CN114397195A - 一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置及方法，装置包括球面压头、框架式支撑底座、前压头、后压头、左压头及右压头；球面压头位于框架式支撑底座上方，岩石类薄板试样水平位于球面压头与框架式支撑底座之间；前压头、后压头、左压头及右压头分别与岩石类薄板试样四个侧立面正对，四个压头加载面上均设有条形垫块，框架式支撑底座与岩石类薄板试样之间设有简支组件和岩样变形测量组件。方法为：选择一台三刚性真三轴试验机，将球面压头、框架式支撑底座、前压头、后压头、左压头及右压头安装到试验机的作动器上；安装简支组件；安装岩样变形测量组件；安装岩石类薄板试样；启动三刚性真三轴试验机，对岩石类薄板试样施加真三向载荷直至试样溃屈破坏。

Description

一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置及方法
技术领域
本发明属于岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置及方法。
背景技术
层状岩体变形机理十分复杂且类型多变，在诸多变形破坏模式中，溃屈破坏是高地应力下层状岩体的典型破坏模式之一，而且溃屈破坏也是困扰隧道与地下工程界的重大地质灾害问题之一，因此开展高地应力下的层状岩石溃屈破坏室内试验十分必要。
目前，现有的层状岩石溃屈破坏室内试验多为梁三点弯曲试验，但梁与岩石类薄板试样之间存在形态差异，而且受力方式及边界约束条件与现场岩层也存在明显差异，造成基于梁三点弯曲试验获得的岩石弯曲变形破坏规律无法直接用于评价层状岩体。除了梁三点弯曲试验外，还包括岩板试验，但岩板试验中采用针对岩石类薄板的四边简支方式，未能实现岩石类薄板试样的真三向加载。对实际工程而言，隧道围岩的溃屈破坏往往是在水平荷载和垂直荷载共同作用下发生的，尤其在岩层与洞壁小夹角时更易发生溃屈破坏，因此为了模拟围岩真实受力状态，设计一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置及方法势在必行。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置及方法，能够满足溃屈试验中岩石类薄板试样的真三向加载要求，能够更加真实的模拟层状岩石在实际工程中的受力状态，通过试验获得的岩石弯曲变形破坏规律能够直接评价层状岩体的溃屈破坏。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置，包括球面压头、框架式支撑底座、前压头、后压头、左压头及右压头；所述球面压头位于框架式支撑底座正上方，岩石类薄板试样水平位于球面压头与框架式支撑底座之间；所述前压头与岩石类薄板试样的前向侧立面正对；所述后压头与岩石类薄板试样的后向侧立面正对；所述左压头与岩石类薄板试样的左向侧立面正对；所述右压头与岩石类薄板试样的右向侧立面正对；在所述前压头、后压头、左压头及右压头的加载面上均设置有条形垫块；在所述框架式支撑底座与岩石类薄板试样之间设置有简支组件和岩样变形测量组件。
所述前压头、后压头、左压头及右压头的结构完全相同，且前压头、后压头、左压头及右压头加载面上的条形垫块的结构完全相同，条形垫块通过螺钉与前压头/后压头/左压头/右压头进行固定连接。
在所述条形垫块上开设有声发射测量孔，在声发射测量孔的孔底设置有推力弹簧，在声发射测量孔的孔口处设置有声发射探头，在推力弹簧与声发射探头之间设置有传力垫片。
所述框架式支撑底座由上至下依次为支撑顶板、支撑立杆、支撑底板及支撑垫块；所述支撑顶板采用口字形结构；所述支撑立杆数量若干，若干支撑立杆沿周向均布在支撑顶板与支撑底板之间。
所述简支组件数量为四组，所述框架式支撑底座的口字形支撑顶板的四条边框顶部各设置有一组简支组件。
所述简支组件包括减摩滚柱和条形支撑块；在所述框架式支撑底座的口字形支撑顶板的四条边框顶部开设有滚柱限位凹槽，所述减摩滚柱位于滚柱限位凹槽内，减摩滚柱在滚柱限位凹槽内具有滚转自由度；所述条形支撑块的下表面开设有滚柱定位凹槽，条形支撑块通过滚柱定位凹槽与减摩滚柱顶靠接触。
所述岩样变形测量组件数量若干，若干岩样变形测量组件沿周向均布设置。
所述岩样变形测量组件包括引伸计、下转接支座、上转接支座、变形同步传递顶杆、顶杆导向限位套管、顶杆导向限位滑块及顶杆复位弹簧；所述下转接支座一端固定连接在框架式支撑底座的支撑底板上；所述引伸计竖直安装在下转接支座另一端；所述顶杆导向限位套管竖直固装在框架式支撑底座的支撑底板上，所述顶杆导向限位滑块位于顶杆导向限位套管内侧，顶杆导向限位滑块在顶杆导向限位套管内仅具有上下直线移动自由度；所述变形同步传递顶杆竖直设置，变形同步传递顶杆的顶端与岩石类薄板试样下表面顶靠接触，变形同步传递顶杆的底端插入顶杆导向限位套管并与顶杆导向限位滑块固定连接；所述顶杆复位弹簧位于顶杆导向限位滑块与顶杆导向限位套管底板之间；所述上转接支座一端与变形同步传递顶杆固定连接，上转接支座另一端与引伸计的测量芯杆固定连接。
一种岩石类薄板真三向溃屈试验方法，采用了所述的岩石类薄板真三向溃屈试验装置，包括如下步骤：
步骤一：选择一台三刚性真三轴试验机，将框架式支撑底座固定连接到三刚性真三轴试验机的竖直向底端作动器活塞杆上；分别将前压头、后压头、左压头及右压头固定连接到刚性真三轴试验机的水平向侧部的四台作动器活塞杆上，且前压头、后压头、左压头及右压头上均预装有条形垫块和声发射探头；将球面压头固定连接到三刚性真三轴试验机的竖直向顶端作动器活塞杆上；
步骤二：安装简支组件，先在框架式支撑底座的口字形支撑顶板四条边框顶部的滚柱限位凹槽内放入减摩滚柱，然后在每根减摩滚柱上均放置一根条形支撑块，直至完成简支组件的安装；
步骤三：安装岩样变形测量组件，先顶杆导向限位套管固定安装到框架式支撑底座的支撑底板上，且顶杆导向限位套管与上转接支座、变形同步传递顶杆、顶杆导向限位滑块、顶杆复位弹簧均预先组装在一起，再将下转接支座固定连接到框架式支撑底座的支撑底板上，然后将引伸计固定安装到下转接支座上，并将引伸计的测量芯杆与上转接支座连接在一起；重复第一个岩样变形测量组件的安装过程，直至完成其余岩样变形测量组件的安装；
步骤四：将预先制备好的岩石类薄板试样水平放置到简支组件上，同时岩石类薄板试样会对变形同步传递顶杆产生下压作用，通过上转接支座的力传递作用，会同步带动引伸计的测量芯杆产生回缩，并使引伸计的测量芯杆处于量程范围内；
步骤五：启动三刚性真三轴试验机，先通过竖直向的两台作动器和水平向的四台作动器对岩石类薄板试样进行对中和预夹紧，再将引伸计调零，之后通过竖直向的两台作动器和水平向的四台作动器对岩石类薄板试样施加真三向载荷，直至岩石类薄板试样发生溃屈破坏，同时完成变形量和声发射信号的测量和记录。
本发明的有益效果：
本发明的岩石类薄板真三向溃屈试验装置及方法，能够满足溃屈试验中岩石类薄板试样的真三向加载要求，能够更加真实的模拟层状岩石在实际工程中的受力状态，通过试验获得的岩石弯曲变形破坏规律能够直接评价层状岩体的溃屈破坏。
附图说明
图1为本发明的一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置的结构示意图；
图2为本发明的前压头/后压头/左压头/右压头与条形垫块的组合体结构示意图；
图3为本发明的框架式支撑底座、简支组件与岩石类薄板试样的组合体结构示意图；
图4为本发明的框架式支撑底座、岩样变形测量组件、简支组件与岩石类薄板试样的组合体结构示意图；
图5为本发明的变形同步传递顶杆、顶杆导向限位套管、顶杆导向限位滑块及顶杆复位弹簧的组合体结构示意图；
图6为本发明的球面压头的结构示意图；
图中，1—球面压头，2—框架式支撑底座，3—前压头，4—后压头，5—左压头，6—右压头，7—岩石类薄板试样，8—条形垫块，9—推力弹簧，10—声发射探头，11—传力垫片，12—支撑顶板，13—支撑立杆，14—支撑底板，15—支撑垫块，16—减摩滚柱，17—条形支撑块，18—滚柱限位凹槽，19—滚柱定位凹槽，20—引伸计，21—下转接支座，22—上转接支座，23—变形同步传递顶杆，24—顶杆导向限位套管，25—顶杆导向限位滑块，26—顶杆复位弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～6所示，一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置，包括球面压头1、框架式支撑底座2、前压头3、后压头4、左压头5及右压头6；所述球面压头1位于框架式支撑底座2正上方，岩石类薄板试样7水平位于球面压头1与框架式支撑底座2之间；所述前压头3与岩石类薄板试样7的前向侧立面正对；所述后压头4与岩石类薄板试样7的后向侧立面正对；所述左压头5与岩石类薄板试样7的左向侧立面正对；所述右压头6与岩石类薄板试样7的右向侧立面正对；在所述前压头3、后压头4、左压头5及右压头6的加载面上均设置有条形垫块8；在所述框架式支撑底座2与岩石类薄板试样7之间设置有简支组件和岩样变形测量组件。
所述前压头3、后压头4、左压头5及右压头6的结构完全相同，且前压头3、后压头4、左压头5及右压头6加载面上的条形垫块8的结构完全相同，条形垫块8通过螺钉与前压头3/后压头4/左压头5/右压头6进行固定连接。
在所述条形垫块8上开设有声发射测量孔，在声发射测量孔的孔底设置有推力弹簧9，在声发射测量孔的孔口处设置有声发射探头10，在推力弹簧9与声发射探头10之间设置有传力垫片11。
所述框架式支撑底座2由上至下依次为支撑顶板12、支撑立杆13、支撑底板14及支撑垫块15；所述支撑顶板12采用口字形结构；所述支撑立杆13数量若干，若干支撑立杆13沿周向均布在支撑顶板12与支撑底板14之间。
所述简支组件数量为四组，所述框架式支撑底座2的口字形支撑顶板12的四条边框顶部各设置有一组简支组件。
所述简支组件包括减摩滚柱16和条形支撑块17；在所述框架式支撑底座2的口字形支撑顶板12的四条边框顶部开设有滚柱限位凹槽18，所述减摩滚柱16位于滚柱限位凹槽18内，减摩滚柱16在滚柱限位凹槽18内具有滚转自由度；所述条形支撑块17的下表面开设有滚柱定位凹槽19，条形支撑块17通过滚柱定位凹槽19与减摩滚柱16顶靠接触。
所述岩样变形测量组件数量若干，若干岩样变形测量组件沿周向均布设置。
所述岩样变形测量组件包括引伸计20、下转接支座21、上转接支座22、变形同步传递顶杆23、顶杆导向限位套管24、顶杆导向限位滑块25及顶杆复位弹簧26；所述下转接支座21一端固定连接在框架式支撑底座2的支撑底板14上；所述引伸计20竖直安装在下转接支座21另一端；所述顶杆导向限位套管24竖直固装在框架式支撑底座2的支撑底板14上，所述顶杆导向限位滑块25位于顶杆导向限位套管24内侧，顶杆导向限位滑块25在顶杆导向限位套管24内仅具有上下直线移动自由度；所述变形同步传递顶杆23竖直设置，变形同步传递顶杆23的顶端与岩石类薄板试样7下表面顶靠接触，变形同步传递顶杆23的底端插入顶杆导向限位套管24并与顶杆导向限位滑块25固定连接；所述顶杆复位弹簧26位于顶杆导向限位滑块25与顶杆导向限位套管24底板之间；所述上转接支座22一端与变形同步传递顶杆23固定连接，上转接支座22另一端与引伸计20的测量芯杆固定连接。
一种岩石类薄板真三向溃屈试验方法，采用了所述的岩石类薄板真三向溃屈试验装置，包括如下步骤：
步骤一：选择一台三刚性真三轴试验机，将框架式支撑底座2固定连接到三刚性真三轴试验机的竖直向底端作动器活塞杆上；分别将前压头3、后压头4、左压头5及右压头6固定连接到刚性真三轴试验机的水平向侧部的四台作动器活塞杆上，且前压头3、后压头4、左压头5及右压头6上均预装有条形垫块8和声发射探头10；将球面压头1固定连接到三刚性真三轴试验机的竖直向顶端作动器活塞杆上；
步骤二：安装简支组件，先在框架式支撑底座2的口字形支撑顶板12四条边框顶部的滚柱限位凹槽18内放入减摩滚柱16，然后在每根减摩滚柱16上均放置一根条形支撑块17，直至完成简支组件的安装；
步骤三：安装岩样变形测量组件，先顶杆导向限位套管24固定安装到框架式支撑底座2的支撑底板14上，且顶杆导向限位套管24与上转接支座22、变形同步传递顶杆23、顶杆导向限位滑块25、顶杆复位弹簧26均预先组装在一起，再将下转接支座21固定连接到框架式支撑底座2的支撑底板14上，然后将引伸计20固定安装到下转接支座21上，并将引伸计20的测量芯杆与上转接支座22连接在一起；重复第一个岩样变形测量组件的安装过程，直至完成其余岩样变形测量组件的安装；
步骤四：将预先制备好的岩石类薄板试样7水平放置到简支组件上，同时岩石类薄板试样7会对变形同步传递顶杆23产生下压作用，通过上转接支座22的力传递作用，会同步带动引伸计20的测量芯杆产生回缩，并使引伸计20的测量芯杆处于量程范围内；
步骤五：启动三刚性真三轴试验机，先通过竖直向的两台作动器和水平向的四台作动器对岩石类薄板试样7进行对中和预夹紧，再将引伸计20调零，之后通过竖直向的两台作动器和水平向的四台作动器对岩石类薄板试样7施加真三向载荷，直至岩石类薄板试样7发生溃屈破坏，同时完成变形量和声发射信号的测量和记录。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置，其特征在于：包括球面压头、框架式支撑底座、前压头、后压头、左压头及右压头；所述球面压头位于框架式支撑底座正上方，岩石类薄板试样水平位于球面压头与框架式支撑底座之间；所述前压头与岩石类薄板试样的前向侧立面正对；所述后压头与岩石类薄板试样的后向侧立面正对；所述左压头与岩石类薄板试样的左向侧立面正对；所述右压头与岩石类薄板试样的右向侧立面正对；在所述前压头、后压头、左压头及右压头的加载面上均设置有条形垫块；在所述框架式支撑底座与岩石类薄板试样之间设置有简支组件和岩样变形测量组件。
2.根据权利要求1所述的一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置，其特征在于：所述前压头、后压头、左压头及右压头的结构完全相同，且前压头、后压头、左压头及右压头加载面上的条形垫块的结构完全相同，条形垫块通过螺钉与前压头/后压头/左压头/右压头进行固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置，其特征在于：在所述条形垫块上开设有声发射测量孔，在声发射测量孔的孔底设置有推力弹簧，在声发射测量孔的孔口处设置有声发射探头，在推力弹簧与声发射探头之间设置有传力垫片。
4.根据权利要求1所述的一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置，其特征在于：所述框架式支撑底座由上至下依次为支撑顶板、支撑立杆、支撑底板及支撑垫块；所述支撑顶板采用口字形结构；所述支撑立杆数量若干，若干支撑立杆沿周向均布在支撑顶板与支撑底板之间。
5.根据权利要求4所述的一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置，其特征在于：所述简支组件数量为四组，所述框架式支撑底座的口字形支撑顶板的四条边框顶部各设置有一组简支组件。
6.根据权利要求5所述的一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置，其特征在于：所述简支组件包括减摩滚柱和条形支撑块；在所述框架式支撑底座的口字形支撑顶板的四条边框顶部开设有滚柱限位凹槽，所述减摩滚柱位于滚柱限位凹槽内，减摩滚柱在滚柱限位凹槽内具有滚转自由度；所述条形支撑块的下表面开设有滚柱定位凹槽，条形支撑块通过滚柱定位凹槽与减摩滚柱顶靠接触。
7.根据权利要求4所述的一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置，其特征在于：所述岩样变形测量组件数量若干，若干岩样变形测量组件沿周向均布设置。
8.根据权利要求7所述的一种岩石类薄板真三向溃屈试验装置，其特征在于：所述岩样变形测量组件包括引伸计、下转接支座、上转接支座、变形同步传递顶杆、顶杆导向限位套管、顶杆导向限位滑块及顶杆复位弹簧；所述下转接支座一端固定连接在框架式支撑底座的支撑底板上；所述引伸计竖直安装在下转接支座另一端；所述顶杆导向限位套管竖直固装在框架式支撑底座的支撑底板上，所述顶杆导向限位滑块位于顶杆导向限位套管内侧，顶杆导向限位滑块在顶杆导向限位套管内仅具有上下直线移动自由度；所述变形同步传递顶杆竖直设置，变形同步传递顶杆的顶端与岩石类薄板试样下表面顶靠接触，变形同步传递顶杆的底端插入顶杆导向限位套管并与顶杆导向限位滑块固定连接；所述顶杆复位弹簧位于顶杆导向限位滑块与顶杆导向限位套管底板之间；所述上转接支座一端与变形同步传递顶杆固定连接，上转接支座另一端与引伸计的测量芯杆固定连接。
9.一种岩石类薄板真三向溃屈试验方法，采用了权利要求1所述的岩石类薄板真三向溃屈试验装置，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：选择一台三刚性真三轴试验机，将框架式支撑底座固定连接到三刚性真三轴试验机的竖直向底端作动器活塞杆上；分别将前压头、后压头、左压头及右压头固定连接到刚性真三轴试验机的水平向侧部的四台作动器活塞杆上，且前压头、后压头、左压头及右压头上均预装有条形垫块和声发射探头；将球面压头固定连接到三刚性真三轴试验机的竖直向顶端作动器活塞杆上；
步骤二：安装简支组件，先在框架式支撑底座的口字形支撑顶板四条边框顶部的滚柱限位凹槽内放入减摩滚柱，然后在每根减摩滚柱上均放置一根条形支撑块，直至完成简支组件的安装；
步骤三：安装岩样变形测量组件，先顶杆导向限位套管固定安装到框架式支撑底座的支撑底板上，且顶杆导向限位套管与上转接支座、变形同步传递顶杆、顶杆导向限位滑块、顶杆复位弹簧均预先组装在一起，再将下转接支座固定连接到框架式支撑底座的支撑底板上，然后将引伸计固定安装到下转接支座上，并将引伸计的测量芯杆与上转接支座连接在一起；重复第一个岩样变形测量组件的安装过程，直至完成其余岩样变形测量组件的安装；
步骤四：将预先制备好的岩石类薄板试样水平放置到简支组件上，同时岩石类薄板试样会对变形同步传递顶杆产生下压作用，通过上转接支座的力传递作用，会同步带动引伸计的测量芯杆产生回缩，并使引伸计的测量芯杆处于量程范围内；
步骤五：启动三刚性真三轴试验机，先通过竖直向的两台作动器和水平向的四台作动器对岩石类薄板试样进行对中和预夹紧，再将引伸计调零，之后通过竖直向的两台作动器和水平向的四台作动器对岩石类薄板试样施加真三向载荷，直至岩石类薄板试样发生溃屈破坏，同时完成变形量和声发射信号的测量和记录。
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