荷试验。

可选的，所述顶升器的个数、摆放组合可根据所设计试验方案中想要模拟的试样受力情况进行调整。

可选的，所述顶升器与试样之间留有一定的间距，以便部分所述顶升器底板与试样不接触，进而在试样上形成剪切面。

可选的，所述顶升器底板与试样之间填充带有黄油的橡胶垫。

可选的，所述顶升器与所述上下夹板之间完全咬合。

可选的，所述上述夹板和所述顶升器由高强度钢制造。

该试验装置的加载方法：

步骤1、安装试样装置，将上下底板安装在变角器上，将顶升器安装至上下底板的卡槽中，将该整体装置放置于单轴压缩试验机的工作平台上，连接应力应变-液压控制处理器与应力应变检测器、液压调节系统；

步骤2、放置试样，将上夹板调整到合适的高度，所有顶升器底板升出一小段相同距离，将涂有黄油的橡胶垫放置在下夹板的顶升器上；放置试样，在试样向上的侧面再放置涂有黄油的橡胶垫，放置试样完成后，再次调整上夹板，使顶升器与试样完全接触；选择两个斜对的顶升器，缩回顶升器底板；

步骤3、加载，根据试验方案，对试样进行简单变角压剪试验，保持所有顶升器的压力不变，仅依靠单轴压缩试验机对试样进行压剪试验；通过改变变角器的角度，可实现不同角度的压剪试验；

步骤4、再次试验，上夹板和顶升器还原至初始位置，清理破坏的试样；重复步骤2和步骤3；

步骤5、拆卸试验装置，试验测试完成后，清理破坏的试样，断开应力应变-液压控制处理器与应力应变检测器、液压调节系统的连接，将试验装置从单轴压缩试验机的工作平台上取下，拆解清理，实验设备复位，打扫卫生。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明可以实现的技术效果：1、顶升器内的液压受所述应力应变-液压控制处理器控制，因此可实现对试样的自由加卸荷；2、试样受多个独立可控所述顶升器的压力，可以对每个所述顶升器设置不同加载压力、加载速率、荷载持续时间；3、试验装置仅加载系统需在已有的单轴压缩试验机上组装，且组装拆解方便；4、试验装置的液压系统和应力应变控制系统为独立系统，不会对单轴压缩试验机的正常使用产生影响；5、可改变所述顶升器的底板尺寸和所述顶升器的数量，进而实现对不同尺寸不同形状试样的试验。

与现有技术相比，优点：

1、试验装置独立于单轴压缩试验机，不影响其他试验仪器的正常使用，试验成分较低；

2、试验装置的加载系统结构简单，便于加工和后期维护，能够方便的进行试验操作；

3、试验装置能精确地实现对试样的加卸荷，能使试样从双向受压状态转化到压剪受力状态，并且能控制转化速率以及力的大小；

4、荷载可控性高，具有足够的加卸载精度；

5、对试验试样无特殊要求，无需进行二次加工。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1为本发明一实施例整体示意图；

图2为本发明一实施例加载系统部件布置示意图；

图3为本发明一实施例加载系统组装示意图。

图中：上夹板1、下夹板2、顶升器3、橡胶垫4、试样5、液压储存箱6、球阀7、液压监测器8、球阀9、液压施加电机10、液压平衡器11、液压调节系统12、压力记录器13、导管14、信号传导线15、应力应变检测器16、应力应变-液压控制处理器17、显示器18、变角器19。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

如图1-3所示，本实施例所述一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置，其结构包括：加载系统、液压系统、应力应变控制系统。所述加载系统包括上夹板1、下夹板2、顶升器3、橡胶垫4、试样5；所述液压系统包括液压储存箱6、球阀7、液压施加电机10、液压平衡器11、液压监测器8、球阀9、液压调节系统12、压力记录器13、导管14；所述应力应变控制系统包括信号传导线15、应力应变检测器16、应力应变-液压控制处理器17、显示器18；

所述试样5侧面被涂有黄油的橡胶垫4完全包裹，所述试样5单个侧面由两个或两个以上的独立橡胶垫4包裹，所述单个橡胶垫4的大小与所述单个顶升器3底板大小相同，所述试样5单个侧面上的顶升器3刚好可嵌入所述上夹板1或所述下夹板2的预留卡槽中，所述上夹板1和所述下夹板2之间留有一定的间隙；

所述液压储存箱6储存用于所述顶升器3的液压液体，所述液压储存箱6连接带有所述球阀7的所述导管14，所述球阀7也在加压系统内压力过大时自动关闭；所述导管14另一头连接所述液压平衡器11，所述液压平衡器11可实现为加载系统提供线性变化或梯度变化的压力，所述液压平衡器11上安装有所述液压监测器8和所述液压施加电机10，通过所述液压监测器8可以实时监测所述液压平衡器11内的液压，所述液压施加电机10可以调节转速改变向加压系统内输送液压液体的速率；所述液压平衡器11连接带有所述球阀9的所述导管14，所述导管14另一头连接所述液压调节系统12，所述液压调节系统12上安装有所述压力记录器13并通过所述信号传导线15与所述应力应变-液压控制处理器17连接，所述液压调节系统12上游连接单个所述液压平衡器11下游可连接多个所述顶升器3，所述单个压力记录器13仅记录所述液压调节系统12为单个所述顶升器3提供的压力；所述液压调节系统12与所述顶升器3之间采用带有所述球阀9的所述导管14相连，液压系统中的所有所述球阀9开关受所述应力应变-液压控制处理器17的控制，通过开关所述球阀9以及所述液压调节系统12的调控可实现所述顶升器3的压力变化，当所述球阀9打开时可实现向所述顶升器3中增加压力或减小压力，当所述球阀9关闭时可实现所述顶升器3中压力恒定，当关闭所述球阀91打开所述球阀92和所述球阀9并通过所述液压调节系统12对液压进行调控，可实现所述顶升器31内的压力不变和所述顶升器32内的压力变化的试验条件，与其他所述顶升器3搭配使用即可实现岩块试样5受复杂压剪卸荷的试验条件；

所述顶升器3上安装所述应力应变检测器16，可实时监测所述顶升器3对试样5施加了多大的应力以及所述顶升器3底板的相对位移，这些数据通过所述信号传导线15传送到所述应力应变-液压控制处理器17中，并通过所述显示器18展示给试验技术人员；

所述上顶板与所述下顶板可安装在所述变角器19上，与所述变角器19搭配使用可进行试样5的不同角度的压剪加卸荷试验；

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加清晰易懂，下面结合附图对一种用于岩石试样5多角度压剪加卸载试验装置以及加载卸载的方式作进一步详细的说明。

本实验详细步骤说明，以尺寸为100×100×30，并且单侧受两个所述顶升器3压缩的试样5为例。

简单变角压剪试验具体实施步骤如下：

1、安装试样5装置：将上下底板安装在变角器19上，将顶升器3安装至上下底板的卡槽中，将该整体装置放置于单轴压缩试验机的工作平台上。连接应力应变-液压控制处理器17与应力应变检测器16、液压调节系统12。

2、放置试样5：将上夹板1调整到合适的高度，所有顶升器3底板升出一小段相同距离，将涂有黄油的橡胶垫4放置在下夹板2的顶升器3上；放置试样5，在试样5向上的侧面再放置涂有黄油的橡胶垫4，放置试样5完成后，如图2所示。再次调整上夹板1，使顶升器3与试样5完全接触；选择两个斜对的顶升器3，缩回顶升器3底板。

3、加载：根据试验方案，对试样5进行简单变角压剪试验。保持所有顶升器3的压力不变，仅依靠单轴压缩试验机对试样5进行压剪试验；通过改变变角器19的角度，可实现不同角度的压剪试验。

4、再次试验：上夹板1和顶升器3还原至初始位置，清理破坏的试样5；重复步骤2和步骤3。

5、拆卸试验装置：试验测试完成后，清理破坏的试样5，断开应力应变-液压控制处理器17与应力应变检测器16、液压调节系统12的连接，将试验装置从单轴压缩试验机的工作平台上取下，拆解清理，实验设备复位，打扫卫生。

复杂变角压剪循环加卸荷试验实施步骤要点如下：

与简单变角压剪试验相比，主要区别在步骤2和步骤3。放置好试样5后，顶升器3底板不在缩回。增大顶升器3压力，使试样5处于双向受压状态，此时即可模拟岩石受地应力的稳定状态。此后，瞬间卸去部分顶升器3的荷载，即可模拟处于稳定应力状态的岩石突然转变至压剪状态时的情况。亦可控制顶升器3的荷载速度，模拟复杂应力状态转变情况。

综上所述，即可实现对岩石试样5的多角度压剪加卸载试验目的。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (6)

1.一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置，其特征在于，该试验装置由加载系统、液压系统、应力应变控制系统组成；

加载系统包括上夹板、下夹板、顶升器、试样；所述上夹板、下夹板安装在变角器上，上夹板、下夹板之间留有一定的间隙，顶升器设置在试样的单个侧面且留一定间距，试样单个侧面上的顶升器刚好可嵌入上夹板或所述下夹板的预留卡槽中；

液压系统包括液压储存箱、球阀、液压施加电机、液压平衡器、液压监测器、球阀、液压调节系统、压力记录器、导管；

应力应变控制系统包括信号传导线、应力应变检测器、应力应变-液压控制处理器；

所述液压储存箱储存用于顶升器的液压液体，液压储存箱连接带有球阀的导管，球阀也在加压系统内压力过大时自动关闭；所述导管另一头连接液压平衡器，液压平衡器可实现为加载系统提供线性变化或梯度变化的压力，所述液压平衡器上安装有液压监测器和液压施加电机，通过液压监测器可以实时监测液压平衡器内的液压，液压施加电机可以调节转速改变向加压系统内输送液压液体的速率；所述液压平衡器连接带有球阀的导管，导管另一头连接液压调节系统，所述液压调节系统上安装有压力记录器并通过信号传导线与应力应变-液压控制处理器连接，所述液压调节系统上游连接单个液压平衡器，下游连接多个顶升器，所述压力记录器仅记录液压调节系统为单个顶升器提供的压力；所述液压调节系统与顶升器之间采用带有球阀的导管相连，液压系统中的所有球阀开关受应力应变-液压控制处理器的控制，通过开关球阀以及液压调节系统的调控可实现顶升器的压力变化，当球阀打开时可实现向顶升器中增加压力或减小压力，当球阀关闭时可实现顶升器中压力恒定，当关闭球阀打开球阀和球阀并通过液压调节系统对液压进行调控，可实现顶升器内的压力不变和顶升器内的压力变化的试验条件，与其他顶升器搭配使用即可实现岩块试样受复杂压剪卸荷的试验条件，具体实施步骤如下：

步骤1、安装试样装置，将上下底板安装在变角器上，将顶升器安装至上下底板的卡槽中，将整体装置放置于单轴压缩试验机的工作平台上，连接应力应变-液压控制处理器与应力应变检测器、液压调节系统；

步骤2、放置试样，将上夹板调整到合适的高度，所有顶升器底板升出一小段相同距离，将涂有黄油的橡胶垫放置在下夹板的顶升器上；放置试样，在试样向上的侧面再放置涂有黄油的橡胶垫，放置试样完成后，再次调整上夹板，使顶升器与试样完全接触；选择两个斜对的顶升器，缩回顶升器底板；

步骤3、加载，根据试验方案，对试样进行简单变角压剪试验，保持所有顶升器的压力不变，仅依靠单轴压缩试验机对试样进行压剪试验；通过改变变角器的角度，可实现不同角度的压剪试验；

步骤4、再次试验，上夹板和顶升器还原至初始位置，清理破坏的试样；重复步骤2和步骤3；

步骤5、拆卸试验装置，试验测试完成后，清理破坏的试样，断开应力应变-液压控制处理器与应力应变检测器、液压调节系统的连接，将试验装置从单轴压缩试验机的工作平台上取下，拆解清理，实验设备复位，打扫卫生。

2.根据权利要求1所述的一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置，其特征在于：所述顶升器的个数为若干个，顶升器的摆放组合根据所设计试验方案中想要模拟的试样受力情况进行调整。

3.根据权利要求1所述的一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置，其特征在于：所述顶升器底板与试样之间填充带有黄油的橡胶垫。

4.根据权利要求1所述的一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置，其特征在于：所述顶升器与上下夹板之间完全咬合。

5.根据权利要求1所述的一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置，其特征在于：所述夹板和所述顶升器由高强度钢制造。

6.根据权利要求1所述的一种用于岩石多角度压剪加卸荷的试验装置，其特征在于：试验装置尺寸根据试样尺寸形状定制，只需改变加载系统的试验装置组件即可实现对不同尺寸形状试样的多角度压剪卸荷试验。