CN113218769B - 一种用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置及方法，用于创建出一个承受均匀拉应力的规范区域，克服现有技术中拉应力试验中的载荷偏心缺陷。本发明的装置，用于测量预制模型的抗拉强度，包括安装在预制模型的上的加载垫板，与所述加载垫板抵接的加载垫柱以及垂直抵接在所述加载垫柱上方的加载机；所述预制模型包括分布在两边的受压支柱和分布在中间的受拉规范区域；所述加载垫板包括分别安装在受压支柱加载端、且连线方向为预制模型竖直加压方向的两组加压垫板，每组加压垫板包括两块沿竖直轴线对称分布的垫板；所述加载垫柱通过与沿竖直轴线对称分布的垫板抵接从而将加载压力传导至所述加载垫板上。

Description

一种用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石材料测试技术，具体涉及一种测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置。

背景技术

在工程实际中，拉伸破坏是引起岩石或岩体破坏的一个主要原因。然而在工程分析中，研究的重点往往是完整岩石试件的无侧限抗压强度，而忽视其抗拉强度。但是岩石材料作为一种脆性材料，其最鲜明的一个特点就是抗拉强度远小于抗压强度，岩石材料的抗压强度一般是其抗拉强度的4-10倍，忽略这一参数可能会导致最终获得结果不可靠。因此，了解岩石材料在拉伸荷载作用下的拉伸性能对于岩石类结构物的设计和建造具有十分重要的意义。

目前测量岩石抗拉强度的试验方法主要分为直接法和间接法。理论上单轴拉伸试验是确定单轴抗拉强度最科学有效的方法，但是荷载偏心、试件不对称、应力集中以及材料缺陷等问题是单轴拉伸试验中难以解决的技术难题，因此间接法(劈裂法)多被用来测定岩石的抗拉强度。然而，间接试验所得为试件的劈拉强度，无法再破坏面上产生均匀的拉伸应力，并用破坏面上的应力通常不是单轴的，合理有效的间接拉伸装置亟待开发以获得可靠的岩石抗拉强度，为实际工程的设计提供参考。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置及方法，用于创建出一个承受均匀拉应力的规范区域，克服现有技术中拉应力试验中的载荷偏心缺陷。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置，用于测量预制模型的抗拉强度，包括安装在预制模型上的加载垫板，与所述加载垫板抵接的加载垫柱以及垂直抵接在所述加载垫柱上方的加载机；

所述预制模型包括分布在两边的受压支柱和分布在中间的受拉规范区域，两边的受压支柱的加载端的棱边接触部位不相连；所述受拉规范区域上下无约束，为自由区域；

所述加载垫板包括分别安装在受压支柱加载端、且连线方向为预制模型竖直加压方向的两组加压垫板，每组加压垫板包括两块沿竖直轴线对称分布的垫板；所述加载垫柱通过与沿竖直轴线对称分布的垫板抵接从而将加载压力传导至所述加载垫板上。

进一步的，所述加载垫板为不锈钢薄板，形状与面积大小和受压支柱截面一致，一面通过胶水与受压支柱加载端的截面相连接，另一面涂抹有润滑油。

进一步的，所述加载垫柱为不锈钢圆筒，其圆筒直径等于受压支柱的宽度，其圆筒高度等于受压支柱的厚度。

进一步的，所述加载机为常规垂直液压机，其液压机加载面与所述加载垫柱直接接触。

进一步的，所述预制模型的受拉规范区域中点处设置有应变片及读数表。

第二方面，本发明提供了一种用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸方法，其基于上述的装置，包括以下步骤：

根据加载机条件及岩石试样的尺寸，确定预制模型的尺寸，并将岩石试样按照预制模型尺寸进行切割加工，得到预制模型；所述预制模型包括分布在两边的受压支柱和分布在中间的受拉规范区域，两边的受压支柱的加载端的棱边接触部位不相连；所述受拉规范区域上下无约束，为自由区域；

将加载垫板安装在受压支柱的加载面上，并将加载垫柱垫设在加载机的加载面与加载垫板之间；

令加载机缓慢匀速施加荷载，在过程中记录加载机所施加的荷载数值，直至受拉规范区域中点截面达到极限受拉承载力，预制模型受拉断裂；

将加载机所施加的荷载数值换算为受拉规范区域中点截面处拉应力，绘制应力-应变曲线。

进一步的，根据加载机条件及岩石试样的尺寸，确定预制模型的尺寸的方法包括：

根据加工岩石试样条件确定受压支柱宽度b；

根据加工岩石试样条件确定受压支柱边长a且受压支柱边长a大于

确定直角扇形半径r，其公式为：

进一步的，所述将加载垫板安装在受压支柱的加载面上的方法包括：

将四块加载垫板用胶水固定于四个受压支柱加载面，在加载垫板的另一面涂抹适量润滑油，将两块加载垫柱如图放置于加载端。

进一步的，所述方法还包括：在受拉规范区域中点处设置应变片及读数表，并在过程中记录所对应的受拉规范区域中点处应变读数。

进一步的，将加载机所施加的荷载数值换算为受拉规范区域中点截面处拉应力的方法包括：

受拉规范区域中点截面处所受拉力为：

其中，Q为受拉规范区域中点截面处所受拉力，R为受压支柱所受压力，P为加载机对模型所施加压力；

受拉规范区域中点截面处所受均匀拉应力为：

其中σ_t为受拉规范区域中点截面处所受均匀拉应力，A为受拉规范区域中点截面面积。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

1、本发明通过设置加载垫板、加载垫柱和加载机，并对预制模型的形状进行设计，可以最小化现有拉伸试验的缺陷如荷载偏心、应力集中等，创建出一个承受均匀拉应力的规范区域，克服现有技术中拉应力试验中的载荷偏心缺陷。

2、本发明提过设置预制模型的特定形状，通过加载垫板和加载垫柱创建出一个只承受均匀拉应力的规范区域，使拉应力-应变曲线的确定更加简化。

附图说明

图1为本发明中实施案例的装置示意图；

图2为加载垫柱受力示意图；

图3为受压支柱及受拉规范区域受力示意图。

图中：

1、加载机；2、加载垫柱；3、加载垫板；4、受压支柱；5、受拉规范区域。

具体实施方式

下面结合附图对本实施例作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实施例的技术方案，而不能以此来限制本实施例的保护范围。

在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所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，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，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实施例的限制。

实施例一：

本实施例提供了一种用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸的装置，用于测量预制模型的抗拉强度，包括安装在预制模型上的加载垫板3，与所述加载垫板3抵接的加载垫柱2以及垂直抵接在所述加载垫柱2上方的加载机1。

预制模型包括分布在两边的受压支柱4和分布在中间的受拉规范区域5，两边的受压支柱4的加载端的棱边接触部位不相连；所述受拉规范区域5上下无约束，为自由区域。

加载垫板3包括分别安装在受压支柱4加载端、且连线方向为预制模型竖直加压方向的两组加压垫板，每组加压垫板包括两块沿竖直轴线对称分布的垫板；所述加载垫柱2通过与沿竖直轴线对称分布的垫板抵接从而将加载压力传导至所述加载垫板3上。

实施原理：本实施例通过设置加载垫板3、加载垫柱2和加载机1，并对预制模型的形状进行设计，可以最小化现有拉伸试验的缺陷如荷载偏心、应力集中等，创建出一个承受均匀拉应力的规范区域，克服现有技术中拉应力试验中的载荷偏心缺陷。在具体操作中，首先根据加载机1条件及岩石试样的尺寸，确定预制模型的尺寸，并将岩石试样按照预制模型尺寸进行切割加工，得到预制模型；之后将加载垫板3安装在受压支柱4的加载面上，并将加载垫柱2垫设在加载机1的加载面与加载垫板3之间；令加载机1缓慢匀速施加荷载，在过程中记录加载机1所施加的荷载数值，直至受拉规范区域5中点截面达到极限受拉承载力，预制模型受拉断裂；最后将加载机1所施加的荷载数值换算为受拉规范区域5中点截面处拉应力，绘制应力-应变曲线。这样获得的受拉规范区域5中点截面处拉应力数据准确，避免了荷载偏心、试件不对称、应力集中以及材料缺陷等问题的影响。

实施例二：

本实施例提供一种用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置，包括加载垫板3、加载垫柱2、加载机1。

预制模型需根据实验要求和加载设备条件，确定预制模型尺寸，将岩石试样按照模型加工；所述加载垫柱2共两块，位于模型上下两端加载区，连接加载设备与预制模型试样，加载垫柱2由刚度较大的不锈钢制成；所述加载垫板3共四块，两两分布于模型上下两端加载区加载垫柱2与岩石预制模型连接处，加载垫板3为刚度较大的不锈钢钢板；所述加载机1为常规垂直液压机，液压机加载面与上下两端加载垫柱2直接接触。所述预制模型的受拉规范区域5中点处设置有应变片及读数表。

预制模型需根据实验要求和加载设备条件，确定预制模型尺寸。预制模型可分为两边的受压支柱4和中间的受拉规范区域5。在确定模型尺寸时，原则上方便岩石试样加工和加载机1工作即可，试样厚度、受压支柱4宽度及受拉规范区域5中点宽度三者相近为宜；所述两边的受压支柱4加载端的棱边接触部位不相连，加载时此处不产生拉应力。所述受拉规范区域5，区域上下无约束，为自由区域，此做法保证规范区域中点截面只承受均匀拉应力。

所述加载垫柱2为不锈钢圆筒，圆筒直径等于受压支柱4宽度，圆筒高度等于预制模型厚度。所述自由区域为直角扇形，沿模型中轴线对称，直角扇形半径根据模型整体尺寸计算确定。

所述加载垫板3为不锈钢薄板，形状与面积大小和受压支柱4截面一致，一面与受压支柱4截面用结构胶连接，另一面涂抹润滑油以保证与加载垫柱2无摩擦接触。

实施例三：

本实施例提供一种用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸方法，基于实施例二所述的装置，具体包括以下步骤：

步骤1：预制模型制备：

根据加载机1条件及岩石试样的尺寸，确定受压支柱4边长、模型厚度、受压支柱4宽度和受拉规范区域5中点宽度，再根据公式确定直角扇形区半径。确定完各项尺寸后，将岩石试样按照模型尺寸进行切割加工，得到预制模型。

步骤2：安装模型：

将四块加载垫板3用胶水固定于四个受压支柱4加载面，在加载垫板3的另一面涂抹适量润滑油，将两块加载垫柱2如图放置于加载端。将模型安装在加载机1中，上下两块加载垫柱2直接与加载机1加载面接触。可在受拉规范区域5中点处设置应变片及读数表。

步骤3：施加荷载：

令加载机1缓慢匀速施加荷载，过程中记录所施加荷载数值和所对应的受拉规范区域5中点处应变读数。直至受拉规范区域5中点截面达到极限受拉承载力，模型受拉断裂。

步骤4：结果分析：

将荷载数值换算为受拉规范区域5中点截面处拉应力，绘制应力-应变曲线。

步骤1中，根据加载机1条件及岩石试样的尺寸，确定预制模型的尺寸的方法包括：

根据加工岩石试样条件确定受压支柱4宽度b；

根据加工岩石试样条件确定受压支柱4边长a且受压支柱4边长a大于

确定直角扇形半径r，其公式为：

步骤4中，将加载机1所施加的荷载数值换算为受拉规范区域5中点截面处拉应力的方法包括：

受拉规范区域5中点截面处所受拉力为：

其中，Q为受拉规范区域中点截面处所受拉力，R为受压支柱所受压力，P为加载机对模型所施加压力；

受拉规范区域5中点截面处所受均匀拉应力为：

其中σ_t为受拉规范区域中点截面处所受均匀拉应力，A为受拉规范区域中点截面面积。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置，其特征在于，用于测量预制模型的抗拉强度，包括安装在预制模型上的加载垫板，与所述加载垫板抵接的加载垫柱以及垂直抵接在所述加载垫柱上方的加载机；

所述预制模型包括分布在两边的受压支柱和分布在中间的受拉规范区域；

所述加载垫板包括分别安装在受压支柱加载端、且连线方向为预制模型竖直加压方向的两组加载垫板，每组加载垫板包括两块沿竖直轴线对称分布的加载垫板；所述加载垫柱通过与沿竖直轴线对称分布的加载垫板抵接从而将加载压力传导至所述加载垫板上；

所述受拉规范区域为沿竖直轴线对称分布在预制模型横截面中间的蝶形区域，其上边界线为距离预制模型上竖直轴线边缘点半径为r的圆弧，其下边界线为距离预制模型下竖直轴线边缘点半径为r的圆弧，其左右边界为竖直形，其四个端点均距预制模型边缘的距离为b；具体公式如下：

其中，b为受压支柱宽度，a为受压支柱边长。

2.根据权利要求1所述的用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置，其特征在于，所述加载垫板为不锈钢薄板，形状与面积大小和受压支柱截面一致，一面通过胶水与受压支柱加载端的截面相连接，另一面涂抹有润滑油。

3.根据权利要求1所述的用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置，其特征在于，所述加载垫柱为不锈钢圆筒，其圆筒直径等于受压支柱的宽度，其圆筒高度等于受压支柱的厚度。

4.根据权利要求1所述的用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置，其特征在于，所述加载机为常规垂直液压机，其液压机加载面与所述加载垫柱直接接触。

5.根据权利要求1所述的用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置，其特征在于，所述加载机为常规垂直液压机，所述预制模型的受拉规范区域中点处设置有应变片及读数表。

6.一种用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸装置，包括以下步骤：

根据加载机条件及岩石试样的尺寸，确定预制模型的尺寸，并将岩石试样按照预制模型尺寸进行切割加工，得到预制模型；所述预制模型包括分布在两边的受压支柱和分布在中间的受拉规范区域，两边的受压支柱的加载端的棱边接触部位不相连；所述受拉规范区域上下无约束，为自由区域；

将加载垫板安装在受压支柱的加载面上，并将加载垫柱垫设在加载机的加载面与加载垫板之间；

令加载机缓慢匀速施加荷载，在过程中记录加载机所施加的荷载数值，直至受拉规范区域中点截面达到极限受拉承载力，预制模型受拉断裂；

将加载机所施加的荷载数值换算为受拉规范区域中点截面处拉应力，绘制应力-应变曲线。

7.根据权利要求6所述的用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸方法，其特征在于，根据加载机条件及岩石试样的尺寸，确定预制模型的尺寸的方法包括：

根据加工岩石试样条件确定受压支柱宽度b；

根据加工岩石试样条件确定受压支柱边长a且受压支柱边长a大于

b，确定直角扇形半径r，其公式为：

。

8.根据权利要求6所述的用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸方法，其特征在于，所述将加载垫板安装在受压支柱的加载面上的方法包括：

将四块加载垫板用胶水固定于四个受压支柱加载面，在加载垫板的另一面涂抹适量润滑油，分别将两个加载垫柱与沿竖直轴线对称分布的加载垫板抵接放置于加载端，从而将加载压力传导至所述加载垫板上。

9.根据权利要求6所述的用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸方法，其特征在于，所述方法还包括：在受拉规范区域中点处设置应变片及读数表，并在过程中记录所对应的受拉规范区域中点处应变读数。

10.根据权利要求6所述的用于测试岩石抗拉强度的间接拉伸方法，其特征在于，将加载机所施加的荷载数值换算为受拉规范区域中点截面处拉应力的方法包括：

受拉规范区域中点截面处所受拉力为：

其中，

为受拉规范区域中点截面处所受拉力，

为受压支柱所受压力，

为加载机对模型所施加压力；

受拉规范区域中点截面处所受均匀拉应力为：

其中

为受拉规范区域中点截面处所受均匀拉应力，

为受拉规范区域中点截面面积。

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