CN112798443A - 一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩石力学性能研究领域,具体公开了一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,该装置包括分别用于与岩石试件的上下端连接的上部加载机构和下部加载机构,上部加载机构与下部加载机构的结构相同且以岩石试件的中线呈上下对称设置;上部加载机构包括由下至上依次固定连接的第一承载件、第二承载件、第三承载件、加载头、上球铰、下球铰和铰链;第一承载件的下表面与岩石试件的上端面固定连接;第三承载件的下端同轴固定连接有一球面形凸头,第二承载件的上端同轴设有一球面形凹槽。本发明可以同时实现拉压力连续变换施加和对中,为研究岩石在循环拉压等拉压变换应力作用下的力学响应提供有效试验手段。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学性能研究领域,尤其涉及一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置。
背景技术
岩体在不同地质环境和工程建设条件下可能遭受拉应力、压应力以及拉压应力的变换(如地震荷载、动态施工荷载等),因此,岩石的拉伸和压缩力学性能是岩石力学研究的重要内容;目前,岩石的单轴拉伸和单轴压缩试验已经有相对成熟的技术,双轴拉压技术也渐渐成熟,例如,专利CN 109752234 A即公开了一种拉伸方向实时对中的岩石类材料双轴拉压试验装置;然而,现有技术还缺乏一种较好的可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,而其难点就在于一种解决拉、压力连续变换施加且对中的有效试验技术。
为推动岩石力学性能研究的发展,上述技术问题亟待解决。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,可以同时实现拉压力连续变换施加和对中,为研究岩石在循环拉压等拉压变换应力作用下的力学响应提供有效试验手段。
为实现上述目的,本发明提供了一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,该装置包括分别用于与岩石试件的上下端连接的上部加载机构和下部加载机构,所述上部加载机构与下部加载机构的结构相同且以岩石试件的中线呈上下对称设置;
所述上部加载机构包括由下至上依次固定连接的第一承载件、第二承载件、第三承载件、加载头、上球铰、下球铰和铰链;所述第一承载件的下表面与岩石试件的上端面固定连接;所述第三承载件的下端同轴固定连接有一球面形凸头,所述第二承载件的上端同轴设有一球面形凹槽,所述球面形凸头与球面形凹槽适形配合并形成全截面凹凸接触副;
所述第二承载件的下端中心设置一凹槽Ⅰ,凹槽Ⅰ由位于上侧的半球面槽Ⅰ和位于下侧的让位槽Ⅰ组成,凹槽Ⅰ的上端中心设置一轴向通孔Ⅰ穿透第二承载件;所述第三承载件的上端中心设置一凹槽Ⅱ,凹槽Ⅱ由位于下侧的半球面槽Ⅱ和位于上侧的让位槽Ⅱ组成,凹槽Ⅱ的下端中心设置一轴向通孔Ⅱ穿透第三承载件;所述凹槽Ⅰ、轴向通孔Ⅰ、凹槽Ⅱ及轴向通孔Ⅱ同轴设置,且所述轴向通孔Ⅰ与轴向通孔Ⅱ对接并连通;
所述下球铰由一含圆孔的半球件Ⅰ、螺杆Ⅰ和螺母组成,所述半球件Ⅰ设于凹槽Ⅰ且其表面与半球面槽Ⅰ的表面相贴合,所述螺杆Ⅰ的一端从半球件Ⅰ的顶部穿出并伸入轴向通孔Ⅰ、另一端从半球件Ⅰ的底部穿出并与螺母相连接;所述上球铰由一半球件Ⅱ和固定设于球顶的螺杆Ⅱ组成,所述半球件Ⅱ设于凹槽Ⅱ并且其表面与半球面槽Ⅱ的表面贴合,所述螺杆Ⅱ伸入轴向通孔Ⅱ;所述铰链置于轴向通孔Ⅰ与轴向通孔Ⅱ中且其上端与螺杆Ⅱ相螺接、下端与螺杆Ⅰ相螺接;
所述球面形凹槽的球心、球面形凸头的球心及半球件Ⅱ的球心相重合。
作为本发明技术方案的进一步改进,所述第一承载件、第二承载件、第三承载件和加载头的外围横截面尺寸与岩石试件一致。
作为本发明技术方案的进一步改进,所述第一承载件的下表面与岩石试件的上端面通过强力胶粘结连接。
作为本发明技术方案的进一步改进,所述球面形凸头由第三承载件的下端面整体沿轴向向下延伸形成。
作为本发明技术方案的进一步改进,所述球面形凹槽由第二承载件的上端面整体沿轴向向下凹陷形成。
作为本发明技术方案的进一步改进,所述凹槽Ⅰ由第二承载件的下端面部分沿轴向向上凹陷形成。
作为本发明技术方案的进一步改进,所述凹槽Ⅱ由第三承载件的上端面部分沿轴向向下凹陷形成。
作为本发明技术方案的进一步改进,所述第一承载件的上端左右两侧对称设置有含螺孔的连接块Ⅰ,所述第二承载件下端左右两侧对称设置含连接孔的连接块Ⅱ,第一螺栓穿过连接块Ⅱ上的连接孔并拧紧至连接块Ⅰ上的螺孔,从而将第一承载件与第二承载件连接在一起。
作为本发明技术方案的进一步改进,所述第三承载件的上端左右两侧对称设置有含螺孔的连接块Ⅲ,所述加载头下端左右两侧对称设置含连接孔的连接块Ⅳ,第二螺栓穿过连接块Ⅳ上的连接孔并拧紧至连接块Ⅲ上的螺孔,从而将第三承载件与加载头连接在一起。
作为本发明技术方案的进一步改进所述让位槽Ⅰ和/或让位槽Ⅱ呈圆柱形。
与现有技术相比,本发明具有以下有益技术效果:
(1)本发明创造性地提供了一种可以同时实现拉压力连续变换施加和对中的一体式单轴拉压试验装置;
(2)本发明中,球面形凸头与球面形凹槽组成压缩对中组件,其可适应岩石压缩强度高而拉伸强度低的特点,采用了全截面凹凸接触副结构,在提供高压力的同时可提高稳定性,而上球铰、下球铰和铰链组成的拉伸对中组件则可提高对中精度,且压缩对中组件和拉伸对中组件巧妙组合、相互独立无干扰;
(3)本发明为研究岩石在循环拉压等拉压变换应力作用下的力学响应提供了有效试验手段,且装置简易、操作方便、实用性高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明的第一承载件、第二承载件及第三承载件的连接结构图
图3为本发明的上球铰、下球铰及铰链的连接结构图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明;当然,附图为简化后的示意图,其比例大小并不构成对专利产品的限制。
实施例
如图1至图3所示:本实施例提供了一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,该装置包括分别用于与岩石试件9的上下端连接的上部加载机构和下部加载机构,所述上部加载机构与下部加载机构的结构相同且以岩石试件1的中线1a呈上下对称设置;上部加载机构与下部加载机构在部件的组成及部件结构上一致,二者为上下对称的关系,因而本实施例仅对上部加载机构的结构进行说明。当上部加载机构与下部加载机构共同朝岩石试件1方向相向施力时,即提供压力,当上部加载机构与下部加载机构分别朝岩石试件1相反方向反向施力时,即提供拉力。
所述上部加载机构包括由下至上(“上”“下”以图1、图2所示方向为准;本领域技术人员可知,对于下部加载机构,则其“上”“下”连接关系与上部加载机构是相反的)依次固定连接的第一承载件2、第二承载件3、第三承载件4、加载头5、上球铰7、下球铰8和铰链9;所述第一承载件2的下表面与岩石试件1的上端面固定连接,优选地,所述第一承载件2的下表面与岩石试件1的上端面通过强力胶粘结连接。
所述第一承载件2、第二承载件3、第三承载件4和加载头5的外围横截面尺寸与岩石试件1一致;例如,当岩石试件1为圆柱形时,第一承载件2、第二承载件3、第三承载件4和加载头5的截面也呈圆柱形,而且它们的端面形状和尺寸完全相同,以保证岩石试件1竖向均匀受力。
所述第一承载件2的上端左右两侧对称设置有含螺孔的连接块Ⅰ21,所述第二承载件3下端左右两侧对称设置含连接孔的连接块Ⅱ31,第一螺栓61穿过连接块Ⅱ31上的连接孔并拧紧至连接块Ⅰ21上的螺孔,从而将第一承载件2与第二承载件3连接在一起。
所述第三承载件4的上端左右两侧对称设置有含螺孔的连接块Ⅲ41,所述加载头5下端左右两侧对称设置含连接孔的连接块Ⅳ51,第二螺栓62穿过连接块Ⅳ51上的连接孔并拧紧至连接块Ⅲ41上的螺孔,从而将第三承载件4与加载头5连接在一起。
所述第三承载件4的下端同轴固定连接有一球面形凸头42,所述第二承载件3的上端同轴设有一球面形凹槽32,所述球面形凸头42与球面形凹槽32适形配合并形成全截面凹凸接触副;优选地,所述球面形凸头42由第三承载件4的下端面整体沿轴向向下延伸形成,所述球面形凹槽32则由第二承载件3的上端面整体沿轴向向下凹陷形成,使得球面形凸头42与球面形凹槽32具有较大的接触面,提供高压力的同时可提高稳定性。
所述第二承载件3的下端中心设置一凹槽Ⅰ,凹槽Ⅰ由位于上侧的半球面槽Ⅰ331和位于下侧的让位槽Ⅰ332组成,凹槽Ⅰ的上端中心设置一轴向通孔Ⅰ34穿透第二承载件3;所述第三承载件4的上端中心设置一凹槽Ⅱ,凹槽Ⅱ由位于下侧的半球面槽Ⅱ431和位于上侧的让位槽Ⅱ432组成,凹槽Ⅱ的下端中心设置一轴向通孔Ⅱ44穿透第三承载件4;所述凹槽Ⅰ、轴向通孔Ⅰ34、凹槽Ⅱ及轴向通孔Ⅱ44同轴设置,且所述轴向通孔Ⅰ34与轴向通孔Ⅱ44对接并连通;所述让位槽Ⅰ332和让位槽Ⅱ432均呈圆柱形。
所述下球铰8由一含圆孔的半球件Ⅰ81、螺杆Ⅰ82和螺母83组成,所述半球件Ⅰ81设于凹槽Ⅰ且其表面与半球面槽Ⅰ331的表面相贴合,所述螺杆Ⅰ82的一端从半球件Ⅰ81的顶部穿出并伸入轴向通孔Ⅰ34、另一端从半球件Ⅰ81的底部穿出并与螺母83相连接;半球件Ⅰ81、螺杆Ⅰ82和螺母83同轴设置;所述凹槽Ⅰ由第二承载件3的下端面部分沿轴向向上凹陷形成。
所述上球铰7由一半球件Ⅱ71和固定设于球顶的螺杆Ⅱ72组成,所述半球件Ⅱ71设于凹槽Ⅱ并且其表面与半球面槽Ⅱ431的表面贴合,所述螺杆Ⅱ72伸入轴向通孔Ⅱ44;所述铰链9置于轴向通孔Ⅰ34与轴向通孔Ⅱ44中且其上端与螺杆Ⅱ72相螺接、下端与螺杆Ⅰ82相螺接;半球件Ⅱ71与螺杆Ⅱ72同轴设置;所述凹槽Ⅱ由第三承载件4的上端面部分沿轴向向下凹陷形成。
球面形凸头42与球面形凹槽32组成压缩对中组件,其可适应岩石压缩强度高而拉伸强度低的特点,采用了全截面凹凸接触副结构,在提供高压力的同时可提高稳定性,而上球铰7、下球铰8和铰链9组成的拉伸对中组件则可提高对中精度;此外,所述球面形凹槽32的球心、球面形凸头42的球心及半球件Ⅱ71的球心相重合,使得球面形凹槽32和上球铰7可以绕球心各自自由转动,从而使压缩对中组件和拉伸对中组件相互独立无干扰,实现拉压连续变换且对中。
最后说明的是,本文应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想,在不脱离本发明原理的情况下,还可对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,其特征在于:该装置包括分别用于与岩石试件的上下端连接的上部加载机构和下部加载机构,所述上部加载机构与下部加载机构的结构相同且以岩石试件的中线呈上下对称设置;
所述上部加载机构包括由下至上依次固定连接的第一承载件、第二承载件、第三承载件、加载头、上球铰、下球铰和铰链;所述第一承载件的下表面与岩石试件的上端面固定连接;所述第三承载件的下端同轴固定连接有一球面形凸头,所述第二承载件的上端同轴设有一球面形凹槽,所述球面形凸头与球面形凹槽适形配合并形成全截面凹凸接触副;
所述第二承载件的下端中心设置一凹槽Ⅰ,凹槽Ⅰ由位于上侧的半球面槽Ⅰ和位于下侧的让位槽Ⅰ组成,凹槽Ⅰ的上端中心设置一轴向通孔Ⅰ穿透第二承载件;所述第三承载件的上端中心设置一凹槽Ⅱ,凹槽Ⅱ由位于下侧的半球面槽Ⅱ和位于上侧的让位槽Ⅱ组成,凹槽Ⅱ的下端中心设置一轴向通孔Ⅱ穿透第三承载件;所述凹槽Ⅰ、轴向通孔Ⅰ、凹槽Ⅱ及轴向通孔Ⅱ同轴设置,且所述轴向通孔Ⅰ与轴向通孔Ⅱ对接并连通;
所述下球铰由一含圆孔的半球件Ⅰ、螺杆Ⅰ和螺母组成,所述半球件Ⅰ设于凹槽Ⅰ且其表面与半球面槽Ⅰ的表面相贴合,所述螺杆Ⅰ的一端从半球件Ⅰ的顶部穿出并伸入轴向通孔Ⅰ、另一端从半球件Ⅰ的底部穿出并与螺母相连接;所述上球铰由一半球件Ⅱ和固定设于球顶的螺杆Ⅱ组成,所述半球件Ⅱ设于凹槽Ⅱ并且其表面与半球面槽Ⅱ的表面贴合,所述螺杆Ⅱ伸入轴向通孔Ⅱ;所述铰链置于轴向通孔Ⅰ与轴向通孔Ⅱ中且其上端与螺杆Ⅱ相螺接、下端与螺杆Ⅰ相螺接;
所述球面形凹槽的球心、球面形凸头的球心及半球件Ⅱ的球心相重合。
2.根据权利要求1所述的一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,其特征在于:所述第一承载件、第二承载件、第三承载件和加载头的外围横截面尺寸与岩石试件一致。
3.根据权利要求1所述的一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,其特征在于:所述第一承载件的下表面与岩石试件的上端面通过强力胶粘结连接。
4.根据权利要求1所述的一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,其特征在于:所述球面形凸头由第三承载件的下端面整体沿轴向向下延伸形成。
5.根据权利要求4所述的一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,其特征在于:所述球面形凹槽由第二承载件的上端面整体沿轴向向下凹陷形成。
6.根据权利要求1所述的一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,其特征在于:所述凹槽Ⅰ由第二承载件的下端面部分沿轴向向上凹陷形成。
7.根据权利要求6所述的一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,其特征在于:所述凹槽Ⅱ由第三承载件的上端面部分沿轴向向下凹陷形成。
8.根据权利要求1所述的一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,其特征在于:所述第一承载件的上端左右两侧对称设置有含螺孔的连接块Ⅰ,所述第二承载件下端左右两侧对称设置含连接孔的连接块Ⅱ,第一螺栓穿过连接块Ⅱ上的连接孔并拧紧至连接块Ⅰ上的螺孔,从而将第一承载件与第二承载件连接在一起。
9.根据权利要求1所述的一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,其特征在于:所述第三承载件的上端左右两侧对称设置有含螺孔的连接块Ⅲ,所述加载头下端左右两侧对称设置含连接孔的连接块Ⅳ,第二螺栓穿过连接块Ⅳ上的连接孔并拧紧至连接块Ⅲ上的螺孔,从而将第三承载件与加载头连接在一起。
10.根据权利要求1所述的一种可实现拉压力连续变换的岩石单轴拉压试验装置,其特征在于:所述让位槽Ⅰ和/或让位槽Ⅱ呈圆柱形。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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