CN112414838A - 一种刚性真三轴试件弹性盒夹具及岩样位移监测方法 - Google Patents

一种刚性真三轴试件弹性盒夹具及岩样位移监测方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种刚性真三轴试件弹性盒夹具及岩样位移监测方法，属于岩石力学室内试验技术领域，该夹具主要由6个压板和8个钢板弹簧构成，其整体构成一个弹性的压力盒，该弹性压力盒的一面可以拆卸，大大减少了岩样安装的操作步骤，节省了安装时间，连接压板的弹簧即可以保证夹具的稳固又能在进行岩样真三轴单面卸载试验时不影响岩样其他面的受力状态，保障了试验的准确性。本发明还提供一种采用弹性盒夹具进行岩样位移监测的方法，该方法在弹性盒夹具上加装了6个位移传感器，其中每个轴线方向安装两个位移传感器，可在进行真三轴刚性加载试验的同时对岩样的位移量进行实时监测。

Description

一种刚性真三轴试件弹性盒夹具及岩样位移监测方法
技术领域
本发明涉及岩石力学室内试验技术领域，尤其涉及一种刚性真三轴试件弹性盒夹具及岩样位移监测方法。
背景技术
交通、水利水电、金属矿山、物理地下实验室、国防、油气、核废料地下储库等工程不断进入深部，埋深、地应力日益增大。如今，地下空间开发和利用是城镇化发展的必然要求；向深部发掘资源是实现可持续发展的战略选择；对高放射性废物进行地下深埋，掌握地球深部状态变化，预警自然灾害等具体要求，推动了我国发出“向地球深部进军”号令。然而随着地下开挖，原岩应力重新分布，使岩墙失稳甚至发生岩爆现象，严重影响了施工安全性，因此利用室内物理试验来研究岩爆机制及影响因素对工程设计及施工安全具有重要意义。
国内外众多科研工作者从单轴岩爆试验、双轴岩爆试验、常规三轴岩爆试验、真三轴岩爆试验到单面临空真三轴岩爆试验等方面做了大量的研究。根据不同的试验的加载方式及试验仪器，对岩石试样夹具就会有不同的要求。目前传统的夹具分为刚柔复合加载夹具和刚性加载夹具。刚柔复合加载型夹具试件的刚性加载面由刚性垫块包裹，柔性加载面需要涂抹密封胶，操作过程较为繁琐，密封胶均匀程度也会对试验结果产生一定影响，无法满足六面刚性加载的试验机，无法实现单向或双向主应力快速卸载，无法实现岩爆试验研究；刚性夹具一般为滑动式夹具，其两个滑动块之间相互制约，如果改变其中一个面的受力状态与之相邻的面也会受到影响，对于硬岩真三轴试验及需要真三轴单面卸载条件的相关试验无法满足要求。因此，需要发明一种满足不同条件下的六面刚性加载试验机的试样夹具。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种刚性真三轴试件弹性盒夹具及岩样位移监测方法，该夹具可完全满足刚性真三轴试验机试样的安装要求，且不像传统的两刚一柔互扣式夹具，需要将垫块全部拆卸。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种刚性真三轴试件弹性盒夹具，包括：6个压板和8个钢板弹簧；
所述6个压板构成一个6面体空盒状结构，6面体空盒状结构的每个面分别由一个压板提供，以6面体空盒状结构的中心为坐标原点，与6个面垂直的方向建立空间直角坐标系，X轴方向相对的两个面的压板为压板X-a和压板X-b，Y轴方向相对的两个面的压板为Y-a和压板Y-b，Z轴方向相对的两个面的压板为压板Z-a和压板Z-b；
所述压板X-a和压板X-b远离6面体空盒状结构的一端沿Z轴方向固定连接两个钢板弹簧B，钢板弹簧B的另一端分别与压板Z-a和压板Z-b固定连接；所述压板Y-b远离6面体空盒状结构的一端沿Z轴方向固定连接两个钢板弹簧B，钢板弹簧B的另一端分别与压板Z-A和压板Z-b固定连接；所述压板Y-a沿X轴方向固定连接两个钢板弹簧A，钢板弹簧A的另一端分别与压板X-a和压板X-b固定连接。
所述钢板弹簧A整体呈L状，一端有两个螺孔安装弹簧顶丝，另一端为嵌入式结构也有两个螺孔，用于嵌入压板凹槽固定。
所述钢板弹簧A有两个螺孔的一端通过弹簧顶丝固定在压板Y-a上的顶丝支板上，通过拆卸钢板弹簧A与压板Y-a连接的弹簧顶丝，实现压板Y-a与弹性盒分离。
所述钢板弹簧B整体呈L状，一端有3个螺孔，呈倒三角状排列，靠外侧两个螺孔的部分用于嵌入压板凹槽，另一端有4个螺孔，呈方形矩阵排列，靠外侧两个螺孔部分用于嵌入压板凹槽。
所述钢板弹簧B靠内侧的3个螺孔部分安装有3个长螺钉，长螺钉的另一端顶到其对应的压板上，这种交叉固定的方式用于限制压板位移，调整压板在试样中心位置。
所述钢板弹簧材料为65Mn弹簧钢。所述压板材料为40Cr钢。
另一方面，本发明还提供了采用上述刚性真三轴试件弹性盒夹具进行岩样位移监测的方法，包括如下步骤：
步骤1：在弹性盒夹具内安装好待测岩样，过程如下：
步骤1.1：将压板Y-a两侧顶丝支板上的弹簧顶丝拧下，使弹簧A与压板Y-a分离，此时可将压板Y-a与弹性盒分离；
步骤1.2：将各个面的压板上固定弹簧的螺钉依次小范围松动，直到有足够空间将岩石试样放入；
步骤1.3：将各面贴好铜箔的岩石试样通过Y-a面放入弹性盒夹具内，然后将压板Y-a重新固定，留出预紧空间；
步骤1.4：依次小范围拧紧各面的螺钉，此过程中注意避免使压板与试件位置产生偏移；
步骤1.5：微调各方向上的压板，直到各个压板将岩石试样完全固定且岩样保持在弹性盒中心无偏移情况，方可完成试样安装。
步骤2：在每一个压板对角的两端都安装两个传感器支架，不同轴线上的压板即相对称的压板上的传感器支架也对称；
步骤3：Z轴方向压板Z-a与压板Z-b对称的传感器支架一端固定调整螺栓，另一端固定LVDT位移传感器，调整螺栓与位移传感器相连；Z轴方向共安装有2个LVDT位移传感器，分别在Z轴两压板的对角线位置；
步骤4：X轴方向压板X-a与压板X-b对称的传感器支架一端固定调整螺栓，另一端固定LVDT位移传感器，调整螺栓与位移传感器相连；X轴方向共安装有2个LVDT位移传感器，分别在X轴两压板的对角线位置；
步骤5：Y轴方向压板Y-a与压板Y-b对称的传感器支架一端固定调整螺栓，另一端固定LVDT位移传感器，调整螺栓与位移传感器相连；Y轴方向共安装有2个LVDT位移传感器，分别在Y轴两压板的对角线位置；
步骤6：将安装好位移传感器的弹性盒夹具安装在真三轴刚性加载试验装置上；
步骤7：真三轴刚性加载试验装置给弹性盒夹具加载，同时监测6个LVDT位移传感器在X、Y和Z轴方向上的位移变化趋势。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明提供的弹性压力盒夹具只需取下一个面，略微松动围绕岩样四周的垫块，留出空间放置试样，通过拧紧弹簧可轻易地将岩样固定在弹性压力盒夹具内，且不易产生偏移。大大减少了岩样安装的操作步骤，节省了安装时间。
2、本发明连接压板的弹簧即可以保证夹具的稳固又能在进行岩样真三轴单面卸载试验时不影响岩样其他面的受力状态，保障了试验的准确性。
3、本发明可以实现传统夹具快速卸载主应力，可以实现岩爆试验研究。
附图说明
图1为本发明实施例中刚性真三轴试件弹性盒夹具的整体结构图；
图2为本发明实施例中弹性盒夹具的压板和钢板弹簧间的位置关系图；
图3为本发明实施例中钢板弹簧A的结构示意图；
图4为本发明实施例中钢板弹簧B的结构示意图；
图5为本发明实施例中弹性盒夹具加装位移传感器后的整体结构图；
图6为本发明实施例中图5的俯视图；
图7为本发明实施例中图5的正视图；
图8为本发明实施例中图5的左视图。
图中：1-钢板弹簧A，2-弹簧顶丝，3-顶丝支板，4-压板Y-a，5-压板Z-a，6-LVDT位移传感器，7-传感器支架A-a，8-压板X-a，9-传感器支架A-b，10-调整螺栓，11-试样，12-压板Y-b，13-内六角圆柱头螺钉，14-传感器支架B-a，15-钢板弹簧B，16-压板X-b，17-传感器支架B-b，18-压板Z-b。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例的刚性真三轴试件弹性盒夹具的整体结构如图1所示，包括：
6个压板和8个钢板弹簧，所述压板和弹簧间的位置关系如图2所示：
所述6个压板构成一个6面体空盒状结构，6面体空盒状结构的每个面分别由一个压板提供，以6面体空盒状结构的中心为坐标原点，与6个面垂直的方向建立空间直角坐标系，X轴方向相对的两个面的压板为压板X-a8和压板X-b16，Y轴方向相对的两个面的压板为Y-a4和压板Y-b12，Z轴方向相对的两个面的压板为压板Z-a5和压板Z-b18；
所述压板X-a8和压板X-b16远离6面体空盒状结构的一端沿Z轴方向固定连接两个钢板弹簧B15，钢板弹簧B15的另一端分别与压板Z-a5和压板Z-b18固定连接；所述压板Y-b12远离6面体空盒状结构的一端沿Z轴方向固定连接两个钢板弹簧B15，钢板弹簧B15的另一端分别与压板Z-a5和压板Z-b18固定连接；所述压板Y-a4沿X轴方向固定连接两个钢板弹簧A1，钢板弹簧A1的另一端分别与压板X-a8和压板X-b16固定连接。
所述钢板弹簧A1的结构如图3所示，整体呈L状，一端有两个螺孔安装弹簧顶丝2，另一端为嵌入式结构也有两个螺孔，用于嵌入压板凹槽固定。
所述钢板弹簧A1有两个螺孔的一端通过弹簧顶丝固定在压板Y-a4上的顶丝支板3上，通过拆卸钢板弹簧A1与压板Y-a4连接的弹簧顶丝2，实现压板Y-a4与弹性盒分离。
所述钢板弹簧B15的结构如图4所示，整体呈L状，一端有3个螺孔，呈倒三角状排列，靠外侧两个螺孔的部分用于嵌入压板凹槽，另一端有4个螺孔，呈方形矩阵排列，靠外侧两个螺孔部分用于嵌入压板凹槽。
所述钢板弹簧B15靠内侧的3个螺孔部分安装有3个长螺钉13，长螺钉13的另一端顶到其对应的压板上，这种交叉固定的方式用于限制压板位移，调整压板在试样中心位置。本实施例中的长螺钉13选用内六角圆柱头螺钉。
所述钢板弹簧材料为65Mn弹簧钢。所述压板材料为40Cr钢。
本实施例所述的弹性盒夹具在安装试样时只需将压板Y-a4两端的弹簧A1拆除即可完全取下压板Y-a4，将其他压板略微松动便可放入岩石试样，待试样准确放入再将压板Y-a4装回原来位置，逐渐紧固所有压板即可完成安装。
另一方面，本发明还提供了采用上述刚性真三轴试件弹性盒夹具进行岩样位移监测的方法，包括如下步骤：
步骤1：在弹性盒夹具内安装好待测岩样，过程如下：
步骤1.1：将压板Y-a4两侧顶丝支板3上的弹簧顶丝2拧下，使弹簧A1与压板Y-a4分离，此时可将压板Y-a4与弹性盒分离；
步骤1.2：将各个面的压板上固定弹簧的内六角圆柱头螺钉依次小范围松动，直到有足够空间将岩石试样放入；
步骤1.3：将各面贴好铜箔的岩石试样通过Y-a4面放入弹性盒夹具内，然后将压板Y-a4重新固定，留出预紧空间；
步骤1.4：依次小范围拧紧各面的内六角圆柱头螺钉，此过程中注意避免用力过猛使压板与试件位置产生偏移；
步骤1.5：微调各方向上的压板，直到各个压板将岩石试样完全固定且岩样保持在弹性盒中心无偏移情况，方可完成试样安装。
本实施例以50mm×50mm×100mm岩样为例，首先用内六角扳手将压板Y-a4上把固定在顶丝支板3上的4个弹簧顶丝2取下，此时压板Y-a4与弹性压力盒分离；接下来将各面压板的螺钉依次小范围松动，将弹性盒Z方向压板置于试验台，试验人正视压板Y-a4面，将岩样水平缓缓放入弹性盒夹具内再将夹具旋转90°让压板Y-b12置于试验台，微调X和Z方向压板，使岩样调整到中心位置；最后将压板Y-a4重新安装到原来位置，依次转动弹性盒夹具并小范围拧紧螺钉13，直到岩样保持在弹性盒中心且夹持牢固即可完成安装。
步骤2：在每一个压板对角的两端都安装两个传感器支架，不同轴线上的压板即相对称的压板上的传感器支架也对称；
步骤3：Z轴方向压板Z-a5与压板Z-b18对称的传感器支架一端固定调整螺栓10，另一端固定LVDT位移传感器6，调整螺栓10与位移传感器6相连；Z轴方向共安装有2个LVDT位移传感器6，分别在Z轴两压板Z-a5和Z-b18的对角线位置；
步骤4：X轴方向压板X-a8与压板X-b16对称的传感器支架一端固定调整螺栓10，另一端固定LVDT位移传感器6，调整螺栓10与位移传感器6相连；X轴方向共安装有2个LVDT位移传感器6，分别在X轴两压板X-a8与X-b16的对角线位置；
步骤5：Y轴方向压板Y-a4与压板Y-b12对称的传感器支架一端固定调整螺栓10，另一端固定LVDT位移传感器6，调整螺栓10与位移传感器6相连；Y轴方向共安装有2个LVDT位移传感器6，分别在Y轴两压板Y-a4与Y-b12的对角线位置；
所述传感器支架与压板由内六角圆柱头螺钉固定，传感器支架另一端为圆弧形夹具用内六角圆柱头螺钉将LVDT位移传感器6固定。
本实施例中，弹性盒夹具通过步骤2至步骤5加装LVDT位移传感器6后的整体结构如图5所示，其俯视图、正视图和左视图分别如图6、图7和图8所示。从图中可以看出，每个轴线上都安装了两个LVDT位移传感器6。
步骤6：将安装好位移传感器6的弹性盒夹具安装在真三轴刚性加载试验装置上；
步骤7：真三轴刚性加载试验装置给弹性盒夹具加载，同时监测6个LVDT位移传感器6在X、Y和Z轴方向上的位移变化趋势。

Claims (9)

1.一种刚性真三轴试件弹性盒夹具，其特征在于：包括6个压板和8个钢板弹簧；
所述6个压板构成一个6面体空盒状结构，6面体空盒状结构的每个面分别由一个压板提供，以6面体空盒状结构的中心为坐标原点，与6个面垂直的方向建立空间直角坐标系，X轴方向相对的两个面的压板为压板X-a和压板X-b，Y轴方向相对的两个面的压板为Y-a和压板Y-b，Z轴方向相对的两个面的压板为压板Z-a和压板Z-b；
所述压板X-a和压板X-b远离6面体空盒状结构的一端沿Z轴方向固定连接两个钢板弹簧B，钢板弹簧B的另一端分别与压板Z-a和压板Z-b固定连接；所述压板Y-b远离6面体空盒状结构的一端沿Z轴方向固定连接两个钢板弹簧B，钢板弹簧B的另一端分别与压板Z-a和压板Z-b固定连接；所述压板Y-a沿X轴方向固定连接两个钢板弹簧A，钢板弹簧A的另一端分别与压板X-a和压板X-b固定连接。
2.根据权利要求1所述的弹性盒夹具，其特征在于：所述钢板弹簧A整体呈L状，一端有两个螺孔安装弹簧顶丝，另一端为嵌入式结构也有两个螺孔，用于嵌入压板凹槽固定。
3.根据权利要求2所述的弹性盒夹具，其特征在于：所述钢板弹簧A有两个螺孔的一端通过弹簧顶丝固定在压板Y-a上的顶丝支板上，通过拆卸钢板弹簧A与压板Y-a连接的弹簧顶丝，实现压板Y-a与弹性盒分离。
4.根据权利要求1所述的弹性盒夹具，其特征在于：所述钢板弹簧B整体呈L状，一端有3个螺孔，呈倒三角状排列，靠外侧两个螺孔的部分用于嵌入压板凹槽，另一端有4个螺孔，呈方形矩阵排列，靠外侧两个螺孔部分用于嵌入压板凹槽。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的弹性盒夹具，其特征在于：所述钢板弹簧材料为65Mn弹簧钢。
6.根据权利要求1所述的弹性盒夹具，其特征在于：所述压板材料为40Cr钢。
7.根据权利要求3所述的弹性盒夹具，其特征在于：所述钢板弹簧B靠内侧的3个螺孔部分安装有3个长螺钉，长螺钉的另一端顶到其对应的压板上，这种交叉固定的方式用于限制压板位移，调整压板在试样中心位置。
8.采用权利要求1-7中任意一项所述的弹性盒夹具进行岩样位移监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在弹性盒夹具内安装好待测岩样；
步骤2：在每一个压板对角的两端都安装两个传感器支架，不同轴线上的压板即相对称的压板上的传感器支架也对称；
步骤3：Z轴方向压板Z-a与压板Z-b对称的传感器支架一端固定调整螺栓，另一端固定LVDT位移传感器，调整螺栓与位移传感器相连；Z轴方向共安装有2个LVDT位移传感器，分别在Z轴两压板的对角线位置；
步骤4：X轴方向压板X-a与压板X-b对称的传感器支架一端固定调整螺栓，另一端固定LVDT位移传感器，调整螺栓与位移传感器相连；X轴方向共安装有2个LVDT位移传感器，分别在X轴两压板的对角线位置；
步骤5：Y轴方向压板Y-a与压板Y-b对称的传感器支架一端固定调整螺栓，另一端固定LVDT位移传感器，调整螺栓与位移传感器相连；Y轴方向共安装有2个LVDT位移传感器，分别在Y轴两压板的对角线位置；
步骤6：将安装好位移传感器的弹性盒夹具安装在真三轴刚性加载试验装置上；
步骤7：真三轴刚性加载试验装置给弹性盒夹具加载，同时监测6个LVDT位移传感器在X、Y和Z轴方向上的位移变化趋势。
9.根据权利要求8所述的采用弹性盒夹具进行岩样位移监测的方法，其特征在于，所述步骤1的过程如下：
步骤1.1：将压板Y-a两侧顶丝支板上的弹簧顶丝拧下，使弹簧A与压板Y-a分离，此时可将压板Y-a与弹性盒分离；
步骤1.2：将各个面的压板上固定弹簧的螺钉依次小范围松动，直到有足够空间将岩石试样放入；
步骤1.3：将各面贴好铜箔的岩石试样通过Y-a面放入弹性盒夹具内，然后将压板Y-a重新固定，留出预紧空间；
步骤1.4：依次小范围拧紧各面的螺钉，此过程中注意避免使压板与试件位置产生偏移；
步骤1.5：微调各方向上的压板，直到各个压板将岩石试样完全固定且岩样保持在弹性盒中心无偏移情况，方可完成试样安装。
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