劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具的製作方法

2023-10-19 17:35:27 1

專利名稱：劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具的製作方法
技術領域：
本發明涉及巖石力學試驗技術領域，更具體涉及一種劈裂法測定巖石抗拉強度的 試件夾具，適用於試驗過程中精確定位圓柱體巖石試件。
背景技術：
在巖石力學工程實踐中，穩定的結構體內部通常不允許出現拉應力，但實踐表明 拉破壞是工程巖體的主要破壞方式之一，而且巖石的抗拉性能相對抗壓等性能是非常低 的，因此如何儘量準確地測定巖石的抗拉強度引起了國內外工程界的廣泛關注。測定巖石抗拉強度的方法有直接法和間接法兩種，由於直接拉伸試驗在試件製備 及試驗技術等方法存在大量難題，目前國內外工程界多採用間接拉伸法。在間接拉伸法中， 認可度最高、應用最廣泛且操作最簡便的方法是「劈裂法」，該方法最早是由一位巴西工程 師基於彈性力學理論提出的，因此又稱「巴西劈裂法」，其試驗方法為在圓柱體試件直徑方 向上施加一對線性荷載使試件沿直徑方向破壞間接測定巖石的抗拉強度。我國的巖石力學試驗相關標準及規程中，均推薦採用劈裂法測定巖石的抗拉強 度，如《工程巖體試驗方法標準GB/T50266-99》、《水利水電工程巖石試驗規程SL264-2001》 與《公路工程巖石試驗規程JTG E41-2005》。上述文獻中規定的操作方法為通過試件直徑 的兩端在試件的側面沿軸線方向畫兩條加載基線，將兩根墊條沿加載基線固定，將試件置 於試驗機承壓板中心調整球形座，使試件均勻受力作用力通過兩墊條所確定的平面。但上 述標準及規程中均未給出試驗操作中定位加載基線的裝置，實際操作過程中墊條很難在試 驗機的工作檯上精確對中，往往需要一名試驗員手扶巖石試件，另一名試驗員操作試驗機， 操作繁瑣且存在很大的安全隱患，關鍵問題是易造成劈裂面偏離導致試驗數據準確性。針對這一問題，國內外相關文獻中給出了幾種巖石劈裂試驗夾具。《巖石抗拉試驗劈裂法測試技術的探討》(《資源環境與工程》，2007年)一文中的圖 1展示了一種夾具，該夾具對於加工精確的圓柱體試件而言，可實現墊條沿著直接方向的精 確定位，但是試件的加工往往不是十分精確的，實踐表明對於直徑50mm的試件而言加工中 直徑的偏差往往可達到士3mm，該裝置對於偏差較大的試件很難定位，另外試驗過程中試件 左側與夾具側面緊密接觸，不符合劈裂試驗要求的受力條件，會嚴重影響試驗精度。《普通混凝土力學性能試驗方法標準GB50081-2002》推薦了一種圓柱形混凝土塊 劈裂試驗定位架，巖石力學試驗中可以進行借鑑，具體結構見標準中的圖D. 0. 4. 2，墊條對 中參照地位架兩端的十字架進行，對中過程靠肉眼觀察及手動校正，因此實際對中效果不 好，會因人為誤差造成較大試驗誤差。((Estimation of the tensile elastic modulus using Brazilian disc by applying diametrically opposed concentrated loads)) (International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2009 年，第 46 卷第 03 期)一文中圖 2 給出了一種夾 具，該夾具有了較大改進，存在的主要問題仍然是墊條對中較為困難，這種夾具的墊條對中 是通過「the experiment box」兩側的兩個螺栓實現的(注圖中只畫出了螺孔未畫螺栓)，對中過程仍然是靠肉眼觀察及手動校正，因此仍然會造成較大偏差。

發明內容
在劈裂法測定巖石抗拉強度試驗中，如何精確定位圓柱體試件的兩條加載基線使 試件受力狀態嚴格符合理論及規範要求，是本發明要解決的關鍵技術問題。為解決背景技 術中所述的技術問題，本發明的目的是在於提供了一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾 具，使用該夾具可使墊條精確對中圓柱體試件的直徑，試驗成功率高，操作簡便。本發明解決其技術問題所採用的方案是
本發明的試件夾具結構呈左右對稱狀，一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具包括 安裝架、墊塊、上墊條、下墊條、第一、第二扶正架、第一、第二連杆、銷釘、第一、第二、第三、 第四軸承座、巖石試件、下墊條槽、第一、第二墊塊導向槽、銷釘導向槽、上墊條槽、下墊條。 其連接關係是試件夾具結構呈左右對稱狀，第一扶正架通過第一、第二軸承座與安裝架相 連，第二扶正架通過第三、第四軸承座與安裝架相連，第一連杆一端與第一扶正架相連，第 一連杆另一端與銷釘相連，第二連杆一端與第二扶正架相連，第二連杆另一端與銷釘相連， 銷釘將第一、第二連杆的末端卡在銷釘的導向槽一側，墊塊卡在第一、第二墊塊導向槽內， 上墊條裝配在相應的上墊條槽內。安裝架前後側壁頂部開有第一、第二墊塊導向槽，其作用 是定位墊塊並約束試驗過程中墊塊的走向。安裝架前側壁下部開有銷釘導向槽，其寬度略 大於銷釘直徑，其作用是引導銷釘僅能沿豎向滑動。安裝架底部中心線位置開有下墊條槽， 其作用是安放下墊條。第一、第二、第三、第四軸承座分別裝配到安裝架底部的四個角上，其 軸線平行於下墊條槽且呈左右對稱狀，第一扶正架可以第一、第二軸承座的軸線為軸自由 轉動，第二扶正架可以第三、第四軸承座的軸線為軸自由轉動。第一連杆一端與第一扶正 架相連，第二連杆一端與第二扶正架相連，銷釘將第一、第二連杆的末端卡在銷釘導向槽一 側，當銷釘沿銷釘導向槽滑動時，可引導第一扶正架、第二扶正架同步轉動。墊塊底部的中 線附近開有上墊條槽，其作用是安放上墊條，試驗過程中可在上墊條槽內抹適量黃油或膠 體，將上墊條粘結到上墊條槽中，以防止操作過程中掉落。墊塊前後兩側有凸起，其寬度略 大於第一、第二墊塊定位槽的寬度，其目的是引導墊塊僅能沿豎向運動。本發明的安裝架前後側壁頂部均開有墊塊導向槽，其作用是定位墊塊並約束試驗 過程中墊塊的走向。安裝架前側壁下部開有銷釘導向槽，其寬度略大於銷釘直徑，其作用是 引導銷釘僅能沿豎向滑動。安裝架底部中心線位置開有下墊條槽，其作用是安放下墊條。兩扶正架分別與軸承座的裝配，四個軸承座分別裝配到安裝架底部的四個角上， 其軸線平行於下墊條槽且呈左右對稱狀，扶正架可以軸承座軸線為軸自由轉動。兩扶正架 通過連杆與銷釘相連，銷釘將兩連杆的末端卡在銷釘導向槽一側，當銷釘沿銷釘導向槽滑 動時，可引導兩扶正架同步轉動。墊塊底部的中線附近開有上墊條槽，其作用是安放上墊條，試驗過程中可在上墊 條槽內抹適量黃油或膠體，將上墊條粘結到上墊條槽中，以防止操作過程中掉落。墊塊前後 兩側有凸起，其寬度略大於墊塊定位槽的寬度，其目的是引導墊塊僅能沿豎向運動。本發明的實施對象為圓柱體巖石試件，上墊條及下墊條經過裝置的約束被固定到 加載直徑線對應的母線上。本發明的有益效果是操作安全簡便，定位精度高，保證試驗過程中巖石試件的受力狀態嚴格符合力學理論及相關規範要求，從而能得到高精度的試驗數據。


圖1為一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具立體示意圖。圖2為一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具安裝架及軸承座結構示意圖。圖3為一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具的機械傳動機構示意圖。圖4為一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具的墊塊結構示意圖。圖5為一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具的巖石試件與墊條接觸方式示 意圖。圖中安裝架1 ；墊塊2 ；上墊條3 ；第一、第二扶正架4a、4b ；第一、第二連杆5a、 5b ；銷釘6 ；第一、第二、第三、第四軸承座7a、7b、7c、7d ；巖石試件8 ；下墊條槽9 ；第一、第二 墊塊導向槽10a、10b ；銷釘導向槽11 ；上墊條槽12 ；下墊條13。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明作進一步詳細描述
根據圖1、圖2、圖3、圖4可知，本發明的試件夾具結構呈左右對稱狀，一種劈裂法測定 巖石抗拉強度的試件夾具包括安裝架1、墊塊2、上墊條3、下墊條13、第一、第二扶正架4a、 4b、第一、第二連杆5a、5b、銷釘6、第一、第二、第三、第四軸承座7a、7b、7c、7d、巖石試件8、 下墊條槽9、第一、第二墊塊導向槽10a、10b、銷釘導向槽11、上墊條槽12、下墊條13。其連 接關係是試件夾具結構呈左右對稱狀，第一扶正架4a通過第一、第二軸承座7a、7b與安裝 架1相連，第二扶正架4b通過第三、第四軸承座7c、7d與安裝架1相連，第一連杆5a —端 與第一扶正架4a相連，第一連杆5a另一端與銷釘6相連，第二連杆5b —端與第二扶正架 4b相連，第二連杆5b另一端與銷釘6相連，銷釘6將第一、第二連杆5a、5b的末端卡在銷釘 6的導向槽11 一側，墊塊2卡在第一、第二墊塊導向槽10a、10b內，上墊條3裝配在相應的 上墊條槽12內。安裝架1前後側壁頂部開有第一、第二墊塊導向槽10a、10b，其作用是定位 墊塊2並約束試驗過程中墊塊2的走向。安裝架1前側壁下部開有銷釘導向槽11，其寬度 略大於銷釘6直徑，其作用是引導銷釘6僅能沿豎向滑動。安裝架1底部中心線位置開有 下墊條槽9，其作用是安放下墊條13。第一、第二、第三、第四軸承座7a、7b、7c、7d分別裝配 到安裝架1底部的四個角上，其軸線平行於下墊條槽9且呈左右對稱狀，第一扶正架4a可 以第一、第二軸承座7a、7b的軸線為軸自由轉動，第二扶正架4b可以第三、第四軸承座7c、 7d的軸線為軸自由轉動。第一連杆5a —端與第一扶正架4a相連，第二連杆5b —端與第 二扶正架4b相連，銷釘6將第一、第二連杆5a、5b的末端卡在銷釘導向槽11 一側，當銷釘 6沿銷釘導向槽11滑動時，可引導第一扶正架4a及第二扶正架4b同步轉動。墊塊2底部 的中線附近開有上墊條槽12，其作用是安放上墊條3，試驗過程中可在上墊條槽12內抹適 量黃油或膠體，將上墊條3粘結到上墊條槽12中，以防止操作過程中掉落。墊塊2前後兩 側有凸起，其寬度略大於第一、第二墊塊定位槽10a、10b的寬度，其目的是引導墊塊2僅能 沿豎向運動。圖5中，巖石試件8是本發明的實施對象，為圓柱體。圖5中虛線代表巖石試件8 的直徑線，上墊條3及下墊條13經過裝置的約束被固定到圖中直徑線對應的母線上，從而實現了試驗過程中巖石試件8的受力狀態嚴格符合力學理論及相關規範要求。
使用本發明開展巖石抗拉強度試驗的典型試驗步驟為
1)在壓力試驗機的上下壓頭之間放置本發明裝置；
2)將圓柱體巖石試件8放入試件夾具，並使圓柱體巖石試件8的軸向方向與墊條方向
儘量保持一致；
3)—只手向下拉動銷釘6，帶動第一扶正架4a、第二扶正架4b向內側同步轉動，引導巖 石試件8精確對中，另一隻手將粘有上墊條3的墊塊2放入墊塊導向槽10，使上墊條3與巖 石試件8接觸，鬆開雙手，此時第一扶正架4a、第二扶正架4b會在其自身重力作用下脫離巖 石試件8，巖石試件8會在墊塊2重力的作用下保持穩定；
4)啟動壓力試驗機進行試驗，直至巖石試件8沿上墊條3及下墊條13對應的直徑線方 向劈裂；
5)移除已劈裂破壞的巖石試件8，仿照步驟2、3放入新的巖石試件8進行抗拉強度試 驗，直至完成所有試件的測試工作。
權利要求
一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具，包括安裝架(1)、第一扶正架(4a)、第一連杆(5a)、第一軸承座(7a)、下墊條槽(9)、第一墊塊導向槽(10a)、銷釘導向槽(11)、上墊條槽(12)等，其特徵在於試件夾具結構呈左右對稱狀，第一扶正架(4a)通過第一軸承座(7a)、第二軸承座(7b)與安裝架(1)相連，第二扶正架(4b)通過第三軸承座(7c)、第四軸承座(7d)與安裝架(1)相連，第一連杆(5a)一端與第一扶正架(4a)相連，第一連杆(5a)另一端與銷釘(6)相連，第二連杆(5b)一端與第二扶正架(4b)相連，第二連杆(5b)另一端與銷釘(6)相連，銷釘(6)將第一連杆(5a)、第二連杆(5b)的末端卡在銷釘(6)的導向槽(11)一側，墊塊(2)卡在第一墊塊導向槽(10a)、第二墊塊導向槽(10b)內，上墊條(3)裝配在上墊條槽(12)內。
2.根據權利要求1所述的一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具，其特徵在於所 述的安裝架(1)前後側壁頂部開有第一墊塊導向槽(10a)、第二墊塊導向槽(10b)。
3.根據權利要求1所述的一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具，其特徵在於所 述的安裝架(1)前側壁下部開有銷釘導向槽(11)，安裝架(1)底部開有下墊條槽(9)。
4.根據權利要求1所述的一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具，其特徵在於所 述的第一軸承座(7a)、第二軸承座(7b)、第三軸承座(7c)、第四軸承座(7d)分別裝配到安 裝架(1)底部的四個角上，其軸線平行於下墊條槽(9)且呈左右對稱狀。
5.根據權利要求1所述的一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具，其特徵在於所 述的墊塊(2)底部開有上墊條槽(12)，上墊條(3)粘結到上墊條槽(12)中。
6.根據權利要求1所述的一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具，其特徵在於所 述的墊塊(2)前後兩側有凸起。
全文摘要
本發明公開了一種劈裂法測定巖石抗拉強度的試件夾具，包括安裝架、扶正架、連杆、軸承座、下墊條槽、墊塊導向槽、銷釘導向槽、上墊條槽，其特徵在於試件夾具結構呈左右對稱狀，第一扶正架通過第一軸承座、第二軸承座與安裝架相連，第二扶正架通過第三軸承座、第四軸承座與安裝架相連，第一連杆一端與第一扶正架相連，第一連杆另一端與銷釘相連，第二連杆一端與第二扶正架相連，第二連杆另一端與銷釘相連，銷釘將第一連杆、第二連杆的末端卡在銷釘的導向槽一側，墊塊卡在第一墊塊導向槽、第二墊塊導向槽內，上墊條裝配在上墊條槽內。操作安全簡便，定位精度高，保證試驗過程中巖石試件的受力狀態嚴格符合要求，得到高精度的試驗數據。
文檔編號G01N3/04GK101936851SQ20101027053
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月2日 優先權日2010年9月2日
發明者劉海明, 施錫林, 李銀平, 楊春和, 紀文棟, 郭印同 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所