CN111947564A - 岩石试样变形测量装置、设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石试样变形测量装置、设备及方法，涉及岩石单轴压缩变形测量技术领域，该岩石试样变形测量装置包括侧向变形测量装置；侧向变形测量装置包括传感器支架和侧向LVDT差动变压位移传感器，传感器支架为多根，多根传感器支架和侧向LVDT差动变压位移传感器围设成矩形状的弹性夹具框结构，弹性夹具框结构用于沿轴向套设于待测立方体试样，传感器支架受到待测立方体试样形变推力，能够使侧向LVDT差动变压位移传感器测量出形变立方体试样的至少一个侧面的侧向位移。解决了现有技术中存在的现有岩石侧向变形量测量装置的精度较低的技术问题。

Description

岩石试样变形测量装置、设备及方法

技术领域

本发明涉及岩石单轴压缩变形测量技术领域，尤其是涉及一种岩石试样变形测量装置、设备及方法。

背景技术

岩石力学(Rock Mechanics)是一门研究岩石在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。又称岩体力学，是力学的一个分支。研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。它是一门新兴的，与有关学科相互交叉的工程学科，需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互交叉。

地质协会岩石力学部门于1964年提出的岩石力学定义为：岩石力学是研究岩石力学性状的一门理论和应用科学，是力学的一个分支，是研究岩石在不同物理环境的力场中产生各种力学效应的学科。该定义概况了岩石破碎和稳定两方面的主题，也概括了岩石在不同物理环境中各种应力状态下的变形、破坏规律。这是一个较广泛、较严密并得到广泛认可的定义。

岩石力学的研究方法主要是：科学实验和理论分析。科学实验包括室内试验、野外试验和原型观测(监控)。室内试验一般分为岩块(或称岩石材料，即不包括明显不连续面的岩石单元)试验和模型试验(主要是地质力学模型试验和大工程模拟试验)。岩石力学室内试验与技术是岩石力学理论及其工程应用研究的基础。通过对试验完成后获得的各种岩石物理力学参数进行统计分析，可以快速有效地总结出试验岩样的力学特征与破坏模式。所以，试验过程中各种数据的准确采集显得尤为重要，直接决定了岩石力学试验的完成质量。

岩石单轴压缩试验作为最基本的岩石力学室内试验，其试验力学参数测量主要包括受力与变形两部分。岩体基本力学参数是指导岩土工程设计，保障工程建设安全的重要指标。单轴压缩试验因其操作简单，便于开展，是目前获取岩体力学参数的常规测试手段。

在岩体单轴压缩试验中，人们通常更多关注与强度相关的力学指标和轴向变形参数，如起裂应力、破坏强度、弹性模量等，忽略体变参数，如侧向变形与泊松比等。而侧向变形是反映岩体破裂演化不同阶段的关键指标，监测轴向荷载作用下岩体的体变特征对建立岩体本构关系，确保地下工程围岩稳定性具有重要意义。

目前最常用的单轴试验侧向变形监测方法有两种，应变片测量与环向变形测量，但这两种方法均存在明显的不足。如测量精度低、受温度影响大、测量方式复杂、易受到加载条件限制等。

应变片具有测量局部性的缺点，只能反应岩石局部的变形特性；同时，应变片测量有效性只限于岩体弹性变形阶段，当局部发生塑性变形或开裂时，应变片易从试样表面脱落，使测量点数据失效；应变片测量数据受温度影响较大，温度波动会导致变形数据失真；采用应变片测量变形需提前在试样上粘贴应变片，使得前期准备工作繁琐。

而环向变形测量主要应用于圆柱形岩样，测量圆柱形试样的周向变形。然而，岩体作为一种地质体，内部包含有大量节理、裂隙等不连续面，其力学性质表现出明显的非均质性与各向异性，随裂隙扩展演化，岩体在裂隙面倾向上的变形明显大于走向上变形。而环向变形测量方法无法获取不同方向的岩体变形数据，不能准确分析岩体破裂演化特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩石试样变形测量装置、设备及方法，以缓解现有技术中存在的现有岩石侧向变形量测量装置的精度较低的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供一种岩石试样变形测量装置，包括：侧向变形测量装置；

所述侧向变形测量装置包括传感器支架和侧向LVDT差动变压位移传感器，所述传感器支架为多根，多根所述传感器支架和所述侧向LVDT差动变压位移传感器围设成矩形状的弹性夹具框结构，所述弹性夹具框结构用于沿轴向套设于待测立方体试样，所述传感器支架受到待测立方体试样的形变推力，能够使所述侧向LVDT差动变压位移传感器测量形变立方体试样的至少一个侧面的侧向位移。

进一步的，所述弹性夹具框结构为两组，两组所述弹性夹具框结构在安装状态下上下间隔设置，且两组所述弹性夹具框结构中的所述侧向LVDT差动变压位移传感器用于测量相垂直侧面的侧向位移。

进一步的，各所述弹性夹具框结构中，多根所述传感器支架为两根，两根所述传感器支架相对设置；所述侧向LVDT差动变压位移传感器为两组，两组所述侧向LVDT差动变压位移传感器间隔设置于两根所述传感器支架之间，用于测量形变立方体试样的相对两个侧面的侧向位移或者同一侧面的侧向位移；

两根所述传感器支架之间还连接有弹性件，所述弹性件能够使两根所述传感器支架在安装状态下夹紧待测立方体试样。

进一步的，所述侧向LVDT差动变压位移传感器包括传感器本体、传动杆以及可动铁芯，所述可动铁芯套设于所述传动杆，且所述可动铁芯与所述传感器支架固定连接；

两组所述侧向LVDT差动变压位移传感器中的两组所述可动铁芯相对且错位设置，通过所述传感器支架带动两组所述可动铁芯相背运动，以测量形变立方体试样的相对两个侧面的侧向位移。

进一步的，两根所述传感器支架的同一端均设有连接件，所述连接件与对应的所述传感器支架的端面之间形成卡接部；

所述弹性件采用弹簧，所述弹簧的两端分别卡设于所述卡接部。

进一步的，所述岩石试样变形测量装置还包括轴向变形测量装置；

所述轴向变形测量装置包括轴向LVDT差动变压位移传感器，所述轴向LVDT差动变压位移传感器用于测量待测立方体试样的轴向位移。

进一步的，所述轴向LVDT差动变压位移传感器包括传感器本体、传动杆以及可动铁芯，所述可动铁芯套设于所述传动杆，且所述可动铁芯固定连接于上压头，所述轴向LVDT差动变压位移传感器中的所述可动铁芯能够随所述上压头相对所述传动杆运动，以测量形变立方体试样的轴向位移。

进一步的，所述差动变压位移传感器还包括传感器微调旋钮，所述传感器微调旋钮螺纹连接于所述传动杆，且与所述可动铁芯抵接；

旋拧所述传感器微调旋钮带动所述可动铁芯运动，能够微调可动铁芯，并使LVDT差动变压位移传感器所测数值在精确量程之内。

有益效果：

本发明提供的岩石试样变形测量装置，多根传感器支架和侧向LVDT差动变压位移传感器围设成矩形状的弹性夹具框结构，在具体使用时，弹性夹具框结构用于沿轴向套设于待测立方体试样，当给待测立方体试样施加延轴向的压力时，待测立方体试样将产生沿垂直于轴向的形变，即传感器支架受到待测立方体试样的形变推力，该推力能够使侧向LVDT差动变压位移传感器测量形变立方体试样的至少一个侧面的侧向位移。由前述可知，该岩石试样变形测量装置与现有的应变片测量相比，减少了温度的干扰，提高了测量精度；同时，该岩石试样变形测量装置是针对测立方体试样的至少一个侧面测量，与现有的环向变形测量相比，能够获取不同方向的岩体变形数据，且能够准确分析岩体破裂演化特征，相对提高了试验结果的准确度。

第二方面，本发明实施例提供一种岩石试样变形测量设备，包括：加载机和前述实施方式任一项所述的岩石试样变形测量装置；

所述加载机包括用于夹设待测立方体试样的上压头和下压头。

有益效果：

本发明提供的岩石试样变形测量设备包括前述的岩石试样变形测量装置，因此，该岩石试样变形测量设备所达到的技术优势及效果同样包括岩石试样变形测量装置所达到的技术优势及效果，此处不再赘述。

第三方面，本发明实施例提供一种岩石试样变形测量方法，所述方法包括：

将立方体试样放置在下压头上，并使立方体试样的底面中心与下压头的中心对齐；

将上压头压紧在立方体试样的上表面；

将矩形状的所述弹性夹具框结构固定套设于立方体试样，并使至少两根且相对设置的传感器支架与立方体试样的侧面紧密贴合；

使所述上压头相对所述下压头运动；

所述传感器支架的位移量为侧向LVDT差动变压位移传感器所采集到的形变立方体试样的侧向位移。

有益效果：

本发明提供的岩石试样变形测量方法所达到的技术优势及效果与岩石试样变形测量装置达到的技术优势及效果相同，此处不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本发明实施例提供的岩石试样变形测量设备的结构示意图。

图标：

10-立方体试样；20-上压头；30-下压头；

100-传感器支架；200-侧向LVDT差动变压位移传感器；300-弹性件；400-螺栓；500-轴向LVDT差动变压位移传感器；600-传感器微调旋钮。

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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例提供一种岩石试样变形测量装置，如图1所示，该岩石试样变形测量装置包括侧向变形测量装置；侧向变形测量装置包括传感器支架100和侧向LVDT差动变压位移传感器200，传感器支架100为多根，多根传感器支架100和侧向LVDT差动变压位移传感器200围设成矩形状的弹性夹具框结构，弹性夹具框结构用于沿轴向套设于待测的立方体试样10，传感器支架100受到待测的立方体试样10的形变推力，能够使侧向LVDT差动变压位移传感器200测量形变的立方体试样10的至少一个侧面的侧向位移。

在具体使用时，弹性夹具框结构用于沿轴向套设于待测的立方体试样10，当给待测的立方体试样10施加延轴向的压力时，待测的立方体试样10将产生沿垂直于轴向的形变，即传感器支架100受到待测的立方体试样10的形变推力，该推力能够使侧向LVDT差动变压位移传感器200测量形变立方体试样的至少一个侧面的侧向位移。由前述可知，该岩石试样变形测量装置与现有的应变片测量相比，减少了温度的干扰，提高了测量精度；同时，该岩石试样变形测量装置是针对测立方体试样10的至少一个侧面测量，与现有的环向变形测量相比，能够获取不同方向的岩体变形数据，且能够准确分析岩体破裂演化特征，相对提高了试验结果的准确度。另外，通过采用立方体试样10可满足多种情形，不受加载条件的限制。

可选的，立方体试样10可为长方体试样。

需要说明的是，环向变形测量主要应用于圆柱形岩样，测量圆柱形试样的周向变形。然而，岩体作为一种地质体，内部包含有大量节理、裂隙等不连续面，其力学性质表现出明显的非均质性与各向异性，随裂隙扩展演化，岩体在裂隙面倾向上的变形明显大于走向上变形。而环向变形测量方法无法获取不同方向的岩体变形数据，不能准确分析岩体破裂演化特征。

本实施例中，弹性夹具框结构为两组，两组弹性夹具框结构在安装状态下上下间隔设置，且两组弹性夹具框结构中的侧向LVDT差动变压位移传感器200用于测量相垂直侧面的侧向位移。

示例性地，一组弹性夹具框结构中的侧向LVDT差动变压位移传感器200可以用于测量相对设置的两个侧面的侧向位移；或者，一组弹性夹具框结构中的侧向LVDT差动变压位移传感器200可以用于测量一个侧面的侧向位移。

具体的，各弹性夹具框结构中，多根传感器支架100为两根，两根传感器支架100相对设置；侧向LVDT差动变压位移传感器200为两组，两组侧向LVDT差动变压位移传感器200间隔设置于两根传感器支架之间；两根传感器支架100之间还连接有弹性件300，弹性件300能够使两根传感器支架100在安装状态下夹紧待测的立方体试样10。

进一步的，各弹性夹具框结构中，两组侧向LVDT差动变压位移传感器200能够测量形变立方体试样的相对两个侧面的侧向位移。

其他实施例中，各弹性夹具框结构中，两组侧向LVDT差动变压位移传感器200能够测量形变立方体试样的同一个侧面的侧向位移，此时，可对两个结果求取平均值获得更加准确的侧向位移。

本实施例中，两根传感器支架100的同一端均设有连接件，连接件与对应的传感器支架100的端面之间形成卡接部；弹性件300采用弹簧，弹簧的两端分别卡设于卡接部。

可选的，连接件采用螺栓400，螺栓400旋拧入传感器支架100的端部，并与传感器支架100的端面之间形成螺杆状的卡接部。

本实施例中，侧向LVDT差动变压位移传感器200包括传感器本体、传动杆以及可动铁芯，可动铁芯(内设螺纹)套设于传动杆，且可动铁芯与传感器支架100固定连接；两组侧向LVDT差动变压位移传感器200中的两组可动铁芯相对且错位设置，通过传感器支架100带动两组可动铁芯相背运动，以测量形变立方体试样的相对两个侧面的侧向位移。

该侧向LVDT差动变压位移传感器200的工作原理为：上压头20与下压头30发生相对位移，进而引起侧向LVDT差动变压位移传感器200的可动铁芯在检波电路器件中移动，并输出电信号，以测量出形变立方体试样的侧向位移。

具体工作时，当待测的立方体试样10产生沿垂直于轴向的形变时，两根传感器支架100将会受到来自待测的立方体试样10的相反方向的形变推力，该推力一方面推动其中一根传感器支架100向左(或向前)移动，进而使其中一组侧向LVDT差动变压位移传感器200测量出其中一个侧面的侧向位移；与此同时，将推动与其相对的另一根传感器支架100向右(或向后)移动，进而使与其相对的另一组侧向LVDT差动变压位移传感器200测量出与其相对的另一个侧面的侧向位移。

本实施例中，通过设置两组弹性夹具框结构，以及对每组弹性夹具框结构中的侧向LVDT差动变压位移传感器200的设置，能够实现对形变立方体试样的四个侧面的侧向位移的测量。

其中，差动变压位移传感器可采用现有技术中的传感器，具体结构不再做详细介绍。

上面已经介绍了侧向变形测量装置的具体结构，接下来介绍轴向变形测量装置的具体结构。

该岩石试样变形测量装置还包括轴向变形测量装置，该轴向变形测量装置能够对岩石的轴向位移进行测量。

具体的，轴向变形测量装置包括轴向LVDT差动变压位移传感器500，轴向LVDT差动变压位移传感器500用于测量形变立方体试样的轴向位移。

轴向LVDT差动变压位移传感器500包括传感器本体、传动杆以及可动铁芯，可动铁芯(内设螺纹)套设于传动杆，且可动铁芯固定连接于上压头，轴向LVDT差动变压位移传感器中的可动铁芯能够随上压头相对传动杆运动，通过轴向LVDT差动变压位移传感器，以测量形变立方体试样的轴向位移。该轴向LVDT差动变压位移传感器500的测量原理同侧向LVDT差动变压位移传感器200，在此不再重复赘述。

进一步的，差动变压位移传感器还包括传感器微调旋钮，传感器微调旋钮螺纹连接于传动杆，且与可动铁芯抵接；旋拧传感器微调旋钮带动可动铁芯运动，能够微调可动铁芯，并使LVDT差动变压位移传感器所测数值在精确量程之内。

本实施例还提供一种岩石试样变形测量设备，如图1所示，该岩石试样变形测量设备包括加载机和前述的岩石试样变形测量装置；加载机包括用于夹设待测的立方体试样10的上压头20和下压头30。

本实施例还提供一种岩石试样变形测量方法，该方法包括：

将立方体试样10放置在下压头30上，并使立方体试样10的底面中心与下压头30的中心对齐；

将上压头20压紧在立方体试样10的上表面；

将矩形状的弹性夹具框结构固定套设于立方体试样10，并使至少两根且相对设置的传感器支架100与立方体试样10的侧面紧密贴合；

使上压头20相对下压头30运动；

传感器支架100的位移量为侧向LVDT差动变压位移传感器200所采集到的形变立方体试样的侧向位移。

本实施例中，可设置下压头30不动，上压头20向靠近或远离下压头30的方向移动。

该岩石试样变形测量方法还包括以下步骤：侧向LVDT差动变压位移传感器200、轴向LVDT差动变压位移传感器500分别与计算机连接，通过传感器微调旋钮600调整各传感器的可动铁芯，并使各传感器所测数值在精确量程之内，进行单轴压缩试验，记录数值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种岩石试样变形测量装置，其特征在于，包括：侧向变形测量装置；

所述侧向变形测量装置包括传感器支架(100)和侧向LVDT差动变压位移传感器(200)，所述传感器支架(100)为多根，多根所述传感器支架(100)和所述侧向LVDT差动变压位移传感器(200)围设成矩形状的弹性夹具框结构，所述弹性夹具框结构用于沿轴向套设于待测立方体试样，所述传感器支架(100)受到待测立方体试样的形变推力，能够使所述侧向LVDT差动变压位移传感器(200)测量形变立方体试样的至少一个侧面的侧向位移。

2.根据权利要求1所述的岩石试样变形测量装置，其特征在于，所述弹性夹具框结构为两组，两组所述弹性夹具框结构在安装状态下上下间隔设置，且两组所述弹性夹具框结构中的所述侧向LVDT差动变压位移传感器(200)用于测量相垂直侧面的侧向位移。

3.根据权利要求1所述的岩石试样变形测量装置，其特征在于，各所述弹性夹具框结构中，多根所述传感器支架(100)为两根，两根所述传感器支架(100)相对设置；所述侧向LVDT差动变压位移传感器(200)为两组，两组所述侧向LVDT差动变压位移传感器(200)间隔设置于两根所述传感器支架(100)之间，用于测量形变立方体试样的相对两个侧面的侧向位移或者同一侧面的侧向位移；

两根所述传感器支架(100)之间还连接有弹性件(300)，所述弹性件(300)能够使两根所述传感器支架(100)在安装状态下夹紧待测立方体试样。

4.根据权利要求3所述的岩石试样变形测量装置，其特征在于，所述侧向LVDT差动变压位移传感器包括传感器本体、传动杆以及可动铁芯，所述可动铁芯套设于所述传动杆，且所述可动铁芯与所述传感器支架(100)固定连接；

两组所述侧向LVDT差动变压位移传感器(200)中的两组所述可动铁芯相对且错位设置，通过所述传感器支架(100)带动两组所述可动铁芯相背运动，以测量形变立方体试样的相对两个侧面的侧向位移。

5.根据权利要求3或4所述的岩石试样变形测量装置，其特征在于，两根所述传感器支架(100)的同一端均设有连接件，所述连接件与对应的所述传感器支架(100)的端面之间形成卡接部；

所述弹性件(300)采用弹簧，所述弹簧的两端分别卡设于所述卡接部。

6.根据权利要求1所述的岩石试样变形测量装置，其特征在于，所述岩石试样变形测量装置还包括轴向变形测量装置；

所述轴向变形测量装置包括轴向LVDT差动变压位移传感器(500)，所述轴向LVDT差动变压位移传感器(500)用于测量待测立方体试样的轴向位移。

7.根据权利要求6所述的岩石试样变形测量装置，其特征在于，所述轴向LVDT差动变压位移传感器包括传感器本体、传动杆以及可动铁芯，所述可动铁芯套设于所述传动杆，且所述可动铁芯固定连接于上压头(20)，所述轴向LVDT差动变压位移传感器中的所述可动铁芯能够随所述上压头(20)相对所述传动杆运动，以测量形变立方体试样的轴向位移。

8.根据权利要求4或7所述的岩石试样变形测量装置，其特征在于，所述差动变压位移传感器还包括传感器微调旋钮(600)，所述传感器微调旋钮(600)螺纹连接于所述传动杆，且与所述可动铁芯抵接；

旋拧所述传感器微调旋钮(600)带动所述可动铁芯运动，能够微调所述可动铁芯，并使LVDT差动变压位移传感器所测数值在精确量程之内。

9.一种岩石试样变形测量设备，其特征在于，包括：加载机和权利要求1-8任一项所述的岩石试样变形测量装置；

所述加载机包括用于夹设待测立方体试样的上压头(20)和下压头(30)。

10.一种岩石试样变形测量方法，其特征在于，所述方法包括：

将立方体试样(10)放置在下压头(30)上，并使立方体试样(10)的底面中心与下压头(30)的中心对齐；

将上压头(20)压紧在立方体试样(10)的上表面；

将矩形状的所述弹性夹具框结构固定套设于立方体试样(10)，并使至少两根且相对设置的传感器支架(100)与立方体试样(10)的侧面紧密贴合；

使所述上压头(20)相对所述下压头(30)运动；

所述传感器支架(100)的位移量为侧向LVDT差动变压位移传感器(200)所采集到的形变立方体试样(10)的侧向位移。

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