一種非標準巖石試件力學參數測試裝置及測試方法
2023-05-22 19:17:11
一種非標準巖石試件力學參數測試裝置及測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種非標準巖石試件力學參數測試裝置及測試方法，它包括用於加荷的液壓式壓力試驗機和與壓力試驗機配套使用的試件夾持裝置以及上、下加荷錐；試件夾持裝置結構是：在液壓式壓力試驗機的液壓油缸柱頭的中心軸上設有高度能調的墊柱，墊柱上設有墊板；墊板兩端對稱設有能上下調節的左、右縱向杆；在左、右縱向杆上的對稱位置分別設有能水平推拉的橫向杆，兩根橫向杆的內端頭分別設有弧形的彈性夾持墊，要求兩個夾持墊的弧形對應。本發明利用壓力試驗機和具有徑向夾持功能的夾持裝置可以在室內對現場採取的試樣直接進行巖石力學性質試驗，顯著提高了試驗結果的準確性，也不會發生傷人事故，達到安全測試的目的。
【專利說明】一種非標準巖石試件力學參數測試裝置及測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種巖石試件力學參數的測試裝置及測試方法，尤其是非標準巖石試件力學參數的測試裝置及測試方法。
【背景技術】
[0002]在地質、礦山、水電、土木和交通等工程建設中，往往需要對現場的巖體進行取樣，在實驗室內對巖樣進行試驗測試，獲取巖石的基本物理力學參數，從而為巖體工程穩定性分析及支護設計提供可靠的基礎數據。
[0003]目前在室內廣泛開展的是標準形狀的巖石試件力學試驗，按著中華人民共和國《工程巖體試驗方法標準》(GB/T50266-99)的要求，標準試件是指規則的圓柱體或長方體，其直徑或邊長為48_?52mm,高度為直徑的2倍。為了滿足試驗機承壓板與巖石試件的面接觸條件，對巖石試件的兩個端面加工精度要求極高，不平整度不得大於0.05_。
[0004]近年來，隨著機械及電子行業的進步，巖石力學試驗設備性能越來越優良，可以完成巖石的多種物理力學性能指標測試，並能夠達到較高的測試精準度。但作為試驗對象的巖石標準試件製備一直存在著諸多困難，其中有巖樣加工設備及取樣方法方面的不足，但更多的是巖石本身存在節理裂隙或巖質軟弱等情況，使得現場鑽取的巖心較短、孔徑較粗，無法滿足實驗室內二次加工成標準試件的尺寸。此外，如易風化、怕擾動、弱膠結類的泥巖等，在室內對巖樣進行二次加工製備過程中，由於鑽、切、磨等加工環節的擾動，難免對試件造成不同程度的損傷破壞，室內加工成型的標準試件儘管在形狀尺寸上滿足了要求，但卻與巖石的天然狀態差別較大，其測試結果難以反映出真實的巖石力學性能。
[0005]綜合考慮目前室內巖石力學試驗狀況及標準試件製備的問題，開發一種對現場取樣的巖石直接進行測試的試驗裝置及試驗方法，獲取巖石的基本力學參數，以解決工程取樣中的短巖心、大直徑或者難於二次加工等情況下的非標準巖石試件的試驗測試問題。
【發明內容】
[0006]為了滿足在實驗室測試巖石力學參數的需求，本發明提供一種操作簡單、使用安全的非標準巖石試件力學參數測試裝置，這種測試裝置降低了對試件形狀尺寸的限制程度，同時通過與電液伺服壓力試驗機平臺連接，可實現對非標準巖石試件進行多種方案的加載控制，並可採用計算機自動記錄試驗曲線與數據。
[0007]本發明同時提供這種測試裝置的測試方法。
[0008]本發明採取的技術方案是:
[0009]一種非標準巖石試件力學參數測試裝置，它包括用於加荷的液壓式壓力試驗機，所述的液壓式壓力試驗機它是由機架主體、液壓油缸、傳力柱、設在傳力柱上的壓力傳感器、伺服加載系統和計算機組成，其特徵在於，在液壓式壓力試驗機的加載面設有上、下加荷錐，此外還包括一個試件夾持裝置。
[0010]所述的試件夾持裝置結構是:在液壓式壓力試驗機的液壓油缸柱頭的中心軸上設有聞度可調的塾柱，塾柱上設有塾板；塾板兩端對稱設有可上下調節的左、右縱向杆；在左、右縱向杆上的對稱位置分別設有可水平推拉的橫向杆，兩根橫向杆的內端頭分別設有單面為弧形凹陷的彈性夾持墊，要求兩個夾持墊的弧形凹陷方向相同。
[0011]所述的墊柱整體由多個柱形塊體組成，便於通過加減柱形塊體來調節下加荷錐的高度，能夠滿足不同尺寸試件試驗的需要，柱形塊體之間使用螺紋杆連接；整個墊柱的上端面和下端面的中心位置都設有螺紋孔，上端面的螺紋孔可以使用相應的螺紋杆配合與墊板連接，下端面的螺紋孔，可以使用螺紋杆將墊柱與油缸柱頭連接；
[0012]所述的墊板為具有一定厚度的狹長鋼板，墊板中心位置設有一個螺紋孔，可以使用螺紋杆把墊板和下加荷錐連接；墊板兩端有兩個對稱的豎直方向圓形通孔，可以配合縱向杆的插入和上下調節，要求墊板上兩端圓形通孔的間距大於墊柱的直徑，便於縱向杆的上下調節；墊板兩側面各有一個水平方向螺紋孔，可以安裝水平方向固定螺母，通過旋緊水平方向固定螺母起到固定縱向杆的作用。
[0013]所述的左、右縱向杆斷面均為圓柱形，用於配合插入墊板兩端的圓形通孔中，縱向杆上部有一個水平方向矩形通孔，用於配合橫向杆的插入與調節；在縱向杆上端面有豎直方向固定螺母，通過調節豎直方向固定螺母來固定橫向杆；縱向杆上標有刻度，調節縱向杆時便於標定試件支撐高度。
[0014]所述的橫杆斷面為矩形斷面，一端固定並支撐夾持墊；另一端插入縱向杆上端的矩形通孔中，橫杆可在矩形通孔中實現水平推拉，以達到調節兩夾持墊間距的目的；橫向杆上標有刻度，可以根據試件水平方向大小，調節橫向杆，達到試驗要求位置，並確保夾持固定住試件。
[0015]所述的夾持墊為一個單面呈弧形凹陷的塊體橡膠墊，主要作用為配合夾持固定試件，並且利用橡膠材料良好的彈性，在試件崩裂過程中起到抗震防衝作用，防止試件碎片傷人或損壞儀器。
[0016]所述的上加荷錐安裝在液壓式壓力試驗機的傳力柱上；所述的下加荷錐設在試件夾持裝置的墊板上；並使上、下加荷錐位於液壓式壓力試驗機加載軸向上。
[0017]本發明測試裝置的測試步驟如下:
[0018]第一步:組裝測試裝置
[0019]依次將墊柱和墊板放到液壓式壓力試驗機的試驗臺上，把墊柱固定在液壓式壓力試驗機油缸柱頭的中心位置,並將墊柱和墊板固定連接；再將上加荷錐連接到試驗機的傳力柱上，下加荷錐連接到墊板上，確保墊板和墊柱的中軸線與液壓式壓力試驗機傳力柱中軸線一致；將夾持裝置的縱向杆插入墊板兩端的圓形孔中；把帶有彈性夾持墊的橫向調節杆插入縱向調節杆上部的矩形通孔中；
[0020]第二步:試件的夾持
[0021]把試件放到上、下加荷錐之間，啟動液壓式壓力試驗機，使油缸柱頭移動，使兩加荷錐距離稍大於試件加荷點間的距離，調節縱向杆和橫向杆，並配合旋緊水平方向固定螺母和垂直方向固定螺母，確保能夠按照不同加載方式的要求將試件固定於兩加荷錐之間。
[0022]第三步；試件力學參數的測試
[0023]啟動液壓式壓力試驗機使油缸向上行程對試件實施壓力，通過伺服加載系統控制加載速率和時間，壓力傳感器輸出試件所受壓力的信號送至計算機，上述信號經計算機處理得到試件破壞過程線，從曲線中可以得到點荷載試驗的破壞荷載，經換算便可以得到巖石試件的實際強度和變形參數。
[0024]本發明的優點是:
[0025]一是:本發明在壓力試驗機的試驗臺和傳力柱上分別設置加荷錐，可以在室內對現場採取的試樣直接進行巖石力學性質試驗，不用對試樣進行二次加工，不但操作簡單，而且顯著提高了試驗結果的準確性。
[0026]二是:由於採用具有徑向夾持功能的夾持裝置，夾持試件時，試件緊緊包裹在夾持裝置的彈性夾持墊中，在測試過程中，即便試件崩裂，也不會發生傷人事故，達到安全測試的目的。
[0027]三是，本發明採用壓力試驗機對事件進行加荷，不但避免了人工操作帶來的誤差，而且還可以方便控制加載速率和加載時間，從而進一步提高測試結果的準確性。
[0028]四是:本發明可以直接在計算機上得到試驗曲線與數據，提高了測試的便利性和直觀性，為試件力學性能的進一步研究提供了可靠的基礎。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明測試裝置的結構示意圖；
[0030]圖2為測試裝置中加荷錐的斷面示意圖；
[0031]圖3為測試裝置中墊板的斷面示意圖；
[0032]圖4為測試裝置中墊柱的斷面示意圖；
[0033]圖5為測試裝置中夾持裝置部分構件示意圖。
[0034]圖中:1 (a) 一上加荷維、I (b) 一下加荷維、2—塾板、3—塾柱、4一縱向杆、5—橫向杆、6—彈性夾持墊、7 Ca) 一垂直方向固定螺母、7 (b) 一7jC平方向固定螺母、8—傳力柱、9 一油缸柱頭、10—液壓式壓力試驗機、11 一壓力傳感器、12—液壓油缸、13—伺服加載系統、14 一計算機。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖進一步說明本發明的技術方案。
[0036]如圖1所示，本發明非標準巖石試件力學參數測試裝置，包括用於加荷的液壓式壓力試驗機10、試件夾持裝置、上加荷錐I (a)和下加荷錐I (b)，所述的液壓式壓力試驗機10是由機架主體、液壓油缸12、傳力柱8、設在傳力柱8上的壓力傳感器11、伺服加載系統13和計算機14組成，
[0037]所述的試件夾持裝置結構如圖5所示:在壓力試驗機液壓油缸柱頭9的中心軸上設有高度可調的墊柱3，墊柱3上設有墊板2 ;墊板2兩端對稱設有可上下調節的左、右縱向杆4 ;在左、右縱向杆4上部的對稱位置分別設有可水平推拉的橫向杆5，兩根橫向杆5的內端頭分別設有弧形的彈性夾持墊6，要求兩個彈性夾持墊6的弧形對應。
[0038]所述的墊柱3 (見圖4)整體由多個柱形塊體組成，便於通過加減柱形塊體來調節下加荷錐1(b)的高度，能夠滿足不同尺寸試件試驗的需要，柱形塊體之間使用螺紋杆連接；整個墊柱3的上端面和下端面的中心位置都設有螺紋孔，上端面的螺紋孔使用相應的螺紋杆配合與墊板連接，下端面的螺紋孔使用螺紋杆將墊柱與油缸柱頭9連接；[0039]所述的墊板2 (見圖3)為具有厚度的狹長鋼板，墊板2中心位置設有一個螺紋孔，使用螺紋杆把墊板2和下加荷錐I (b)連接；墊板2兩端有兩個對稱的豎直方向圓形通孔，用於配合縱向杆4的插入和上下調節，要求墊板2上兩端圓形通孔的間距大於墊柱3的直徑，便於縱向杆4的上下調節；墊板2兩側面各有一個水平方向螺紋孔，用於安裝水平方向固定螺母7 (b)，通過旋緊水平方向固定螺母7 (b)起到固定縱向杆4的作用。
[0040]所述的左、右縱向杆4斷面為圓柱形，用於配合插入墊板2兩端的圓形通孔中，縱向杆4上部有一個水平方向矩形通孔，用於配合橫向杆的插入與調節；在縱向杆4上端面有豎直方向固定螺母7 (a),通過旋緊豎直方向固定螺母7 (a)來固定橫向杆；縱向杆4上標有刻度，用於調節縱向杆4時便於標定試件支撐高度。
[0041]所述的橫向杆5斷面為矩形斷面,橫向杆5 —端固定並支撐夾持墊6 ;橫杆5另一端插入縱向杆4上的矩形通孔中，橫向杆5在矩形通孔中實現水平推拉，以達到調節兩夾持墊6間距的目的；橫向杆5上標有刻度，根據試件水平方向大小，調節橫向杆5，達到試驗要求位置，並確保夾持固定住試件。
[0042]所述的夾持墊6為一個單面呈弧形凹陷的塊體橡膠墊，主要作用為配合夾持固定試件，並且利用橡膠材料良好的彈性，在試件崩裂過程中起到抗震防衝作用，防止試件碎片傷人或損壞儀器。
[0043]所述的上加荷錐I (a)(見圖2)安裝在試驗機的傳力柱8上；所述的下加荷錐I(b)設在試件夾持裝置的墊板2上；並使上、下加荷錐位於試驗機加載軸向上。
[0044]本發明測試裝置的測試步驟如下:
[0045]第一步:組裝測試裝置
[0046]依次將墊柱3和墊板2放到液壓式壓力試驗機10的實驗臺上，把墊柱3固定在液壓式壓力試驗機油缸柱頭9的中心位置，並將墊柱3和墊板2固定連接；再將上加荷錐ICa)連接到試驗機的傳力柱上、下加荷錐I (b)連接到墊板2上，確保墊板2和墊柱3的中軸線與試驗機傳力柱8中軸線一致；將夾持裝置的左、右縱向杆4分別插入墊板2兩端的圓形孔中；把帶有彈性夾持墊6的橫向調節杆5插入縱向調節杆4上部的矩形通孔中；
[0047]第二步:試件的夾持
[0048]把試件放到上加荷錐I (a)和下加荷錐I (b)之間，啟動液壓式壓力試驗機10，使油缸柱頭9移動，使兩加荷錐距離稍大於試件加荷點間的距離，調節縱向杆4和橫向杆5，並配合旋緊水平方向固定螺母7 (b)和垂直方向固定螺母7 (a)，確保能夠按照不同加載方式的要求將試件固定於兩加荷錐之間；
[0049]第三步；試件力學參數的測試
[0050]啟動液壓式壓力試驗機10，使油缸向上行程對試件實施壓力，通過伺服加載系統13控制加載速率和時間，壓力傳感器11輸出試件所受壓力的信號送計算機，上述信號經計算機14處理得到試件破壞過程線，從曲線中可以得到點荷載試驗的破壞荷載，經換算便可以得到巖石試件的實際強度和變形參數。
【權利要求】
1.一種非標準巖石試件力學參數測試裝置，它包括用於加荷的液壓式壓力試驗機，所述的液壓式壓力試驗機是由機架主體、液壓油缸、傳力柱、設在傳力柱上的壓力傳感器、伺服加載系統和計算機組成，其特徵在於，在液壓式壓力試驗機的加載面設有上、下加荷錐，此外還包括一個試件夾持裝置； 所述的試件夾持裝置結構是:在液壓式壓力試驗機的液壓油缸柱頭的中心軸上設有高度能調的塾柱，塾柱上設有塾板；塾板兩端對稱設有能上下調節的左、右縱向杆；在左、右縱向杆上的對稱位置分別設有能水平推拉的橫向杆，兩根橫向杆的內端頭分別設有單面呈弧形凹陷的彈性夾持墊，要求兩個夾持墊的弧形凹陷方向對應；其中: 所述的墊柱整體由多個柱形塊體組成，便於通過加減柱形塊體來調節下加荷錐的高度,能夠滿足不同尺寸試件試驗的需要,柱形塊體之間使用螺紋杆連接；整個墊柱的上端面和下端面的中心位置都設有螺紋孔，上端面的螺紋孔使用相應的螺紋杆配合與墊板連接，下端面的螺紋孔，使用螺紋杆將墊柱與油缸柱頭連接； 所述的墊板為具有一定厚度的狹長鋼板，墊板中心位置設有一個螺紋孔，使用螺紋杆把墊板和下加荷錐連接；墊板兩端有兩個對稱的豎直方向圓形通孔，用於配合縱向杆的插入和上下調節，要求墊板上兩端圓形通孔的間距大於墊柱的直徑，便於縱向杆的上下調節；墊板兩側面各有一個水平方向螺紋孔，用於安裝水平方向固定螺母，通過旋緊水平方向固定螺母起到固定縱向杆的作用； 所述的左、右縱向杆斷面均為圓柱形，用於配合插入墊板兩端的圓形通孔中，縱向杆上部有一個水平方向矩形通孔，用於配合橫向杆的插入與調節；在縱向杆上端面有豎直方向固定螺母，通過調節豎直方向固定螺母來固定橫向杆；縱向杆上標有刻度，調節縱向杆時便於標定試件支撐高度； 所述的橫杆斷面為矩形斷面，一端固定並支撐夾持墊；另一端插入縱向杆上端的矩形通孔中，橫杆在矩形通孔中實現水平推拉，以達到調節兩夾持墊間距的目的；橫向杆上標有刻度，根據試件水平方向大小 ，通過調節橫向杆，達到試驗要求位置，並確保夾持固定住試件; 所述的夾持墊為一個單面呈弧形凹陷的塊體橡膠墊； 所述的上加荷錐安裝在液壓式壓力試驗機的傳力柱上；所述的下加荷錐設在試件夾持裝置的墊板上；並使上、下加荷錐位於液壓式壓力試驗機加載軸向上。
2.一種利用權利要求1所述的測試裝置對非標準巖石試件力學參數進行測試的方法，其特徵在於，步驟如下: 第一步:組裝測試裝置 依次將墊柱和墊板放到液壓式壓力試驗機的試驗臺上，把墊柱固定在液壓式壓力試驗機油缸柱頭的中心位置，並將墊柱和墊板固定連接；再將上加荷錐連接到試驗機的傳力柱上，下加荷錐連接到墊板上，確保墊板和墊柱的中軸線與液壓式壓力試驗機傳力柱中軸線一致；將夾持裝置的縱向杆插入墊板兩端的圓形孔中；把帶有彈性夾持墊的橫向調節杆插入縱向調節杆上部的矩形通孔中； 第二步:試件的夾持 把試件放到上、下加荷錐之間，啟動液壓式壓力試驗機，使油缸柱頭移動，使兩加荷錐距離稍大於試件加荷點間的距離，調節縱向杆和橫向杆，並配合旋緊水平方向固定螺母和垂直方向固定螺母，確保能夠按照不同加載方式的要求將試件固定於兩加荷錐之間； 第三步；試件力學參數的測試 啟動液壓式壓力試驗機使油缸向上行程對試件實施壓力，通過伺服加載系統控制加載速率和時間，壓力傳感器輸出試件所受壓力的信號送至計算機，上述信號經計算機處理得到試件破壞過程線，從曲線中得到點荷載試驗的破壞荷載，經換算得到巖石試件的實際強度和變形參數 。
【文檔編號】G01N3/12GK103616295SQ201310667466
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月10日 優先權日:2013年12月10日
【發明者】趙同彬, 魏平, 尹延春, 於鳳海, 房凱 申請人:山東科技大學