專(zhuān)利名稱(chēng)：圍壓下巖樣直接拉伸試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種進(jìn)行圍壓下巖樣直接拉伸試驗(yàn)裝置，可進(jìn)行在不同圍 壓下巖樣直接拉伸強(qiáng)度的測(cè)定，研究巖石材料在圍壓作用下直接拉伸強(qiáng)度特性。
(二) .
背景技術(shù)：
巖石是非均質(zhì)材料，內(nèi)部含有微裂隙、孔隙等缺陷。由于微裂隙、孔隙等缺 陷不能承受拉應(yīng)力，使得巖石抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度。而受拉破壞是工程 巖體及自然界巖體的主要破壞形式之一。巖體工程的失效往往是從巖石局部受 拉破壞開(kāi)始的。地下工程圍巖體多處于三向應(yīng)力狀態(tài)，在工程開(kāi)挖卸荷后，圍 巖體內(nèi)在某方向上可能產(chǎn)生兩向受壓一向受拉的應(yīng)力狀態(tài)，因而需要研究巖石 在壓、拉組合應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度特征。
目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)巖石材料進(jìn)行的多為壓縮狀態(tài)下的試驗(yàn)研究，而對(duì)于拉伸狀 態(tài)下的試驗(yàn)研究相對(duì)較少，多是采用巴西圓盤(pán)劈裂、彎曲拉伸以及水壓致裂等 間接拉伸的方法。巖樣的直接拉伸試驗(yàn)，由于試驗(yàn)條件要求較高和實(shí)施困難， 巖樣在拉伸狀態(tài)下研究成果與壓縮狀態(tài)下研究成果的要明顯偏少。部分采用特 制巖樣和夾具而進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的嘗試，由于巖樣加工的困難和保持夾具拉力與 巖樣軸心線(xiàn)重合相當(dāng)困難，試驗(yàn)效果不佳；使得直接拉伸狀態(tài)下的試驗(yàn)研究相 對(duì)于巖樣受壓狀態(tài)下的研究成果仍顯不足。有鑒于此，有必要采用更多的試驗(yàn) 方法研究巖樣拉應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度特征，為實(shí)際地下工程設(shè)計(jì)方案及支護(hù)參數(shù) 提供依據(jù)。
直接單向拉伸試驗(yàn)已有的巖樣直接拉伸結(jié)果多是單向拉伸，且數(shù)量有限。一種方法是將巖石加工成"8"字形試塊，利用特殊夾具夾緊后施加拉伸載荷， 拉斷時(shí)的極限載荷除以試樣中部橫斷面面積即為巖樣的抗拉強(qiáng)度。使用該方法 進(jìn)行單軸直接拉伸試驗(yàn)時(shí)，由于夾具內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力過(guò)于集中，常引起試樣兩端 破裂，造成試驗(yàn)失敗。另一種方法是將巖石加工成標(biāo)準(zhǔn)巖樣，利用特殊拉頭 與巖樣之間用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)，施加拉伸載荷將巖樣拉斷，拉斷時(shí)的極限載荷除以 試樣斷面面積即為巖石的抗拉強(qiáng)度，使用該方法進(jìn)行單軸直接拉伸試驗(yàn)時(shí)，由 于拉伸時(shí)很難做到拉力與巖樣的軸線(xiàn)同心，容易造成偏載受力，往往造成試驗(yàn) 失敗，即使成功，數(shù)據(jù)的離散程度也很大。
限制性直接拉伸試驗(yàn)限制性直接拉伸試驗(yàn)則是另一種直接拉伸的試驗(yàn)方 法，該試驗(yàn)采用"狗骨"形狀的巖樣，巖樣中間部位為弧形，其表面加工難度 困難，兩端加工精度要求很高，制備巖樣較為困難，使試驗(yàn)難度較大，除此種 試驗(yàn)條件下，巖樣除受到軸向拉伸應(yīng)力外，還受到q^CJ2二P的側(cè)向壓應(yīng)力。因 此，所得到拉伸強(qiáng)度是一定圍壓下的抗拉強(qiáng)度。該方法試驗(yàn)時(shí)巖樣并非承載均 勻應(yīng)力，密封處承受剪切應(yīng)力，局部的不平整，還會(huì)引起應(yīng)力集中，似乎難以 實(shí)際應(yīng)用。
間接拉伸試驗(yàn)主要有圓盤(pán)劈裂試驗(yàn)、彎曲拉伸試驗(yàn)、水壓致裂試驗(yàn)等方法。 其中圓盤(pán)劈裂試驗(yàn)是常用的一種間接拉伸試驗(yàn)，亦稱(chēng)巴西劈裂試驗(yàn)，也是國(guó)際 巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議采用的一種巖石抗拉強(qiáng)度測(cè)試方法。巖樣采用圓盤(pán)試樣，圓 盤(pán)試樣徑向受到集中載荷P的作用下，在圓盤(pán)試樣的加載直徑上有均勻拉應(yīng)力 Ox，同時(shí)在圓盤(pán)中心處有與Ox垂直的壓應(yīng)力Oy:
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式中尸為破壞載荷，D—圓盤(pán)直徑，丄一圓盤(pán)厚度，由于巖石抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于 其抗壓強(qiáng)度，在集中載荷P作用下，圓盤(pán)會(huì)沿直徑方向產(chǎn)生張拉破壞。對(duì)于劈 裂試驗(yàn)， 一些學(xué)者認(rèn)為其結(jié)果并不能真實(shí)地反映巖石的抗拉強(qiáng)度，材質(zhì)較硬的
巖石， 一般偏低約50 100%;而軟巖和層狀巖石則偏高很多。
上述各種巖石試樣的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法，都在試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐中得到 不同程度的應(yīng)用。不同間接試驗(yàn)方法使用的原理各不相同，使得試驗(yàn)結(jié)果也不 盡相同，使試驗(yàn)得出的抗拉強(qiáng)度結(jié)果與真實(shí)值之間存在較大誤差。由于直接單 軸拉伸試驗(yàn)難度較大，而各種間接測(cè)定的方法，相對(duì)比較簡(jiǎn)單易行，在試驗(yàn)研 究和工程實(shí)踐中得到更為廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，這些方法也有不少問(wèn)題存在。如 劈裂試驗(yàn)的基本原理，是假定試樣為均質(zhì)的、各向同性的和線(xiàn)彈性的脆性體。 對(duì)于塑性較大的非脆性巖石，試樣結(jié)果將會(huì)引起較大的誤差。因此,'對(duì)于抗拉 強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們也在不斷的進(jìn)行試驗(yàn)研究。鑒于目前圍壓作用 下的直接拉伸試驗(yàn)進(jìn)行較少，相關(guān)研究成果也不多見(jiàn)的狀況，進(jìn)行更多直接拉 伸下的巖樣力學(xué)試驗(yàn)，研究巖樣在不同圍壓條件下拉伸強(qiáng)度特征研究顯得非常 必要。 (三).發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有上述巖樣拉伸強(qiáng)度測(cè)試方法的不足，本實(shí)用新型提供一種能 夠進(jìn)行圍壓下巖樣直接拉伸試驗(yàn)裝置，可進(jìn)行不同圍壓下巖石的拉伸強(qiáng)度的測(cè) 定，研究巖石材料在圍壓作用下直接拉伸強(qiáng)度特性。
為實(shí)現(xiàn)上述目的， 一是巖樣應(yīng)處于一個(gè)可以提供圍壓的試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)，其受 力狀態(tài)是兩向受壓一向受拉；二是巖樣所受的圍壓應(yīng)是可以變化的，以滿(mǎn)足試 驗(yàn)的研究目的，得出不同圍壓對(duì)巖樣拉伸承載能力的影響。
圍壓下直接拉伸的試驗(yàn)裝置主要由液壓缸和T型壓拉頭等部件組成，其
特征是所述圓柱型巖樣兩端用高強(qiáng)度膠與T型壓拉頭的小頭粘結(jié)，利用油壓 對(duì)巖樣的側(cè)面施加圍壓的同時(shí)，T型壓拉頭的環(huán)形受壓對(duì)巖樣施加拉力進(jìn)行圍 壓下直接拉伸試驗(yàn)。
所述圓柱型巖樣為巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的直徑為50mm，高度為100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣；T型壓拉頭由金屬制成的兩端直徑不同，大頭直徑與液壓缸 直徑配合，小頭直徑與巖樣直徑相同。
所述液壓缸由金屬制成，其內(nèi)徑與T型壓拉頭的大頭配合，長(zhǎng)度小于巖樣和
兩個(gè)T型壓拉頭粘結(jié)后的總長(zhǎng)，液壓缸同側(cè)上、下兩端處分別開(kāi)孔作為進(jìn)油口 和排氣口，使液壓油能順利的進(jìn)入和排出液壓缸，提供試驗(yàn)所需圍壓；設(shè)計(jì)具 有兩個(gè)大小不同直徑的T型壓拉頭，使壓拉頭小端面與巖樣的端面粘結(jié)，壓拉 頭大端與液壓缸通過(guò)O型圈密封，利用T型壓拉頭兩端直徑的差異，液壓作用 在環(huán)形的力提供軸向拉應(yīng)力；試驗(yàn)時(shí)首先在T型壓頭兩端由試驗(yàn)機(jī)施加恒定軸 向載荷，然后不斷增加液壓缸內(nèi)的壓力，最終拉伸載荷達(dá)到巖樣拉伸強(qiáng)度極限 時(shí)，巖樣被拉斷。通過(guò)改變軸向載荷的大小使巖樣獲得不同圍壓條件下的抗拉 強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)巖樣在不同圍壓下的拉伸試驗(yàn)。
試驗(yàn)的控制參數(shù)是軸向荷載尸，F(xiàn)增大巖樣破壞時(shí)的圍壓尸增大。只要改變 F就可以得到不同圍壓下的巖樣的抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí)保持F恒定增加圍壓尸使巖 樣破壞。巖樣在圍壓/3、軸向載荷F下斷裂時(shí)，巖樣的拉伸強(qiáng)度為
式中Z^80mm為拉壓頭大徑(缸筒內(nèi)徑)；^=50咖為拉壓頭小徑(試樣直徑)。 (四).

圖1是本實(shí)用新型原理圖。 圖2是T型壓拉頭結(jié)構(gòu)圖。
圖3是液壓缸結(jié)構(gòu)圖。
圖1中l(wèi).T型上壓拉頭，2.上O型圈，3.高性能結(jié)構(gòu)膠，4.巖樣，5.乳 膠套，6.液壓缸，7.T型下壓拉頭，8.下O型圈，9.排氣口， IO.進(jìn)油口。
(五).具體實(shí)施方式
使用本實(shí)用新型進(jìn)行不同圍壓下巖樣直接拉伸試驗(yàn)在圖1所示中按如下 步驟進(jìn)行試驗(yàn)操作
第一步，巖樣制作與處理按照巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程加工標(biāo)準(zhǔn)圓柱形巖樣(4)， 巖樣兩端面用脫脂藥棉蘸四氯化碳反復(fù)清洗后風(fēng)干。
第二步，T型壓拉頭(l)的預(yù)處理首先用120目砂紙輕輕打磨壓拉頭(l)、 (7)的小頭，再用脫脂藥棉蘸四氯化碳反復(fù)清洗后風(fēng)干。
第三步，粘結(jié)巖樣(4):將試樣(4)利用高性能結(jié)構(gòu)膠(3)與T型下壓 拉頭(7)粘結(jié)；固結(jié)后從上方置入乳膠套(5)和0型圈(2);然后將其放入液
壓缸(6)再粘結(jié)T型上壓拉頭(1);固結(jié)后取出巖樣用乳膠套(5)和0型圈(2)封閉。
第四步，安放巖樣(4):把粘結(jié)密封好的巖樣(4)重新放入液壓缸(9)內(nèi)，放入時(shí) 應(yīng)在上壓拉頭(1)、下壓拉頭(7)的密封槽內(nèi)放入密封圈(8),使液壓缸內(nèi)形成一個(gè)封閉的系統(tǒng)。 第五步，連接液壓源液壓泵與液壓缸(6)下端進(jìn)油口 (10)之間用高壓油
管連接，排氣管與液壓缸上端排氣口 (9)連接。
第六步，安放液壓缸將液壓缸(6)連同巖樣(4) 一起放入壓力試驗(yàn)機(jī)
上、下承壓板之間。
第七步，注油排氣啟動(dòng)液壓泵向液壓缸注油排氣后，關(guān)閉截止閥。 第八步，加載試驗(yàn)啟動(dòng)巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)并對(duì)試樣施加一定的軸向載荷后，
啟動(dòng)圍壓油泵緩緩施加圍壓直到巖樣(4)破壞。
第九步，關(guān)閉液壓泵和試驗(yàn)機(jī)，取出巖樣后進(jìn)行不同軸向載荷下的圍壓重
復(fù)性試驗(yàn)。
第十步，試驗(yàn)結(jié)果整理。
權(quán)利要求1.一種進(jìn)行圍壓下巖樣直接拉伸試驗(yàn)裝置，主要有液壓缸(6)和T型壓拉頭(1)等部件組成，其特征是所述圓柱型巖樣(4)兩端用高強(qiáng)度膠與T型壓拉頭(1)的小頭粘結(jié)，利用油壓對(duì)巖樣的側(cè)面施加圍壓的同時(shí)，T型壓拉頭(1)的環(huán)形受壓對(duì)巖樣(4)施加拉力進(jìn)行圍壓下直接拉伸試驗(yàn)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圍壓下巖樣直接拉伸試驗(yàn)裝置，其特征是所述 圓柱型巖樣(4)為巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的直徑為50mm，高度為100mm的 標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，'所述T型壓拉頭(1)由金屬制成的兩端直徑不同，大頭直徑 與液壓缸直徑配合，小頭直徑與巖樣(4)直徑相同。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述圍壓下巖樣直接拉伸試驗(yàn)裝置，其特征是所述液 壓缸(6)由金屬制成，其內(nèi)徑與T型壓拉頭(1)的大頭配合，長(zhǎng)度小于巖樣和 兩個(gè)T型壓拉頭(1)粘結(jié)后的總長(zhǎng)，上端設(shè)置排氣口，下端設(shè)置進(jìn)油口。
專(zhuān)利摘要一種能夠進(jìn)行不同圍壓下巖樣直接拉伸試驗(yàn)裝置，該裝置主要由液壓缸和T型壓拉頭等部件組成，其特征是圓柱型巖樣兩端用高強(qiáng)度膠與T型壓拉頭的小頭粘結(jié)，將粘結(jié)好的巖樣放入液壓缸內(nèi)，液壓泵向液壓缸充油排氣，使用巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖樣施加恒定軸向載荷F，液壓泵向液壓缸內(nèi)緩緩注油，油壓對(duì)巖樣的側(cè)面施加圍壓的同時(shí)，T型壓拉頭的環(huán)形受壓對(duì)巖樣施加拉力將巖樣拉斷，通過(guò)改變軸向載荷F就可以得到不同圍壓下巖樣直接拉伸強(qiáng)度，研究巖石材料在圍壓作用下直接拉伸強(qiáng)度特性。
文檔編號(hào)G01N3/10GK201196615SQ20072012846
公開(kāi)日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2007年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月26日
發(fā)明者尤明慶, 蘇承東 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)