CN114459896A - 一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置及方法 - Google Patents

一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置及方法，解决了现有技术中存在真三轴试验存在测量精度低的问题，具有测量精度高的有益效果，具体方案如下：一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，包括围绕试样设置的互扣式夹具，互扣式夹具布置于试样的两加载方向，互扣式夹具包括多块压头；多个位移传感器，位于试样的多个方向；支撑座设有多个，各支撑座与对应的压头固连，刚性加载方向的位移传感器的一端同固定于压头的支撑座固连，另一端同触针的滚动探头接触，触针远离滚动探头的另一端同固定于另一压头的支撑座固连；柔性加载方向的位移传感器一端同一处支撑座固定，另一端与该方向触针的滚动探头接触。

Description

一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置及方法
技术领域
本发明涉及室内岩石力学试验领域，尤其是一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着国内外深部工程的增加，施工过程中出现了岩爆、片帮、冒顶等工程灾害，传统的建立在常规三轴基础上的岩石力学体系无法完全解释灾害发生的内在机理。国内外岩石力学专家开始专注于真三轴状态下的岩石力学研究，并研发了以两刚一柔型和“三刚”型为主的真三轴设备。其中两刚一柔型真三轴侧重于岩石在三向应力作用下失稳机制与本构模型的研究，“三刚”型真三轴侧重于岩爆发生机制与能量的演化方面的研究。
目前，两刚一柔型真三轴试样夹具多为互扣式，最大主应力、中间主应力方向通过LVDT位移传感器进行应变测量，最小主应力方向运用梁式应变仪进行应变测量。发明人发现，现有的测试方法中LVDT位移传感器与触针接触处为点面滑动摩擦，试样加载过程中可能导致传感器铁芯与触针不同轴，导致应变测量值偏小；而且梁式应变仪侵泡在液压油中，应变片测量值受油温影响将产生较大的波动。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，受温度影响小，测量精度高。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，包括：
围绕试样设置的互扣式夹具，互扣式夹具布置于试样的两刚性加载方向；
多个位移传感器，位于试样的多个方向；
多个支撑座，互扣式夹具设置用于对支撑座限位的限位槽以保障触针安装过程中不发生偏斜，各支撑座与对应的压头固连，其中，刚性加载方向的位移传感器的一端同固定于压头的支撑座固连，另一端同触针的滚动探头接触，触针远离滚动探头的一端同固定于另一压头的支撑座固连；柔性加载方向的位移传感器一端同一处支撑座固定，另一端与该方向触针的滚动探头接触，触针远离滚动探头的另一端与试样相抵。
如上所述的测试装置，互扣式夹具位于试样的周侧，再通过支撑座支撑触针和滚动探头，通过滚动探头的设置，将触针与位移传感器之间的滑动摩擦优化为滚动摩擦，降低了二者之间的摩擦力，避免了由于触针偏斜而造成的应变测量值较真实值较小的现象。
如上所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，所述刚性加载方向为X方向和Y方向，X方向的所述触针为第一触针，Y方向的所述触针为第二触针；
第一触针和第二触针的结构相同；
Z方向的触针为第三触针，第三触针位于试样的两侧。
如上所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，所述第一触针包括第一支臂和第二支臂，第一支臂和第二支臂分别位于连接块的两侧，且第二支臂与对应的滚动探头连接，连接块开有用于所述第三触针穿过的开孔；所述第一支臂穿过一处支撑座设置，第一支臂在对应支撑座的两侧分别设置定位螺母通过调节对应支撑座两侧的定位螺母能够使第一支臂沿轴向移动，且不发生旋转。
所述第一触针和第二触针连接块的开孔是相通的，在第一触针和第二触针安装时，两连接块对正以使得第三触针穿过连接块的开孔。
如上所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，所述第三触针包括第三支臂，第三支臂与对应的滚动探头连接，第三支臂远离其滚动探头的另一侧设有定位螺母，第三支臂***底座的螺纹孔中，底座与所述试样的侧面相抵。
如上所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，考虑到测量结果，所述试样在其两侧均设置Z方向的位移传感器，Z方向的两位移传感器均与对应的所述第三触针接触。
如上所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，X方向的所述第一触针通过第一T型块支撑，X方向的位移传感器通过第二T型块支撑；
第一T型块固定于第一压头处，第二T型块固定于第二压头处，第一压头和第二压头相对设置；
第一T型块、第二T型块为所述支撑座的一部分；
第一触针和第二触针在第一T型块的两侧分别设置有定位螺母。
如上所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，Y方向的所述第二触针通过第一T型块支撑，Y方向的位移传感器通过L型支架支撑；
第一T型块固定于第三压头处，L型支架固定于第四压头处，第三压头和第四压头相对设置，第三压头位于试样的顶部，第四压头位于试样的底部；
L型支架为所述支撑座的一处。
如上所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，为了对Z 方向的位移传感器进行支撑，Z方向的位移传感器通过所述的L型支架支撑；
L型支架的一端同所述的第四压头固连，另一端通过卡口槽支撑Z方向的位移传感器，L型支架靠近第四压头的一侧设置同样设置卡口槽用于支撑Y方向的位移传感器，卡口槽的设置保证对位移传感器的支撑。
如上所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，所述第一T 型块设置用于支撑所述第一触针的通孔，第一触针部分段的形状与通孔形状相适配，能够确保触针不发生旋转；
所述第二T型块开有用于支撑X方向位移传感器的卡口槽。
第二方面，本发明还提供了一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置的试验方法，包括如下内容：
通过互扣式夹具将试样预装配夹紧；
对试样涂胶进行密封，并将涂胶后的试样放入烘干箱内烘干；
烘干后取出试样，安装柔性加载方向的触针；
安装刚性加载方向的触针和位移传感器；
安装柔性加载方向的位移传感器；
各位移传感器分别与控制单元连接，调节各位移传感器初始值至零点附近，开始试验。
上述本发明的有益效果如下：
1)本发明通过整体结构的设置，互扣式夹具位于试样刚性加载面四周，再通过支撑座支撑触针和滚动探头，通过滚动探头的设置，将触针与位移传感器之间的滑动摩擦优化为滚动摩擦，降低了二者之间的摩擦力，避免了由于触针偏斜而造成的应变测量值较真实值较小的现象。
2)本发明通过X方向和Y方向触针与位移传感器接触，且X方向和 Y方向均设置连接块，连接块均设置开孔，便于第三触针穿过开孔设置，方便第三触针的安装。
3)本发明通过各支撑座的设置，能够对试样侧部各方向的位移传感器和触针进行稳定可靠支撑。
4)本发明通过整体结构的设置，位移传感器不受温度影响，不会产生较大的波动，整体结构设置合理，各方向的触针和位移传感器设置合理，不会产生干涉，能进一步保证测量结果的准确度。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置的示意图。
图2是本发明根据一个或多个实施方式的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置的主视图。
图3是本发明根据一个或多个实施方式的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置中第一元件的侧视图。
图4是本发明根据一个或多个实施方式的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置中第二L型支臂装置示意图。
图5是本发明根据一个或多个实施方式的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置中第一触针或第二触针的示意图。
图6是本发明根据一个或多个实施方式的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置中滚动探头的示意图。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
其中：1-互扣式夹具，1.1-第三压头，1.2-第四压头，1.3-第一压头，1.4- 第二压头，2-触针，2.1-第一支臂，2.2-滚动探头，2.3-锥形段，2.4-第二支臂，2.5-弹簧，3.1-第一T型块，3.2-第二T型块，4-定位槽，5-LVDT位移传感器，6.1-第一L型支架，6.2-第二L型支架，7-连接块，8-定位螺母， 9-底座，10.试样。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在真三轴试样测量精度较低的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置。
本发明的一种典型的实施方式中，参考图1和图2所示，一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，包括围绕试样设置的互扣式夹具1，互扣式夹具1布置于试样10的两刚性加载方向，互扣式夹具1包括多块压头；多个位移传感器，位于试样10的多个方向；支撑座设有多个，各支撑座与对应的压头固连，其中，X方向或Y方向的位移传感器的一端同固定于压头的支撑座固连，另一端同触针的滚动探头接触，触针远离滚动探头的一端同固定于另一压头的支撑座固连；Z方向的位移传感器一端同一处支撑座固定，另一端与该方向触针的滚动探头接触，触针远离滚动探头的另一端与试样相抵。
具体地，参考图3所示，互扣式夹具1包括第三压头1.1、第四压头1.2、第一压头1.3、第二压头1.4，第三压头在上，第四压头在下，第二压头在试样的左侧，第一压头在试样的右侧，每个压头布置有用于固定对应支撑座的定位槽4，定位槽4具有设定的深度。
本实施例中，X方向的触针2为第一触针，Y方向的触针为第二触针；第一触针和第二触针的结构相同，可能第一触针和第二触针的长度不同；
Z方向的触针为第三触针，第三触针包括两处，分别位于试样的两侧，即试样的Z方向设置两处位移传感器。
本实施例中，参考图5所示，第一触针包括第一支臂2.1和第二支臂 2.4，第一支臂和第二支臂分别位于连接块7的两侧，且第二支臂2.4与对应的滚动探头2.2连接，连接块7开有用于第三触针穿过的开孔；
第一触针和第二触针连接块的开孔是相通的，在第一触针和第二触针安装时，两连接块对正以使得第三触针穿过连接块的开孔；而且Y方向第二触针的连接块位于X方向第一触针连接块的外侧。
需要解释地是，第一触针和第二触针的第一支臂在第一T型块的两侧分别设置有定位螺母8，两定位螺母位于第一支臂方轴(安装后在第一T 型块)的两侧，通过定位螺母可用于调整刚性加载方向的LVDT位移传感器5处于有效测量范围内。
具体地，第一支臂2.1的横截面为圆形，第一支臂在设定位置处设置一段同第一T型块配合的方轴，第二支臂2.4的横截面也为圆形，第一支臂的长度长于第二支臂的长度。
一些示例中，第三触针包括第三支臂，第三支臂与对应的滚动探头连接，第三支臂远离其滚动探头的另一侧设有定位螺母，第三支臂***底座9 的螺纹孔中，底座9与试样的侧面相抵。
底座9具体为金属底座，金属底座设置用于第三触针端部卡入的螺纹孔，第三触针的滚动探头与Z方向的位移传感器接触，第三触针的第三支臂设置外螺纹，第三触针设置定位螺母8，第三触针拧入底座后，调整触针拧入底座的长短达到调整Z方向位移传感器处于零点附近，然后通过定位螺母8锁紧固定。
考虑到测量结果，试样在其两侧均设置Z方向的位移传感器，Z方向的两位移传感器均与对应的第三触针接触。
需要说明地是，各位移传感器的铁芯分别同各触针的滚动探头接触；
而且，第二支臂、第三支臂靠近滚动探头的一端均设置锥形段2.3，锥形段2.3的一端与第二支臂或第三支臂通过螺纹结构连接，锥形段的另一端设置滚动探头，滚动探头2.2具体为圆球，圆球的部分位于锥形段端部的卡槽内，且滚动探头2.2相对于锥形段可转动。
参考图6所示，锥形段内部设置开孔，开孔处设置滚动探头2.2，滚动探头2.2与锥形段之间设置弹性件，弹性件具体为弹簧2.5，弹簧2.5设于开孔处。
为了对各方向的触针进行支撑，X方向的第一触针通过第一T型块3.1 支撑，X方向的位移传感器通过第二T型块3.2支撑；
第一T型块3.1固定于第一压头1.3处，第二T型块3.2固定于第二压头1.4处，第一压头和第二压头相对设置；可以理解地是，第一T型块、第二T型块为支撑座的一部分。
Y方向的第二触针通过第一T型块支撑，Y方向的位移传感器通过L 型支架支撑；
第一T型块固定于第三压头1.1处，L型支架固定于第四压头1.2处，第三压头和第四压头相对设置，第三压头位于试样的顶部，第四压头位于试样的底部；L型支架为支撑座的一处。
为了对Z方向的位移传感器进行支撑，Z方向的位移传感器通过L型支架支撑；
L型支架的一端同第四压头1.2固连，另一端通过卡口槽支撑Z方向的位移传感器，L型支架靠近第四压头的一侧设置同样设置卡口槽用于支撑Y 方向的位移传感器，卡口槽的设置保证对位移传感器的支撑。
其中，参考图4所示，位于试样一侧的L型支架为第一L型支架6.1，位于另一侧的为第二L型支架6.2。
第一T型块3.1设置用于支撑第一触针的通孔，第一触针的部分段形状与通孔形状相适配；本实施例中，通孔具体为方形孔，对应第一触针设置与方形孔配合的方轴，这样能够确保第一触针或第二触针在工作过程中不发生旋转；其他示例中，通孔的形状还可为三角形或六边形等形状以同第一触针的部分段配合；
具体地，第一T型块3.1包括第一段，第一段卡入第三压头对应的定位槽内，第一段同第三压头通过紧固件如螺钉连接，第一段同第二段连接，第一段和第二段相互垂直，第一T型块的第二段设置用于触针2穿过的通孔。
第二T型块包括第三段和与第三段垂直连接的第四段，第四段开有用于支撑X方向位移传感器的卡口槽，卡口槽具体包括用于位移传感器穿过的圆形通孔，圆形通孔的一侧设置与外界相通的条形槽。
需要解释地是，本实施例中的各位移传感器分别为LVDT位移传感器，位移传感器与控制单元连接，以获取各方向的相关测量数据，控制单元可为PLC控制器或其他类型的控制器。
试样在荷载作用下发生变形，X方向上位移传感器发生变形
Figure RE-GDA0003590339130000111
X方向滚动探头均发生变形
Figure RE-GDA0003590339130000112
Figure RE-GDA0003590339130000113
X方向的变形lx为：
Figure RE-GDA0003590339130000114
其中，位移传感器弹性系数为k1，滚动探头内部弹簧的弹性系数为k2。
试样在荷载作用下发生变形，Y方向上位移传感器发生变形
Figure RE-GDA0003590339130000115
Y方向滚动探头发生的变形
Figure RE-GDA0003590339130000116
Figure RE-GDA00035903391300001113
Y方向的变形ly为：
Figure RE-GDA0003590339130000117
试样在荷载作用下发生变形，Z方向上两个位移传感器发生的变形分别为
Figure RE-GDA0003590339130000118
Z方向两个滚动探头发生的变形分别为
Figure RE-GDA0003590339130000119
Figure RE-GDA00035903391300001110
Figure RE-GDA00035903391300001111
Z方向的变形为：
Figure RE-GDA00035903391300001112
本实施例提供的测试装置，互扣式夹具位于试样的周侧，再通过支撑座支撑触针和滚动探头，通过滚动探头的设置，将触针与位移传感器之间的滑动摩擦优化为滚动摩擦，降低了二者之间的摩擦力，避免了由于触针偏斜而造成的应变测量值较真实值较小的现象。
一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置的试验方法，包括如下内容：
通过互扣式夹具1将试样10预装配加紧，将底座9布置于试样10柔型加载面中心位置，对试样进行涂胶密封；
将涂胶后的试样10放入烘干箱内烘干，烘干后取出试样，刮除底座9 上表面密封胶；
将定位螺母8固定于第三触针后，将第三触针安装至底座9；
第二L型支架固定于第四压头表面的定位槽4内；
将第一T型块3.1安装至第三压头1.1和第一压头表面定位槽4内；
第一L型支臂6.1和第二T型块分别安装至第四压头1.2和第二压头表面的定位槽4内；
安装X方向的第一触针和位移传感器；
安装Y方向的第二触针和位移传感器；
将LVDT位移传感器5连接控制单元，通过调整第一触针和第二触针处定位螺母8调整刚性加载方向的LVDT位移传感器5处于有效测量范围内。调整柔型加载方向滚动探头，使柔型加载方向LVDT位移传感器5处于有效测量范围，调整定位螺母8，固定滚动探头位置；
开始施加荷载，进行试验。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，其特征在于，包括：
围绕试样设置的互扣式夹具，互扣式夹具布置于试样的两加载方向，互扣式夹具包括多块压头；
多个位移传感器，位于试样的多个方向；
多个支撑座，互扣式夹具设置用于对支撑座限位的限位槽，各支撑座与对应的压头固连，其中，刚性加载方向的位移传感器的一端同固定于压头的支撑座固连，另一端同触针的滚动探头接触，触针远离滚动探头的一端同固定于另一压头的支撑座固连；柔性加载方向的位移传感器一端同一处支撑座固定，另一端与该方向触针的滚动探头接触，触针远离滚动探头的另一端与试样相抵。
2.根据权利要求1所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，其特征在于，所述刚性加载方向为X方向和Y方向，X方向的所述触针为第一触针，Y方向的所述触针为第二触针；
第一触针和第二触针的结构相同；
Z方向的触针为第三触针。
3.根据权利要求2所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，其特征在于，所述第一触针包括第一支臂和第二支臂，第一支臂和第二支臂分别位于连接块的两侧，且第二支臂与对应的滚动探头连接，连接块开有用于所述第三触针穿过的开孔；
所述第一支臂穿过一处支撑座设置，第一支臂在对应支撑座的两侧分别设置定位螺母；
所述第一触针和第二触针连接块的开孔是相通的。
4.根据权利要求2所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，其特征在于，所述第三触针包括第三支臂，第三支臂与对应的滚动探头连接，第三支臂远离其滚动探头的另一侧设有定位螺母，第三支臂***底座的螺纹孔中，底座与所述试样的侧面相抵。
5.根据权利要求2所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，其特征在于，所述试样在其两侧均设置Z方向的位移传感器，Z方向的两位移传感器均与对应的所述第三触针接触。
6.根据权利要求2所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，其特征在于，X方向的所述第一触针通过第一T型块支撑，X方向的位移传感器通过第二T型块支撑；
第一T型块固定于第一压头处，第二T型块固定于第二压头处，第一压头和第二压头相对设置；
第一T型块、第二T型块为所述支撑座的一部分。
7.根据权利要求2所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，其特征在于，Y方向的所述第二触针通过第一T型块支撑，Y方向的位移传感器通过L型支架支撑；
第一T型块固定于第三压头处，L型支架固定于第四压头处，第三压头和第四压头相对设置；
L型支架为所述支撑座的一处。
8.根据权利要求7所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，其特征在于，Z方向的位移传感器通过所述的L型支架支撑；
L型支架的一端同所述的第四压头固连，另一端通过卡口槽支撑Z方向的位移传感器，L型支架靠近第四压头的一侧设置同样设置卡口槽用于支撑Y方向的位移传感器。
9.根据权利要求6所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置，其特征在于，所述第一T型块设置用于支撑所述第一触针的通孔；
所述第二T型块开有用于支撑X方向位移传感器的卡口槽。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种两刚一柔型岩石真三轴试样应变测试装置的试验方法，其特征在于，包括如下内容：
通过互扣式夹具将试样预装配夹紧；
对试样涂胶进行密封，并将涂胶后的试样放入烘干箱内烘干；
烘干后取出试样，安装柔性加载方向的触针；
安装刚性加载方向的触针和位移传感器；
安装柔性加载方向的位移传感器；
各位移传感器分别与控制单元连接，开始试验。
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