CN113188906B - 岩石单轴拉伸试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩石强度测试领域，涉及一种岩石单轴拉伸试验装置及方法。该装置包括粘接对中装置及拉伸装置；所述粘接对中装置包括支架及支撑座，所述支架包括两个相互垂直布置的对中板，所述支撑座用于支撑所述支架；所述拉伸装置包括两个吊环，两个吊环通过拉绳相连；两个吊环远离拉绳的一侧上均设有连接螺杆。本发明可以很好的解决岩样直径在不同高度处和不同方向上有差异时与拉头的对中问题，以及岩样两端面不平行，粘接胶厚度差异问题；拉伸装置及方法可以保证岩样受纯拉力，有效避免拉伸过程中两端出现弯矩和扭矩。

Description

岩石单轴拉伸试验装置及方法
技术领域
本发明属于岩石强度测试领域，涉及一种岩石单轴拉伸试验装置及方法。
背景技术
在岩质边坡开挖、基坑开挖、地下洞室掘进过程中，一些部位(如坡顶、坑顶、拱顶)的岩石内将会产生拉应力。岩石抗压能力强、抗拉能力弱，其抗拉强度一般为抗压强度的1/4～1/25,平均为1/10，因此拉应力很容易引起岩石的拉伸破坏，引发岩土工程灾害。为保证工程安全，需要勘测实验人员测试出岩石的拉伸模量和抗拉强度，为工程设计、施工提供准确的拉伸力学参数。
测试岩石拉伸模量和抗拉强度最准确的方法是岩石单轴拉伸试验，但该试验很难开展：(1)由于岩样直径并非标准的50mm，岩样两端面并非完全平行，再加上粘接胶厚度差异，在将拉头粘接到岩样两端时，很难保证拉头轴心与岩样轴心在同一条直线上；(2)在岩样拉伸时，由于目前国内开展岩石直接拉伸实验普遍采用的是长江科学研究院率先使用的带有球形铰支的套帽式装置，这种套帽式拉头转动不够灵活，不能避免弯矩和扭矩，一些科研人员对套帽式拉头进行了改进，但装置结构复杂，全部由金属构件组成，无法避免弯扭。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种岩石单轴拉伸试验装置及方法，以解决岩石拉伸实验过程中试样的制备时存在的对中问题以及实验过程中的弯扭问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
岩石单轴拉伸试验装置，包括粘接对中装置及拉伸装置；所述粘接对中装置包括支架及支撑座，所述支架包括两个相互垂直布置的对中板，所述支撑座用于支撑所述支架；所述拉伸装置包括两个吊环，两个吊环通过拉绳相连；两个吊环远离拉绳的一侧上均设有连接螺杆。
可选的，两个所述对中板的一侧相连。
可选的，所述支撑座设有两个。
可选的，所述拉绳采用芳纶纤维绳。
可选的，所述吊环内均设有加强筋。
可选的，所述加强筋的设置方向垂直于所述拉绳。
可选的，拉伸装置的不同吊环上的连接螺杆长度不同。
岩石单轴拉伸实验方法，提供上述的岩石单轴拉伸试验装置以及拉力试验机，其步骤包括制备试样、以及对试样进行拉伸实验；制备试样包括以下步骤，测量试样一端两个垂直方向的直径，记作D11、D12；测量试样另一端两个垂直方向的直径，记作D21、D22；准备厚度不同的垫料，其厚度分别记作d1～dn，不同种类的垫料数量依次记作N1～Nn；放置试样，使测出直径的两个方向分别垂直于两个对中板放置；使用标准拉头，其直径记作D0，将拉头放置在试样两侧，并通过调整垫料的种类及厚度调整试样高度，使得拉头与试样中心对齐；在试样两端粘贴拉头使其紧密贴合；在拉头两端分别连接拉伸装置，并通过拉伸装置远离所述试样的一侧的连接螺杆将试样连接至拉力试验机，通过拉力试验机施加拉力对试样进行拉伸实验并记录数据。
可选的，放置试样之前再对中板上铺设隔离片，以避免粘贴拉头的过程中胶水残留在对中板上。
可选的，所述拉伸装置的不同吊环上的连接螺杆长度不同；相对较短的螺杆用于连接拉头，相对较长的螺杆用于连接拉力试验机。
本发明的有益效果在于：
本发明解决了岩样直径在不同高度处和不同方向上有差异时与拉头的对中问题，以及岩样两端面不平行，粘接胶厚度差异问题；本发明涉及的拉伸装置及方法可以保证岩样受纯拉力，有效避免拉伸过程中两端出现弯矩和扭矩。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为粘接对中装置示意图；
图2为粘接对中装置的另一视角示意图；
图3为粘接对中装置的立体图；
图4为试样的测量位置示意图；
图5为试样对中过程的平面示意图；
图6为试样对中过程的立体示意图；
图7为将试样放置在粘接对中装置内的过程示意图；
图8为拉伸装置的结构示意图；
图9为拉伸实验示意图；
图10为应变片的粘贴位置示意图。
附图标记：支架1、支撑座2、试样3、垫料4、拉头5、吊环6、连接螺杆7、加强筋8、拉绳9、拉力试验机10、应变片11。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图10，为为一种岩石单轴拉伸试验装置，本实施例采用厚度5mm，边长为50mm的6061角铝，切割出长度为0.2m的一段作为支架1，角铝具有很好的表面光滑性，内角全长能很好地满足90度。使角铝开口朝上，在其下部用不锈钢方管制成两个支撑座2，采用环氧树脂将两者粘接牢靠，即完成粘接对中装置的制作。
本实施例中的粘贴对中方法包括以下步骤：
(1)岩样(试样3)直径测量：采用游标卡尺分别测试出岩样距上端约15mm高度处两个垂直方向上的直径D11、D12和距下端约15mm高度处分别与D11、D12相同方向上的直径D21、D22。
(2)准备三种不同厚度的纸样当做垫料4，拉头5采用机床加工而成，其直径可以保证为50.00mm，由于岩样直径存在偏差，为了保证岩样与拉头5的对中粘接，先准备好三种不同厚度的纸条，纸条长宽约为55mm×10mm，采用多张重叠测出总厚度后除以张数的方法测出单张纸厚度分别为：薄纸0.075mm、厚纸0.094mm、超厚纸0.123mm。
假设有n种垫料4，垫料4的厚度为d1～dn，每种垫料4的数量为N1-Nn，以D11为例，则D11的对中公式如下：
Figure BDA0003037713080000041
(3)放置岩样：为了防止胶粘到角铝上，在等边角铝装置内铺一张任意厚度的纸，再将岩样放在等边角铝装置内，使测量出直径的两个方向分别与角铝的两边垂直接着根据前面测量出的直径，在对应的接触点处垫上准备好的纸条，使岩样中心与拉头5中心对齐。举例：如果D11＝49.54mm，那么50-D11＝0.46mm,0.46/2＝0.23mm，在D11对应的接触点处垫上3张薄纸纸条，其总厚度0.075×3＝0.225mm。
(4)岩样与拉头5粘接：然后在岩样两端面分别涂胶，将上下拉头5分别粘接在岩样两端，粘接时要注意一边向下轻按岩样和拉头5，使岩样、拉头5的侧面与角铝内表面紧密接触，一边使拉头5向岩样端面移动，直到两者通过胶紧密结合。
本发明中所涉及的拉伸装置其上下端分别采用芳纶纤维绳+两个吊环6的结构，左端吊环6为短连接螺杆7，右端吊环6为长连接螺杆7，为了提高其拉力承载能力，在环中间焊接直径为10mm的横向加强筋8。
芳纶纤维绳强度大，柔软性好，受拉伸作用时能够根据拉力方向绕环筋表面更平滑的移动，同时还能根据两端的拉力方向作一定量的旋转，因此能有效保证吊环6之间为纯拉力，从而有效避免拉伸过程中对两端拉头5产生弯扭。
横向加强筋8对吊环6受拉能力的有显著提高，本实施例中采用304不锈钢M16吊环6，其环内径34mm，环外径56mm，环筋直径11mm，通过受力分析其拉力承载力约为3kN，对于直径50mm的岩样，仅适用于抗拉强度小于1.5MPa时的试验。在环中间焊接直径为10mm的横向支撑筋后，对吊环6进行受力分析，其拉力承载力可达到7.5kN，适用于在3.75MPa以下的50mm岩样。当岩样大于3.75MPa时，可以选购M16重型吊环6或采用M18、M20型吊环6，如M16重型吊环6，环内径35mm，环外径62mm，环筋直径13.5mm，加焊横向加强筋8后，其拉力承载力可达到11.5kN，适用于在5.75MPa以下的50mm岩样。
本发明中涉及的拉伸方法包括以下步骤：
(1)装置连接：左端吊环6短螺杆与拉头5连接，右端吊环6长螺杆固定在拉力试验机10夹头上；
(2)在芳纶纤维拉绳9中心画有一条细线(事先已沿轴向在上下拉头5上画出一条细线)，再将整个装置固定在拉力试验机10上，施加一个很小的预紧力，然后借助钢尺用肉眼检查芳纶纤维绳中心线与上下拉头5上细线的平行度，通过轻微旋转吊环6使它们平行；
(3)在芳纶纤维与吊环6接触处滴入润滑油。
本实施例中采用铝棒检验装置的拉伸效果，首先采用铝棒开展拉伸试验。铝棒全长直径均为40.3mm，采用手持切割机切出长度约为100mm的一段，在与拉头5对中粘接时，接触点处要垫高(50-40.3)/2＝4.85mm，选取9块单片厚度为0.506的硅钢片，薄纸、厚纸、超厚纸纸条各一张，总厚度0.506×9+0.075+0.094+0.123＝4.846mm。粘接完成后，绕铝棒高度中间处侧面环向等间距粘贴6个电阻式应变片11，粘贴方向与铝棒轴线一致(可以借助等边角铝装置画出铝棒轴向平行线)。测试得到的铝棒应变-应力关系。
根据6个应变片11的测试结果线性拟后得到铝的弹性模量分别为71.96GPa、69.55GPa、67.81GPa、69.13GPa、71.91GPa、和72.03GPa。平均值为70.4GPa，与铝的弹性模量实际值70GPa很接近，证明测试结果可靠。应变片6测得最大72.03GPa，应变片3测得最小67.81GPa，可以确定出中性轴在应变片6、3连线的中垂线上，应变片1、5在中性轴弯矩压缩侧，偏大，应变片2、4在中性轴弯矩拉伸侧，偏小。在铝的实际弹性模量一定的情况下，测试出的最大值和最小值分别对应拉应力的最小值和最大值(取倒数)。根据拉应力的最大值和最小值可计算出偏心距e＝0.00378d，d为铝棒的直径40.3mm，可见偏心距很小，仅0.15mm。将装置从拉力试验机10上取下后再重新安装，反复多次开展拉伸试验，测试出偏心距e最大0.24mm，最小仅为0.04mm。通过检验，装置具有很好的拉伸效果，可应用于岩样拉伸试验。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.岩石单轴拉伸试验装置，其特征在于：包括粘接对中装置及拉伸装置；
所述粘接对中装置包括支架及支撑座，所述支架包括两个相互垂直布置的对中板，所述支撑座用于支撑所述支架；
所述拉伸装置包括两个吊环，两个吊环通过拉绳相连；两个吊环远离拉绳的一侧上均设有连接螺杆；
准备厚度不同的垫料，放置试样，使测出直径的两个方向分别垂直于两个对中板放置；将拉头放置在试样两侧，并通过调整垫料的种类及厚度调整试样高度，使得拉头与试样中心对齐。
2.根据权利要求1所述的岩石单轴拉伸试验装置，其特征在于：两个所述对中板的一侧相连。
3.根据权利要求1所述的岩石单轴拉伸试验装置，其特征在于：所述支撑座设有两个。
4.根据权利要求1所述的岩石单轴拉伸试验装置，其特征在于：所述拉绳采用芳纶纤维绳。
5.根据权利要求1所述的岩石单轴拉伸试验装置，其特征在于：所述吊环内均设有加强筋。
6.根据权利要求5所述的岩石单轴拉伸试验装置，其特征在于：所述加强筋的设置方向垂直于所述拉绳。
7.根据权利要求1所述的岩石单轴拉伸试验装置，其特征在于：拉伸装置的不同吊环上的连接螺杆长度不同。
8.岩石单轴拉伸实验方法，其特征在于：提供根据权利要求1-7任一项中所述的岩石单轴拉伸试验装置以及拉力试验机，其步骤包括制备试样、以及对试样进行拉伸实验；
制备试样包括以下步骤，测量试样一端两个垂直方向的直径，记作D11、D12；测量试样另一端两个垂直方向的直径，记作D21、D22；
准备厚度不同的垫料，其厚度分别记作d1～dn，不同种类的垫料数量依次记作N1～Nn；
放置试样，使测出直径的两个方向分别垂直于两个对中板放置；
使用标准拉头，其直径记作D0，将拉头放置在试样两侧，并通过调整垫料的种类及厚度调整试样高度，使得拉头与试样中心对齐；
在试样两端粘贴拉头使其紧密贴合；
在拉头两端分别连接拉伸装置，并通过拉伸装置远离所述试样的一侧的连接螺杆将试样连接至拉力试验机，通过拉力试验机施加拉力对试样进行拉伸实验并记录数据。
9.根据权利要求8所述的岩石单轴拉伸实验方法，其特征在于：放置试样之前再对中板上铺设隔离片，以避免粘贴拉头的过程中胶水残留在对中板上。
10.根据权利要求8所述的岩石单轴拉伸实验方法，其特征在于：所述拉伸装置的不同吊环上的连接螺杆长度不同；相对较短的螺杆用于连接拉头，相对较长的螺杆用于连接拉力试验机。
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