CN110044729A - 一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置及方法，包括试样拉伸剪切盒、法向变形测量单元、剪向变形测量单元及侧向变形测量单元，三个测量单元安装在试样拉伸剪切盒上；试样拉伸剪切盒由两个结构相同的试样拉伸剪切块组成，两者均采用U型结构，U型结构的两条U型臂依次作为法向应力加载臂和试样拉伸剪切臂，试样拉伸剪切臂内侧设有试样安装槽；两个试样拉伸剪切块的试样拉伸剪切臂互插在对方的U型口内且试样安装槽正对，块间分别留有法向拉伸间隙和剪向剪切间隙。方法为：将岩石试样放入涂抹有粘结剂的试样安装槽内，制作密封组件并烘干，在试样拉伸剪切盒上完成三个测量单元的安装，将密封组件送入压力室中完成安装，封闭压力室进行真三轴试验。

Description

一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置及方法。

背景技术

随着地下工程从浅部不断向深部发展，岩体逐渐由压缩剪切应力状态转化为拉伸剪切应力状态，因此对岩石开展拉伸剪切的研究具有很重要的意义。

目前，关于岩体拉伸剪切的研究，主要包括直接拉伸剪切试验和间接拉伸剪切试验。对于直接拉伸剪切试验来说，需要在块状或者圆柱状试样上直接施加不同的法向拉应力，进而测得试样的剪切力，但是直接拉伸剪切试验很难在三维应力条件下进行，因此试验局限性较大。对于间接拉伸剪切试验来说，主要通过四连杆机构装置和非对称切口拉剪方式进行，四连杆机构装置的拉伸变形与剪切变形成比例，拉伸应力和拉伸变形会受到剪切应力和剪切变形的影响，而在非对称切口拉剪方式下会在中间岩桥附近产生拉剪面，则需要对应力进行分解。因此，现有的拉伸剪切试验仍存在上述不足。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置及方法，不仅能够实现三维应力条件下的岩石拉伸剪切试验，而且能够直接获取三个应力方向上的岩石变形数据，并可获得最接近真实地应力环境下的岩石拉伸剪切力学特性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置，包括试样拉伸剪切盒、法向变形测量单元、剪向变形测量单元及侧向变形测量单元；

所述试样拉伸剪切盒包括第一试样拉伸剪切块和第二试样拉伸剪切块，第一试样拉伸剪切块和第二试样拉伸剪切块结构相同，两者均采用U型结构，且其中一条U型臂作为法向应力加载臂，另一条U型臂作为试样拉伸剪切臂，在试样拉伸剪切臂内侧开设有试样安装槽；所述第一试样拉伸剪切块和第二试样拉伸剪切块的试样拉伸剪切臂互插在对方的U型口内，且两条试样拉伸剪切臂上的试样安装槽相正对，在第一试样拉伸剪切块与第二试样拉伸剪切块之间分别留有法向拉伸间隙和剪向剪切间隙；

所述法向变形测量单元包括第一连接块、传感器安装架、导向柱、直线轴承及第二连接块及法向LVDT位移传感器；所述第一连接块固连在第二试样拉伸剪切块的试样拉伸剪切臂上，传感器安装架固连在第一连接块上，在传感器安装架上开设有直线轴承安装孔和传感器安装孔，直线轴承固装在直线轴承安装孔内，导向柱穿装在直线轴承中，法向LVDT位移传感器穿装在传感器安装孔中，法向LVDT位移传感器的线圈与传感器安装架相固连，法向LVDT位移传感器的铁芯与导向柱相平行，导向柱与法向LVDT位移传感器的铁芯之间通过一根定位杆相固连，在定位杆与法向LVDT位移传感器的线圈之间铁芯上套装有复位弹簧；所述第二连接块固连在第一试样拉伸剪切块的试样拉伸剪切臂上，法向LVDT位移传感器的铁芯端部与第二连接块表面顶靠接触，且第二连接块的顶靠接触面为平面，法向LVDT位移传感器的铁芯与第二连接块的顶靠接触面相垂直，在第二连接块的顶靠接触面上设有减摩层，在法向LVDT位移传感器的铁芯端部加装有滚珠；

所述剪向变形测量单元包括传感器支座、剪向LVDT位移传感器、触针及触针支座；所述传感器支座固连在第二试样拉伸剪切块上，剪向LVDT位移传感器的线圈与传感器支座相固连；所述触针支座固连在第一试样拉伸剪切块上，触针固装在触针支座上，剪向LVDT位移传感器的铁芯端部与触针端部顶靠接触；

所述侧向变形测量单元包括第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁、第四磁铁、第一支臂、第二支臂及侧向LVDT位移传感器；所述第一磁铁固装在岩石试样前表面，第二磁铁与第一磁铁异性相吸配合；所述第三磁铁固装在岩石试样后表面，第四磁铁与第三磁铁异性相吸配合；所述第一支臂一端固连在第二磁铁上，侧向LVDT位移传感器的线圈固连在第一支臂另一端；所述第二支臂一端固连在第四磁铁上，侧向LVDT位移传感器的铁芯端部固连在第二支臂另一端。

一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验方法，采用了所述的基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置，包括如下步骤：

步骤一：在第一试样拉伸剪切块和第二试样拉伸剪切块的试样安装槽5内表面涂抹粘结剂，再将一块标准岩石试样缓慢放入试样安装槽内，保证试样安装槽内的粘结剂被均匀挤出，使试样安装槽与岩石试样之间的缝隙完全被粘结剂填满；

步骤二：在岩石试样的自由面上涂抹耐油硅胶进行密封，完成涂胶密封后的岩石试样与试样拉伸剪切盒构成密封组合件，然后将密封组合件送入烘干箱内进行烘干，直至耐油硅胶完全固化；

步骤三：将烘干后的密封组合件取出，再分别将法向变形测量单元、剪向变形测量单元及侧向变形测量单元安装到试样拉伸剪切盒上；

步骤四：将安装有法向变形测量单元、剪向变形测量单元及侧向变形测量单元的密封组合件送入真三轴试验机的压力室内，同时在试样拉伸剪切盒的上下左右端面加装上滚动轴承，通过滚动轴承减小真三轴试验机加装活塞对试样拉伸剪切盒的摩擦影响，然后依次将法向LVDT位移传感器、剪向LVDT位移传感器及侧向LVDT位移传感器的数据传输线与压力室内的对应数据端口相连接，压力室内的对应数据端口与数据采集器相连接，数据采集器与主控计算机相连接；

步骤五：启动主控计算机，查看法向LVDT位移传感器、剪向LVDT位移传感器及侧向LVDT位移传感器的信号是否接受正常，微调法向LVDT位移传感器、剪向LVDT位移传感器及侧向LVDT位移传感器的位置，使法向LVDT位移传感器、剪向LVDT位移传感器及侧向LVDT位移传感器均处于试验量程范围内，且法向LVDT位移传感器、剪向LVDT位移传感器及侧向LVDT位移传感器的测量误差均在±0.1％以内；

步骤六：封闭压力室，首先通过充油加压完成侧向应力的加载，然后进行法向应力的加载，最后进行剪切力的加载，以在三维应力条件下模拟岩石拉伸剪切失效，并记录下试验数据。

本发明的有益效果：

本发明的基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置及方法，不仅能够实现三维应力条件下的岩石拉伸剪切试验，而且能够直接获取三个应力方向上的岩石变形数据，并可获得最接近真实地应力环境下的岩石拉伸剪切力学特性。

附图说明

图1为本发明的一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置的正视图；

图2为本发明的一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置的后视图；

图3为本发明的一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置的俯视图；

图4为本发明的第一/第二试样拉伸剪切块的结构示意图；

图中，1—第一试样拉伸剪切块，2—第二试样拉伸剪切块，3—法向应力加载臂，4—试样拉伸剪切臂，5—试样安装槽，6—法向拉伸间隙，7—剪向剪切间隙，8—第一连接块，9—传感器安装架，10—导向柱，11—直线轴承，12—第二连接块，13—法向LVDT位移传感器，14—定位杆，15—传感器支座，16—剪向LVDT位移传感器，17—触针，18—触针支座，19—第一磁铁，20—第二磁铁，21—第三磁铁，22—第四磁铁，23—第一支臂，24—第二支臂，25—侧向LVDT位移传感器，26—岩石试样。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～4所示，一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置，包括试样拉伸剪切盒、法向变形测量单元、剪向变形测量单元及侧向变形测量单元；

所述试样拉伸剪切盒包括第一试样拉伸剪切块1和第二试样拉伸剪切块2，第一试样拉伸剪切块1和第二试样拉伸剪切块2结构相同，两者均采用U型结构，且其中一条U型臂作为法向应力加载臂3，另一条U型臂作为试样拉伸剪切臂4，在试样拉伸剪切臂4内侧开设有试样安装槽5；所述第一试样拉伸剪切块1和第二试样拉伸剪切块2的试样拉伸剪切臂4互插在对方的U型口内，且两条试样拉伸剪切臂4上的试样安装槽5相正对，在第一试样拉伸剪切块1与第二试样拉伸剪切块2之间分别留有法向拉伸间隙6和剪向剪切间隙7；

所述法向变形测量单元包括第一连接块8、传感器安装架9、导向柱10、直线轴承11及第二连接块12及法向LVDT位移传感器13；所述第一连接块8固连在第二试样拉伸剪切块2的试样拉伸剪切臂4上，传感器安装架9固连在第一连接块8上，在传感器安装架9上开设有直线轴承安装孔和传感器安装孔，直线轴承11固装在直线轴承安装孔内，导向柱10穿装在直线轴承11中，法向LVDT位移传感器13穿装在传感器安装孔中，法向LVDT位移传感器13的线圈与传感器安装架9相固连，法向LVDT位移传感器13的铁芯与导向柱相平行，导向柱与法向LVDT位移传感器13的铁芯之间通过一根定位杆14相固连，在定位杆14与法向LVDT位移传感器13的线圈之间铁芯上套装有复位弹簧；所述第二连接块12固连在第一试样拉伸剪切块1的试样拉伸剪切臂4上，法向LVDT位移传感器13的铁芯端部与第二连接块12表面顶靠接触，且第二连接块12的顶靠接触面为平面，法向LVDT位移传感器13的铁芯与第二连接块12的顶靠接触面相垂直，在第二连接块12的顶靠接触面上设有减摩层，在法向LVDT位移传感器13的铁芯端部加装有滚珠；

所述剪向变形测量单元包括传感器支座15、剪向LVDT位移传感器16、触针17及触针支座18；所述传感器支座15固连在第二试样拉伸剪切块2上，剪向LVDT位移传感器16的线圈与传感器支座15相固连；所述触针支座18固连在第一试样拉伸剪切块1上，触针17固装在触针支座18上，剪向LVDT位移传感器16的铁芯端部与触针17端部顶靠接触；

所述侧向变形测量单元包括第一磁铁19、第二磁铁20、第三磁铁21、第四磁铁22、第一支臂23、第二支臂24及侧向LVDT位移传感器25；所述第一磁铁19固装在岩石试样26前表面，第二磁铁20与第一磁铁19异性相吸配合；所述第三磁铁21固装在岩石试样26后表面，第四磁铁22与第三磁铁21异性相吸配合；所述第一支臂23一端固连在第二磁铁20上，侧向LVDT位移传感器25的线圈固连在第一支臂23另一端；所述第二支臂24一端固连在第四磁铁22上，侧向LVDT位移传感器25的铁芯端部固连在第二支臂24另一端。

在安装各个测量单元时，需要保证法向变形测量单元、剪向变形测量单元及侧向变形测量单元在侧向应力方向上彼此留有安全间隙，法向LVDT位移传感器13、剪向LVDT位移传感器16及侧向LVDT位移传感器25均数据传输线与数据采集器相连，数据采集器与计算机相连，数据采集器选用DOLI-DEC控制器；在选取剪向LVDT位移传感器16和触针17时，将剪向LVDT位移传感器16的铁芯端部加工成圆盘形，同时将触针17的触头端加工成弧面，保证岩石试样26变形过程中触针17与铁芯能够始终紧密接触，不会因为岩石试样26的变形而彼此脱离。

一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验方法，采用了所述的基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置，包括如下步骤：

步骤一：在第一试样拉伸剪切块1和第二试样拉伸剪切块2的试样安装槽5内表面涂抹粘结剂，再将一块标准岩石试样26缓慢放入试样安装槽5内，保证试样安装槽5内的粘结剂被均匀挤出，使试样安装槽5与岩石试样26之间的缝隙完全被粘结剂填满；

步骤二：在岩石试样26的自由面上涂抹耐油硅胶进行密封，完成涂胶密封后的岩石试样26与试样拉伸剪切盒构成密封组合件，然后将密封组合件送入烘干箱内进行烘干，直至耐油硅胶完全固化；

步骤三：将烘干后的密封组合件取出，再分别将法向变形测量单元、剪向变形测量单元及侧向变形测量单元安装到试样拉伸剪切盒上；

步骤四：将安装有法向变形测量单元、剪向变形测量单元及侧向变形测量单元的密封组合件送入真三轴试验机的压力室内，同时在试样拉伸剪切盒的上下左右端面加装上滚动轴承，通过滚动轴承减小真三轴试验机加装活塞对试样拉伸剪切盒的摩擦影响，然后依次将法向LVDT位移传感器13、剪向LVDT位移传感器16及侧向LVDT位移传感器25的数据传输线与压力室内的对应数据端口相连接，压力室内的对应数据端口与数据采集器相连接，数据采集器与主控计算机相连接；

步骤五：启动主控计算机，查看法向LVDT位移传感器13、剪向LVDT位移传感器16及侧向LVDT位移传感器25的信号是否接受正常，微调法向LVDT位移传感器13、剪向LVDT位移传感器16及侧向LVDT位移传感器25的位置，使法向LVDT位移传感器13、剪向LVDT位移传感器16及侧向LVDT位移传感器25均处于试验量程范围内，且法向LVDT位移传感器13、剪向LVDT位移传感器16及侧向LVDT位移传感器25的测量误差均在±0.1％以内；

步骤六：封闭压力室，首先通过充油加压完成侧向应力的加载，然后进行法向应力的加载，最后进行剪切力的加载，以在三维应力条件下模拟岩石拉伸剪切失效，并记录下试验数据。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置，其特征在于：包括试样拉伸剪切盒、法向变形测量单元、剪向变形测量单元及侧向变形测量单元；

所述试样拉伸剪切盒包括第一试样拉伸剪切块和第二试样拉伸剪切块，第一试样拉伸剪切块和第二试样拉伸剪切块结构相同，两者均采用U型结构，且其中一条U型臂作为法向应力加载臂，另一条U型臂作为试样拉伸剪切臂，在试样拉伸剪切臂内侧开设有试样安装槽；所述第一试样拉伸剪切块和第二试样拉伸剪切块的试样拉伸剪切臂互插在对方的U型口内，且两条试样拉伸剪切臂上的试样安装槽相正对，在第一试样拉伸剪切块与第二试样拉伸剪切块之间分别留有法向拉伸间隙和剪向剪切间隙；

所述法向变形测量单元包括第一连接块、传感器安装架、导向柱、直线轴承及第二连接块及法向LVDT位移传感器；所述第一连接块固连在第二试样拉伸剪切块的试样拉伸剪切臂上，传感器安装架固连在第一连接块上，在传感器安装架上开设有直线轴承安装孔和传感器安装孔，直线轴承固装在直线轴承安装孔内，导向柱穿装在直线轴承中，法向LVDT位移传感器穿装在传感器安装孔中，法向LVDT位移传感器的线圈与传感器安装架相固连，法向LVDT位移传感器的铁芯与导向柱相平行，导向柱与法向LVDT位移传感器的铁芯之间通过一根定位杆相固连，在定位杆与法向LVDT位移传感器的线圈之间铁芯上套装有复位弹簧；所述第二连接块固连在第一试样拉伸剪切块的试样拉伸剪切臂上，法向LVDT位移传感器的铁芯端部与第二连接块表面顶靠接触，且第二连接块的顶靠接触面为平面，法向LVDT位移传感器的铁芯与第二连接块的顶靠接触面相垂直，在第二连接块的顶靠接触面上设有减摩层，在法向LVDT位移传感器的铁芯端部加装有滚珠；

所述剪向变形测量单元包括传感器支座、剪向LVDT位移传感器、触针及触针支座；所述传感器支座固连在第二试样拉伸剪切块上，剪向LVDT位移传感器的线圈与传感器支座相固连；所述触针支座固连在第一试样拉伸剪切块上，触针固装在触针支座上，剪向LVDT位移传感器的铁芯端部与触针端部顶靠接触；

所述侧向变形测量单元包括第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁、第四磁铁、第一支臂、第二支臂及侧向LVDT位移传感器；所述第一磁铁固装在岩石试样前表面，第二磁铁与第一磁铁异性相吸配合；所述第三磁铁固装在岩石试样后表面，第四磁铁与第三磁铁异性相吸配合；所述第一支臂一端固连在第二磁铁上，侧向LVDT位移传感器的线圈固连在第一支臂另一端；所述第二支臂一端固连在第四磁铁上，侧向LVDT位移传感器的铁芯端部固连在第二支臂另一端。

2.一种基于真三轴的岩石拉伸剪切试验方法，采用了权利要求1所述的基于真三轴的岩石拉伸剪切试验装置，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：在第一试样拉伸剪切块和第二试样拉伸剪切块的试样安装槽5内表面涂抹粘结剂，再将一块标准岩石试样缓慢放入试样安装槽内，保证试样安装槽内的粘结剂被均匀挤出，使试样安装槽与岩石试样之间的缝隙完全被粘结剂填满；

步骤二：在岩石试样的自由面上涂抹耐油硅胶进行密封，完成涂胶密封后的岩石试样与试样拉伸剪切盒构成密封组合件，然后将密封组合件送入烘干箱内进行烘干，直至耐油硅胶完全固化；

步骤三：将烘干后的密封组合件取出，再分别将法向变形测量单元、剪向变形测量单元及侧向变形测量单元安装到试样拉伸剪切盒上；

步骤四：将安装有法向变形测量单元、剪向变形测量单元及侧向变形测量单元的密封组合件送入真三轴试验机的压力室内，同时在试样拉伸剪切盒的上下左右端面加装上滚动轴承，通过滚动轴承减小真三轴试验机加装活塞对试样拉伸剪切盒的摩擦影响，然后依次将法向LVDT位移传感器、剪向LVDT位移传感器及侧向LVDT位移传感器的数据传输线与压力室内的对应数据端口相连接，压力室内的对应数据端口与数据采集器相连接，数据采集器与主控计算机相连接；

步骤五：启动主控计算机，查看法向LVDT位移传感器、剪向LVDT位移传感器及侧向LVDT位移传感器的信号是否接受正常，微调法向LVDT位移传感器、剪向LVDT位移传感器及侧向LVDT位移传感器的位置，使法向LVDT位移传感器、剪向LVDT位移传感器及侧向LVDT位移传感器均处于试验量程范围内，且法向LVDT位移传感器、剪向LVDT位移传感器及侧向LVDT位移传感器的测量误差均在±0.1％以内；

步骤六：封闭压力室，首先通过充油加压完成侧向应力的加载，然后进行法向应力的加载，最后进行剪切力的加载，以在三维应力条件下模拟岩石拉伸剪切失效，并记录下试验数据。