一种环形岩芯静动态直接拉伸强度测试装置及测试方法

1.本发明涉及岩石力学技术领域，具体涉及一种环形岩芯静动态直接拉伸强度测试装置及测试方法。


背景技术：

2.岩石在各种加载条件下(压缩、拉伸和剪切)的强度确定是岩石力学中的主要问题之一。由于岩石材料的抗拉强度与抗压强度相比非常低，大多数岩石甚至类岩石材料往往更容易受到拉伸破坏。因此，岩石抗拉强度是岩体工程稳定性评价、隧道掘进机设计和水力压裂施工等工程中的一个重要参数。岩石抗拉强度的评估需要一个合适的样品和测试程序。目前，已有的抗拉强度测试的方法可以分为间接测试法和直接测试法。
3.间接测试法主要包括巴西劈裂法、圆环压缩劈裂法、三点弯曲法和四点弯曲法，所用的测试岩样一般需要加工成圆盘形、圆环形和长条形。巴西劈裂法是国际岩石力学学会推荐的方法，是目前应用最广的一种抗拉强度测试方法，测试过程中将加工的圆盘状试件横置于两块条形或弧形加载板中间，然后施加荷载使试件受压沿中心产生劈裂破坏，从而得到其抗拉强度。三点或四点弯曲拉伸测试则是将矩形断面的长条形试样置于弯曲装置上，调整好跨距后进行加载，使试样在梁的下边缘受拉伸而断裂。无论采用哪一种间接抗拉强度试验，岩石的抗拉强度值均是通过试验得到的劈裂断裂载荷来间接获得的，由于施加压缩荷载在试样的某些区域产生拉应力，试样一般是沿诱导拉应力最大的区域发生分裂而非沿承载能力最小的部位破坏，因此，所获得的抗拉强度值与实际抗拉强度存在一定的偏差。
4.与上述间接测试方法不同，直接拉伸测试是一种直接测量岩石抗拉强度的方法，在拉伸过程中被测试样处于纯拉伸应力作用，能够保证试件沿承载能力最薄弱的部位发生破断，从而能够在测试过程中真实的反应岩石的抗拉强度，获得的测量结果较间接测试法更为准确。常用的直接测试法主要包括粘结法和夹持法，均需将岩石先制成的圆柱形或哑铃形试样，测试时将试件的两端通过粘结或夹持的方式与夹具固定，然后通过拉伸夹具使试件发生破裂来确定相应的抗拉强度值。然而，粘结法或夹持法在实际测试中存在困难，容易在粘结处发生脱粘或在夹持处由于应力集中而发生夹持破坏，同时在测试过程中还需要消除偏心加载的影响，极大的限制了直接测试方法的实际应用和推广。
5.综上所述，目前亟需一种结构简单、操作方便，且能够适用于常规岩石力学试验机的直接拉伸测试装置，以能通过直接拉伸的方式更准确的获取岩石的抗拉强度参数。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种环形岩芯静动态直接拉伸强度测试装置及测试方法，该装置结构合理，操作方便，能通过直接拉伸的方式更准确的获取岩石的抗拉强度参数，可真实的反应岩石的抗拉强度，并能有效提高测量结果的精确性；该方法步骤简单、操作简单，可以有效的对岩样进行水平方向上的抗拉强度进行直接测试，能够更
准确的获取岩石的抗拉强度参数。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种环形岩芯静动态直接拉伸强度测试装置，包括底部支撑座、固定承载台、压拉转载机构和楔形加载块；所述底部支撑座的长度方向沿左右方向延伸；
8.所述固定承载台水平的设置，其上端固定连接有左右方向延伸的固定导轨；两个固定承载台左右相间隔的固定连接在底部支撑座上端的左部和右部；
9.所述压拉转载机构的数量为两个，压拉转载机构由滑动承载台、转载块和加载单元组成；所述滑动承载台水平的设置，其下端开设有左右方向延伸的滑槽；所述转载块固定连接在滑动承载台里端的上部，其里端设置有外高里低的导向斜面；所述加载单元由条形连接块和半圆形的加载头组成；所述条形连接块的前端固定连接在转载块里端的后端面上；所述加载头的里端与条形连接块的后端固定连接；两个压拉转载机构左右相对的设置在两个固定承载台的上方，且滑动承载台通过滑槽滑动的套装在固定导轨上，以实现压拉转载机构与固定承载台在左右方向上的滑动配合；两个压拉转载机构滑动到相接触的状态时，两个加载头形成一个圆形的加载环；
10.所述楔形加载块的上端为平面结构，其下端左侧和右侧相对称的开设有外高里低的两个加载斜面；楔形加载块的下端设置在两个转载块的上端之间，且两侧的加载斜面分别与两个转载块的导向斜面滑动配合。
11.作为一种优选，所述底部支撑座由支撑底板、两块支撑顶板和两个立式支架组成，两块支撑顶板左右相对的设置在支撑底板上方的左部和右部；两个立式支架对应的设置在两个支撑顶板的下方，且立式支架的上端与支撑顶板的下端面固定连接，立式支架的下端与支撑底板的上端面固定连接；支撑底板上端的中部在两个立式支架之间固定连接有限位块，所述限位块的高度低于立式支架的高度。
12.进一步，为了方便装配和分离，所述支撑底板上于周边开设有与压力试验机平台相匹配的螺栓孔一；支撑顶板上开设有多个螺栓孔二；所述固定承载台上开设有多个螺栓孔三，且通过穿设于螺栓孔三和螺栓孔二中的连接螺栓一与底部支撑座固定连接。
13.进一步，为了方便装配和分离，所述滑动承载台上开设有多个螺栓四；所述转载块上开设有多个螺栓孔五，并通过穿设于螺栓孔四和螺栓孔五中的连接螺栓二与滑动承载台固定连接。
14.进一步，为了确保压拉转载机构与固定承载台之间滑动配合的稳定性和可靠性，所述固定导轨和滑槽的断面均呈燕尾形。
15.进一步，为了保证可靠的连接强度，所述条形连接块的后端延伸到加载头内弧面的后端，且条形连接块的后端固定连接在加载头的内弧面中部。
16.作为一种优选，所述条形连接块和加载头为一体式结构。
17.进一步，为了能够在测试的过程中，能够平缓的施加竖向荷载，所述导向斜面和加载斜面的倾斜角度相一致。
18.本发明中，通过底部支撑座的设置，可以为测试装置提供稳定可靠的支撑；在底部支撑座的上端固定连接带有固定导轨的固定承载台，并在压拉转载机构中滑动承载台的底部开设有与固定导轨相配合的滑槽，可以实现压拉转载机构与固定承载台在左右方向上的横向滑移；通过在压拉转载机构中转载台的里端开设有导向斜面，可以在两个压拉转载机
构之间形成楔形凹槽，同时，使楔形加载块下端的两侧开设有加载斜面，可以使施加于楔形加载块顶部的竖向荷载转化为横向作用于两个压拉转载机构的横向荷载，这样，便能将作用于楔形加载块顶部的压缩荷载转换为作用于环形岩芯内表面的一对拉伸荷载，从而不需采用粘结或夹持的方式即可以对岩样施加纯拉伸荷载，避免了现有直接拉伸测试方法中易在粘结处发生粘结破坏或在夹持处由于应力集中发生夹持破坏而导致试验失败的情况发生，同时本发明中由于拉伸荷载是通过与待测环形岩芯内表面相匹配的环形加载头进行施加，避免了粘结或夹持法直接拉伸测试中偏心拉伸的问题。此外，由于本发明仅需试验机提供压缩荷载，对测试设备要求较低，试验机不需要具备拉伸功能，能够广泛适用于各种规格的万能试验机，即可实现岩石的静态直接拉伸强度测试。同时，本发明还可以安装于落锤试验机中，可以将落锤下落形成的冲击力转换为动态拉伸力，从而还可以获得岩石的动态直接拉伸强度。本发明提供了利用压拉转换加载的环形岩芯静动态直接拉伸强度测试装置，该装置结构简单、操作方便，便于推广应用于各种常规岩石力学试验机中，同时，能够实现直接拉伸条件的岩石抗拉强度测试，真实的反应了岩石的抗拉强度，可以有效提高抗拉强度参数测试的准确度。
19.本发明提供了一种环形岩芯静动态直接拉伸强度测试方法，包括以下步骤：
20.步骤一：将取得的岩芯加工成环形岩芯；
21.步骤二：先将支撑底板通过紧固螺栓固定在岩石力学压力试验机平台上，以将底部支撑座进行固定；再通过连接螺栓一将两个固定承载台分别固定连接在两个支撑顶板的上端；然后使两个压拉转载机构滑动的装配在两个固定承载台上，并使两个压拉转载机构的里端处于相互抵接的初始位置；
22.步骤三：将制备好的环形岩芯套装于两个压拉转载机构上加载头所围合形成的圆形加载环的外部，并保证环形岩芯与圆形加载环同轴，然后将楔形加载块置于两个压拉转载机构上转载块之间所形成的楔形凹槽内，并确保楔形加载块的上端处于水平位置；
23.步骤四：开启压力试验机在楔形加载块顶部施加压缩荷载，楔形加载块将压缩荷载p通过压拉转载机构转换为作用于环形岩芯内表面的一对对称拉伸荷载t，通过记录压力试验机所施加的竖向压力与竖向位移，即可得到环形岩芯所受的水平拉力和水平拉伸位移，通过公式(1)计算得到岩石的抗拉强度σ
t
；
[0024][0025]
式中：p是环形岩芯张拉破裂时的最大压缩荷载，单位为n；t是环形岩芯的厚度，单位为m；do是环形岩芯的外圆环半径，单位为m；di是环形岩芯的内圆环半径，单位为m。
[0026]
本发明步骤简单，可以将竖向的压力转换为作用于环形岩芯内表面的两个水平向的拉力，从而使环形岩芯发生直接拉伸破坏，这样，可以有效的对岩样进行水平方向上的抗拉强度进行直接测试，克服了现有直接拉伸测试中粘结失效、应力集中和偏心拉伸的技术难题，能够更准确的获取岩石的抗拉强度参数；同时，本发明操作方便，能够适用于各种常规岩石力学试验机，具有较大的推广应用价值。
附图说明
[0027]
图1是本发明的结构示意图；
[0028]
图2是本发明与环形岩芯相连接的装配示意图；
[0029]
图3是本发明去掉楔形加载块和右侧的压拉转载机构后的结构示意图；
[0030]
图4是本发明中压拉转载机构的结构示意图；
[0031]
图5是本发明中底部支撑座的结构示意图；
[0032]
图6是本发明中底部支撑座与两个固定承载台的装配示意图；
[0033]
图7是本发明中楔形加载块的结构示意图；
[0034]
图8是本发明中转载块的结构示意图。
[0035]
图中：1、底部支撑座，2、支撑底板，3、楔形加载块，4、固定承载台，5、支撑顶板，6、立式支架，7、固定导轨，8、压拉转载机构，9、滑动承载台，10、滑槽，11、转载块，12、加载单元，13、导向斜面，14、条形连接块，15、加载头，16、加载斜面，17、环形岩芯，18、螺栓孔一，19、螺栓孔二，20、螺栓孔三，21、限位块，22、竖向平面，23、转载支撑板，24、加载块。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0037]
如图1至图8所示，本发明提供了一种环形岩芯静动态直接拉伸强度测试装置，包括底部支撑座1、固定承载台4、压拉转载机构8和楔形加载块3；所述底部支撑座1的长度方向沿左右方向延伸；
[0038]
所述固定承载台4水平的设置，其上端固定连接有左右方向延伸的固定导轨7，固定导轨7的左右两端与固定承载台4的左右两端相平齐的设置，且固定导轨7位于固定承载台4宽度方向的中心；两个固定承载台4左右相间隔的固定连接在底部支撑座1上端的左部和右部；
[0039]
所述压拉转载机构8的数量为两个，压拉转载机构8由滑动承载台9、转载块11和加载单元12组成；所述滑动承载台9水平的设置，其下端开设有左右方向延伸的滑槽10；所述转载块11固定连接在滑动承载台9里端的上部，其里端设置有外高里低的导向斜面13，作为一种优先，所述转载块11由位于底部的转载支撑板23和固定连接在转载支撑板23上端的加载块24组成，所述导向斜面13形成于加载块24的里端；作为一种优选，转载支撑板23与加载块24为一体式结构；所述加载单元12由条形连接块14和半圆形的加载头15组成；所述条形连接块14的前端固定连接在转载块11里端的后端面上；所述加载头15的里端与条形连接块14的后端固定连接；两个压拉转载机构8左右相对的设置在两个固定承载台4的上方，且滑动承载台9通过滑槽10滑动的套装在固定导轨7上，以实现压拉转载机构8与固定承载台4在左右方向上的滑动配合；两个压拉转载机构8滑动到相接触的状态时，两个加载头15形成一个圆形的加载环；作为一种优选，为了使该加载头15能适应不同内径的环形岩芯17，还可以设置半圆环形垫板，半圆环形垫板的内径与加载头15的外径相适配，并贴合的设置在加载头15的外表面，半圆环形垫板的数量为两个，且左右相对的设置在两个加载头15的外表面。
[0040]
所述楔形加载块3的上端为平面结构，其下端左侧和右侧相对称的开设有外高里低的两个加载斜面16，两个加载斜面16的底端相交形成v字形结构；楔形加载块3的下端设置在两个转载块11的上端之间，且两侧的加载斜面16分别与两个转载块11的导向斜面13滑
动配合。作为一种优选，楔形加载块3的左端上部和右端上部均设有竖向平面22，且竖向平面22的下端与加载斜面16的上端相连接。
[0041]
作为一种优选，所述底部支撑座1由支撑底板2、两块支撑顶板5和两个立式支架6组成，两块支撑顶板5左右相对的设置在支撑底板2上方的左部和右部；两个立式支架6对应的设置在两个支撑顶板5的下方，且立式支架6的上端与支撑顶板5的下端面固定连接，立式支架6的下端与支撑底板2的上端面固定连接；支撑底板2上端的中部在两个立式支架6之间固定连接有限位块21，所述限位块21的高度低于立式支架6的高度。
[0042]
为了方便装配和分离，所述支撑底板2上于周边开设有与压力试验机平台相匹配的螺栓孔一18；支撑顶板5上开设有多个螺栓孔二19；所述固定承载台4上开设有多个螺栓孔三20，且通过穿设于螺栓孔三20和螺栓孔二19中的连接螺栓一与底部支撑座1固定连接。
[0043]
为了方便装配和分离，所述滑动承载台9上开设有多个螺栓四；所述转载块11上开设有多个螺栓孔五，并通过穿设于螺栓孔四和螺栓孔五中的连接螺栓二与滑动承载台9固定连接。
[0044]
为了确保压拉转载机构与固定承载台之间滑动配合的稳定性和可靠性，所述固定导轨7和滑槽10的断面均呈燕尾形。
[0045]
为了保证可靠的连接强度，所述条形连接块14的后端延伸到加载头15内弧面的后端，且条形连接块14的后端固定连接在加载头15的内弧面中部。
[0046]
作为一种优选，所述条形连接块14和加载头15为一体式结构。
[0047]
为了能够在测试的过程中，能够平缓的施加竖向荷载，所述导向斜面13和加载斜面16的倾斜角度相一致。
[0048]
本发明中，通过底部支撑座的设置，可以为测试装置提供稳定可靠的支撑；在底部支撑座的上端固定连接带有固定导轨的固定承载台，并在压拉转载机构中滑动承载台的底部开设有与固定导轨相配合的滑槽，可以实现压拉转载机构与固定承载台在左右方向上的横向滑移；通过在压拉转载机构中转载台的里端开设有导向斜面，可以在两个压拉转载机构之间形成楔形凹槽，同时，使楔形加载块下端的两侧开设有加载斜面，可以使施加于楔形加载块顶部的竖向荷载转化为横向作用于两个压拉转载机构的横向荷载，这样，便能将楔形加载块顶部所受的压缩荷载转换为作用于环形岩芯内表面的一对拉伸荷载，从而不需采用粘结或夹持的方式即可以对岩样施加纯拉伸荷载，避免了现有直接拉伸测试方法中易在粘结处发生粘结破坏或在夹持处由于应力集中发生夹持破坏而导致试验失败的情况发生，同时本发明中由于拉伸荷载是通过与待测环形岩芯内表面相匹配的环形加载头进行施加，避免了粘结或夹持法直接拉伸测试中偏心拉伸的问题。此外，由于本发明仅需试验机提供压缩荷载，对测试设备要求较低，试验机不需要具备拉伸功能，能够广泛适用于各种规格的万能试验机，即可实现岩石的静态直接拉伸强度测试。同时，本发明还可以安装于落锤试验机中，可以将落锤下落形成的冲击力转换为动态拉伸力，从而还可以获得岩石的动态直接拉伸强度。本发明提供了利用压拉转换加载的环形岩芯静动态直接拉伸强度测试装置，该装置结构简单、操作方便，便于推广应用于各种常规岩石力学试验机中，同时，能够实现直接拉伸条件的岩石抗拉强度测试，真实的反应了岩石的抗拉强度，可以有效提高抗拉强度参数测试的准确度。
[0049]
本发明还提供了一种环形岩芯静动态直接拉伸强度测试方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤一：将取得的岩芯加工成厚度为40～50mm，内外径分别为50～70mm和70～140mm的环形岩芯17；
[0051]
步骤二：先将支撑底板2通过紧固螺栓固定在岩石力学压力试验机平台上，以将底部支撑座1进行固定；再通过连接螺栓一将两个固定承载台4分别固定连接在两个支撑顶板5的上端；然后使两个压拉转载机构8滑动的装配在两个固定承载台4上，并使两个压拉转载机构8的里端处于相互抵接的初始位置；
[0052]
步骤三：将制备好的环形岩芯17套装于两个压拉转载机构8上加载头15所围合形成的圆形加载环的外部，并保证环形岩芯17与圆形加载环同轴，然后将楔形加载块3置于两个压拉转载机构8上转载块11之间所形成的楔形凹槽内，并确保楔形加载块3的上端处于水平位置；
[0053]
步骤四：开启压力试验机在楔形加载块3顶部施加压缩荷载，楔形加载块3将压缩荷载p通过压拉转载机构8转换为作用于环形岩芯17内表面的一对对称拉伸荷载t，通过记录压力试验机所施加的竖向压力与竖向位移，即可得到环形岩芯17所受的水平拉力和水平拉伸位移，通过公式1计算得到岩石的抗拉强度σ
t
；
[0054][0055]
式中：p是环形岩芯17张拉破裂时的最大压缩荷载，单位为n；t是环形岩芯17的厚度，单位为m；do是环形岩芯17的外圆环半径，单位为m；di是环形岩芯17的内圆环半径，单位为m。
[0056]
本发明步骤简单，可以将竖向的压力转换为作用于环形岩芯内表面的两个水平向的拉力，从而使环形岩芯发生直接拉伸破坏，这样，可以有效的对岩样进行水平方向上的抗拉强度进行直接测试，克服了现有直接拉伸测试中粘结失效、应力集中和偏心拉伸的技术难题，能够更准确的获取岩石的抗拉强度参数；同时，本发明操作方便，能够适用于各种常规岩石力学试验机，具有较大的推广应用价值。