CN103543066B - 套筒粘接的岩石直接拉伸试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套筒粘接的岩石直接拉伸试验装置及试验方法，所述的试验装置包括相配套的套筒组件、粘结装置和拉伸定位装置；套筒与岩石试件的端面和部分侧面粘接，通过增大试件端部粘结面积有效提高试件端部的抗拉承载力，从而达到进行高强度岩石拉伸试验的目的。该试验装置构造简单、拆卸方便，试验方法简便，易于操作。试验装置及试验方法易于推广，应用前景广阔，经济效益显著。

Description

套筒粘接的岩石直接拉伸试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种岩石拉伸试验技术，尤其是套筒粘接的岩石直接拉伸试验装置及试验方法。

背景技术

众所周知，岩石在大多数情况下承受压应力而较少承受拉应力。因此，压缩和剪切应力状态受到重视，岩石力学特性的试验研究主要集中在压应力条件下岩石的力学响应，包括单轴、双轴和三轴压缩试验等；而对拉应力作用下岩石的力学特性研究相对较少。但是目前工程岩体中的应力状态常常很复杂，有些区域处于压应力状态，而有些区域则处于拉应力或拉剪应力状态；而且岩石类材料最显著的特点就是抗拉强度远小于抗压强度，所以岩体的破坏常常从拉应力区或拉剪应力区开始，出现拉破坏或拉剪破坏。因而研究拉应力作用下特别是单轴直接拉伸条件下岩石的力学特性具有重要的理论意义和工程应用价值。

目前，岩石的抗拉强度通常采用巴西圆盘劈裂试验测得，但是巴西劈裂试验时，岩石试样的应力状态很复杂，与单轴拉伸时的应力状态相去甚远，导致测得的抗拉强度与真实值有较大差距，并不能真实反映岩石的力学性质，且无法获得岩石的拉应力-应变曲线。少数学者开展了岩石直接拉伸的试验研究，但是由于试验方法和配套装置的限制，目前还无法准确测试单轴拉伸条件下岩石的力学特性，如：抗拉强度、极限拉应变、拉应力-应变曲线等；对于高强度岩石（抗拉强度超过10MPa）的直接拉伸试验更是无法开展。

目前国内关于岩石直接拉伸试验的试验装置及试验方法的研究现状如下：

（1）《金属矿山》1995年第3期介绍了一种命名为SX-1的夹持装置，该装置设有万向活接，能消除试件拉伸时的偏心，但是夹持装置直接与试件端部相连，易在夹持部位出现应力集中，导致试件端部出现破坏。

（2）《中国矿业大学学报》1999年第3期介绍了一种直接单向拉伸的试验方法，该方法采用特殊形状的夹具和岩石试件，试件形状复杂、加工难度大，不易推广使用。

（3）《工程勘察》2011年第4期介绍了一种岩石直接拉伸的试验装置，该装置上下均设置了转向机构，可以消除试验过程中的偏心，但是岩石试件需要与装置的上下拉头粘接，在粘接时无法保证试件与上下拉头严格对中。

（4）《焦作工学院学报》（自然科学版）2004年第3期介绍了两种岩石直接拉伸的试验方法，一是利用伍德合金连接试件，二是用粘胶直接将试件粘接在试验机压头上。上述两种方法均将试件直接连接在试验机上，没有设置转向机构，试验过程中无法避免岩石试件偏心受拉。

（5）《岩石力学与工程学报》2005年第3期介绍了一种岩石直接拉伸的试验方法，自行设计了拉-压转换器，用504高级万能粘胶将试件粘接在拉块上，岩石试件使用磨光机加工，但是没有设置转向机构，仍然不能完全消除偏心的影响。

（6）《河南理工大学学报》2006年第4期介绍了一种可以加围压的直接拉伸的试验装置，该装置采用粘胶将试件与上下拉头粘接，但是没有设置转向机构，无法消除偏心的影响。

（7）《岩土力学》2008年第1期介绍了一种可对同一岩石试样进行压缩和直接拉伸试验的试验装置，该试验装置在上下两端均设置了转向机构，可以消除偏心的影响；但是无法保证试件与上下拉头粘接时严格对中。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种套筒粘接的岩石拉伸试验装置及试验方法，该装置构造简单、操作方便、装卸容易，可用于精确测试高强度岩石的抗拉强度。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种套筒粘接的岩石直接拉伸试验装置，包括相配套的套筒组件、粘结装置和拉伸定位装置，所述粘结装置包括底板以及平行设置且垂直固定于底板上的两根立柱，两根立柱上均套接有上下设置的上定位装置和下定位装置，且上、下定位装置均能沿立柱上下自由滑动，上、下定位装置连接两根立柱；上定位装置下端面的中心位置安装有用于夹紧岩石试件或套筒组件拉杆的三爪卡盘；下定位装置的中心位置设有与套筒组件的拉杆直径相等的定位圆孔，且该定位圆孔的圆心与三爪卡盘的中心同轴；底板上设有与下定位装置的定位圆孔相对应的控制粘胶厚度的胶厚调节螺栓。

所述套筒组件包括拉杆、对开筒套、紧箍环和紧固螺栓，对开套筒外部通过紧箍环组成一环形套筒，且紧固螺栓一端旋入紧箍环顶在对开套筒上，拉杆一端通过丝扣局部旋入对开套筒，对开套筒内腔中剩余的部分形成与试件粘结的空间。

所述上定位装置包括分别套在两根立柱上的限位筒、以及连接两限位筒的中间件，中间件上中间位置设有三爪卡盘，套筒上旋有紧固套筒的且端部顶在立柱上的限位螺栓。

所述下定位装置包括分别套在两根立柱上的限位筒、以及连接两限位筒的中间件，中间件上中间位置设有用于使套筒组件的拉杆穿过的定位圆孔，套筒上旋有紧固套筒的且端部顶在立柱上的限位螺栓。

一种利用套筒粘接的岩石直接拉伸试验装置的拉伸试验方法，步骤如下：

1）将套筒拉杆、对开筒套组装起来，用紧箍环套住，并拧紧紧固螺栓；

2）将组装完成的套筒拉杆穿过下定位装置的定位圆孔，套筒拉杆用底板上的胶厚调节螺栓托住；

3）将上定位装置固定在双侧立柱的上半部分位置上，然后将岩石试件夹持固定在上定位装置的三爪卡盘中；

4）将粘胶搅拌均匀，均匀涂抹在套筒的内壁；

5）下移上定位装置，直至岩石试件***套筒内部并与其内壁粘胶相接触，然后固定上定位装置；

6）通过向上旋动胶厚调节螺栓控制试件粘胶的厚度，将多余的粘胶挤出；

7）静置24h，将与套筒粘接完成的岩石试件从粘接装置中取出；

8）重复步骤1）～6），将岩石试件的另一端也与套筒粘接好；

9）将粘接好试件的套筒与拉伸定位装置连接；首先将套筒拉杆与T型滑块相连，然后将连接T型滑槽的球铰连杆夹持在万能试验机的夹具上，调整试验机的拉伸空间，最后将与试件连接完成的T型滑块滑入T型滑槽内；先施加预紧力，然后以等应变或等应力的方式进行拉伸试验，逐级加载直至试件被拉断；

10）岩石直接拉伸试验的同时，设置于拉伸试件上的测试传感器采集信号，传递给计算机，计算机会记录各类测试数据，最终测试获得岩石的抗拉强度。

本发明包括相配合的套筒组件、粘接装置和拉伸定位装置。套筒组件主要由拉杆、对开筒套、紧箍环和紧固螺栓组成。对开筒套与拉杆通过丝扣连接，组成直径略大于50mm的圆柱体内部空间，考虑拉伸试验结束便于拆卸试件，将套筒设计成对开双瓣式。紧箍环的直径比对开筒套的外径略大，紧箍环作用：一是岩石试件粘接过程中固定对开筒套以免其与拉杆脱开；二是在岩石试件拉伸过程中限制对开筒套的侧向膨胀。套筒不仅与试件端面粘接也与其侧面部分粘接，可保证试件端部有足够粘接面积来能承受较大的抗拉承载力，并满足高强度岩石拉伸试验的需要。

粘接装置主要由双侧立柱、底板、上定位装置、下定位装置和胶厚调节螺栓构成。双侧立柱使用精密机床加工以保证其光滑平直。底板的作用是支撑粘接装置的上部结构。立柱下端固定于底板上，立柱由上至下依次装配有上定位装置、下定位装置，底板上设置有控制粘胶厚度的胶厚调节螺栓。上定位装置的两端分别连接在两侧立柱上并且可沿立柱自由滑动，其中心位置安装有三爪卡盘，三爪卡盘为带有三个可同步移动的夹紧爪，拧动三爪卡盘的调节螺栓可调整三个夹紧爪的位置，以夹紧不同直径的试件，三爪卡盘可夹持岩石试件或套筒拉杆，并保证岩石试件或套筒拉杆与三爪卡盘同轴；上定位装置的两端设有限位螺栓，可将其固定在立柱的任意位置。

下定位装置的两端分别连接在两侧立柱上并且可沿立柱自由滑动，其中心位置设置有与套筒拉杆直径相同的定位圆孔，用于放置套筒拉杆，定位圆孔与三爪卡盘同轴，并保证拉杆与三爪卡盘同轴，可消除岩石试件粘接引起的偏心；下定位装置的两端也设有限位螺栓，可将其固定在立柱的任意位置。

胶厚调节螺栓安装在底板中心位置上，可上下旋动精确控制试件粘胶的厚度。

拉伸定位装置是申请人已申请并得到受理的发明专利《利用轴向对中定位装置进行岩石直接拉伸的试验方法》（申请号：201310289705.5）中的拉伸对中定位装置，它包括对称设置的上下连杆、上下球铰、上下T型滑槽、上下T型滑块，上下连杆分别连接于上下球铰的两端，上下球铰分别与上下T型滑槽相连，上下T型滑块分别卡设于上下T型滑槽中。

本发明通过套筒来增大试件端部的抗拉承载力，通过粘接装置消除试件粘接可能产生的偏心，通过拉伸定位装置消除试件拉伸过程中的偏心，配合使用万能试验机可准确测试高强度岩石的抗拉强度。

本发明与国内外同类型技术相比具有如下显著的技术优势：

（1）通过套筒增大试件端部的抗拉承载力，有效测试高强度岩石的抗拉强度。

（2）粘接装置保证粘接的试件与套筒拉杆同轴，解决了试件粘接可能产生的偏心。

（3）粘胶采用乐泰树脂胶（E-120HP），保证岩石端面的粘接强度超过15MPa，其强度可满足直接拉伸试验的要求。

（4）整套装置结构简单、拆卸方便、易于操作，应用前景广阔，经济效益显著。

附图说明

图1是套筒结构示意图；

图2是试件粘胶示意图；

图3是粘接装置示意图；

图4是拉伸装置示意图；

图中：1.拉杆、2.对开筒套、3.紧箍环、4.紧固螺栓、5.底板、6.下定位装置、7.上定位装置、8.立柱、9.三爪卡盘、10.限位螺栓、11.胶厚调节螺栓、12.粘胶、13.岩石试件、14.套筒组件、15.上连杆、16.上球铰、17.上T型滑槽、18.上T型滑块、19.下T型滑块、20.下T型滑槽、21.下球铰、22.下连杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1中，套筒组件14主要由拉杆1、对开筒套2、紧箍环3和紧固螺栓4组成。对开筒套2与拉杆1通过丝扣连接，组成直径略大于50mm的圆柱体内部空间，为便于拆卸设计成对开双瓣式。紧箍环3的直径比对开筒套2的外径略大，主要用于箍住套筒。

图2中，套筒14不仅与试件13的端面粘接，也与其侧面部分粘接。试件13端面的粘胶12承受拉应力，试件13侧面的粘胶12承受剪应力，由此保证试件端部能承受较大的抗拉承载力，并满足高强度岩石拉伸试验的需要。

图3中，粘接装置主要由双侧立柱8、底板5、上定位装置7、下定位装置6和胶厚调节螺栓11、三爪卡盘9等构成。双侧立柱8使用精密机床加工以保证其光滑平直。底板5的作用是支撑粘接装置的上部结构。上定位装置7可沿立柱8上下移动，其三爪卡盘9可夹持岩石试件13或套筒拉杆1，并保证岩石试件13和拉杆1与三爪卡盘9同轴。上定位装置7的两端设有限位螺栓10，可将上定位装置7固定在立柱8上的任意位置。下定位装置6也可沿立柱8上下移动，其定位圆孔与三爪卡盘9同轴，以消除岩石试件13粘接可能引起的偏心。下定位装置6的两端也设有限位螺栓10，可将下定位装置6固定在立柱8上的任意位置。底板上的胶厚调节螺栓11用于精确控制粘胶12的厚度。

图4中，拉伸定位装置主要由上下连杆15、22、上下球铰16、21、上下T型滑槽17、20、上下T型滑块18、19和套筒14构成。上下球铰16、21的连杆15、22可在一定范围内转动，以消除岩石试件13受拉时的偏心。为便于拆装和定位已粘接好的试件，设置了带有一定弧度的T型滑槽17、20和T型滑块18、19，T型滑槽17、20和T型滑块18、19的接触面光滑且涂有润滑油。首先将与试件13粘结的套筒拉杆1与T型滑块18、19相连，然后将T型滑块18、19滑入T型滑槽17、20内，即可进行直接拉伸试验。

利用发明装置进行岩石拉伸试验的方法如下：

1）将套筒拉杆1、对开筒套2组装起来，用紧箍环3套住，并拧紧紧固螺栓4；

2）将组装完成的套筒拉杆1穿过下定位装置6的定位圆孔，套筒拉杆1用底板上的胶厚调节螺栓11托住；

3）将上定位装置7固定在双侧立柱8的较高位置，然后将岩石试件13固定在上定位装置的三爪卡盘9中；

4）将适量的粘胶12搅拌均匀，均匀涂抹在套筒14的内壁；

5）下移上定位装置7直至岩石试件13***套筒14内部与粘胶12相接触，然后固定上定位装置7；

6）向上旋动胶厚调节螺栓11，控制粘胶12的厚度，将多余的粘胶12挤出；

7）静置24h，将与套筒14粘接完成的试件13从粘接装置中取出；

8）重复步骤1）～6），将试件13的另一端与套筒14粘接完成；

9）将粘接试件13的套筒14与拉伸定位装置连接。首先将套筒拉杆1与T型滑块18、19相连，然后将连接T型滑槽17、20的球铰连杆15、22夹持在万能试验机的夹具上，调整试验机的拉伸空间，最后将与试件13连接完成的T型滑块18、19滑入T型滑槽17、20内。先施加较小的预紧力，然后以等应变或等应力的方式进行拉伸试验，逐级加载直至试件13被拉断；

10）岩石直接拉伸试验的同时，设置于拉伸试件上的测试传感器采集信号，传递给计算机，计算机会记录各类测试数据，最终测试获得岩石的抗拉强度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变化仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种套筒粘接的岩石直接拉伸试验装置，其特征是，包括相配套的套筒组件、粘结装置和拉伸定位装置，所述粘结装置包括底板以及平行设置且垂直固定于底板上的两根立柱，两根立柱上均套接有上下设置的上定位装置和下定位装置，且上、下定位装置均能沿立柱上下自由滑动，上、下定位装置连接于两根立柱上；上定位装置下端面的中心位置安装有用于夹紧岩石试件或套筒组件拉杆的三爪卡盘；下定位装置的中心位置设有与套筒组件的拉杆直径相等的定位圆孔，且该定位圆孔的圆心与三爪卡盘的中心同轴；底板上设有与下定位装置的定位圆孔相对应的控制粘胶厚度的胶厚调节螺栓。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述套筒组件包括拉杆、对开筒套、紧箍环和紧固螺栓，对开筒套外部通过紧箍环组成一环形套筒，且紧固螺栓一端旋入紧箍环顶在对开筒套上，拉杆一端通过丝扣局部旋入对开筒套，对开筒套内腔中剩余的部分形成与试件粘结的空间。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述上定位装置包括分别套在两根立柱上的限位筒、以及连接两限位筒的中间件，中间件上中间位置设有三爪卡盘，套筒上旋有紧固套筒的且端部顶在立柱上的限位螺栓。

4.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述下定位装置包括分别套在两根立柱上的限位筒、以及连接两限位筒的中间件，中间件上中间位置设有用于使套筒组件的拉杆穿过的定位圆孔，套筒上旋有紧固套筒的且端部顶在立柱上的限位螺栓。

5.如权利要求1所述的一种利用套筒粘接的岩石拉伸试验装置的拉伸试验方法，其特征是，步骤如下：

1)将套筒拉杆、对开筒套组装起来，用紧箍环套住，并拧紧紧固螺栓；

2)将组装完成的套筒拉杆穿过下定位装置的定位圆孔，套筒拉杆用底板上的胶厚调节螺栓托住；

3)将上定位装置固定在双侧立柱的上半部分位置上，然后将岩石试件夹持固定在上定位装置的三爪卡盘中；

4)将粘胶搅拌均匀，均匀涂抹在套筒的内壁；

5)下移上定位装置，直至岩石试件***套筒内部并与其内壁粘胶相接触，然后固定上定位装置；

6)通过向上旋动胶厚调节螺栓控制试件粘胶的厚度，将多余的粘胶挤出；

7)静置24h，将与套筒粘接完成的岩石试件从粘接装置中取出；

8)重复步骤1)～6)，将岩石试件的另一端也与套筒粘接好；

9)将粘接好试件的套筒与拉伸定位装置连接；首先将套筒拉杆与T型滑块相连，然后将连接T型滑槽的球铰连杆夹持在万能试验机的夹具上，调整试验机的拉伸空间，最后将与试件连接完成的T型滑块滑入T型滑槽内；先施加预紧力，然后以等应变或等应力的方式进行拉伸试验，逐级加载直至试件被拉断；

10)岩石直接拉伸试验的同时，设置于拉伸试件上的测试传感器采集信号，传递给计算机，计算机会记录各类测试数据，最终测试获得岩石的抗拉强度。