CN111175162A - 一种岩石试样块单侧围压施加装置及围压施加方法 - Google Patents
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Abstract
一种岩石试样块单侧围压施加装置及围压施加方法，包括加载侧板、螺栓、导热块、加热元件；对所述加载侧板对称设置于岩石试样块的加载侧面；一对所述加载侧板的左右两端利用所述螺栓进行紧固；所述导热块与所述螺栓接触，所述加热元件***所述导热块内；所述导热块的热量传导至所述螺栓使得所述螺栓伸长而旋进所述螺母，所述螺栓冷却后收缩以拉紧所述加载侧板，使得所述加载侧板向所述岩石试样块施加围压；以及与一种岩石试样块单侧围压施加装置配合使用的围压施加方法。本发明结构简单、经济实用、便于安装、操作方便，且满足工程测试精度要求，适用于诸如大埋深隧道环境下TBM掘进刀具破岩机理等深部岩层的研究领域。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程和隧道工程的交叉领域，涉及一种岩石试样块单侧围压施加装置及围压施加方法，尤其涉及一种可供TBM(硬岩掘进机)滚刀(盘形滚刀)标准线切割试验台(以下简称TBM标准线切割试验台)石仓使用的用于模拟岩层单侧围压状态的岩石试样块围压施加装置及围压施加方法。
背景技术
赋存于地层中的岩体，尤其是深部岩层中的天然岩体，由于受到重力、板块运动及地壳收缩等因素的影响，具备一定地应力(也称岩体围压)。该岩体围压影响了岩石自身物理力学性质、岩石破碎/破坏机制等，以及影响了开挖装置的破岩载荷特性、破岩效率和使用寿命等；因此，无围压应力条件下(如实验室环境下制备的普通岩石试样块)表现出的特性与岩体围压及浅表地层中低围压应力条件下天然岩体表现出的特性截然不同，岩体围压下天然岩体表现出的特性是大型地下洞室稳定性分析与工程设计的必要信息之一，对于深部高应力地下工程的安全评价与灾害防治尤为重要。因此，在研究与岩体围压息息相关的岩石力学与岩土工程学问题时，尤其是涉及诸如大埋深隧道环境下TBM(硬岩掘进机)掘进刀具破岩机理、深部煤炭巷道下掘锚机截割头煤岩开挖机理、部分地质构造高应力的特殊国防深地工程中采用钻爆法施工后，边坡稳定性问题等深部岩层的研究领域时，需要在研究过程中考虑到岩体围压作用，并应在相应的试验中模拟出岩体围压的真实状态。
以在TBM标准线切割试验台的基础上开展TBM刀盘刀具破岩实验研究为例，由于岩体在隧道开挖前便具有高围压水平，实验时应模拟出深部岩层受到高围压的环境条件，因此不仅需要在TBM标准线切割试验台的石仓内牢固装夹岩石试样块，还应对靠近岩石试样块待切削表面的侧面加载一定的压力，进而模拟出与真实掘进环境下岩石具有的围压状态(一般为平面围压状态，在二维侵岩分析时(含仿真建模分析)一般简化为单侧围压状态)。目前，真三轴扰动试验台、三轴岩石物理力学性能测试试验机等均采用油浴加压的方式模拟三轴围压，但该项技术方案因未留出可供刀具切削的待切削表面，故不适用于本领域。参考当前现有的两轴岩石物理力学性能测试试验机的围压模拟原理，理论上可采用一对液压缸对顶的方式为岩石试样块施加侧向围压，同时将岩石试样块的上表面留出作为刀具切削表面。然而，由于TBM线切割试验所需岩石试样块的尺寸均较大(为了避免岩石试样块尺寸过小引起边界效应，文献《Disc cutting tests in Colorado Red Granite:Implicationsfor TBM performance prediction》中采用了1.1×0.8×0.6m的花岗岩试样)，导致给定围压下所需液压缸工作压力极高，所需的液压泵站及液压***复杂且成本极高(需要配置伺服阀、高压泵等)，且对加载装置的刚度、液压***的密封性能和可靠性提出了极高要求，不便于实现。一般的设计经验表明，当TBM标准线切割试验台上采用17英寸(直径为432mm)全尺寸TBM滚刀进行破岩切削试验时，若试验台刀间距模拟能力最大设计为75mm，则在尽量降低岩石试样块尺寸的边界效应的前提下，采用液压缸对顶的方式可获得的理论最高经济性围压仅为10～20MPa左右(按液压缸额定载荷为250～300kN计算)，这显然不能满足深部岩层下高围压模拟要求。
尽管天然岩体的围压水平对于研究深部岩层下TBM刀盘刀具切削机理和掘进效率至关重要，但由于实验技术的局限性，导致现有的全尺寸TBM刀具破岩试验台都不具备提供模拟侧向围压的能力，具体参考专利201310032227.X、ZL200810143551.8、ZL200810143552.2、CN102445336A、ZL200410089260.7、CN 102788693A等。国外美国科罗拉多矿业学院、韩国Korea Institute of Construction Technology、土耳其IstanbulTechnical University等机构也对滚刀破岩特性进行了实验研究，但均未能研制出有效的围压模拟装置；这包括文献(Disc cutting tests in Colorado Red Granite:Implications for TBM performance prediction)提到的美国科罗拉多矿业学院研制的线性切割试验台(Linear Cutting Machine)，文献(Optimum spacing of TBM disccutters:A numerical simulation using the three-dimensional dynamic fracturingmethod)提到的韩国Korea Institute of Construction Technology研制的滚刀破岩试验台，文献(Correlation of rock cutting tests with field performance of a TBM ina highly fractured rock formation:A case study in Kozyatagi-Kadikoy metrotunnel,Turkey)提到的土耳其Istanbul Technical University研制的滚刀破岩试验台。
可见，现有TBM刀具切削实验台均不具备围压模拟试验的能力。更为确切地讲，是目前现有TBM刀具切削实验台所用的实验台及石仓不具备岩石围压模拟加载功能，以满足工程应用研究中模拟TBM滚刀切削工况的要求。
因此，提供一种经济便捷且满足工程精度测试要求的岩石试样块单侧围压施加装置及围压施加方法，尤其是提供一种可供TBM标准线切割试验台使用的岩石试样块单侧围压施加装置及围压施加方法，是目前亟待解决的问题。更进一步地，考虑到深部岩层相关的部分研究课题中需要模拟出岩石侧向围压状态，同时还应预留出足够大小的岩石待切削表面以供刀具切削破碎，或者粘贴布设测试设备等，而且目前现存的大量相关试验台均未有围压模拟能力，因此在不改变原有试验台主体结构、不额外增加复杂庞大的液压***、不采用可靠性和密封性要求高的浴油加压方式的前提下，提供出一种经济可行的岩石试样块侧向围压施加装置及围压施加方法，显然具有巨大的经济效应和市场潜力。
发明内容
针对现有技术的上述局限性，本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置，包括加载侧板、螺栓、导热块、加热元件，其特征在于：
一对所述加载侧板对称设置于岩石试样块的加载侧面；一对所述加载侧板的左右两端利用所述螺栓进行紧固；所述导热块与所述螺栓接触，所述加热元件***所述导热块内；所述导热块的热量传导至所述螺栓使得所述螺栓伸长而旋进所述螺母，所述螺栓冷却后收缩以拉紧所述加载侧板，使得所述加载侧板向所述岩石试样块施加围压。
本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置，还包括第一侧板、第二侧板、夹块，其特征在于：
所述第一侧板和所述第二侧板分别正对于岩石试样块的两个相互相对的自由侧面设置；一对所述加载侧板上靠近所述第一侧板的一端开设有矩形切口，一对所述加载侧板靠近所述第二侧板的一侧表面上均开设有导向孔；所述第二侧板两侧的端面上设置有导向杆，所述导向杆的轴线与所述第二侧板的长度方向平行；
所述第一侧板活动地穿过所述矩形切口；所述第二侧板的主体部分设置于一对所述加载侧板之间，且所述导向杆活动地***与其正对的所述导向孔内；所述第二侧板的长度小于所述第二侧板的所正对的所述岩石试样块的自由侧面的宽度；
在一对所述加载侧板的同一侧各设置有一组夹块，所述夹块的夹紧工作面正对所述加载侧板的板面，所述夹块的装配面突出于所述加载侧板的板面；一对所述加载侧板的左右两端利用所述螺栓将所述夹块的加紧工作面与所述加载侧板相互紧贴。
作为优选，所述导向孔为通孔。
作为优选，所述矩形切口关于所述加载侧板的水平中间对称面对称。
作为优选，所述第一侧板的内侧板面与所述矩形切口的竖直侧壁存在一定间隙。
更为优选，所述第一侧板和所述第二侧板均分别与所述岩石试样块的自由侧面接触。
作为优选，位于一对所述加载侧板同一侧的一组所述螺栓共用一个所述导热块。
作为优选，在所述第一侧板、所述第二侧板与所述岩石试样块之间均匀地填充设置有隔热层。
更为优选，所述第一侧板和所述第二侧板分别与所述岩石试样块之间填充的隔热层厚度相等，且所述隔热层采用石棉材料制成；
更为优选，所述导热块关于螺栓平面不对称，且两个所述导热块分别远离所述第一侧板和所述第二侧板设置。
作为优选，在一对所述加载侧板的同一侧各设置有两组所述夹块；两组所述夹块关于所述加载侧板的水平对称中心面上下对称布置。
作为优选，所述第二侧板两端面各设有一对所述导向杆；一对所述导向杆分别关于所述第二侧板的水平对称中心面和垂直对称中心面对称布置，且所述导向杆与所述导向孔之间为间隙配合。
作为优选，所述第一侧板和所述第二侧板的上边缘均与所述试样块的上表面齐平。
作为优选，一对所述加载侧板的上边缘均高于所述岩石试样块的上表面。
作为优选，本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置还包括侧板拉紧机构；所述侧板拉紧机构包括挂钩、蝶形螺母、拉紧螺杆、拉紧杆件；所述拉紧螺杆为中间粗的阶梯轴杆件，一端设置有六角头，另一端开设有螺纹；一对所述加载侧板上靠近所述第二侧板的一端开设有一个所述螺杆安装孔和两个所述导向孔，所述螺杆安装孔布置在所述加载侧板的水平中间面上，两个所述导向孔分别关于所述螺杆安装孔竖直对称地开设于所述加载侧板的右端的上下两部分区域，所述拉紧螺杆开设有螺纹的一端旋入所述螺杆安装孔后，活动地穿过所述螺杆安装孔后经由孔***所述第二侧板的端面；将所述拉紧螺杆紧固安装于所述加载侧板上；所述拉紧杆件呈“U”字形结构，其两端开有外螺纹；所述挂钩的连接端垂直固接于所述拉紧螺杆的大径端上；所述拉紧杆件的中间端挂设在所述挂钩的挂钩端上；外露于一对所述加载侧板外表面的所述第一侧板两侧表面开设有孔；所述拉紧杆件的两端活动地穿过所述第一侧板上的所述孔，所述第一侧板和所述第二侧板可靠地紧贴于所述岩石试样块的自由侧面。
作为优选，所述拉紧杆件的轴线所在平面与所述加载侧板平行。
作为优选，在所述第一侧板、所述第二侧板与所述石仓的间隙中间分别设置有支撑调节板；所述支撑调节板通过支撑调节螺钉固接于所述石仓上。
作为优选，所述第二侧板两端侧面都设有两个限位螺钉，两个所述限位螺钉分别竖直布置在以所述拉紧螺杆为对称的上下两部分的位置。
作为优选，一对所述加载侧板的同一侧对应地各设置有2根所述螺栓。
作为优选，所述螺栓通过孔的孔心距所述侧面边缘的距离小于所述螺栓通过孔的半径；所述螺栓通过孔的缺口宽度不小于所述螺栓通过孔的直径。
作为优选，所述加热元件安装孔按其孔径的大小分为加热元件安装大孔和加热元件安装小孔两个序列。
与本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置配合使用的围压施加方法，其特征在于：
步骤一：利用地质勘探调研、理论计算、数值仿真分析等公知手段，预测获得TBM所在掘进地层的地应力的范围，得出地应力最大值σmax和地应力最小值σmin。
步骤二：基于钢材热变形理论、数值仿真分析的公知手段，计算获得满足最大围压加载能力、螺栓最高许用加热温度和螺栓许用连接强度的螺栓危险横截面最小许可直径dmin，获得实际可选用的螺栓危险横截面直径d的取值范围。
步骤三：合理选用螺栓的型号规格；根据实际选用螺栓的危险横截面直径d以及设定的待模拟围压值σ，预测该螺栓设定加热温度T。
步骤四：室温T0下，岩石试样块的加载侧面借助所述螺栓和螺母的配合被加载侧板初步夹紧，完成初步紧固装配；加热所述螺栓至所述螺栓设定加热温度T，再次拧紧所述螺母后再冷却至室温T0，以使得所述岩石试样块加载侧面的围压水平理论上达到待模拟围压值σ。
作为优选，本发明一种岩石试样块单向对侧围压施加装置配合使用的围压施加方法步骤一中采用下式估算出垂直地应力σv1和σv2；再由σv1和σv2估算出地应力的范围，即地应力最大值σmax和地应力最小值σmin：
式中，σhmax和σhmin分别为实测最大水平地应力和实测最小水平地应力；该区域内水平地应力σh与垂直地应力σv之比为k，其值实测范围为kmax∈(1.25，2.20)，kmin∈(0.6，1.25)。
作为优选，本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置配合使用的围压施加方法步骤一中还可以采用下式计算出垂直地应力σv：
σv＝γH
式中，γ为岩体密度，H为隧道埋深；
再借助该区域内水平地应力σh与垂直地应力σv之比k，利用下式估算出水平地应力σh：
σh＝kσv
再由σv和σh估算出地应力的范围。
作为优选，本发明一种岩石试样块单向对侧围压施加装置配合使用的围压施加方法步骤二中，根据钢材线性热膨胀变形理论来推导获得实际可选用的螺栓危险横截面直径d的取值范围，其公式为：
式中，A为所述加载侧板与岩石试样块的接触面积，n为螺栓根数，E为螺栓材料的弹性模量，α为螺栓的热膨胀系数，ΔTmax为螺栓最大许可温升值，S为安全系数，σs螺栓材料的屈服极限。
作为优选，本发明一种岩石试样块单向对侧围压施加装置配合使用的围压施加方法步骤三中，根据钢材线性热膨胀变形理论来推导获得螺栓设定加热温度T，其公式为：
作为优选，本发明一种岩石试样块单向对侧围压施加装置配合使用的围压施加方法步骤四中，初步紧固装配时螺栓预紧力Ft0不超过螺栓标准预紧力值的1/20；再次拧紧螺母时的预紧扭矩值大小同初步紧固装配时；
更为优选，初步紧固装配时螺栓预紧力Ft0不超过1kN。
更为优选，本发明一种岩石试样块单向对侧围压施加装置配合使用的围压施加方法步骤二中螺栓危险横截面直径d的取值范围，其推导公式修正为：
步骤三中螺栓设定加热温度T，其推导公式修正为：
本发明的有益之处在于提供一种岩石试样块单侧围压施加装置及围压施加方法，适用于在不改变现有TBM(硬岩掘进机)标准线切割试验台结构的条件下，与所述TBM标准线切割试验台石仓配合使用，用以模拟岩层单侧围压状态。本装置结构简单、经济实用、便于安装、操作方便，且满足工程测试精度要求，不仅可保证所述侧板与所述加载侧板的垂直度，以防止所述岩石试样块边角被压溃，而且还可避免热源对所述岩石试样块产生热辐射，以防止所述岩石试样块局部过热开裂；本发明适用于诸如大埋深隧道环境下TBM(硬岩掘进机)掘进刀具破岩机理、深部煤炭巷道下掘锚机截割头煤岩开挖机理、部分地质构造高应力的特殊国防深地工程中的边坡稳定等深部岩层的研究领域。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置的具体实施例一的三维结构示意图(还包括石仓、石仓支撑板、岩石试样块)。
图2为图1中加载侧板的三维结构示意图。
图3为本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置具体实施例二的三维结构示意图(含石仓)。
图4为如图3所示具体实施例二在另一视角下的三维结构示意图。
图5为如图3所示具体实施例二在隐藏岩石试样块和导热块后的三维结构示意图。
图6为如图3所示具体实施例二在隐藏岩石试样块、导热块和石仓后在另一视角下的三维结构示意图。
图7为图5在隐藏石仓后的三维结构***图。
图8为图3中第二侧板的三维结构示意图。
图9为图3中加载侧板的三维结构示意图。
图10为图3中Ⅰ处的局部放大图。
图11为螺栓通过孔和加热元件安装孔在如图3所示导热块的侧面上的优选布置方案示意图。
图12为螺栓通过孔和加热元件安装孔在如图3所示导热块的侧面上的另一优选布置方案示意图。
图13为二维滚刀侵岩仿真分析案例中岩石试样块所处的单侧围压状态的示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
在实施本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置前，岩石试样块1的下部已经牢固安装于如图1所示的石仓2内；一般而言，石仓2通过如图4所示的紧固螺钉2-3将岩石试样块1的下部牢固固定于石仓2的仓内，如图1所示，石仓2固定在TBM标准线切割试验台的石仓支撑板2-1上，石仓2与石仓支撑板2-1交界处设有加强筋2-2。在如图13所示的二维滚刀侵岩分析案例中，常在滚刀10侵入岩石试样块1所处的二维平面的X方向施加对向载荷P的状态模拟单侧围压状态。利用本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置可对岩石试样块1的上部两个相对的侧面施加给定的围压作用，被施加围压的岩石试样块1的上部两个侧面称之为加载侧面，而其余未被施加围压的岩石试样块1的上部两个侧面称之为自由侧面。
具体实施例一。
如图1所示，本发明为一种岩石试样块单侧围压施加装置，包括加载侧板3-3、螺栓3-4、导热块3-8、加热元件(未画出)，其特征在于：
一对加载侧板3-3对称设置于岩石试样块1的加载侧面；一对加载侧板3-3的左右两端利用螺栓3-4进行紧固；导热块3-8与螺栓3-4接触，加热元件***导热块3-8内；导热块3-8的热量传导至螺栓3-4使得螺栓3-4伸长而旋进螺母4-3，螺栓3-4冷却后收缩以拉紧加载侧板3-3，使得加载侧板3-3向岩石试样块1施加围压。
本例中，如图1和图2所示，更为具体地，加载侧板3-3采用U形钢，加载侧板3-3的左右两端各对称地开设有2个竖向布置的螺栓安装孔3-3-4；导热块3-8开始有加热元件安装孔3-8-1和螺栓通过孔3-8-2；导热块3-8设置于两块加载侧板3-3之间，且导热块3-8的侧面与加载侧板3-3的夹持加载侧面平行；所述加热元件***加热元件安装孔3-8-1内；螺栓3-4依次活动地穿过加载侧板3-3的螺栓安装孔3-3-4、导热块3-8的螺栓通过孔3-8-2后，利用螺母4-3将加载侧板3-3紧固于岩石试样块1的加载侧面；岩石试样块1的上边缘不高于加载侧板3-3的上边缘。
本实施例中一种岩石试样块单侧围压施加装置的应用过程为：如图1所示，石仓2紧固在石仓支撑板2-1上表面，在石仓2内放置有岩石试样块1，在裸露出石仓2的岩石试样块1的加载侧面完成本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置的初步紧固装配，即试验前室温下，将加载侧板3-3搭在石仓2的上边缘，加载侧板3-3与裸露出石仓2的岩石试样块1贴合；利用螺母4-3将加载侧板3-3初步固定在岩石试样块1的加载侧面，并确保螺栓3-4与水平面平行；待完成初步紧固装配后，加热元件通电后持续加热，使得导热块3-8升温并将温度传递给对应的螺栓3-4；当螺栓3-4升至给定温度后，螺栓3-4由于受热膨胀伸长，此时再次拧紧螺母4-3；加热元件断电停止加热，当螺栓3-4冷却至室温后，利用螺栓3-4热胀冷缩产生的内应力，最终达到加载侧板3-3向岩石试样块1施加给定侧向围压的目的。
具体实施例二。
考虑到在前述具体实施例一中，加载侧板3-3与螺栓3-4在装配过程中容易发生错动，从而影响单侧围压施加精度，为了克服此问题，在具体实施例一的基础上，进行了如下局部改进完善，并获得了如图3至图12所示具体实施例二的附图。
如图3至图6所示，本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置，还包括第一侧板3-1、第二侧板3-2、夹块3-7，其特征在于：
如图3所示，第一侧板3-1和第二侧板3-2分别正对于岩石试样块1的两个相互相对的自由侧面设置；本例中，如图9所示，一对加载侧板3-3上靠近第一侧板3-1的一端(本例中，如图3所示为左端)开设有矩形切口3-3-1，一对加载侧板3-3靠近第二侧板3-2的一侧(本例中，如图3所示为右端)表面上均开设有导向孔3-3-3；作为优选，导向孔3-3-3为通孔；作为优选，矩形切口3-3-1关于加载侧板3-3的水平中间对称面对称；如图8所示，第二侧板3-2两侧的端面上设置有导向杆3-2-2，导向杆3-2-2的轴线与第二侧板3-2的长度方向平行；
第一侧板3-1活动地穿过所述矩形切口3-3-1，且第一侧板3-1的两端均露出于一对加载侧板3-3的外表面；作为优选，第一侧板3-1的两端对称地露出于一对加载侧板3-3的外表面；第二侧板3-2的主体部分(即不含导向杆3-2-2的板体部分)设置于一对加载侧板3-3之间，且导向杆3-2-2活动地***与其正对的导向孔3-3-3内；第二侧板3-2的长度小于第二侧板3-2的所正对的岩石试样块1的自由侧面的宽度，也即第二侧板3-2沿其长度方向上并未完全覆盖于岩石试样块1的自由侧面上；
一对加载侧板3-3的同一侧各设置有一组夹块3-7，夹块3-7的夹紧工作面正对加载侧板3-3的板面，夹块3-7的装配面突出于加载侧板3-3的板面；一对加载侧板3-3的同一侧对应地设置有一组螺栓3-4，更为具体地，一组螺栓3-4靠近第一侧板3-1或第二侧板3-2；螺栓3-4活动地穿过夹块3-7的装配面，再利用螺母4-3将夹块3-7的加紧工作面与加载侧板3-3相互紧贴，进而利用螺纹连接方式产生的预紧力将两加载侧板3-3分别与紧固于石仓2的岩石试样块1的上部两个加载侧面相互紧贴；
如图3和图4所示，导热块3-8的侧面开设有轴线相互平行的螺栓通过孔3-8-2和加热元件安装孔3-8-1，导热块3-8利用螺栓通过孔3-8-2套设于螺栓3-4上；所述加热元件***加热元件安装孔3-8-1内，用于将热源通过导热块3-8传递给螺栓3-4。本例中，加热元件安装孔3-8-1数量不局限于8个；导热块3-8为长方块体状结构，采用导热性良好的材料制成，如碳钢。
作为优选，考虑到本装置的制造安装误差，同时兼顾满足不同尺寸的岩石试样块1的使用需求，并避免岩石试样块1的自由侧面与第一侧板3-1和第二侧板3-2的内侧板面相干涉，如图3所示，第一侧板3-1的内侧板面(也即与岩石试样块1的自由侧面相接触的表面)与矩形切口3-3-1的竖直侧壁存在一定间隙。
更为优选，为了使得本装置结构紧凑，当利用螺纹连接方式产生的预紧力将两加载侧板3-3与紧固于石仓2的岩石试样块1的上部两个加载侧面相互紧贴时，第一侧板3-1和第二侧板3-2均分别与岩石试样块1的自由侧面接触。
作为优选，如图3所示，位于一对加载侧板3-3同一侧的一组螺栓3-4共用一个导热块3-8；
作为优选，为了防止所述加热元件产生的热量传递到第一侧板3-1和第二侧板3-2，再经由第一侧板3-1和第二侧板3-2传递到岩石试样块1，导致岩石试样块1局部受热开裂，在第一侧板3-1、第二侧板3-2与岩石试样块1之间均匀地填充设置有隔热层(未画出)；
更为优选，为了便于装配和调整，第一侧板3-1和第二侧板3-2分别与岩石试样块1之间填充的隔热层厚度相等，且所述隔热层采用石棉材料制成；
更为优选，为了进一步增加热源(即加热元件)与第一侧板3-1和第二侧板3-2的垂直距离，如图3和图4所示，导热块3-8关于螺栓平面不对称(位于一对加载侧板3-3同一侧的一组螺栓3-4的轴线形成的平面)，且两个导热块3-8分别远离第一侧板3-1和第二侧板3-2设置。
作为优选，为了加强两块加载侧板3-3对岩石试样块1的紧固作用，在一对加载侧板3-3的同一侧各设置有如图3所示的两组夹块3-7；两组夹块3-7关于加载侧板3-3的水平对称中心面上下对称布置；
作为优选，如图8所示，第二侧板3-2两端面各设有一对导向杆3-2-2；一对导向杆3-2-2分别关于第二侧板3-2的水平对称中心面和垂直对称中心面对称布置，且导向杆3-2-2与导向孔3-3-3之间为间隙配合；
作为优选，为了便于开展破岩试验，同时为了便于在第一侧板3-1和第二侧板3-2与岩石试样块1之间填充设置隔热层，第一侧板3-1和第二侧板3-2的上边缘均与岩石试样块1的上表面齐平。
作为优选，为了可靠且充分地向岩石试样块1的加载侧面施加围压作用，一对加载侧板3-3的上边缘均高于岩石试样块1的上表面。
作为优选，为了便于在石仓2之上以岩石试样块1作为固定参照，以将第一侧板3-1、第二侧板3-2和一对加载侧板3-3拼装成如图3和图6所示的框架结构，同时保证在螺母4-3预紧之前，第一侧板3-1和第二侧板3-2与岩石试样块1的自由侧面保持相对固定的位置，如使得第一侧板3-1和第二侧板3-2均与岩石试样块1的自由侧面(或自由侧面上涂覆设置的隔热层)接触，本发明在具体实施二的一种岩石试样块单侧围压施加装置基础上还包括侧板拉紧机构；所述侧板拉紧机构包括挂钩3-6、蝶形螺母4-1、拉紧螺杆3-2-1、拉紧杆件3-5；拉紧螺杆3-2-1为中间粗(大径端5)的阶梯轴杆件，一端设置有六角头，另一端开设有螺纹；一对加载侧板3-3上靠近第二侧板3-2的一端(本例中，如图3所示为右端)开设有一个如图9所示的螺杆安装孔3-3-2和两个导向孔3-3-3，螺杆安装孔3-3-2布置在加载侧板3-3的水平中间面上，两个导向孔3-3-3分别关于螺杆安装孔3-3-2竖直对称地开设于加载侧板3-3的右端的上下两部分区域，如图3和图10所示，拉紧螺杆3-2-1开设有螺纹的一端旋入螺杆安装孔3-3-2后，活动地穿过螺杆安装孔3-3-2后经由如图8所示的孔3-2-3***第二侧板3-2的端面；蝶形螺母4-1设置在远离岩石试样块1一侧的加载侧板3-3上；利用蝶形螺母4-1与拉紧螺杆3-2-1的螺纹配合将拉紧螺杆3-2-1紧固安装于加载侧板3-3上；旋动蝶形螺母4-1可使得拉紧螺杆3-2-1伸出第二侧板3-2的长度可调，因此可以适配不同尺寸的岩石试样块1；如图7所示，拉紧杆件3-5呈“U”字形结构，其两端开有外螺纹挂钩3-6的连接端垂直固接于拉紧螺杆3-2-1的大径端5上；拉紧杆件3-5的中间端挂设在挂钩3-6的挂钩端上；外露于一对加载侧板3-3外表面的第一侧板3-1两侧表面开设有孔3-1-1，拉紧杆件3-5的两端活动地穿过第一侧板3-1上的孔3-1-1，利用拉紧螺母4-2与拉紧杆件3-5上的螺纹配合，可将第一侧板3-1和第二侧板3-2可靠地紧贴于岩石试样块1的自由侧面。
作为优选，为了优化第一侧板3-1和第二侧板3-2与所述加载侧板3-3的垂直度，拉紧杆件3-5的轴线所在平面与加载侧板3-3平行。
作为优选，为了在装配时不需要人为地托举第一侧板3-1和第二侧板3-2，如图5所示，在第一侧板3-1、第二侧板3-2与石仓2的间隙中间分别设置有支撑调节板5-2；支撑调节板5-2通过支撑调节螺钉5-1固接于石仓2上；支撑调节板5-2距导热块3-8的下表面高度可利用支撑调节螺钉5-1调整；加载侧板3-3的下表面与石仓2接触，使得加载侧板3-3可放置于石仓2上。
作为优选，若螺栓3-4在常温和加热温度下被过度预紧，使得所施加的岩石试样块1的围压大于岩石试样块1本身的抗压强度，从而导致岩石试样块1被完全压溃，为此，如图7、图8所示，该装置在第二侧板3-2两端侧面都设有两个限位螺钉6，两个限位螺钉6分别竖直布置在以拉紧螺杆3-2-1为对称的上下两部分的位置，通过旋出限位螺钉6适当调整预先设定的限位螺钉6的头部和加载侧板3-3工作侧面的间隙。
如前所述，一对加载侧板3-3的同一侧对应地设置有一组螺栓3-4；考虑到当所述一组螺栓3-4的根数为1，则单根螺栓3-4受到的拉应力会很大，此时只能加大选用螺栓3-4直径作为处理，同时考虑到当所述一组螺栓3-4根数为4时，会降低第一侧板3-1和第二侧板3-2的刚度，并导致本装置难以同步紧固操作，因此，作为优选，如图3所示，一对加载侧板3-3的同一侧对应地各设置有2根螺栓3-4。
作为优选，如图11所示，为了无需拆下螺栓3-4便能快速拆下导热块3-8，同时为了做到加热时导热块3-8能够可靠附着于螺栓3-4上(防止导热块3-8因自重跌落)，应使得螺栓通过孔3-8-2开缺口至导热块3-8的一侧面；为了详细阐述螺栓通过孔3-8-2在导热块3-8的相对位置，螺栓通过孔3-8-2的孔心距所述侧面边缘的距离(见图11中的尺寸L1)小于螺栓通过孔3-8-2的半径(见图11中的尺寸R1)；螺栓通过孔3-8-2的缺口宽度(见图11中的尺寸w)不小于螺栓通过孔3-8-2的直径。此时，存在螺栓3-4可径向与螺栓通过孔3-8-2配合的缺口。
作为优选，如图12所示，为了提高导热块3-8内的加热元件向螺栓3-4的传热效率，缩短导热块3-8向螺栓3-4的传热路径，所述加热元件安装孔3-8-1按其孔径的大小分为加热元件安装大孔3-8-1-1和加热元件安装小孔3-8-1-2两个序列，其中：加热元件安装大孔3-8-1-1以螺栓通过孔3-8-2的孔心为圆心，呈周向等间隔均匀辐射状布置；同时为了在导热块3-8上有限的侧面区域内尽可能地***更多的所述加热元件，加热元件安装小孔3-8-1-2填充于导热块3-8侧面的其他空隙区域(除加热元件安装大孔3-8-1-1、螺栓通过孔3-8-2之外的未开孔区域)；相应地，制定两种序列大小的加热元件。
本具体实施例中一种岩石试样块单侧围压施加装置的工作原理为：在TBM标准线切割试验台上，完成本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置的初步紧固装配，即试验前室温下，利用拉紧螺母4-2将第一侧板3-1和第二侧板3-2初步紧固于裸露出石仓2的岩石试样块1的自由侧面，使得加载侧板3-3和加载侧面接触；待完成初步紧固装配后，加热元件通电后持续加热，使得导热块3-8升温并将温度传递给对应的螺栓3-4；当螺栓3-4升至给定温度后，所述螺栓3-4由于受热膨胀伸长；随后，再次拧紧拉紧螺母4-2；加热元件断电停止加热，当所述螺栓3-4冷却至室温后，利用所述螺栓3-4热胀冷缩产生的内应力，最终将加载侧板3-3牢牢紧固于岩石试样块1加载侧面，达到向岩石试样块1施加给定单侧向围压的目的。
与本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置配合使用的破岩刀具破岩工况下岩石试样块围压施加方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：利用地质勘探调研、理论计算、数值仿真分析等公知手段，预测获得TBM所在掘进地层的地应力的范围。以现有地质勘探调研预测地应力技术为例，文献《锦屏深部地下实验室初始地应力测量实践》就以埋深2400m的中国锦屏地下实验室为例，阐述了高应力条件下应力解除法测量地应力的原理与方法，并提出了针对在高应力条件下使用36-2型钻孔变形计地应力测量的改进技术；文献《一种新型绳索取芯钻杆内置式双管水压致裂地应力测试方法及其应用》论述了水压致裂地应力测量理论和技术的发展过程，并以绳索取芯钻杆条件的岩体地应力测试为研究对象，提出了一种新型绳索取芯钻杆内置，并分段固定式双管水压致裂地应力测试方法；考虑到煤岩低杨氏模量、高泊松比的特点使得常规地应力预测手段无法直接应用，文献《煤层地应力预测方法研究：以郑庄煤层气区块为例》基于三轴压缩和凯撒实验，利用水力压裂和测井数据，建立了一套煤层地应力预测方法，同时考虑到孔隙压力和构造对于地应力的影响，建立了郑庄地区砂泥岩和煤岩的地应力预测模型。其他方法详见《构造地应力的计算机数值模拟》、《原岩应力及巷道围岩应力的计算机数值模拟》、《黄河黑山峡大柳树坝址区地应力模拟计算及破裂危险性评价》、《长岭凹陷地应力特征研究》、《红岩寺隧道工程地质勘察成果总结》等文献。
本发明具体实施例一中，主要针对地应力理论预测方法进行了如下非限定性介绍：
1、可结合相关水平地应力范围的测试数据，利用如下式(1)和(2)所示半经验公式预测大埋深下(>300m)岩石隧道的垂直地应力σv1和σv2的范围，得出地应力最大值σmax和地应力最小值σmin(《基于地应力实测数据分析郯庐断裂带中段滑动趋势》)：
式中，σhmax和σhmin分别为实测最大水平地应力和实测最小水平地应力；该区域内水平地应力σh与垂直地应力σv之比为k(一般300米深处k值就开始趋于稳定)，其值实测范围为kmax∈(1.25，2.20)，kmin∈(0.6，1.25)。
根据式(1)和式(2)可以估算出垂直地应力σv的范围，再结合实测水平地应力σh的范围大小，可预测出围压总体水平。相对于浅层隧道，该埋深范围下的地应力测量值不易受地形、表层地质构造和岩石风化等因素的影响，因此该地应力理论估算方法较为可靠。
2、一般而言，若无实测数据资料，可采用如式(3)计算出垂直地应力σv(详见文献《盾构机盘形滚刀作用下岩石破碎特征及滚刀振动特性研究》)：
σv＝γH (3)
式中，γ为岩体密度，一般取值为2600kg/m3；H为隧道埋深；
再借助该区域内水平地应力σh与垂直地应力σv之比k，利用如式(4)估算出水平地应力σh：
σh＝kσv (4)
再由σv和σh估算出地应力的范围。
隧道开挖时，与滚刀接触的岩石面地应力为零，因此仅考虑垂直地应力的影响。根据式(3)和式(4)也可大致估算出围压水平范围。
本例中，直接假定某TBM隧道环境下地应力最大值σmax和地应力最小值σmin分别为10MPa和2MPa。
步骤二：给定所述螺栓最高许用加热温度Tmax以及实验室环境下的室温T0，则所述螺栓最大许可温升值ΔTmax为Tmax-T0；给定所述螺栓选用根数n；根据所述岩石试样块侧向长度尺寸L和所述加载侧板的厚度t，合理设定所述螺栓初始长度l；根据所述岩石试样块尺寸、所述加载侧板尺寸、以及所述螺栓在所述加载侧板上的安装尺寸，确定所述加载侧板与所述岩石试样块的接触面积A；基于钢材热变形理论、数值仿真分析等公知手段，根据步骤一获得的σmax，结合ΔTmax、n、l和A，计算获得满足最大围压加载能力、螺栓最高许用加热温度和螺栓许用连接强度的螺栓危险横截面最小许可直径dmin，也即运用螺栓综合选用准则获得实际可选用的螺栓危险横截面直径d的取值范围。所述螺栓综合选用准则的物理意义在于：当实际选用螺栓的危险横截面直径d小于dmin时，利用所述n根螺栓加热到最高许用加热温度Tmax，拧紧所述螺母后再冷却至室温T0时，由于热胀螺栓冷缩后会拉紧所述加载侧板，使得所述加载侧板向所夹持的所述岩石试样块施加待模拟围压值σ，该值σ低于σmax；或当σ不小于σmax时，所述螺栓的实际应力值超出了螺栓许用连接强度，故不能达到试验设计能力。
本例中，作为优选，选用最为基础的钢材线性热膨胀变形理论来描述dmin的计算推导过程，具体如下：
根据一般使用经验，可采用8.8级及以上的高强度螺栓，本例中采用推荐的12.9级35CrMo或42CrMo材质的高强度螺栓；考虑到GB150规格的碳钢的最高许用温度为450℃，为了兼顾所述加热元件的加热效率和极限加热能力，将螺栓最高许用加热温度Tmax限定为350℃；假定室温T0为20℃，则ΔTmax为330℃；当螺栓从T0稳定加热至Tmax后的最大伸长量Δlmax可采用下式(5)计算：
Δlmax＝l·α·ΔTmax (5)
式中，α为螺栓的热膨胀系数，经查询《机械设计手册》可知，钢质材料在加热到250℃时的热膨胀系数α约为1.2×10-5/℃；l为螺栓初始长度，可采用下式(6)进行设计估算：
l＝L+2t+δ (6)
式中，L为岩石试样块侧向长度尺寸；t为加载侧板的厚度；δ为螺栓紧固后的预留长度，一般取20～60mm。
在TBM标准线切割试验台上，完成本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置的初步紧固装配，即：试验前室温T0下，利用螺母4-3将加载侧板3-3初步固定在岩石试样块1相对立的两侧，并确保螺栓3-4与水平面平行；待完成本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置的初步紧固装配。随后，加热元件通电持续加热，加热元件通电后持续加热，使得导热块3-8升温并将温度传递给对应的螺栓3-4；当选用的n根螺栓3-4升至最高许用加热温度Tmax后，螺栓3-4由于受热膨胀伸长，此时再次拧紧螺母4-3；此后，加热元件断电停止加热，当螺栓3-4冷却至室温后，由于冷缩效应使得单根螺栓的横截面上产生的最大拉应力σtmax采用下式(7)计算：
式中，E为螺栓的弹性模量，一般取值为2.0～2.1×105MPa；其它同上。
选用的n根螺栓冷却收缩时产生的最大拉力Ftmax采用下式(8)计算：
最大拉力Ftmax作用于加载侧板上，使得所述加载侧板向所夹持的岩石试样块施加一个待模拟围压值σ，其值可采用下式(9)计算：
联立式(5)至式(9)，并令σ＝σmax，可推导获得满足最大围压加载能力(能够模拟地应力最大值σmax)和螺栓最高许用加热温度(不超过螺栓最高许用加热温度Tmax)的螺栓选用准则，采用下式(10)表示为：
更为具体地举例，例如当n按取值为4时，l取值为500mm，A取值为0.2m2，其他赋值同前所述，利用式(10)计算可得dmin为27.67mm。
此外，为了保证螺栓的连接强度，单根螺栓的横截面面上产生的最大拉应力σtmax应满足下式(11)：
σtmax≤[σ] (11)
式中，[σ]为螺栓材料的许用应力值，[σ]＝σs/S，其中，σs为螺栓材料的屈服极限，经查表可知，12.9级高强度螺栓在常温下的屈服极限σs取为1080MPa；S为安全系数，取1.2～1.7。
联立式(8)、式(9)和式(11)，并令σ＝σmax，可推导获得满足螺栓许用连接强度的螺栓选用准则，采用下式(12)表示为：
联立式(10)和式(12)，即可推导获得螺栓综合选用准则，采用下式(13)表示为：
本例中，更为具体地，考虑到螺栓加热时其屈服强度会降低，S推荐取最大值为1.7，故最终利用式(13)可得：
d≥dmin＝Max[27.67mm,31.66mm]＝31.66mm
值得说明的是，为了便于装配调试，同时避免加载侧板上开孔过大导致其刚度降低，选用的螺栓直径规格不宜过大，根据一般经验，作为优选，当dmin＞100mm，由式(13)可知，应适当增加n(如增加至6或8)、螺栓强度等级(如采用超高强度等级的进口特制螺栓)和Tmax，同时降低接触面积A和室温T0，再重复执行步骤二。
步骤三：合理选用满足式(13)所示螺栓综合选用准则的螺栓型号规格；根据所选用的螺栓型号规格(尤其是实际选用螺栓的危险横截面直径d)以及设定的待模拟围压值σ(σ∈[σmin,σmax])，利用下式(14)计算获得该螺栓设定加热温度T：
本例中，假设选用规格为M42的高强度螺栓，且查表获知该型号规格对应的d为36.5mm，若开展滚刀线切削试验时需要模拟岩石的待模拟围压值σ为6MPa时，根据上式(14)可计算得出螺栓设定加热温度T约为133.78℃，其值小于螺栓最高许用加热温度Tmax，说明本试验方案可行。
步骤四：在TBM标准线切割试验台上，完成本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置的初步紧固装配。随后，加热元件通电持续加热，使得导热块3-8升温，并将温度传递给得螺栓3-4；当选用的n根螺栓3-4加热到螺栓设定加热温度T，由于螺栓3-4受热膨胀伸长，再次拧紧螺母4-3后再冷却至室温T0。此时，裸露出石仓2的岩石试样块1侧面的围压水平理论上可达。相关试验证明，本发明一种岩石试样块单侧围压施加装置围压模拟误差小于±15％，完全满足工程应用精度要求。值得说明的是，加热螺栓3-4前，可以在螺栓3-4的螺杆部位设置温度传感器，或者利用工业级的手持式红外成像测温仪实时监控加热温度T。
本步骤四中，为了便于快速完成初步紧固装配工作，且防止螺栓3-4预紧力过高而影响围压模拟精度，同时防止螺栓3-4预紧力过高而在冷却过程中被拉断，初步紧固装配时螺栓3-4预紧力Ft0不超过螺栓标准预紧力值的1/20；再次拧紧螺母4-3时的预紧扭矩值大小同初步紧固装配时。螺栓标准预紧力值通过翻查机械设计手册，并根据螺栓尺寸规格和螺栓强度等级查表可得。
作为优选，初步紧固装配时螺栓3-4预紧力Ft0不超过1kN。
为了提高本发明一种围压施加方法的围压模拟精度，更为优选，步骤二和步骤三中应考虑螺栓预紧力Ft0对螺栓冷却收缩时产生的最大拉力Ftmax的影响，因此式(10)进一步修正为：
同理，式(12)进一步修正为：
因此，式(13)按下式修正为：
同理，式(14)按下式修正为：
在给定围压条件下，开展TBM滚刀单侧围压滚刀破岩试验研究，其具体步骤如下：
步骤1：切削破岩试验开始前(初始时刻)，先将石仓2拉回至合适位置，使得滚刀10刀刃相对靠近岩石试样块1的待切削面；调整滚刀10的中间对称面(垂直于刀轴)与所述中间对称面平行的岩石试样块1的临空面间距S，滚刀10刀刃距离与所述中间对称面垂直的岩石试样块1侧面的间距为B，定义该位置为滚刀10的初始位置。
步骤2：向滚刀10施加垂直推进的静压载荷，使得滚刀10贯入岩石试样块1的深度达到给定切深h。
步骤3：研究滚刀10滚压破岩状况，同时立柱组件采集数据，并在数据处理软件中进行处理，实时获取滚刀10的受力状况参数；通过高速数字摄像***记录滚刀10破碎岩石试样块1的微观特性，声发射装置记录裂纹的形成扩展变化特征。
步骤4：当完成一次切削后，驱动滚刀10返回滚刀初始位置，再调整S为S+S；重复执行步骤1至步骤4，使得滚刀10在岩石试样块1上进行多次滚压破岩。
Claims (10)
1.一种岩石试样块单侧围压施加装置，包括加载侧板、螺栓、导热块、加热元件，其特征在于：
一对加载侧板对称设置于岩石试样块的加载侧面；一对加载侧板的左右两端利用螺栓进行紧固；导热块与螺栓接触，加热元件***导热块内；导热块的热量传导至螺栓使得螺栓伸长而旋进螺母，螺栓冷却后收缩以拉紧加载侧板，使得加载侧板向岩石试样块施加围压。
2.根据权利要求1所述的岩石试样块单侧围压施加装置，还包括第一侧板、第二侧板、夹块，其特征在于：
第一侧板和第二侧板分别正对于岩石试样块的两个相互相对的自由侧面设置；一对加载侧板上靠近第一侧板的一端开设有矩形切口，一对加载侧板靠近第二侧板的一侧表面上均开设有导向孔；第二侧板两侧的端面上设置有导向杆，导向杆的轴线与第二侧板的长度方向平行；
第一侧板活动地穿过矩形切口；第二侧板的主体部分设置于一对加载侧板之间，且导向杆活动地***与其正对的导向孔内；第二侧板的长度小于第二侧板的所正对的岩石试样块的自由侧面的宽度；
在一对加载侧板的同一侧各设置有夹块；一对加载侧板的左右两端利用螺栓将夹块与加载侧板相互紧贴。
3.根据权利要求2所述的岩石试样块单侧围压施加装置，其特征在于：
矩形切口关于加载侧板的水平中间对称面对称；第一侧板的内侧板面与矩形切口的竖直侧壁存在间隙。
4.根据权利要求2所述的岩石试样块单侧围压施加装置，其特征在于：
还包括侧板拉紧机构；
侧板拉紧机构包括挂钩、蝶形螺母、拉紧螺杆、拉紧杆件；拉紧螺杆为中间粗的阶梯轴杆件，一端设置有六角头，另一端开设有螺纹；一对加载侧板上靠近第二侧板的一端开设有螺杆安装孔，螺杆安装孔布置在加载侧板的水平中间面上，拉紧螺杆开设有螺纹的一端旋入螺杆安装孔后，活动地穿过螺杆安装孔后经由孔***第二侧板的端面；将拉紧螺杆紧固安装于加载侧板上；拉紧杆件呈“U”字形结构，其两端开有外螺纹；挂钩的连接端垂直固接于拉紧螺杆的大径端上；拉紧杆件的中间端挂设在挂钩的挂钩端上；外露于一对加载侧板外表面的第一侧板两侧表面开设有孔；拉紧杆件的两端活动地穿过第一侧板上的孔，第一侧板和第二侧板可靠地紧贴于岩石试样块的自由侧面。
5.与权利要求1至4中任意一项所述的岩石试样块单侧围压施加装置配合使用的一种围压施加方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤一：利用地质勘探调研、理论计算、数值仿真分析公知手段，预测获得TBM所在掘进地层的地应力σ的范围，即地应力最大值σmax和地应力最小值σmin；
步骤二：基于钢材热变形理论、数值仿真分析的公知手段，计算获得满足最大围压加载能力、螺栓最高许用加热温度和螺栓许用连接强度的螺栓危险横截面最小许可直径dmin，获得实际可选用的螺栓危险横截面直径d的取值范围；
步骤三：合理选用螺栓型号规格；根据实际选用螺栓的危险横截面直径d以及设定的待模拟围压值σ，预测获得该螺栓设定加热温度T；
步骤四：室温T0下，岩石试样块的上部两侧借助螺栓和螺母的配合被加载侧板初步夹紧，完成初步紧固装配；加热螺栓至螺栓设定加热温度T，再次拧紧螺母后再冷却至室温T0，以使得岩石试样块加载侧面的围压水平理论上可达到待模拟围压值σ。
6.根据权利要求5所述的围压施加方法，其步骤一中，采用下式预测垂直地应力σv1和σv2的范围，得出地应力最大值σmax和地应力最小值σmin：
式中，σhmax和σhmin分别为实测最大水平地应力和实测最小水平地应力；该区域内水平地应力σh与垂直地应力σv之比为k，其值实测范围为kmax∈(1.25，2.20)，kmin∈(0.6，1.25)。
7.根据权利要求5所述的围压施加方法，其步骤一中，还可以采用下式计算出垂直地应力σv：
σv＝γH
式中，γ为岩体密度，H为隧道埋深；
再借助该区域内水平地应力σh与垂直地应力σv之比k，利用下式估算出水平地应力σh：
σh＝kσv
再由σv和σh估算出地应力的范围。
8.根据权利要求5所述的围压施加方法，其步骤二中，根据钢材线性热膨胀变形理论来推导获得实际可选用的螺栓危险横截面直径d的取值范围，其公式为：
式中，A为加载侧板与岩石试样块的接触面积，n为螺栓根数，E为螺栓材料的弹性模量，α为螺栓的热膨胀系数，ΔTmax为螺栓最大许可温升值，S为安全系数，σs螺栓材料的屈服极限。
9.根据权利要求8所述的围压施加方法，其步骤三中，根据钢材线性热膨胀变形理论来推导获得螺栓设定加热温度T，其公式为：
10.根据权利要求9所述的围压施加方法，其步骤四中，初步紧固装配时螺栓预紧力Ft0不超过螺栓标准预紧力值的1/20；再次拧紧螺母时的预紧扭矩值大小同初步紧固装配时，螺栓危险横截面直径d的取值范围，其推导公式修正为：
步骤三中螺栓设定加热温度T，其推导公式修正为：
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112284901A (zh) * | 2020-10-28 | 2021-01-29 | 贵州大学 | 一种假三轴岩石试验机及其使用方法 |
| CN112730133A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-04-30 | 湘潭大学 | 一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验装置 |
| CN113776926A (zh) * | 2021-10-19 | 2021-12-10 | 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 | 临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102230490A (zh) * | 2011-06-27 | 2011-11-02 | 无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司 | 一种方便预紧的螺栓及专用的预紧方法 |
| CN203236739U (zh) * | 2013-04-19 | 2013-10-16 | 陕西工业职业技术学院 | 一种压力机螺栓预紧辅助装置 |
| CN205229006U (zh) * | 2015-12-21 | 2016-05-11 | 中国矿业大学 | 可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试装置 |
| KR101718632B1 (ko) * | 2015-10-31 | 2017-03-22 | 한국생산기술연구원 | 복수의 1축 압축 로드셀을 갖는 암석 절삭 성능 시험기 |
| CN106546491A (zh) * | 2016-10-28 | 2017-03-29 | 河海大学 | 一种可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置 |
| CN106959244A (zh) * | 2017-05-24 | 2017-07-18 | 湖南科技大学 | 一种用于煤岩试样的侧压试验装置及方法 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100336072B1 (ko) * | 1999-12-15 | 2002-05-10 | 김윤규, 정주영, 심옥진, 정몽헌 | 암석 절리면 프로파일 측정장치 |
| CN102221504B (zh) * | 2011-04-14 | 2012-09-05 | 中国矿业大学 | 一种测定破裂后岩石三轴强度的加载路径方法 |
| CN103063513B (zh) * | 2011-10-18 | 2017-01-11 | 江苏师范大学 | 一种测试破碎岩体侧向夯实效果的试验装置 |
| CN204189374U (zh) * | 2014-10-10 | 2015-03-04 | 浙江机电职业技术学院 | 多形态快换平面连杆机构实验器具 |
| CN106168620B (zh) * | 2016-09-28 | 2019-05-10 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 一种岩石拉压环剪渗流试验仪 |
| CN106969978B (zh) * | 2017-05-16 | 2023-06-09 | 华北理工大学 | 约束作用下的轴向受拉试验装置及其试验方法 |
| CN207540777U (zh) * | 2017-11-30 | 2018-06-26 | 西安庆安航空试验设备有限责任公司 | 一种可变刚度模拟弹簧线性加载*** |
| CN108871966A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-11-23 | 西安工业大学 | 真三轴仪压力室的三连杆旋进式平面应变机构 |
| CN109406311A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-03-01 | 深圳大学 | 真三轴动静组合加载霍普金森压杆的温度控制***及方法 |
-
2020
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102230490A (zh) * | 2011-06-27 | 2011-11-02 | 无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司 | 一种方便预紧的螺栓及专用的预紧方法 |
| CN203236739U (zh) * | 2013-04-19 | 2013-10-16 | 陕西工业职业技术学院 | 一种压力机螺栓预紧辅助装置 |
| KR101718632B1 (ko) * | 2015-10-31 | 2017-03-22 | 한국생산기술연구원 | 복수의 1축 압축 로드셀을 갖는 암석 절삭 성능 시험기 |
| CN205229006U (zh) * | 2015-12-21 | 2016-05-11 | 中国矿业大学 | 可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试装置 |
| CN106546491A (zh) * | 2016-10-28 | 2017-03-29 | 河海大学 | 一种可拆卸岩体侧向荷载与水压耦合辅助试验装置 |
| CN106959244A (zh) * | 2017-05-24 | 2017-07-18 | 湖南科技大学 | 一种用于煤岩试样的侧压试验装置及方法 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112284901A (zh) * | 2020-10-28 | 2021-01-29 | 贵州大学 | 一种假三轴岩石试验机及其使用方法 |
| CN112730133A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-04-30 | 湘潭大学 | 一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验装置 |
| CN112730133B (zh) * | 2020-12-18 | 2023-03-21 | 湘潭大学 | 一种破岩刀具材料-密实核物质对磨试验装置 |
| CN113776926A (zh) * | 2021-10-19 | 2021-12-10 | 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 | 临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置及方法 |
| CN113776926B (zh) * | 2021-10-19 | 2023-04-28 | 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 | 临空面岩石在围压-温度-水耦合作用下的试验装置及方法 |
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