三轴渗流作用下岩石直接拉伸试验设备及其试验方法

1.本发明属于三轴应力下岩石拉伸试验技术领域，尤其是一种三轴渗流作用下岩石直接拉伸试验设备及其试验方法。


背景技术：

2.岩石的抗压、抗拉、抗剪等3大类力学参数的测试，是所有岩石工程建设中均不可缺少的。对岩石试样进行拉伸试验是了解岩石承受拉荷载能力的重要手段，岩石的抗拉强度值作为工程建设中的基础力学参数之一，对工程设计计算十分重要。目前用于岩石的抗拉强度值测定的方法主要有间接拉伸法和直接拉伸法2种。
3.间接拉伸法又称为巴西劈裂法，因为操作简便，普适性性广，在所有常规材料压缩力学试验机上均可完成，该方法也是国家标准《工程岩体试验方法标准》中唯一推荐的测试方法。虽然巴西劈裂法是isrm和《工程岩体试验方法标准》中都普遍推荐的测试方法，但具体测试方法又不尽相同，又可分为直接加载法、垫条法、弧形加载法。
4.《工程岩体试验方法标准》中推荐的方法是在试件和压头之间添加金属垫条，对于软岩则在试件和压头间添加软木垫，虽然是为了保证压头传递到试件端部的是线性集中荷载，但仍未解决脆性岩石端部易碎的问题，且研究表明该方法所得岩石抗拉强度偏小。
5.isrm中推荐将压头和试件接触处设置为弧形，虽然该方法保证了试件端部为弧形受压区，在一定程度上降低了试件端部破碎的风险，但该方法要求压头弧度需与样品尺寸匹配，不仅普适性不高，而且会导致所得抗拉强度偏高。虽然该方法操作简单，在所有材料压缩力学试验机上均可开展，但整体而言还存在以下不足：(1)受端部加载区影响，测得的抗拉强度的准确性较低仍是不可回避的问题；(2)在劈裂过程中，难以保证劈裂面一定沿着预定加载面；(3)无法保证劈裂面一定是承载能力最小的破坏面，尤其是对于存在明显层理及缺陷的岩石。故而间接测定所测得的抗拉强度值不能完全反映真实情况。
6.为解决间接拉伸测试结果不能完全反映真实情况的难题，直接拉伸方法被用来测试岩石抗拉力学性能。但是，直接拉伸法因为对试验设备拉伸功能具有较高要求，导致无法利用普通压缩力学试验机进行试验而适用性较低。为测试不同条件下岩石的抗拉力学性能，申请人结合国际上最先进的mts815岩石力学试验系统的直接拉伸功能，解决了测试中存在的部分难题，分别获得了zl200610022224.8、us7624647b2、zl201510068200.5、zl201510068186.9、us9488560b2、us9488559b2等多项发明专利授权。然而，对于直接拉伸法岩石力学性能测试，仍存在以下不足：(1)对力学测试设备的性能要求高，在常规材料试验机开展，故而推广普适性较低；(2)利用mts815试验机进行直接拉伸试验，在试验过程中的拆卸组装加载部件非常繁琐，需要多人协同完成，整个过程费时费力；(3)需拆卸组装的加载部件均为钢材模块，体积大、重量重，拆装过程存在导致设备损坏或人员受伤的严重安全隐患；(4)直接拉伸的安装测试过程较为繁琐，需要至少2人配合完成，仍需耗费大量人工；(5)测试中因需要使用多个加载垫块堆砌及2个长的加载链条分别与岩石2拉伸端部连接，导致易出现偏心拉伸力而影响测试结果；(6)目前均无法实现渗流作用下的岩石直接拉
伸试验。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种三轴渗流作用下岩石直接拉伸试验设备及其试验方法，可以保证沿着试样承载力最低的部位发生破坏，保证测量准确性的同时降低试验成本，并且可用于渗流作用下的岩石直接拉伸试验。
8.本发明的目的是这样实现的：三轴渗流作用下岩石直接拉伸试验设备，包括试样和支撑架，所述支撑架的顶部固定设置有顶板，所述顶板的上方设置有受力板，所述受力板上设置有多根竖直的传力杆，所述传力杆竖直贯穿顶板并与顶板滑动配合，且所述传力杆的下端设置有拉伸底座，所述拉伸底座的顶部设置有下部夹持器，所述顶板的底部设置有上部夹持器，所述上部夹持器的夹持中心与下部夹持器的夹持中心重合；所述试样的上端固定于上部夹持器，且试样的上端面设置有渗流流出孔，所述上部夹持器内设置有渗流流出通道，所述渗流流出通道的一端与渗流流出孔相连，另一端与外部相通；所述试样的下端固定于下部夹持器，试样的下端面设置有渗流流入孔，所述下部夹持器内设置有渗流进入通道，所述渗流进入通道的一端与渗流流入孔相连，另一端与外部相通。
9.进一步地，所述支撑架包括底座和竖直设置在底座上的多根立柱，所述顶板通过第一固定螺母固定于立柱的上部。
10.进一步地，所述拉伸底座通过第二固定螺母固定于传力杆的下端。
11.进一步地，所述拉伸底座上设置有与拉伸底座滑动配合的下部球头，所述下部夹持器固定安装于下部球头；所述顶板上设置有与顶板滑动配合的上部球头，所述上部夹持器固定安装于上部球头。
12.进一步地，所述下部夹持器通过下部插销安装于下部球头，所述上部夹持器通过上部插销安装于上部球头。
13.进一步地，所述渗流流出孔内设置有流出端封通器，所述流出端封通器与渗流流出孔的侧壁之间设置有流出端封通器密封圈；所述渗流流入孔内设置有流入端封通器，所述流入端封通器与渗流流入孔的侧壁之间设置有流入端封通器密封圈。
14.进一步地，所述渗流流出通道通过渗流流出端接头与外部相通；所述渗流进入通道通过渗流进入端接头与外部相通。
15.三轴渗流作用下岩石直接拉伸试验设备的试验方法，将试样的一端通过强力胶水粘接在下部夹持器，试样的另一端通过强力胶水粘接在上部夹持器，并将油压保护热缩膜固定在下部夹持器、试样以及上部夹持器的外壁，然后将整个岩石拉伸试验装置置于压力室内，将渗流流出通道与渗流流出管道相连，将渗流进入通道与渗流流入管道相连；通过向压力室内充油以施加三轴侧向压缩应力，通过渗流流入管道通入一定压力的渗流介质从而产生渗流，通过试验机压头对受力板施加压缩载荷，压缩载荷经传力杆传递至拉伸底座，拉伸底座则在试样上形成拉伸载荷，拉伸载荷的大小等于材料压缩力学试验机施加的压缩载荷；当试样被破坏后，关闭进入渗流流入管道的流体，将压力室内的油抽回，拆下渗流流出管道和渗流流入管道。
16.进一步地，试验前拆下下部夹持器和上部夹持器，试验时，将试样的一端通过强力胶水粘接在下部夹持器，试样的另一端通过强力胶水粘接在上部夹持器，然后利用上部插
销将上部夹持器连接到上部球头利用下部插销将下部夹持器连接到下部球头。
17.本发明的有益效果是：1、本发明只需要有常规材料试验机即可开展岩石拉伸试验，无需增设单独的拉伸试验设备，普适性广，克服了传统直接拉伸法设备成本高的缺陷。
18.2、本发明采用了压转拉的直接拉伸方法，可保证沿着试样承载力最低的部位发生破坏，克服了传统间接拉伸法准确性低的缺陷。
19.3、装置的结构简单，主要由钢结构组成，与同类拉伸试验设备相比，成本低廉；体积小，重量轻，便于移动；操作方便省力，一个人即可开展试验，降低了使用成本；避免因拆装沉重的加载部件可能导致设备意外损坏和操作人员人身安全等事故，安全性高；拉伸结构紧凑，避免了多个部件叠加可能存在的偏心受力问题。
20.4、由于本发明结构紧凑，体积较小，可置于现有三轴试验机压力室内部，解决了岩石直接拉伸测试不能在三轴侧向应力下开展的难题，并且通过在夹持器位置设有渗流组件，解决了岩石直接拉伸测试不能在渗流作用下开展的问题。
附图说明
21.图1是本发明的示意图；
22.图2是本发明上部夹持器处的放大示意图；
23.图3是本发明下部夹持器处的放大示意图；
24.图4是本发明试验时的示意图；
25.附图标记：1—底座；2—立柱；3—顶板；4—第一固定螺母；5—受力板；6—传力杆；7—拉伸底座；8—第二固定螺母；9—下部球头；10—下部插销；11—下部夹持器；12—试样；13—上部夹持器；14—上部插销；15—上部球头；16—油压保护热缩膜；17—流入端封通器；18—流入端封通器密封圈；19—渗流进入通道；20—渗流进入端接头；21—流出端封通器；22—流出端封通器密封圈；23—渗流流出通道；24—渗流流出端接头；25—岩石拉伸试验装置；26—压力室；27—渗流流出管道；28—渗流流入管道。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
27.如图1所示，本发明的三轴渗流作用下岩石直接拉伸试验设备，包括试样12和支撑架，支撑架的顶部固定设置有顶板3，顶板3的上方设置有受力板5，受力板5上设置有多根竖直的传力杆6，传力杆6竖直贯穿顶板3并与顶板3滑动配合，且传力杆6的下端设置有拉伸底座7，拉伸底座7的顶部设置有下部夹持器11，顶板3的底部设置有上部夹持器13，上部夹持器13的夹持中心与下部夹持器11的夹持中心重合。
28.支撑架用于支撑其他部件，可采用各种结构的框架，优选的，支撑架包括底座1和竖直设置在底座1上的多根立柱2，顶板3通过第一固定螺母4固定于立柱2的上部。底座1采用一定厚度的金属板，立柱2可以采用圆柱形的金属杆件，可以是空心管。立柱2的下端可以与底座1焊接，也可以采用螺纹配合等常用的连接方式。立柱2上部设置有外螺纹，可以通过在顶板3上下表面设置第一固定螺母4进行定位，也可以在立柱2上部的外壁设置支撑台阶，顶板3置于支撑台阶上，并在顶板3上表面设置第一固定螺母4，对顶板3进行锁紧。顶板3可拆卸安装，移动时可以将顶板3拆下来，也便于调节顶板3的高度。
29.底座1和顶板3可以是方形、圆形、三角形等形状，如图2所示，优选为圆角三角形。立柱2的数量可以是3根、4根等，优选为3根，可以对顶板3进行更加稳定地定位，稳固定更好。且采用数量较少的立柱2，立柱2之间的空间更大，方便在被测试岩石样品上安装其他测量传感器而预留出可操作的空间。
30.受力板5直接受到压缩载荷，受力板5、传力杆6以及拉伸底座7组成将压缩载荷转换为拉伸载荷的拉伸架，传力杆6的上端可以与受力板5焊接连接，也可以采用螺纹连接、采用螺钉连接或者采用定位销连接等方式。受力板5与拉伸底座7可以是三角形、矩形等形状，优选为圆形，传力杆6共3根，可实现稳定传递载荷，可防止拉伸架倾斜。传力杆6下端设置有外螺纹，拉伸底座7通过第二固定螺母8固定于传力杆6的下端，以便于拆卸。
31.受力板5位于顶板3的上方，且受力板5与顶板3之间具有适当的间距，以确保受力板5受到压缩载荷后可以将载荷传递至传力杆6。传力杆6与顶板3滑动配合，且配合间隙尽可能的小，以保证压缩载荷沿着传力杆6竖直向下传递。
32.上部夹持器13和下部夹持器11用于夹持岩石试样12，上部夹持器13和下部夹持器11上均设置有夹持盲槽，夹持盲孔可以是圆形槽或者方形槽，根据试样12的形状确定。上部夹持器13和下部夹持器11可分别直接安装于顶板3和拉伸底座7，作为优选的实施方式，拉伸底座7上设置有与拉伸底座7滑动配合的下部球头9，下部夹持器11固定安装于下部球头9；顶板3上设置有与顶板3滑动配合的上部球头15，上部夹持器13固定安装于上部球头15。
33.下部球头9和上部球头15均设置有半球形的弧形表面，同时顶板3上设置有与上部球头15弧形表面配合的槽，拉伸底座7上设置有与下部球头9弧形表面配合的槽，使得下部球头9和上部球头15可以在一定的角度范围内灵活转动。试样12加工后不可能完全确保两个端面与试样12轴线垂直，将上下部夹持器11和上部夹持器13分别与试样12的上下端面粘接后，会导致拉伸荷载的轴线不可能完全与试样12的轴线重合，若存在一定夹角，则会导致偏心荷载，影响结果。设置下部球头9和上部球头15后，试验时，如果拉伸荷载的轴线偏离完试样12的轴线，下部球头9和上部球头15可以在载荷的作用下自动转动，使得载荷方向与试样12的轴向保持一致，从而确保测试结果的准确性。
34.下部夹持器11可焊接于下部球头9，优选的，下部夹持器11通过下部插销10安装于下部球头9，上部夹持器13通过上部插销14安装于上部球头15。插销连接可以方便快速地拆装，在试验时，可以先拔出上部插销14和下部插销10，取下下部夹持器11和上部夹持器13，将试样12的两端分别固定在下部夹持器11和上部夹持器13后，再通过插销将下部夹持器11和上部夹持器13分别连接到下部球头9和上部球头15。这样安装试样12更加方便，可以确保试样12安装稳定、牢固，且安装的位置精度较高，保证测量的准确性。此外，可以更换用于不同形状和尺寸的试样12固定的下部夹持器11和上部夹持器13，使得本装置可用于各种形状和尺寸的试样12的拉伸试验。
35.为了实现三轴渗流作用下的岩石拉伸试验，在下部夹持器11和上部夹持器13处设置有渗流组件，渗流组件具体如图2和图3所示，试样12的上端面设置有渗流流出孔，上部夹持器13内设置有渗流流出通道23，渗流流出通道23的一端与渗流流出孔相连，另一端与外部相通；试样12的下端面设置有渗流流入孔，下部夹持器11内设置有渗流进入通道19，渗流进入通道19的一端与渗流流入孔相连，另一端与外部相通。
36.试验时，可以通过渗流流入通道19将渗流介质通入渗流流入孔，从而产生渗流，渗
流流出通道23用于将渗流介质排出。由于试样12的上下端面要通过强力胶水粘接固定，为了防止强力胶水进入渗流流出孔和渗流流入孔，渗流流出孔内设置有流出端封通器21，流出端封通器21与渗流流出孔的侧壁之间设置有流出端封通器密封圈22；渗流流入孔内设置有流入端封通器17，流入端封通器17与渗流流入孔的侧壁之间设置有流入端封通器密封圈18。流出端封通器密封圈22和流入端封通器密封圈18均为多个，以保证良好的密封性。
37.为了便于将渗流流出通道23和渗流进入通道19与外部渗流管路相连，渗流流出通道23通过渗流流出端接头24与外部相通；渗流进入通道19通过渗流进入端接头20与外部相通。
38.本发明的三轴渗流作用下岩石直接拉伸试验设备，通过受力板5、传力杆6以及拉伸底座7组成的拉伸架将压缩载荷转换为拉伸载荷，对试样12施加的载荷等同于现有直接拉伸试验的载荷，可保证沿着试样承载力最低的部位发生破坏，克服了传统间接拉伸法准确性低的缺陷。
39.另外，本发明结构简单，成本低，且结构紧凑，体积小，可放入常规的三轴试验机进行渗流试验，三轴试验机包括压力室26，压力室26的顶部设置有压头。
40.上述三轴渗流作用下岩石直接拉伸试验设备的试验方法为：如图4所示，将试样12的一端通过强力胶水粘接在下部夹持器11，试样12的另一端通过强力胶水粘接在上部夹持器13。在固定试样12时，可以不将下部夹持器11和上部夹持器13从试验装置上取下，但这样会导致操作不够方便，试样12的两端与夹持器之间的粘接力难以均匀。因此，本发明优选在试验前拆下下部夹持器11和上部夹持器13，试验时，再将试样12的一端通过强力胶水粘接在下部夹持器11，试样12的另一端通过强力胶水粘接在上部夹持器13，然后利用上部插销14将上部夹持器13连接到上部球头15利用下部插销10将下部夹持器11连接到下部球头9。
41.然后利用热风枪将油压保护热缩膜16固定在下部夹持器11、试样12以及上部夹持器13的外壁，然后将整个岩石拉伸试验装置25置于压力室26内，将渗流流出通道23与渗流流出管道27相连，将渗流进入通道19与渗流流入管道28相连。再向压力室26内充油以施加三轴侧向压缩应力，通过渗流流入管道28通入渗流介质从而产生渗流，渗流介质的大小根据试验要求确定，再通过试验机压头对受力板5施加压缩载荷，压缩载荷经传力杆6传递至拉伸底座7，拉伸底座7则在试样12上形成拉伸载荷，拉伸载荷的大小等于材料压缩力学试验机施加的压缩载荷；当试样12被破坏后，关闭进入渗流流入管道的流体，将压力室18内的油抽回，拆下渗流流出管道27和渗流流入管道28，取出试样12。
42.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。