一種用于板狀巖樣壓縮試驗的側(cè)向約束系統(tǒng)及其試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖石力學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于板狀巖樣壓縮試驗的側(cè)向約束系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在巖體中進行洞室開挖時，洞室周邊巖體中會出現(xiàn)應(yīng)力重分布，部分邊界應(yīng)力可能會達到巖石屈服極限。巖石在壓力作用下由彈性變形階段進入塑性變形階段之后，會出現(xiàn)各種形式的破壞，嚴重時甚至?xí)l(fā)生突出、巖爆，這些不穩(wěn)定現(xiàn)象始終威脅著地下洞室的安全。為了更好地了解巖體的力學(xué)特性，對巖石的強度、受力破壞過程及其破壞機理等力學(xué)性質(zhì)開展深入研宄具有重要工程應(yīng)用價值。
[0003]目前在實驗室中對巖樣所開展的研宄主要有單軸壓縮、單軸拉伸以及三軸壓縮。但現(xiàn)實情況是，洞室開挖后會出現(xiàn)臨空面，圍巖沿洞室徑向產(chǎn)生卸荷；圍巖在洞室切向方向受到載荷的作用；圍巖沿洞室軸受約束且認為無應(yīng)變，此類問題一般可簡化為平面應(yīng)變模型。因此傳統(tǒng)的單軸試驗和常規(guī)三軸試驗不能模擬與工程實際相似的力學(xué)狀態(tài)。
[0004]申請?zhí)枮镃N200720177228的實用新型專利介紹了一種煤巖、氣耦合滲透性雙向加載試驗裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在豎向加載，一個水平方向受側(cè)向約束，另一個水平方向為自由面。但由于水平方向的限制不是絕對的，該裝置無法測得側(cè)向約束方向在試驗中的變形及受力大小。
[0005]《河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)))2007年第4期介紹了由河南理工大學(xué)和加拿大McGill大學(xué)聯(lián)合研宄開發(fā)的等剛度雙向加載系統(tǒng)IBLS。該系統(tǒng)可在相互垂直的兩個方向?qū)崿F(xiàn)主動加載，并且可實現(xiàn)等剛度加載，該系統(tǒng)利用主動加載的形式實現(xiàn)對巖樣一個水平方向的約束，但該系統(tǒng)的構(gòu)造相對復(fù)雜，經(jīng)濟成本大，并且目前尚無此類雙向加載試驗設(shè)備標準。
[0006]作者為李佳，2014年西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文《單軸和雙軸壓縮下裂隙性巖石力學(xué)特性試驗研宄》介紹了一種通過真三軸儀實現(xiàn)對巖樣的雙軸加載，利用真三軸儀的豎向軸和其中一個水平方向軸實現(xiàn)對巖樣的豎向加載和一個水平方向的約束，但利用真三軸試驗機實現(xiàn)雙軸加載的成本太大，同時巖石試樣的尺寸是固定的，無法研宄雙軸荷載下巖樣的尺寸效應(yīng)。
[0007]利用板狀巖樣進行試驗的優(yōu)點是，板狀巖樣表面的裂紋擴展均發(fā)生在一個平面內(nèi)，裂紋受力狀態(tài)均為平面應(yīng)力狀態(tài)，試驗過程中可以方便地觀察到巖樣表面裂紋的擴展狀況，便于記錄整個加載過程中巖樣表面裂紋的擴展和貫通，獲得更多巖樣變化信息，同樣也利于裂紋擴展的分析。
[0008]巖石有側(cè)限壓縮試驗的研宄開展得較少，為進一步認識巖石的力學(xué)特性，對巖石進行有側(cè)限壓縮測試與有側(cè)限加載試驗有著重要的理論價值。目前已研發(fā)巖樣有側(cè)限加載裝置的主要缺點有:結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴、獲取數(shù)據(jù)少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種用于板狀巖樣壓縮試驗的側(cè)向約束系統(tǒng)及其試驗方法，能夠在有限條件下試驗測得板狀巖樣的力學(xué)響應(yīng)及力學(xué)行為。
[0010]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0011]用于板狀巖樣壓縮試驗的側(cè)向約束系統(tǒng)，包括兩塊側(cè)向約束板、剛性連接桿、上下墊板、應(yīng)變片、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)字照相系統(tǒng)以及豎向加載系統(tǒng)；所述每塊側(cè)向約束板的四個角部設(shè)有螺栓孔，兩塊側(cè)向約束板之間用于放置板狀巖樣，所述剛性連接桿穿過所述兩塊側(cè)向約束板對應(yīng)的螺栓孔并在所述剛性連接桿兩端通過超長螺母固定所述側(cè)向約束板和板狀巖樣，所述剛性連接桿上設(shè)計有應(yīng)變槽，應(yīng)變片粘貼在所述應(yīng)變槽中并連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，聲發(fā)射系統(tǒng)的聲發(fā)射探頭粘貼在板狀巖樣上，數(shù)字照相系統(tǒng)布置在板狀巖樣前方，所述上下墊板分別放置于板狀巖樣的頂部和底部，豎向加載系統(tǒng)直接與所述上部墊板相接觸。
[0012]進一步的，所述剛性連接桿兩端為梯形螺紋。
[0013]進一步的，所述兩塊側(cè)向約束板以及上下墊板的相對巖樣一側(cè)涂覆潤滑材料。
[0014]進一步的，所述超長螺母的長度為60mm-80mm。
[0015]用于板狀巖樣壓縮試驗的側(cè)向約束系統(tǒng)的試驗方法，包括以下步驟:
[0016]I)將兩塊側(cè)向約束板相向?qū)R，將板狀巖樣豎起并設(shè)置在兩塊側(cè)向約束板之間的中間位置；
[0017]2)將四根剛性連接桿分別穿過兩塊側(cè)向約束板四個角部預(yù)留的對應(yīng)螺栓孔，在各剛性連接桿兩端擰上超長螺母，將剛性連接桿、側(cè)向約束板和板狀巖樣固定成整體；
[0018]3)在每根剛性連接桿中間的應(yīng)變槽位置粘貼應(yīng)變片，在巖樣表面粘貼聲發(fā)射探頭;
[0019]4)將剛性連接桿、側(cè)向約束板和板狀巖樣固定好的整體放置到巖石單軸壓縮試驗機上，并在巖樣的頂部和底部放置上下墊板；
[0020]5)在板狀巖樣正前方安設(shè)數(shù)字照相系統(tǒng)，并將應(yīng)變片連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將聲發(fā)射探頭連接到聲發(fā)射系統(tǒng)；
[0021]6)單軸壓縮試驗機將荷載施加在板狀巖樣頂部的墊板上，在負荷加載過程中，數(shù)字照相系統(tǒng)不間斷采集板狀巖樣表面的變形和裂紋擴展過程，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄剛性連接桿的軸力數(shù)據(jù)并計算得到板狀巖樣對約束系統(tǒng)的橫向支撐反力，聲發(fā)射系統(tǒng)實時記錄板狀巖樣的聲發(fā)射特征信息。
[0022]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在實現(xiàn)對板狀巖樣施加軸向荷載和側(cè)向約束的前提下，本發(fā)明的約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造極為簡單，經(jīng)濟成本大為降低。利用簡單的巖石單軸壓縮試驗機結(jié)合本發(fā)明就可進行試驗，不僅可以測得加載過程中剛性連接桿的軸力，還可以據(jù)此得到巖樣對約束系統(tǒng)的橫向支撐反力。通過更換不同大小的側(cè)向約束板就可研宄不同尺寸板狀巖樣在雙軸荷載下的尺寸效應(yīng)；在單軸試驗機加載情況下可以觀察記錄整個試驗過程中巖樣表面裂紋的生成、擴展與貫通情況。
【附圖說明】
[0023]圖1為側(cè)向約束板的示意圖；
[0024]圖2側(cè)向約束板、剛性連接桿以及超長螺母的組合示意圖；
[0025]圖3為剛性連接桿的細部示意圖；
[0026]圖4為上下墊板的示意圖；
[0027]圖5為用于板狀巖樣壓縮試驗的側(cè)向約束系統(tǒng)的主視圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0029]如圖5所示，用于板狀巖樣壓縮試驗的側(cè)向約束系統(tǒng)包括兩塊側(cè)向約束板1、剛性連接桿2、上下墊板3、應(yīng)變片4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5、聲發(fā)射系統(tǒng)7、數(shù)字照相系統(tǒng)8以及豎向加載系統(tǒng)。如圖1、圖2所示，側(cè)向約束板I為具有足夠剛度的鋼板，每塊側(cè)向約束板I