CN112903451B - 一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器 - Google Patents

一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器。本发明针对岩石的拉破坏，提出一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器及试验方法，从而获得岩石抗拉强度以及在抗拉过程中的弹性模量E和泊松比μ。所述发明内容包括加载系统、压力监测和数据采集系统、试样制备3个部分。所述加载系统包括液压站、伺服泵、拉伸环、橡胶垫片、补充槽。所述压力监测和数据采集系统包括传感器及数据采集系统。所述的拉伸环装饰包括弧形压头、活塞杆、油缸、橡胶垫片。所述的岩石试样为特殊制备的圆环形试样。本发明的试验仪器原理简单，易于操作和控制，试样制备容易，能够精确有效测得多种岩样尺寸的抗拉强度及岩石抗拉过程中的弹性模量E和泊松比μ。

Description

一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器
技术领域：
本发明涉及室内岩石强度试验技术领域，具体而言，涉及一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器。该方法原理清晰，实施过程简单，在获得抗拉破坏强度的同时能够反映岩石在拉破坏下的弹性性质。众所周知，岩石材料的抗拉性质和抗压性质有着很大的差异。目前的岩石力学热点问题中，岩石拉破坏所表现出来的特殊性质越来越受到重视。本发明专利针对岩石的拉破坏，提出一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器及试验方法，从而获得岩石抗拉强度以及在拉破坏下的弹性模量E和泊松比μ。
背景技术：
随着我国大型水利水电工程、采矿工程以及油气勘探工程，不断向深层发展，岩石与岩体的破坏更多表现为拉、剪破坏，所以岩石材料抗拉强度的获取十分重要。深部岩体工程中，岩石的破坏形式向着更加复杂的拉破坏或剪破坏发展，岩石的抗拉强度显得更加重要。在现有的试验中，岩石的弹性参数一般由单轴压缩或三轴压缩试验来确定，在压破坏下的岩石弹性参数具有明显的压破坏特点，用这样的弹性参数来揭示在拉应力条件下产生的破坏及工程现象显然是不够科学的。除此之外，因岩石材料的特殊性，岩石抗拉强度的测定结果常常会出现较大的离散性，及岩石材料的计算式的简化也会让测量结果与实际的抗拉强度值产生一定偏差。虽然岩石的抗拉强度会主导许多岩体破坏过程，但由于测定岩石抗拉强度非常繁琐和困难，故在很多工程实践中都会忽略对岩石和岩体抗拉强度的精确测定。为此，本发明专利提供了一种环形岩石试样直接拉伸强度测试仪器及测试方法，在经典弹性力学的理论指导下，获得岩石在抗拉破坏下的弹性参数。
目前主要的岩石抗拉强度测定方法可以分为直接拉伸法和间接拉伸法两类。表1中汇总了这两种方法的基本原理和优缺点。
表1两种岩石抗拉强度测量试验比较
直接拉伸试验 圆盘劈裂法试验
力学模型 原理简单，最接近实际值 模型较复杂，较实际值偏低
岩样制作 要求高，成功率低 要求较高，已有标准
试验设备 操作难度大，不易精确控制 设备简单，易于控制
试验影响因素 岩样不易加持，拉力要与中轴线重合 有前提假设，垫条材质尺寸，
应用范围 适用对象较广，使用较少，不易用于软岩 适用对象较广，目前较为常用
如上所述，目前的抗拉强度测试方法由于加载接触条件的变化而导致相应的测试干扰也较大，且存在试验前提假设、力学模型选取的近似误差、数值计算中的误差等诸多影响因素，使得这些方法的测试结果表现出随机性、不稳定性，未能形成一个被广泛认可并参照的岩石抗拉强度测试标准。鉴于上述原因，非常有必要开发新的岩石直接拉伸试验设备。
发明内容：
本发明的目的是提供一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器，该装置结构简单，操作方便，能够实现对岩石试样的直接拉伸并测得岩石材料的抗拉强度。为深埋隧洞围岩稳定性分析、油气储层岩石的力学特性分析，提供更加精确、有效的信息。本发明的实施例是这样实现的：
一种测量岩石直接拉伸强度试验仪器，包括加载系统、压力检测和数据采集系统、样品制备3个部分。
在本发明实施例中，加载系统包括液压站14、伺服泵9、拉伸环12、补充水槽10。
在本发明实施例中，所述液压站14作用在于向拉伸环油缸1204内快速充油，并排出仪器管路内气体。
在本发明实施例中，所述伺服泵9为液压动力的输出装置，通过系统控制伺服泵的排液流量，可以对加载过程实现位移控制和力控制两种加载方式。
在本发明实施例中，所述拉伸环为对岩石试样施加拉力的装置，拉伸环12包括弧形压头1202、活塞杆1203、油缸1204、橡胶垫片1205。所述的拉伸环弧形压头1202宽度与试样的高度相同。所述的弧形压头1202、活塞杆1203、拉伸环油缸1204组成了拉伸环12的主体结构。所述弧形压头1202与活塞杆1203相连，所述拉伸环油缸1204连接两个活塞杆1203。所述橡胶垫片1205与拉伸环弧形压头1202使用胶水粘合，保证试样内壁与弧形压头紧密接触，避免拉伸过程中出现应力集中的情况。拉伸环在加载原时整体是一种自平衡结构，保证圆环试样上下环受力等同。
在本发明实施例中，所述补充水槽10作用在于为伺服泵9内液体提供补给。
在本发明实施例中，压力监测和数据采集系统包括传感器及数据采集系统。所述传感器为高精度的液体压力传感器6，通过传感器接线5可与计算机连接，实现计算机实时观测、记录和存储；所述压力传感器精度优于0.01％。
在本发明实施例中，所述的试样为特殊制备的环形试样16。制备过程可采取同圆心双钻头一次性钻取，钻取岩心后采用岩石切磨机切平试样端面并对端面以及内外圆柱面打磨。所述的岩样尺寸有(外径D×内径d×高度h)：60mm×30mm×30mm，120mm×80mm×60mm，200×140mm×100mm。不同尺寸的岩样对应不同尺寸的拉伸环，拉伸环的弧形压头外径与试样内径相同，弧形压头的宽度与试样高度相同。
本发明实施例的有益效果是：
(1)本发明实例的一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器，适用于软岩及硬岩的抗拉强度测量，可以对环形岩石试样进行直接拉伸加载测得岩石材料的抗拉强度。
(2)本发明实例的一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器，原理简单，仪器操作简单易于控制，试样制备容易，能够精确有效的测得岩石试样的抗拉强度。
(3)本发明实例的一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器，加载过程由伺服泵精密控制，可以精确地控制拉伸的位移大小及拉应力大小，从而精确测得岩石的抗拉强度。
(4)本发明实例的一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器，拉伸环压头采用弧形设计并粘贴橡胶垫片，加载时可以有效避免试样在拉伸过程中非拉伸区的应力集中的情况产生，使得拉应力在试样受拉区域分布均匀。
(5)本发明实例的一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器，适用于多种岩样尺寸的抗拉强度试验，可以更全面的了解岩石的力学特性。
如图2所示，环形试样的直接拉伸试验中岩样主要是受拉破坏，因为试样为薄壁圆环试样，可以认为试样所受拉应力均匀。由此可以根据受力分析得出岩样的抗拉强度计算公式(4)所示：
Figure GDA0003884656150000031
引用经典的力学理论带入到巴西劈裂模型中，经典弹性力学中的虎克定律：
Figure GDA0003884656150000041
Figure GDA0003884656150000042
Figure GDA0003884656150000043
式中，σ1、σ2、σ3分别为岩样的第一主应力、第二主应力、第三主应力；ε1、ε2、ε3、分别为岩样的第一主应变、第二主应变、第三主应变；E为岩样的杨氏模量，μ为岩样的泊松比。
结合圆环试样实际受拉状态可知，岩样的第一主应力方向垂直于环形截面母线方向。即在岩样的任意一个圆环截面上为单轴受拉状态。根据前文公式(5)、(6)、(7)所列的虎克定律可以得到：
Figure GDA0003884656150000044
Figure GDA0003884656150000045
对公式(8)、(9)进行公式变换就可以直接得到岩样的弹性模量E，泊松比μ：
Figure GDA0003884656150000046
μ＝-ε2/ε1 (11)
式中，σt为岩石的抗拉强度，MPa；P为拉伸环内油压，MPa；A为拉伸环活塞横截面面积，m2；h为试样高度，m；d为岩样的内径，m；D为岩样的外径，m。
因此，只要测得ε1、ε2即可根据式(8)、(9)获得该岩样的弹性参数。达到该目的只需在环形岩样的两个侧面的相应位置放置应变片来测量ε1、ε2即可。该方法简单实用，经济有效，只需将原有的试验方法略加改进，通过弹性力学的知识便可获得岩石的力学参数，适合广泛推广使用，该试验通过力学计算不仅可以获得岩样的抗拉强度，还可以获得在拉破坏下岩样的弹性模量E，泊松比μ。
附图说明：
图1为一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器原理图
图2为环形岩石试样示意图
图3为拉伸环结构示意图
附图序号说明：
1—截止阀，
2—排气阀，
3—排气阀，
4—截止阀，
5—压力传感器接线，
6—压力传感器，
7—截止阀，
8—伺服泵接线，
9—伺服泵，
10—补充水槽，
11—环形试样，
12—拉伸环，
1201—拉伸环油口，1202—弧形压头，1203—拉伸环活塞杆，1204—拉伸环油缸，1205—橡胶垫片；
13—钢化玻璃罩，
14—液压站，
15—液压站进水口。
16—应变片
具体实施方式：
下面结合附图详细说明本发明的实施。
步骤1.岩石试样制备
制备圆环试样11，在试样表面按照图2所示粘贴应变片16。
步骤2.安装试样
将拉伸环油口1201拧开，取下钢化玻璃罩13，如图3所示将试样11与拉伸环12安装就位。试样装好后，安装玻璃罩，并拧紧拉伸环油口1201。
步骤3.仪器管路排气
打开截止阀1与放气阀3，关闭截止阀4，启动液压站14，向管路内注入液压油，待放气阀3中出现持续的液体后，关闭液压站14、放气阀3、截止阀1。
步骤4.向伺服泵内补充液体
关闭截止阀4，打开截止阀7，通过系统控制伺服泵9，进行吸液操作，将补充槽10中的液压油吸入伺服泵9中，待系统提示伺服泵9内液体充满为止，停止吸液操作，并关闭截止阀7。
步骤5.预加载
系统预设好压力预加载值，打开截止阀4，启动伺服泵9，开始进行岩样拉伸，当压力传感器6所测得压力值达到预设值时，保持压力恒定。
步骤6.拉伸试验
启动伺服泵9，通过控制伺服泵9的排液流量，系统中可以设定位移控制或者压力控制，对岩样11进行拉伸直至破坏，期间压力传感器6记录整个试验过程中拉伸环内的压力。试验结束后从系统中提取数据，获得岩样抗拉强度，及应变片变形数据。
步骤7.关闭仪器
停止伺服泵9排液并关闭截止阀4。拧开拉伸环油口1201,取下钢化玻璃罩13，取出拉断后的试样碎片，并清理干净钢化玻璃罩内部空间。
综上所述，本发明的一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器能够精确测量岩石材料的抗拉强度，试验原理简单，操作简易，成功率高。

Claims (1)

1.一种环形岩石试样直接拉伸试验仪器，由压力传感器接线(5)、压力传感器(6)、伺服泵接线(8)、伺服泵(9)、补充水槽(10)、环形试样(11)、拉伸环(12)、钢化玻璃罩(13)、液压站(14)、液压站进水口(15)、应变片(16)组成，其特征在于：
所述拉伸环(12)包括弧形压头(1202)、拉伸环活塞杆(1203)、拉伸环油缸(1204)、橡胶垫片(1205)；所述拉伸环油缸(1204)连接两个拉伸环活塞杆(1203)；所述拉伸环活塞杆(1203)与弧形压头(1202)相连；所述的弧形压头(1202)与橡胶垫片(1205)使用胶水粘合；所述环形试样(11)的试样内壁与弧形压头(1202)紧密接触；
所述的拉伸环(12)尺寸与环形试样尺寸相互匹配，即所述拉伸环的弧形压头(1202)外径与所述环形试样(11)内径相同；所述弧形压头(1202)的宽度与所述环形试样(11)的高度相同，可以有效避免环形试样拉伸过程中应力集中现象发生；所述环形试样(11)侧面粘贴相互垂直的两个应变片(16)，可以测得环形试样(11)在受拉状态下的拉应变；通过获取环形试样(11)受拉状态下的拉应变，进而计算出岩石受拉状态下的弹性模量与泊松比；
所述拉伸环(12)一侧与液压站(14)相连，可以使测试时所述拉伸环油缸(1204)内快速充满油；所述拉伸环(12)另一侧与压力传感器(6)相连；所述压力传感器(6)一端与伺服泵(9)一端相连，可以对环形试样精确施加拉应力；所述压力传感器(6)另一端通过传感器接线(5)与计算机连接组成数据采集系统，实现压力实时监测、数据采集及数据储存；所述伺服泵(9)另一端与补充水槽(10)相连，可以对伺服泵(9)补充液体。
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