本發(fā)明涉及巖石力學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域,涉及一種異徑煤巖體試樣直接拉伸試驗(yàn)對中裝置及其使用方法。
背景技術(shù):
1、巖石材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度,這表明巖土工程中巖體破壞往往始于拉應(yīng)力和剪應(yīng)力區(qū)。因此,獲取巖石的力學(xué)性能尤其重要,抗拉強(qiáng)度的測量對于巖土工程施工具有重要意義。同時(shí),巖石抗拉強(qiáng)度的測定試驗(yàn)也是巖土工程專業(yè)教學(xué)和科研的重要內(nèi)容之一。然而,在巖石力學(xué)領(lǐng)域,巖石力學(xué)特性的試驗(yàn)研究主要集中在壓應(yīng)力條件下的巖石力學(xué)反饋,如:單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)等,對拉應(yīng)力試驗(yàn)儀器的研究和更新較少,由此導(dǎo)致單軸拉伸條件下的巖石力學(xué)特性無法準(zhǔn)確測量。
2、目前對于巖石抗拉強(qiáng)度的測量主要分為直接拉伸試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)。直接拉伸試驗(yàn)中,對于試樣的夾持通常分為內(nèi)埋式、外夾式及粘貼式等3種方法。外夾式通過摩擦力夾持長條形抗拉試件尾部,一般在夾持處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,斷裂往往產(chǎn)生于試件夾持部位;內(nèi)埋式通過底端構(gòu)件埋入試件的形式拉伸抗拉試件,由此導(dǎo)致很難保證試件軸心受力,應(yīng)力分布過于復(fù)雜;粘貼式是較為理想的夾持方式,其利用粘接材料使夾具和試件相互連接,易于保證軸心受拉,但其存在3個(gè)主要問題:(1)若粘接材料及粘接方式不當(dāng)時(shí),試件容易從夾具中脫落,導(dǎo)致試驗(yàn)失敗(2)兩端膠結(jié)力不同時(shí),更是會(huì)導(dǎo)致試樣兩端變形不協(xié)調(diào),結(jié)果不準(zhǔn)確;(3)在實(shí)際操作中,直接拉伸試驗(yàn)普遍存在偏心受力問題,使巖石煤巖體試樣易在端部產(chǎn)生彎矩、扭矩,進(jìn)而造成應(yīng)力集中,影響試驗(yàn)結(jié)果,導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。這些拉伸過程會(huì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤,均是由于對中裝置的不準(zhǔn)確、先進(jìn)性存在缺陷,因此需要提升再開發(fā)更具精確性的對中裝置。與此同時(shí),巖石是一種復(fù)雜地質(zhì)體,是典型的宏觀連續(xù)微觀不連續(xù)的非均勻介質(zhì)。巖石的尺寸效應(yīng)是指巖石煤巖體試樣的力學(xué)特性會(huì)根據(jù)煤巖體試樣尺寸、形狀大小的不同呈現(xiàn)出明顯的差異性,這種差異性導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對巖石力學(xué)性質(zhì)研究成果無法直接運(yùn)用到工程實(shí)際。并且?guī)r石種類多、賦存環(huán)境復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)室條件下也難以實(shí)現(xiàn)對各種尺度巖石的破壞研究,導(dǎo)致巖石尺寸效應(yīng)仍是一個(gè)亟待深入研究的問題,故有必要對尺寸效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是要克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處,提供一種異徑煤巖體試樣直接拉伸試驗(yàn)對中裝置及其使用方法,該裝置構(gòu)造簡單、操作方便,能夠保證實(shí)驗(yàn)中煤巖體試樣制備和拉伸試驗(yàn)過程中的力線對中一致,以提高拉伸試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。
2、技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的,本發(fā)明公開一種異徑煤巖體試樣直接拉伸試驗(yàn)對中裝置,包括粘接對中裝置,粘接對中裝置中設(shè)置有拉伸對中裝置,利用粘接對中裝置確保在安裝煤巖體試樣時(shí)出現(xiàn)偏心粘接;利用拉伸對中裝置確保煤巖體試樣在拉伸過程中力線一致;
3、粘接對中裝置包括自上而下設(shè)置的上拉頭固定器、煤巖體試樣固定器和下拉頭固定器,其中上拉頭固定器上設(shè)有的中心處設(shè)有上拉頭連接螺孔,煤巖體試樣固定器中心處開有讓被測的煤巖體試樣穿過的煤巖體試樣套孔,煤巖體試樣套孔大于煤巖體試樣的直徑,通過在煤巖體試樣套孔上設(shè)置不同尺寸的煤巖體試樣套板來針對不同直徑的煤巖體試樣進(jìn)行固定;下拉頭固定器中心處設(shè)有下拉頭連接螺孔,煤巖體試樣套孔處設(shè)置有煤巖體試樣套板,煤巖體試樣套板與不同直徑的煤樣進(jìn)行適配,從何適配任何小于煤巖體試樣套孔的煤樣,上拉頭固定器、煤巖體試樣固定器和下拉頭固定器三者之間通過垂直設(shè)置的三根可調(diào)節(jié)高度的立柱水平連接,通過調(diào)節(jié)立柱的高度從而確保上拉頭固定器、煤巖體試樣固定器和下拉頭固定器三者始終平行,同時(shí)確保上拉頭連接螺孔、煤巖體試樣套孔和下拉頭連接螺孔三者的圓心始終為一條中垂線;
4、拉伸對中裝置包括用以對設(shè)置在煤巖體試樣套板位置處的煤巖體試樣產(chǎn)生上下反向拉力的上拉伸機(jī)構(gòu)以及下拉伸機(jī)構(gòu),煤巖體試樣為圓柱體形狀,煤巖體試樣套板限制煤巖體試樣尺寸;其中上拉伸機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在煤巖體試樣頂端的上拉頭,上拉頭頂部通過上連接器連接有上球鉸盒,上球鉸盒內(nèi)向上設(shè)有萬向軸,萬向軸通過頂端的上拉伸轉(zhuǎn)接頭與產(chǎn)生上拉力的上部拉伸試驗(yàn)夾具連接;下拉伸機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在煤巖體試樣底端的下拉頭,下拉頭底部設(shè)有下連接器,下連接器底部連接有下球鉸盒,下球鉸盒內(nèi)向下設(shè)有萬向軸,萬向軸通過底端的下拉伸轉(zhuǎn)接頭與產(chǎn)生上拉力的下部拉伸試驗(yàn)夾具連接;
5、其中,上拉頭連接螺孔和下拉頭連接螺孔的尺寸分別與上拉頭和下拉頭精確匹配,從而在確保當(dāng)上拉頭連接螺孔和下拉頭連接螺孔的圓心保持在一條中垂線的基礎(chǔ)上,將上拉頭至于上拉頭連接螺孔內(nèi)、下拉頭至于下拉頭連接螺孔內(nèi)時(shí),上拉頭和下拉頭同樣保證兩者圓心一致、力線對齊;
6、進(jìn)一步,萬向軸設(shè)置在上球鉸盒和下球鉸盒內(nèi)的部分分為萬向球鉸,在對煤巖體試樣產(chǎn)生拉力時(shí),萬向球鉸確保拉伸試驗(yàn)中力線一致對中。
7、進(jìn)一步,上拉頭和下拉頭均設(shè)有容納部分煤巖體試樣的腔體,上拉頭和下拉頭的側(cè)壁上分別設(shè)有與內(nèi)部腔體聯(lián)通的上注漿孔、下注漿孔,通過上注漿孔、下注漿孔向上拉頭和下拉頭的腔體內(nèi)注入粘接劑,從而使上拉頭和下拉頭與煤巖體試樣的上下兩端連接緊固。
8、進(jìn)一步,上拉頭和下拉頭的腔體開口與煤巖體試樣之間均設(shè)有用于防止粘接劑滲漏的塑封環(huán)套,同時(shí)塑封環(huán)套的厚度可自行調(diào)節(jié)。
9、進(jìn)一步,上拉頭固定器、煤巖體試樣固定器和下拉頭固定器上分別設(shè)有水準(zhǔn)儀a、水準(zhǔn)儀b和水準(zhǔn)儀c。
10、進(jìn)一步,上拉頭固定器與煤巖體試樣固定器之間的立柱上設(shè)有調(diào)節(jié)高度的高度固定螺套a,煤巖體試樣固定器與下拉頭固定器之間的立柱上設(shè)有調(diào)節(jié)高度的高度固定螺套b,水準(zhǔn)儀c和調(diào)平旋鈕用于調(diào)節(jié)下拉頭固定器三點(diǎn)高度,以確保下拉頭固定器水平。立柱連接上拉頭、煤巖體試樣和下拉頭固定器,確保三個(gè)固定器圓心一致,力線對齊。
11、進(jìn)一步,下拉頭固定器的底部設(shè)有可調(diào)節(jié)支腿,可調(diào)節(jié)支腿上設(shè)有調(diào)平旋鈕。
12、一種異徑煤巖體試樣直接拉伸試驗(yàn)對中裝置的使用方法,其步驟如下:
13、一、粘接對中階段:
14、首先,將調(diào)平旋鈕裝入下拉頭固定器的孔洞中,下連接器內(nèi)圈螺紋與下拉頭組裝,再將下連接器外圈螺紋與下拉頭固定器上的下拉頭連接螺孔組裝,此時(shí)利用水準(zhǔn)儀c通過調(diào)平旋鈕調(diào)整下拉頭固定器的三點(diǎn)高度,使水準(zhǔn)儀c中氣泡水平,此時(shí)下拉頭固定器平面整體水平,將三個(gè)立柱依次插入下拉頭固定器中。
15、然后,將煤巖體試樣先放入已經(jīng)和下拉頭固定器組裝在一起的下拉頭中,選擇圓心尺寸和當(dāng)前待檢測的煤巖體試樣匹配的煤巖體試樣套板限制煤巖體試樣,將煤巖體試樣套板通過套板固定螺孔與煤巖體試樣固定器組裝;先將三個(gè)高度固定螺套b裝入立柱中,再將煤巖體試樣固定器裝入立柱,煤巖體試樣穿過煤巖體試樣固定器和煤巖體試樣套板中的孔洞,通過水準(zhǔn)儀b調(diào)節(jié)三個(gè)高度固定螺套b的高度,使煤巖體試樣固定器上的水準(zhǔn)儀b中氣泡水平,通過煤巖體試樣固定器與下拉頭固定器的固定作用,煤巖體試樣和下拉頭中心基本一致;
16、第三,將上連接器內(nèi)圈螺紋與上拉頭組裝,將上連接器外圈螺紋與上拉頭固定器中的上拉頭連接螺孔組裝,將三個(gè)高度固定螺套a裝入立柱中,再將已經(jīng)和上拉頭固定器組裝的上拉頭套入煤巖體試樣,上拉頭固定器套入立柱,通過水準(zhǔn)儀a調(diào)節(jié)三個(gè)高度固定螺套a的高度,使上拉頭固定器上的水準(zhǔn)儀a中氣泡水平,此時(shí)上拉頭、煤巖體試樣和下拉頭中心一致;
17、最后,通過上注漿孔向上拉頭注入粘接劑,通過下注漿孔向下拉頭;靜止待粘接劑將上、下拉頭與煤巖體試樣完成粘接,粘接對中階段結(jié)束;
18、二、拉伸對中階段:
19、解開上拉頭固定器上的螺帽,松解高度固定螺套a、高度固定螺套b,先將立柱拔出,旋轉(zhuǎn)上拉頭固定器解開對上拉頭的固定,將煤巖體試樣套板和煤巖體試樣固定器從煤巖體試樣中取出,再旋轉(zhuǎn)下連接器將試樣從下拉頭固定器中取出,則可獲得和拉頭粘接完成的煤巖體試樣;
20、將上拉伸轉(zhuǎn)接頭尾端的萬向球鉸放入上球鉸盒中,將上連接器上的外圈螺紋和上球鉸盒相接;將下拉伸轉(zhuǎn)接頭尾端的萬向球鉸放入下球鉸盒中,將下連接器的外圈螺紋和下球鉸盒對接。此時(shí)已經(jīng)完成了拉伸裝置的裝配。將上、下拉伸轉(zhuǎn)接頭與拉伸機(jī)的上下夾具夾緊,開始拉伸加載,此時(shí)萬向球鉸會(huì)隨試驗(yàn)過程靈活調(diào)整煤巖體試樣上下重心,以完成拉伸階段的對中要求。
21、有益效果:由于采用了上述技術(shù)方案,本發(fā)明既實(shí)現(xiàn)了煤巖體試樣準(zhǔn)備過程中的對中功能,又保證了拉伸階段煤巖體試樣的對中功能,提高了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過煤巖體試樣套板,實(shí)現(xiàn)了對不同尺寸、直徑的煤巖體試樣在粘接過程中的固定功能;通過立柱將三個(gè)固定器約束,使固定器圓心一致,確保了粘接過程儀器對齊、試驗(yàn)粘接精確;通過粘接對中裝置,消除了煤巖體試樣與拉頭粘接過程中傳統(tǒng)手工粘接煤巖體試樣帶來的誤差,提高試驗(yàn)精度;通過連接器,實(shí)現(xiàn)了拉頭能與粘接對中裝置的安裝的同時(shí),也能和拉伸裝置組裝的功能;通過萬向球鉸,實(shí)現(xiàn)了拉伸階段拉伸力與試樣重力力線一致。所述對中裝置集多種功能于一身,結(jié)構(gòu)簡單,數(shù)據(jù)精確,功能穩(wěn)定,解決了直接拉伸對中誤差的問題。