本實(shí)用新型涉及一種利用真三軸試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)巖石雙軸拉壓試驗(yàn)裝置，適用于拉壓應(yīng)力條件下巖石的變形破壞特性研究，屬于巖石力學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)由于地下工程開(kāi)挖卸荷引起的圍巖彈射性破裂的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。巖爆的發(fā)生通常導(dǎo)致人員的傷亡、儀器設(shè)備的毀壞和工期的拖延，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。巖爆發(fā)生機(jī)理極其復(fù)雜，目前尚未有統(tǒng)一的、清楚的理論來(lái)解釋巖爆現(xiàn)象。因此，開(kāi)展室內(nèi)巖爆試驗(yàn)，再現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，詳細(xì)地分析巖爆的發(fā)生過(guò)程，對(duì)推進(jìn)巖爆的破壞機(jī)制研究具有重要意義。當(dāng)前，已有的研究表明，巖爆的孕育過(guò)程可概括為劈裂成板、剪切成塊、板彎折斷、整體彈射等四個(gè)階段。高地應(yīng)力地區(qū)的深埋硬巖隧洞開(kāi)挖后，洞周巖體的受力狀態(tài)為：環(huán)向壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)環(huán)向壓應(yīng)力超過(guò)巖體承載能力時(shí)，將使臨空面周邊的圍巖出現(xiàn)張拉劈裂破壞，在隧洞環(huán)向壓應(yīng)力和向洞內(nèi)發(fā)生徑向變形的作用下，臨空面表層巖體出現(xiàn)張拉劈裂破壞形成薄板，薄板在環(huán)向壓力作用下出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，當(dāng)薄板彎曲到一定程度后，薄板將發(fā)生折斷，導(dǎo)致斷裂的薄板和內(nèi)部的巖塊以一定的初速度彈射出來(lái)，由此形成巖爆。因此，高地應(yīng)力深埋硬巖隧洞開(kāi)挖后，臨空面邊界上板裂后的巖體在洞徑向上受到拉力作用、洞周切向方向受到壓力作用，巖爆的發(fā)生與板裂巖體的特殊受力狀態(tài)密切相關(guān)。此外，在地下水電站廠房中，與巖錨梁相接觸的圍巖、水輪發(fā)電機(jī)組之間的巖墻等巖體往往處于一個(gè)方向受拉而另一垂直方向受壓的狀態(tài)。因而，同時(shí)室內(nèi)試驗(yàn)研究這種雙軸拉壓條件下的巖石力學(xué)特性對(duì)于深部地下隧洞工程的安全性具有重要的理論價(jià)值和工程意義。

目前，雙軸拉壓試驗(yàn)可通過(guò)專(zhuān)門(mén)的彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)發(fā)展較為成熟，具有測(cè)量精度高、對(duì)中精確高的特點(diǎn)。但該類(lèi)試驗(yàn)設(shè)備較為昂貴，維修和使用費(fèi)用較高，使用時(shí)需要專(zhuān)業(yè)的工作人員。此外，彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)主要是用于小尺寸試件的拉壓力學(xué)性能的測(cè)試，所能提供的拉壓應(yīng)力較低，不適用于大尺寸巖石試件的高應(yīng)力拉壓力學(xué)性能測(cè)試。

除了彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)外，也有許多其他用于材料拉壓測(cè)試的裝置。例如：《巖土力學(xué)》2007年11期介紹了一種有側(cè)向壓力的巖石材料動(dòng)態(tài)直接拉伸試驗(yàn)裝置；申請(qǐng)公布號(hào)為：CN101881716A的實(shí)用新型專(zhuān)利介紹了一種定量拉壓試驗(yàn)裝置；授權(quán)公布號(hào)為CN201955268U的專(zhuān)利介紹了一種混凝土雙軸拉壓的加載測(cè)試裝置。上述拉壓試驗(yàn)設(shè)備的形體結(jié)構(gòu)不同，進(jìn)行材料拉壓測(cè)試時(shí)采用測(cè)量方法也相差甚遠(yuǎn)，獲得的結(jié)果也沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

雙軸拉壓試驗(yàn)也可采用真三軸壓力試驗(yàn)機(jī)結(jié)合專(zhuān)門(mén)的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。真三軸壓力試驗(yàn)機(jī)是常用的巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，具有三向獨(dú)立壓縮的功能，用于巖石試驗(yàn)的三向應(yīng)力復(fù)雜狀態(tài)的力學(xué)性能測(cè)試。真三軸壓力試驗(yàn)機(jī)不能直接進(jìn)行雙軸拉壓試驗(yàn)，可通過(guò)專(zhuān)門(mén)配套裝置實(shí)現(xiàn)。

申請(qǐng)公布號(hào)為CN102735542A的實(shí)用新型專(zhuān)利描述了一種混凝土多軸拉壓方法。試驗(yàn)前，將試件的受拉面與壓板直接粘結(jié)在一起。試驗(yàn)時(shí)，將粘有壓板的試件放置到三軸試驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)螺栓連接壓板與加載推頭，加載推頭相互遠(yuǎn)離實(shí)現(xiàn)巖樣的受拉。同時(shí)，通過(guò)受壓加載板直接將壓應(yīng)力施加到試件上。試驗(yàn)過(guò)程中，操作過(guò)程較為復(fù)雜，不易對(duì)中，通過(guò)預(yù)壓很難保證試件受力均勻。

申請(qǐng)公布號(hào)為CN102323157A的實(shí)用新型專(zhuān)利公布了一種混凝土拉壓應(yīng)力組合方法。首先通過(guò)粘結(jié)膠將塑料毛刷粘結(jié)到試件上，將塑料毛刷的刷齒面放在試件受拉面上，并壓實(shí)。然后將粘結(jié)鋼板與毛刷基底面用粘結(jié)劑貼好。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)帶有球形鉸的螺栓將粘結(jié)鋼板和傳力鋼板粘結(jié)在一起，傳力鋼板相互遠(yuǎn)離實(shí)現(xiàn)巖樣的受拉。同時(shí)，通過(guò)壓加載板直接將壓力施加到巖樣上。采用該裝置進(jìn)行拉壓試驗(yàn)，試樣準(zhǔn)備較為復(fù)雜。通過(guò)粘結(jié)膠將毛刷和粘結(jié)鋼板、粘結(jié)鋼板和傳力鋼板貼在一起，容易引起試驗(yàn)過(guò)程中巖樣的受力不均勻，導(dǎo)致較大的誤差。

申請(qǐng)公布號(hào)為CN103487317A的實(shí)用新型專(zhuān)利介紹了一種混凝土多軸試驗(yàn)下的拉壓加載推頭設(shè)計(jì)方法。該裝置不需要采用結(jié)構(gòu)膠連接立方體試件與壓板，而是通過(guò)試件內(nèi)部的預(yù)埋構(gòu)件與拉加載板連接。通過(guò)帶有半圓球頭鉸的拉桿連接拉加載板和加載推頭，保證了加載推頭和拉加載版的精確對(duì)中。加載推頭相互遠(yuǎn)離實(shí)現(xiàn)巖樣的受拉。在施加拉力的同時(shí)，采用電磁鎖將壓加載板固定在試件上，通過(guò)壓加載板直接將壓力施加到試件上。該裝置對(duì)試件有特殊要求，不適合巖石材料的拉壓變形破壞研究。

上述文獻(xiàn)介紹的拉壓裝置主要是用于混凝土的拉壓試驗(yàn)，針對(duì)巖石的較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用真三軸試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)巖石雙軸拉壓試驗(yàn)的裝置，使得結(jié)合真三軸試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展雙軸拉壓試驗(yàn)成為可能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案：

一種利用真三軸試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)巖石雙軸拉壓試驗(yàn)的裝置，包括試樣粘結(jié)組件、拉伸組件和支撐組件，

所述試件粘結(jié)組件包括上槽板和下槽板，上槽板中心設(shè)有螺孔，

所述拉伸組件包括第一頂板、第一底板以及連接桿，所述第一底板上開(kāi)設(shè)有截面為倒T字形的凹槽，連接桿位于第一底板凹槽兩側(cè)的槽壁上，連接桿上端固定在第一頂板上，連接桿下端固定在第一底板上，第一底板的凹槽的兩側(cè)槽壁上還開(kāi)設(shè)有第一通孔，

所述支撐組件包括螺釘、第二頂板、第二底板以及支柱，第二頂板中心開(kāi)設(shè)有螺釘安裝孔，支柱安裝在拉伸組件的第一通孔中，并且支柱上端固定在第二頂板上，支柱下端固定在第二底板上，第二頂板上還設(shè)有第二通孔，拉伸組件的連接桿安裝在第二通孔中，螺釘安裝在螺釘安裝孔和螺孔中。

還包括壓縮組件，所述壓縮組件包括兩塊壓力承壓板以及兩塊壓板連接件，兩塊壓力承壓板分別安裝在巖石試樣兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面，兩塊壓板連接件分別安裝在巖石試樣另外兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面，壓力承壓板上兩端頭分別設(shè)有螺孔，壓板連接件靠近兩端處分別設(shè)有長(zhǎng)條形通孔，限位螺釘穿過(guò)長(zhǎng)條通孔安裝在螺孔中。

所述螺釘為球頭螺絲，螺釘安裝孔的形狀與球頭螺絲配合。

連接桿安裝在第一頂板和第一底板之間的四個(gè)角處形成立方體框架，支柱安裝在第二頂板和第二底板的四個(gè)角處形成立方體框架。

第一頂板上設(shè)有操作通孔。

試驗(yàn)時(shí)，還包括試樣，試樣上端粘結(jié)在上槽板的凹槽中，試樣下端粘結(jié)在下槽板的凹槽中，下槽板緊密配合安裝在倒T字形凹槽的水平部分，試樣安裝在倒T字形凹槽的豎直部分。

所述試樣為立方體形狀，所述下槽板的凹槽和上槽板的凹槽的形狀為與試樣頂面和底面緊密配合的方形凹槽。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型具備的有益效果：

(1)實(shí)現(xiàn)大尺寸巖石試件的拉壓特性研究：本裝置可用于尺寸為200mm×200mm×200mm(長(zhǎng)×寬×高)巖石試件的拉壓試驗(yàn)。

(2)保證試件受力軸心受力，不偏心：試件上下兩端通過(guò)粘結(jié)膠固定在粘結(jié)板的凹槽內(nèi)，確保試件中心和膠結(jié)板中心準(zhǔn)確對(duì)齊。采用球投螺絲通過(guò)B框架上壓板和上粘結(jié)板的中心螺孔，確保上框架壓板和粘結(jié)板中心準(zhǔn)確對(duì)齊。

(3)操作簡(jiǎn)單：將立方體試件安裝到裝置內(nèi)，按照普通力學(xué)實(shí)驗(yàn)的加載方式，將荷載施加到裝置上，就可實(shí)現(xiàn)試件的拉壓試驗(yàn)。

(4)利于試樣對(duì)中，能夠保證均勻受力。借助于真三軸壓力試驗(yàn)機(jī)，能準(zhǔn)確地測(cè)出巖石材料雙軸拉壓條件下的強(qiáng)度和變形。夾具的安裝和拆卸方便，試驗(yàn)過(guò)程易于操作。因此，相比現(xiàn)有的巖石拉壓試驗(yàn)設(shè)備，本拉壓試驗(yàn)裝置更為簡(jiǎn)單實(shí)用。

(5)實(shí)現(xiàn)拉壓巖石試樣在拉壓條件的力學(xué)試驗(yàn)，為分析處于拉壓應(yīng)力狀態(tài)下巖體的變形破壞特征提供了有效的研究方法。

附圖說(shuō)明

圖1為拉伸組件和支撐組件組裝在一起時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為試件粘結(jié)組件結(jié)構(gòu)剖面示意圖。

圖3為拉伸組件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為支撐組件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為壓縮組件的安裝示意圖。

圖6為雙軸拉壓裝置整體結(jié)構(gòu)平剖面示意圖一。

圖7為雙軸拉壓裝置整體結(jié)構(gòu)平剖面示意圖二。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步闡述。

實(shí)施例1

一種利用真三軸試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)巖石雙軸拉壓試驗(yàn)的裝置，包括試樣粘結(jié)組件、拉伸組件和支撐組件，

所述試件粘結(jié)組件包括上槽板10和下槽板8，上槽板10中心設(shè)有螺孔13，

所述拉伸組件包括第一頂板1、第一底板4以及連接桿2，所述第一底板4上開(kāi)設(shè)有截面為倒T字形的凹槽，連接桿2位于第一底板4凹槽兩側(cè)的槽壁上，連接桿2上端固定在第一頂板1上，連接桿2下端固定在第一底板4上，第一底板4的凹槽的兩側(cè)槽壁上還開(kāi)設(shè)有第一通孔15，

所述支撐組件包括螺釘14、第二頂板3、第二底板6以及支柱5，第二頂板3中心開(kāi)設(shè)有螺釘安裝孔17，支柱5安裝在拉伸組件的第一通孔15中，并且支柱5上端固定在第二頂板3上，支柱5下端固定在第二底板6上，第二頂板3上還設(shè)有第二通孔16，拉伸組件的連接桿2安裝在第二通孔中，螺釘14安裝在螺釘安裝孔17和螺孔13中。

還包括壓縮組件，所述壓縮組件包括兩塊壓力承壓板12以及兩塊壓板連接件9，兩塊壓力承壓板12分別安裝在巖石試樣7兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面，兩塊壓板連接件9分別安裝在巖石試樣7另外兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面，壓力承壓板12上兩端頭分別設(shè)有螺孔，壓板連接件9靠近兩端處分別設(shè)有長(zhǎng)條形通孔，限位螺釘穿過(guò)長(zhǎng)條通孔安裝在螺孔中。

所述螺釘14為球頭螺絲，螺釘安裝孔17的形狀與球頭螺絲配合。

連接桿2安裝在第一頂板1和第一底板4之間的四個(gè)角處形成立方體框架，支柱安裝在第二頂板3和第二底板6的四個(gè)角處形成立方體框架。

第一頂板上設(shè)有操作通孔18。操作通孔18為了方便安裝或拆卸螺釘14。

試驗(yàn)時(shí)，還包括試樣7，試樣7上端粘結(jié)在上槽板10的凹槽中，試樣7下端粘結(jié)在下槽板8的凹槽中，下槽板8緊密配合安裝在倒T字形凹槽的水平部分，試樣7安裝在倒T字形凹槽的豎直部分。

所述試樣7為立方體形狀，所述下槽板8的凹槽和上槽板10的凹槽的形狀為與試樣7頂面和底面緊密配合的方形凹槽。

本實(shí)用新型裝置的具有使用步驟如下：

(1)取一塊立方體形狀的巖石試樣7，將粘性強(qiáng)度較高的粘結(jié)膠均勻的鋪平在上槽板10和下槽板8的槽底、槽四周內(nèi)壁和巖石試樣7的上下兩端，將巖石試樣7放入下槽板8的方槽中，并將上槽板10扣在巖石試樣上端，保證上下兩端面和左右兩端面跟凹槽面和凹槽內(nèi)壁緊密貼合無(wú)裂隙，增大試件與粘結(jié)板的接觸面積，放置24小時(shí)后，粘結(jié)膠凝固，巖石試樣7與上槽板10和下槽板8之間的粘性達(dá)到一定的強(qiáng)度。

(2)將組裝好的試件粘結(jié)組件安裝到拉伸組件中，下槽板8緊密配合安裝在倒T字形凹槽的水平部分，巖石試樣7安裝在倒T字形凹槽的豎直部分。截面為倒T字形的凹槽，意味著凹槽的底部水平部分的寬度大于開(kāi)口處豎直部分的寬度，于是下槽板8被卡在凹槽的水平部分中。

(4)將第一底板4向上抬起，將螺釘14旋入在螺釘安裝孔17和螺孔13中，使得上槽板10和第二頂板3固定在一起，同時(shí)要確保試件能夠準(zhǔn)確對(duì)中，豎向受力時(shí)不偏心。

(5)安裝兩塊壓力承壓板12以及兩塊壓板連接件9，由于壓板連接件9靠近兩端處分別設(shè)有長(zhǎng)條形通孔，兩塊壓力承壓板12能夠向中心移動(dòng)施力，通過(guò)壓力承壓板12能夠?qū)⑼夂奢d均勻的施加在巖石試樣7的表面。

(6)將上述組裝好的試驗(yàn)裝置放置于真三軸壓力機(jī)的壓力室中，對(duì)第一頂板1逐漸施加豎向軸壓力，整個(gè)拉伸組件向下移動(dòng)，第一底板1向下移動(dòng)，由于下槽板8卡扣在第一底板4中，于是豎向軸壓力帶動(dòng)巖石試樣7一起向下移動(dòng)。而支撐組件固定不動(dòng)，巖石試樣7的上端面通過(guò)上槽板10與第二頂板3固定在一起，巖石試樣7上端固定不動(dòng)，下端向下移動(dòng)，從而達(dá)到巖石試樣7豎直方向受拉的目的。

(7)在豎直方向受拉的同時(shí)，利用真三軸壓力試驗(yàn)機(jī)的水平方向推頭11，通過(guò)兩塊承壓板12對(duì)巖石試件7施加壓力，從實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)巖石試件的拉壓力學(xué)試驗(yàn)。

(4)巖石試件7拉壓試驗(yàn)的同時(shí)，可通過(guò)力傳感器和外置的LVDT差分變形傳感器采集應(yīng)力和應(yīng)變信號(hào)，并傳遞給計(jì)算機(jī)。詳細(xì)記錄拉應(yīng)力方向和壓應(yīng)力方向的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，最終獲得巖石破壞時(shí)巖石的抗拉和抗壓強(qiáng)度以及巖石的拉伸變形和壓縮變形。

本裝置的工作原理是：利用裝置的兩套框架結(jié)構(gòu)將豎向的壓力轉(zhuǎn)化為豎向的拉力，使得試件上、下兩端受拉。此外，通過(guò)承壓板直接將壓力施加到試件的一個(gè)水平軸向。由此實(shí)現(xiàn)巖石試件的雙軸拉壓加載。所述試件粘結(jié)組件作用是固定巖石試件。拉伸組件其作用是將壓力轉(zhuǎn)化為拉力施加到巖石試件兩端面。試件上下兩端通過(guò)粘結(jié)膠固定在上槽板10和下槽板8的凹槽內(nèi)，確保試件中心和上槽板10和下槽板8中心準(zhǔn)確對(duì)齊，并確保第一頂板1和上槽板10中心準(zhǔn)確對(duì)齊，保證施加壓力時(shí)，試件軸心受拉，不偏心。