CN105910909A - 多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机。所述试验机包括加载***、压力监测和数据采集***、加载架和样品夹持***三个部分。所述加载***包括上压盘、球头、球座、塔形弹簧、球铰端盖、油缸、下压盘、导向套和导向板。所述压力监测和数据采集***包括传感器及数据采集子***、压力数字显示屏、监控压力表和笔记本电脑数据采集子***。所述加载架和样品夹持***包括变直径岩样内圆环压盘、变直径岩样外圆环压盘、下横梁、立柱、立柱固定环和上横梁。所述试验机可以监测和记录岩样受拉破坏的整个测试过程，并快速确定岩石直接拉伸时的抗拉强度定量值，而且测试原理和过程严谨可靠，填补了国内这一研究领域的空白。

Description

多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机

技术领域

本发明属于地质勘探测量技术及设备领域，具体涉及一种多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机。

背景技术

岩石的抗拉强度是岩石材料的一个重要力学指标，在岩石力学理论研究与岩体工程实际应用中都有着不可替代的作用。拉伸破坏仍是工程岩体及自然界岩体的主要破坏形式之一，而且由于岩石材料的抗拉强度远低于抗压强度，致使围岩总是从拉应力区开始破裂。从物理意义上来说，岩石抗拉强度是指导致粘聚性失效的极限应力，一般只考虑单轴抗拉强度。蔡美峰等(2002)对岩石单轴抗拉强度的定义为：岩石在单轴拉伸作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力。因岩石材料的特殊性，岩石抗拉强度的测定结果往往会出现较大的离散性，及岩石抗拉强度计算式的简化也会让测量结果与实际抗拉强度值产生偏差。尽管岩石和/或岩体的抗拉强度会主导许多破坏过程，由于测定岩石抗拉强度非常繁琐和困难，故在很多工程实践中都会忽略对岩石和岩体抗拉强度的精确测定和估算。目前主要的岩石抗拉强度测定方法可以分为直接拉伸法和间接拉伸法两类。其中直接拉伸法包括直接单向拉伸法、修正直接单向拉伸法，间接拉伸法包括巴西劈裂法、三点弯曲法、四点弯曲法法。下面将按照直接拉伸法和间接拉伸法分别论述这些方法的基本原理和优缺点。

1、直接拉伸试验

直接拉伸试验法(Direct pull test，DPT)测岩石的抗拉强度原理与岩石抗拉强度定义的描述最为相近，测量结果直接有效。1978年国际岩石力学学会(ISRM)将其作为测试岩石抗拉强度的推荐方法之一，美国材料与试验协会(ASTM)也于2008年将这直接拉伸试验方法作 为岩石抗拉强度测量的标准试验。直接单向拉伸试验与金属材料拉伸试验相类似，试件及夹具原理如图1所示。将试件置于试验机上进行轴向拉伸，试件被拉断时的应力值即为岩石的单向抗拉强度(简称抗拉强度)。相关标准中将直接拉伸试验中岩柱的高径比指定为2.0-3.0。直接拉伸法试验的关键在于：一是岩石试件与夹具间必须有足够的粘结力或者摩擦力；二是所施加的拉力必须与岩石试件同轴心。否则，就会出现岩石试件与夹具脱落，或者由于偏心荷载，使试件的破坏断面不垂直于岩石试件的轴心等现象，致使试验失败。由于岩石属脆性材料，要将其加工成“狗骨型”或者“圆柱体”试样均较费时，加工成品率也低，同时很难将夹具的拉力与试件的轴线保持重合。需较大样本地测量岩石抗拉强度时，宜结合其它较通用的抗拉强度测量方法，仅开展少样本的直接拉伸试验作为对比参照，以验证其它测试方法的结果偏差状况。

常见的岩石直接拉伸试验装置及岩样加载方式下的受力状况均可用为图1(a)(b)表示，ISRM(1978)和ASTM(2008)标准中给出该受力模式下的岩石抗拉强度计算公式为：

σ_t＝F_a/A×10(MPa) (1)

式中：F_a是试件被拉断时的拉力(kN)；A是试件横截面积(cm²)。

当进行直接拉伸测试时，同时也给试件施加了围压，那么Hoek(1964)和Brace(1964)建议的狗骨型试件该受力模式下的岩石抗拉强度计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_t=\frac{F_a}{A_1}-\frac{P(A_2-A_1)}{A_1}---\left(2\right)$

式中：F_a是轴向施加载荷，A₁是岩柱窄处的直径，A₂是端部直径，P是围压。

如前所述，由于施加与岩样同轴的拉力非常困难，故一些科学家提出了转换装置将压力转化为拉力，如图2所示，由于只是试验装置的改变，故该受力模式下的岩石抗拉强度计算公式仍然如公式(1)所示。Luong(1986,1988)从岩石样品的角度出发，也提出了一种将压 力转换为拉力的岩样直接拉伸实验方案，但是后续的研究工作非常少，没有形成成熟的实验参数和实验设备，没有真正成为一种广为接受和认可的实验方案和实验设备，故仍然需要进一步开发研究。

2、间接拉伸试验

2.1巴西劈裂试验

巴西劈裂试验亦称圆盘劈裂试验(Brazilian test)，因是由巴西人Hondros提出的抗拉强度测定方法，故常被人称作巴西试验法，其用于测试岩石类脆性材料的抗拉强度已经有40多年的历史，并在国内外诸多工程领域中得到了广泛的应用。1978年国际岩石力学学会将其作为测试岩石抗拉强度的推荐方法之一，它已被列入美国ASTM、英国BS、国际ISO标准中，1999年和2001年我国将这种方法正式列入国家标准和行业标准中。巴西试验是将经加工的圆盘状(或正方形板状)试件，横置于压力机的承压板间，并在试件的上、下承压板之间各放置一根硬质钢丝或者其它材料作为垫条，然后加载使试件受压，试件沿径向产生张拉破坏，以求其抗拉强度。垫条的作用是将施加的压力变为线荷载，并使试件产生垂直于上、下荷载作用方向的张拉力。因此，垫条须位于与试件垂直对称轴面。圆盘劈裂试验装置如图3所示。

人们在开展巴西劈裂试验时对巴西劈裂的试验装置及岩样的形状与加载方式进行了深入研究。主要的巴西试验装置及岩样加载样式为：不加垫条的试验岩样(有圆柱状、圆环状、加工平台状)；加垫条或夹具的岩样(弧形夹具、角形加载夹具、粗垫条、细垫条)。不同的试验方式岩样的受力状况也不尽相同，得到的试验结果也会有一定的差异性。

巴西劈裂法的基本原理是基于圆盘受成对径向压缩的弹性理论解。经典的圆盘劈裂岩石抗拉强度测试，是国际岩石力学学会推荐方法(ISRM,1978)规定的测试方案，试件劈裂面的受拉方向应与岩石单轴抗压试验的受力方向一致，圆柱体试件直径宜为48～54mm，试件 的厚度宜为直径的0.5～1.0倍，并应大于岩石最大颗粒的10倍。按下列公式计算岩石抗拉强度：

${\mathrm{\σ}}_T=-\frac{2P}{\mathrm{\π}dt}---\left(3\right)$

式中：P为作用于试样的最大荷载(N)，d为圆盘直径(mm)，t为圆盘厚度(mm)。

通过比较各种圆盘劈裂抗拉强度值可知，圆盘劈裂法所测抗拉强度值波动较大，由沉积岩、变质岩、花岗岩的顺序抗拉强度值呈渐大的趋势，这与各类岩石的抗压强度大小也相对应，符合相关文献中抗拉强度与抗压强度呈一定对应关系的经验规律。对于同一类岩石，由于圆盘劈裂试验的人造影响因素(岩样加工形状、岩样干湿状况、夹具形状、加载动力方式等)很多，使测量的试验结果也有很大的差别，且与岩石的实际抗拉强度值相比略偏小。因此不能完全依据圆盘劈裂法的试验结果，将其等效为实际工程岩体的抗拉强度值。

圆盘劈裂试验由于较直接拉伸试验测试岩石抗拉强度的实用性及简便性，已被我国的工程岩体试验方法标准(GB/T50266—99)、水利水电工程岩石试验规程(SL264—2001)规定为标准的岩石抗拉强度试验。圆盘(或圆环)劈裂试验的假设是岩石为线性弹性和均质材料，基于二维弹性理论。试验本身较简单，但应力状态却很复杂。除此以外，试验结果还受许多因素的影响，垫条的材质及尺寸对抗拉强度的测试有影响；载荷接触条件对测试结果也有影响；硬岩与软岩和层状岩石等不同岩性试样的破坏方式不一，需区别选择加载方式；巴西劈裂抗拉强度试验的力学模型确定还有许多质疑，许多学者尝试得出了巴西试验岩石抗拉强度的修正求算公式。比较劈裂试验与直接拉伸试验结果，岩石的劈裂拉伸强度与直接(轴向)拉伸强度在数值上常有较大差别，劈裂试验还不能完全代替直接拉伸试验。

测量岩石抗拉强度的通用试验方法为巴西劈裂试验，但由于巴西试验结果与直接(轴向)拉伸试验的结果有差别，在开展巴西试验的同 时应辅以进行少样本的直接拉伸试验以对所得试验结果校验，以更好地保障试验结果准确性、可靠性。

2.2弯曲拉伸试验

弯曲试验(Bending tests)在岩石力学试验中一般被用来测试弹性模量和岩石抗拉强度。它利用结构试验中梁的三点或四点加载的方法，使梁的下沿产生纯拉应力的作用而使岩石试件产生断裂破坏的原理，间接地求出岩石的抗拉强度值。美国材料与试验协会(ASTM)将弯曲拉伸试验列为测量岩石抗拉强度的标准试验。弯曲拉伸试验的形式主要有三点弯曲拉伸试验、四点弯曲拉伸试验。试验主要通过将岩石加工成矩形断面的条形状后，置于特制支座上加载，试件在梁的下边缘受拉伸而断裂，主要的试验装置及试验过程如图5、图6所示。

四点弯曲拉伸试验抗拉强度计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_t=\frac{2{\mathrm{LF}}_a}{{\mathrm{bh}}^2}---\left(4\right)$

式中：L是支承点间距(cm)；h是试件高(cm)；b是试件宽(cm)。

三点弯曲拉伸试验抗拉强度计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_t=\frac{1.5{\mathrm{LF}}_a}{{\mathrm{bh}}^2}---\left(5\right)$

式中：L是支承点间距(cm)；h是试件高(cm)；b是试件宽(cm)。

弯曲拉伸试验的力学模型均是建立在以下4个基本假设基础之上的：①梁的截面严格保持为平面；②材料是均质的，服从胡克定律；③弯曲发生在梁的对称面内；④拉伸和压缩的应力-应变特性相同。对于岩石而言，第4个假设与岩石的特性存在较大的差别，因此利用抗弯法求得的抗拉强度也存在一定的偏差，且试件的加工也远比直接拉伸法麻烦。

当前对弯曲拉伸试验开展的较少，试验数据也很有限，该法测量的抗拉强度值较大。与直接拉伸法试验相比，其测量结果普遍较实际抗拉强度值偏大，试验结果的参照价值较小，该类试验一般不作为岩石抗拉强度测定的推荐试验。

弯曲拉伸试验作为岩石抗拉强度测试方法之一已被许多学者研究并采用，该测试方法的岩石试样为条块状，测试过程简洁、直接。但其求算公式有较多的前提假设，如“拉伸和压缩的应力-应变特性相同”对于岩石而言根本不符其力学性质，且试件的加工也远比直接拉伸法麻烦。三点弯曲拉伸试验所得抗拉强度比直接抗拉强度偏大，分析其主要原因是三点弯曲法中影响抗拉强度的因素除了跨度、高度和厚度外，预置裂纹的长度和宽度、预置裂纹的位置等都对抗拉强度有较大的影响。对于一批相同岩样，岩样自身无差别的情况下其抗拉强度测试值与试验加载速率也有很大的关系，如对于花岗岩在加载速率增加一个量级时，抗拉强度约增加10％。此外已有学者提出质疑，三点弯曲的破裂机制为拉伸、压剪双重破裂机制，破裂过程中岩石性质由连续介质转变到非连续介质，而在抗拉强度计算公式中，这些影响因素并没有得到考虑。若要得到更为准确的抗拉强度，计算公式还需要进一步的修正、研究。

许多学者尝试了寻找各种可以替代直接拉伸试验的间接抗拉强度测量方法，通常会利用连续力学求算岩样破坏时的最大拉伸应力，并假设试样满足线弹性行为和双模块模型。此外岩石在拉伸状态时材料性质通常为脆性，仅在受拉伸应力作用处出现拉伸破裂。无论是直接拉伸试验还是间接拉伸试验测量结果可靠性均会受到试件的尺度效应及尺寸效应的影响，前者受颗粒尺度及试件尺寸相对大小的影响，后者根据试件的体积大小的状况还会受到岩石材料带有缺陷问题的影响。此外应力梯度效应的存在也会影响间接拉伸试验的测试结果。这也解释了应力梯度随材料缺陷的存在会导致三点弯曲及四点弯曲试验比直接拉伸试验的结果偏大。当大应力梯度存在时较小体积岩样也可供测量抗拉强度，以降低岩石自身材料缺陷带来的影响。各种主要的岩石抗拉强度测量方法优缺点如表1中所概括所述。

表1主要岩石抗拉强度测量试验比较

如前所述，当前抗拉强度测试方法由于加载接触条件的变化而导致相应的测试干扰也较大，且存在试验前提假设、力学模型选取的近似误差、数值计算中的误差等诸多影响因素，使得这些方法的测试结果表现出随机性、不稳定性，未能形成一个被广泛认可并参照的岩石抗拉强度测试标准。鉴于上述原因，非常有必要开发新的直接拉伸岩石抗拉强度试验设备。

发明内容

为了解决现有的抗拉强度测试方法及设备存在的问题，本发明提供一种多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机。所述实验机能够实现多直径岩芯抗拉强度简便、快速和精确确定，同时满足以下一些具体性能指标：

(1)可满足地质勘探所获取的多直径岩芯的抗拉强度快速测定，岩芯直径参照《岩土工程勘察规范，DGJ08-37-2012》；

(2)抗拉强度实验机测试压力传感器的精度优于0.1％；

(3)加载压力泵能满足各种不同直径和岩性岩芯的抗拉强度测定要求，最大输出压力不小于50MPa；

(4)实验仪器配备数显屏，同时可以实现数据采集的实时传输和记录，与计算机采用R232接口或者USB接口传输。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

1、力学模型与原理

本发明主要目的在于利用地质勘探(或岩土工程勘察)取得的完整岩芯快速开展岩石抗拉强度测定。首先将取得的岩芯切割成合适的长度，一般选择岩芯的长度应为岩芯直径的2倍，岩芯长度至少为岩芯直径的1.5倍，将岩芯两端磨平。将切割好的岩芯从顶面和底面各套钻两个与岩芯同轴且不同直径的圆环筒。最后将制备好的岩芯置于加载架上，可以选择从顶部加载盘或者底部加载环施加主动荷载，原理图如图7所示。

实验开始后，给岩样顶部施加一个轴向荷载F_a，岩样底部的支撑环会给岩样施加一个反力，随着轴向荷载F_a不断增大，会在岩样中部的中心圆筒部位产生受拉区，如图8(a)中暗色阴影部分所示。持续增加轴向荷载F_a，最后岩样在如图7所示的预想破裂位置发生张拉破坏，从开始加载到岩样发生破坏，岩样破坏位置的应力分布状态可以粗略的划分为三个阶段，破坏前、破坏时和破坏后，如图8(b)、(c)、(d)、(e)所示。破坏前的轴向应力(σ_y)分布如图8(c)所示，对应于图8(b)中的A点，此时由于轴向荷载的施加在中心圆筒的边缘部位产生应力集中，应力分布表现为边缘应力集中部位应力量值高，而远离应力集中部位则应力不断降低。随着轴向荷载不断增加，应力集中区不断扩大，中心圆筒截面上的轴向应力(σ_y)分布逐渐趋于均匀，最先达到岩石抗拉强度的区域发生张拉破坏，应力开始降低，如图8(d)所示，对应于图8(b)中的B点。岩样发生破坏后，轴向应力(σ_y)量值随之降低，发生张拉破坏的区域的应力量值趋于零，如图8(e)所示，对应于图8(b)中的C点。从开始加载到岩样的完全破坏这一全过程中，岩石的断裂能是持续增加的，如图8(b)所示，而断裂能的变化过程取决于岩石材料的延性特征。

通过上面的力学分析可知，多直径岩芯双圆环直接拉伸实验中岩样主要是受拉破坏，由此可以推导出岩样的抗拉强度计算公式如下所示：

${\mathrm{\σ}}_t=\frac{F_a}{{\mathrm{\πr}}_1^2-{\mathrm{\πr}}_2^2}---\left(6\right)$

式中：F_a是岩样张拉破裂时候的最大轴向荷载，N；r₁是岩样的外圆环半径，m；r₂是岩样的内圆环半径，m。

2、试验机设计与功能实现

多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度测试过程中应该注意以下要点：

1)由于要求对岩芯进行两次同轴套钻，套钻过程对岩芯的完整性和强度提出了严格的要求。要求岩芯能承受套钻作业的加工扰动，完整，不受微小结构面的影响；

2)要求岩样的长度至少为岩芯直径的1.5倍，或者为岩芯直径的2倍；具体尺寸要求为岩芯长度应大于100mm；如果岩石颗粒较大，可以采用岩芯长度大于200mm以满足岩样受拉区代表性的要求，受拉区应为岩样长度的1/2～1/3；

3)双圆环套钻过程中应该采用严格的操作保障措施保证岩芯、内圆环和外圆环同轴同心；

4)实验过程的加载操作可以参考相关实验规程关于单轴抗压强度测试的相关规定。可以使用应力加载速率或者变形率控制加载速率，建议的应力加载速率为0.05MPa/s。如果实验条件允许，记录实验全应力-应变过程曲线。

5)加载过程中，应该采用必要的措施保证荷载轴线与岩样平行且同轴。

根据前面的实验要求和力学分析，研发并制造专用的多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机，所述试验机包括加载***、压力监测和数据采集***、加载架和样品夹持***三个部分，具体的结构图如图9所示。

所述加载***包括上压盘(16)、球头(10)、球座(9)、塔形 弹簧(12)、球铰端盖(11)、油缸(8)、下压盘(3)、导向套(5)和导向板(4)。所述油缸为液压动力的输出装置，在这套实验机中配备了电动油泵和手动油泵两套***，电动油泵的最高输出压力为30MPa，加载率可以控制到0.005MPa/s；手动油泵的最高输出压力为60MPa，脉冲式输出压力，加载率与人操作频率密切相关，手动操作时，完全可以根据数显压力监视器的变化控制操作频率以满足实验要求。所述上压盘和所述下压盘组成了给样品施加压力的主动力源和反力架。所述球头、球座、塔形弹簧和球铰端盖组成的结构可以保证所施加的荷载与岩石样品同轴平行。所述导向套和导向板组成的结构保证所施加的荷载与岩石样品同轴平行，且荷载处于试验机所设定的加载架平面内。

所述压力监测和数据采集***包括传感器及数据采集子***、压力数字显示屏、监控压力表和笔记本电脑数据采集子***。所述传感器及数据采集子***为高精度A/D压力传感器，可与计算机连接，实现计算机实时观测、记录和存储。这些配件均采用工业化的标准产品，根据实际需要选用即可满足试验机的需要，这里不做详细介绍。要求压力传感器精度优于0.1％。

所述加载架和样品夹持***包括变直径岩样内圆环压盘、变直径岩样外圆环压盘、下横梁、立柱、立柱固定环和上横梁。其中下横梁、立柱、立柱固定环和上横梁组成了整个试验机的加载和反力承载***，基本原理与点荷载、巴西劈裂盘的试验***类似。对于样品夹持，需要满足多种直径的岩芯岩样实验要求。在试验机研发过程中，希望尽可能地减少样品加工工序，将岩芯两端简单切割，磨平，然后套钻双圆环，就能满足实验要求。对于常见规格尺寸的地质勘探钻孔岩芯，直径分别为Φ49±0.5mm、Φ62±0.5mm、Φ89±0.5mm、Φ94±0.5mm。针对这些尺寸，同时参考岩石力学的厚壁筒原理，每个圆筒的内外径之比不超过0.75，基于这些尺寸因素，岩样内圆环压盘设计不同的直径，包括Φ20mm、Φ25mm、Φ30mm、Φ35mm、Φ40mm、Φ45mm、Φ 50mm、Φ55mm，共8个直径，岩样外圆环压盘直径包括Φ30mm、Φ35mm、Φ40mm、Φ45mm、Φ50mm、Φ55mm、Φ60mm、Φ65mm，共8个直径，实验过程中可以根据测试样品灵活选用套钻尺寸，最后求平均值来获得最终测定值。变直径岩样上下压盘之间设计成可上下调整其空间的装置，油缸的行程空间可以满足300mm的行程要求，以更好地满足不同岩样大小的适用要求及试验操作的灵活便捷性。

本发明的优点和有益效果为：

(1)试验机可以监测和记录岩样受拉破坏的整个测试过程，并快速确定岩石直接拉伸时的抗拉强度定量值，而且测试原理和过程严谨可靠，填补了国内这一研究领域的空白。

(2)试验机配合国内现行的四种地质勘探(岩土工程勘察)钻孔直径(Φ76±0.5mm、Φ94±0.5mm、Φ110±0.5mm、Φ130±0.5mm)而设计，可以有效补充常规岩石物理力学测试的实验参数，而对实验样品准备要求较低，只需要将岩芯两端磨平并同心(同轴)套钻就可以满足要求，对实验样品的要求远远低于前面所述的岩石抗拉实验。

(3)本设备操作运输简便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为岩样直接拉伸试验的几种夹持装置。

图中，(a)是岩样直接拉伸夹持器，(b)是胶合圆柱形试样(c)是“狗骨型”双轴拉伸岩样直接拉伸夹持器。

图2为修正后的直接拉伸试验装置，可将压力转换为拉力。

图3为圆盘劈裂试验法示意图。

图中，1是硬质钢丝，2是承压板，3是圆盘状岩石试件，4是应压片，5是压力传感器，6是应力，7是应变，8是应力应变采集***，9是计算机处理***，10是岩石的抗拉弹性模量。

图4为巴西试验加载方式示意图。

图中，(a)是直接加载，(b)是垫片加载，(c)是垫条加载，(d)是弧形加载，F_a为施加载荷，D为岩样直径。

图5为岩梁四点弯曲拉伸试验测试示意图。

图6为岩梁三点弯曲拉伸试验测试示意图。

图7为本发明所述的多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度测试原理示意图。

图中，1是预想断裂面。

图8为本发明所述的多直径岩芯双圆环直接拉伸实验测试过程力学分析图。

图中，(a)是直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度测试基本受力模型及受拉区示意，(b)是抗拉强度测试应力应变全过程曲线和断裂能示意，(c)是抗拉强度测试破坏前的受力模式及样品内部应力分布图，(d)是抗拉强度测试破坏时的受力模式及样品内部应力分布图，(e)是抗拉强度测试破坏后的受力模式及样品内部应力分布图，1为受拉区，2为单轴抗拉强度，3为断裂能G_f持续增加。

图9为本发明所述的多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机结构示意图。

图中，1是上横梁，2是立柱，3是下压盘，4是导向板，5是导向套，6是立柱固定环，7是下横梁，8是油缸，9是球座，10是球头，11是球铰端盖，12是塔形弹簧，13是变直径岩样外圆环压盘，14是岩样，15是变直径岩样内圆环压盘，16是上压盘，17是传感器及数据采集***。

具体实施方式

实施例1

参见图9：

一种多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机，所述试验机包括加载***、压力监测和数据采集***、加载架和样品夹持***三个部分。

所述加载***包括上压盘(16)、球头(10)、球座(9)、塔形弹簧(12)、球铰端盖(11)、油缸(8)、下压盘(3)、导向套(5)和导向板(4)。所述油缸(8)为液压动力的输出装置，在这套实验机中配备了电动油泵和手动油泵两套***，电动油泵的最高输出压力为30MPa，加载率可以控制到0.005MPa/s；手动油泵的最高输出压力为60MPa，脉冲式输出压力，加载率与人操作频率密切相关，手动操作时，完全可以根据数显压力监视器的变化控制操作频率以满足实验要求。所述上压盘(16)和所述下压盘(3)组成了给样品施加压力的主动力源和反力架。所述球头(10)、球座(9)、塔形弹簧(12)和球铰端盖(11)组成的结构可以保证所施加的荷载与岩石样品同轴平行。所述导向套(5)和导向板(4)组成的结构保证所施加的荷载与岩石样品同轴平行，且荷载处于试验机所设定的加载架平面内。

所述压力监测和数据采集***(17)包括传感器及数据采集子***、压力数字显示屏、监控压力表和笔记本电脑数据采集子***。所述传感器及数据采集子***为高精度A/D压力传感器，可与计算机连接，实现计算机实时观测、记录和存储。所述压力传感器精度优于0.1％。

所述加载架和样品夹持***包括变直径岩样内圆环压盘(15)、变直径岩样外圆环压盘(13)、下横梁(7)、立柱(2)、立柱固定环(6)和上横梁(1)。其中下横梁(7)、立柱(2)、立柱固定环(6)和上横梁(1)组成了整个试验机的加载和反力承载***。所述岩样内圆环压盘(15)设计有包括Φ20mm、Φ25mm、Φ30mm、Φ35mm、Φ40mm、Φ45mm、Φ50mm、Φ55mm，共8个直径，所述岩样外圆环压盘(13)直径包括Φ30mm、Φ35mm、Φ40mm、Φ45mm、Φ50mm、Φ55mm、Φ60mm、Φ65mm，共8个直径。所述变直径岩样上、下压盘之间设计成可上下调整其空间的装置，所述油缸(8)的行程空间可以满足300mm的行程要求，以更好地满足不同岩样大小的适用要求及试验操作的灵活便捷性。

应用例1

实验设备成功研发后，使用几种样品进行了第一批次的实验。实验的加载速率为0.02MPa/s，岩样的内圆环直径为30mm，外圆环直径为60mm，岩样的外径为95mm。实验双圆环的偏心度约为3mm。实验结果如表2所示。

表2某次双圆环直接拉伸实验测试结果表

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机，其特征在于：所述试验机包括加载***、压力监测和数据采集***、加载架和样品夹持***三个部分。

2.如权利要求1所述的多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机，其特征在于：所述加载***包括上压盘、球头、球座、塔形弹簧、球铰端盖、油缸、下压盘、导向套和导向板；所述油缸为液压动力的输出装置；所述上压盘和所述下压盘组成了给样品施加压力的主动力源和反力架；所述球头、球座、塔形弹簧和球铰端盖组成的结构保证所施加的荷载与岩石样品同轴平行；所述导向套和导向板组成的结构保证所施加的荷载与岩石样品同轴平行，且荷载处于试验机所设定的加载架平面内。

3.如权利要求1或2所述的多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机，其特征在于：配备电动油泵和手动油泵，电动油泵的最高输出压力为30MPa，加载率可以控制到0.005MPa/s；手动油泵的最高输出压力为60MPa，脉冲式输出压力。

4.如权利要求1所述的多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机，其特征在于：所述压力监测和数据采集***包括传感器及数据采集子***、压力数字显示屏、监控压力表和笔记本电脑数据采集子***；所述传感器及数据采集子***为高精度A/D压力传感器，可与计算机连接，实现计算机实时观测、记录和存储；所述压力传感器精度优于0.1％。

5.如权利要求1所述的多直径岩芯双圆环直接拉伸岩石抗拉强度试验机，其特征在于：所述加载架和样品夹持***包括变直径岩样内圆环压盘、变直径岩样外圆环压盘、下横梁、立柱、立柱固定环和上横梁；所述下横梁、立柱、立柱固定环和上横梁组成了整个试验机的加载和反力承载***；所述岩样内圆环压盘设计有Φ20mm、Φ25mm、Φ30mm、Φ35mm、Φ40mm、Φ45mm、Φ50mm、Φ55mm，共8个直径；所述岩样外圆环压盘设计有Φ30mm、Φ35mm、Φ40mm、Φ45mm、Φ50mm、Φ55mm、Φ60mm、Φ65mm，共8个直径；所述变直径岩样上、下压盘之间设计成可上下调整其空间的装置，油缸的行程空间可以满足300mm的行程要求。