多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度試驗機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度試驗機。所述試驗機包括加載系統(tǒng)、壓力監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加載架和樣品夾持系統(tǒng)三個部分。所述加載系統(tǒng)包括上壓盤、球頭、球座、塔形彈簧、球鉸端蓋、油缸、下壓盤、導向套和導向板。所述壓力監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、壓力數(shù)字顯示屏、監(jiān)控壓力表和筆記本電腦數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。所述加載架和樣品夾持系統(tǒng)包括變直徑巖樣內(nèi)圓環(huán)壓盤、變直徑巖樣外圓環(huán)壓盤、下橫梁、立柱、立柱固定環(huán)和上橫梁。所述試驗機可以監(jiān)測和記錄巖樣受拉破壞的整個測試過程，并快速確定巖石直接拉伸時的抗拉強度定量值，而且測試原理和過程嚴謹可靠，填補了國內(nèi)這一研究領域的空白。
【專利說明】
多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度試驗機
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明屬于地質(zhì)勘探測量技術(shù)及設備領域，具體涉及一種多直徑巖芯雙圓環(huán)直接 拉伸巖石抗拉強度試驗機。
【背景技術(shù)】
[0002] 巖石的抗拉強度是巖石材料的一個重要力學指標，在巖石力學理論研究與巖體工 程實際應用中都有著不可替代的作用。拉伸破壞仍是工程巖體及自然界巖體的主要破壞形 式之一，而且由于巖石材料的抗拉強度遠低于抗壓強度，致使圍巖總是從拉應力區(qū)開始破 裂。從物理意義上來說，巖石抗拉強度是指導致粘聚性失效的極限應力，一般只考慮單軸抗 拉強度。蔡美峰等(2002)對巖石單軸抗拉強度的定義為:巖石在單軸拉伸作用下達到破壞 時所能承受的最大拉應力。因巖石材料的特殊性，巖石抗拉強度的測定結(jié)果往往會出現(xiàn)較 大的離散性，及巖石抗拉強度計算式的簡化也會讓測量結(jié)果與實際抗拉強度值產(chǎn)生偏差。 盡管巖石和/或巖體的抗拉強度會主導許多破壞過程，由于測定巖石抗拉強度非常繁瑣和 困難，故在很多工程實踐中都會忽略對巖石和巖體抗拉強度的精確測定和估算。目前主要 的巖石抗拉強度測定方法可以分為直接拉伸法和間接拉伸法兩類。其中直接拉伸法包括直 接單向拉伸法、修正直接單向拉伸法，間接拉伸法包括巴西劈裂法、三點彎曲法、四點彎曲 法法。下面將按照直接拉伸法和間接拉伸法分別論述這些方法的基本原理和優(yōu)缺點。
[0003] 1、直接拉伸試驗
[0004] 直接拉伸試驗法(Direct pull test，DPT)測巖石的抗拉強度原理與巖石抗拉強 度定義的描述最為相近，測量結(jié)果直接有效。1978年國際巖石力學學會（ISRM)將其作為測 試巖石抗拉強度的推薦方法之一，美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)也于2008年將這直接拉伸試 驗方法作為巖石抗拉強度測量的標準試驗。直接單向拉伸試驗與金屬材料拉伸試驗相類 似，試件及夾具原理如圖1所示。將試件置于試驗機上進行軸向拉伸，試件被拉斷時的應力 值即為巖石的單向抗拉強度(簡稱抗拉強度）。相關(guān)標準中將直接拉伸試驗中巖柱的高徑比 指定為2.0-3.0。直接拉伸法試驗的關(guān)鍵在于:一是巖石試件與夾具間必須有足夠的粘結(jié)力 或者摩擦力;二是所施加的拉力必須與巖石試件同軸心。否則，就會出現(xiàn)巖石試件與夾具脫 落，或者由于偏心荷載，使試件的破壞斷面不垂直于巖石試件的軸心等現(xiàn)象，致使試驗失 敗。由于巖石屬脆性材料，要將其加工成"狗骨型"或者"圓柱體"試樣均較費時，加工成品率 也低，同時很難將夾具的拉力與試件的軸線保持重合。需較大樣本地測量巖石抗拉強度時， 宜結(jié)合其它較通用的抗拉強度測量方法，僅開展少樣本的直接拉伸試驗作為對比參照，以 驗證其它測試方法的結(jié)果偏差狀況。
[0005] 常見的巖石直接拉伸試驗裝置及巖樣加載方式下的受力狀況均可用為圖1(a) (b) 表示，ISRM(1978)和ASTM(2008)標準中給出該受力模式下的巖石抗拉強度計算公式為：
[0006] 〇t = Fa/AX10(MPa) (1)
[0007]式中:？3是試件被拉斷時的拉力(kN);A是試件橫截面積(cm2)。
[0008] 當進行直接拉伸測試時，同時也給試件施加了圍壓，那么Hoek( 1964)和Brace (1964)建議的狗骨型試件該受力模式下的巖石抗拉強度計算公式為：
[0010] 式中:Fa是軸向施加載荷，心是巖柱窄處的直徑，A2是端部直徑，P是圍壓。
[0011] 如前所述，由于施加與巖樣同軸的拉力非常困難，故一些科學家提出了轉(zhuǎn)換裝置 將壓力轉(zhuǎn)化為拉力，如圖2所示，由于只是試驗裝置的改變，故該受力模式下的巖石抗拉強 度計算公式仍然如公式（1)所示。Luong(1986，1988)從巖石樣品的角度出發(fā)，也提出了一種 將壓力轉(zhuǎn)換為拉力的巖樣直接拉伸實驗方案，但是后續(xù)的研究工作非常少，沒有形成成熟 的實驗參數(shù)和實驗設備，沒有真正成為一種廣為接受和認可的實驗方案和實驗設備，故仍 然需要進一步開發(fā)研究。
[0012] 2、間接拉伸試驗
[0013] 2.1巴西劈裂試驗
[0014] 巴西劈裂試驗亦稱圓盤劈裂試驗(Brazilian test)，因是由巴西人Hondros提出 的抗拉強度測定方法，故常被人稱作巴西試驗法，其用于測試巖石類脆性材料的抗拉強度 已經(jīng)有40多年的歷史，并在國內(nèi)外諸多工程領域中得到了廣泛的應用。1978年國際巖石力 學學會將其作為測試巖石抗拉強度的推薦方法之一，它已被列入美國ASTM、英國BS、國際 ISO標準中，1999年和2001年我國將這種方法正式列入國家標準和行業(yè)標準中。巴西試驗是 將經(jīng)加工的圓盤狀(或正方形板狀)試件，橫置于壓力機的承壓板間，并在試件的上、下承壓 板之間各放置一根硬質(zhì)鋼絲或者其它材料作為墊條，然后加載使試件受壓，試件沿徑向產(chǎn) 生張拉破壞，以求其抗拉強度。墊條的作用是將施加的壓力變?yōu)榫€荷載，并使試件產(chǎn)生垂直 于上、下荷載作用方向的張拉力。因此，墊條須位于與試件垂直對稱軸面。圓盤劈裂試驗裝 置如圖3所示。
[0015]人們在開展巴西劈裂試驗時對巴西劈裂的試驗裝置及巖樣的形狀與加載方式進 行了深入研究。主要的巴西試驗裝置及巖樣加載樣式為:不加墊條的試驗巖樣(有圓柱狀、 圓環(huán)狀、加工平臺狀）；加墊條或夾具的巖樣(弧形夾具、角形加載夾具、粗墊條、細墊條）。不 同的試驗方式巖樣的受力狀況也不盡相同，得到的試驗結(jié)果也會有一定的差異性。
[0016]巴西劈裂法的基本原理是基于圓盤受成對徑向壓縮的彈性理論解。經(jīng)典的圓盤劈 裂巖石抗拉強度測試，是國際巖石力學學會推薦方法(ISRM，1978)規(guī)定的測試方案，試件劈 裂面的受拉方向應與巖石單軸抗壓試驗的受力方向一致，圓柱體試件直徑宜為48~54mm， 試件的厚度宜為直徑的0.5~1.0倍，并應大于巖石最大顆粒的10倍。按下列公式計算巖石 抗拉強度：
m
[0018]式中：P為作用于試樣的最大荷載(N)，d為圓盤直徑(mm)，t為圓盤厚度(mm) 〇
[0019]通過比較各種圓盤劈裂抗拉強度值可知，圓盤劈裂法所測抗拉強度值波動較大， 由沉積巖、變質(zhì)巖、花崗巖的順序抗拉強度值呈漸大的趨勢，這與各類巖石的抗壓強度大小 也相對應，符合相關(guān)文獻中抗拉強度與抗壓強度呈一定對應關(guān)系的經(jīng)驗規(guī)律。對于同一類 巖石，由于圓盤劈裂試驗的人造影響因素(巖樣加工形狀、巖樣干濕狀況、夾具形狀、加載動 力方式等)很多，使測量的試驗結(jié)果也有很大的差別，且與巖石的實際抗拉強度值相比略偏 小。因此不能完全依據(jù)圓盤劈裂法的試驗結(jié)果，將其等效為實際工程巖體的抗拉強度值。
[0020] 圓盤劈裂試驗由于較直接拉伸試驗測試巖石抗拉強度的實用性及簡便性，已被我 國的工程巖體試驗方法標準(GB/T50266-99)、水利水電工程巖石試驗規(guī)程(SL264-2001) 規(guī)定為標準的巖石抗拉強度試驗。圓盤(或圓環(huán))劈裂試驗的假設是巖石為線性彈性和均質(zhì) 材料，基于二維彈性理論。試驗本身較簡單，但應力狀態(tài)卻很復雜。除此以外，試驗結(jié)果還受 許多因素的影響，墊條的材質(zhì)及尺寸對抗拉強度的測試有影響;載荷接觸條件對測試結(jié)果 也有影響;硬巖與軟巖和層狀巖石等不同巖性試樣的破壞方式不一，需區(qū)別選擇加載方式； 巴西劈裂抗拉強度試驗的力學模型確定還有許多質(zhì)疑，許多學者嘗試得出了巴西試驗巖石 抗拉強度的修正求算公式。比較劈裂試驗與直接拉伸試驗結(jié)果，巖石的劈裂拉伸強度與直 接(軸向)拉伸強度在數(shù)值上常有較大差別，劈裂試驗還不能完全代替直接拉伸試驗。
[0021] 測量巖石抗拉強度的通用試驗方法為巴西劈裂試驗，但由于巴西試驗結(jié)果與直接 (軸向）拉伸試驗的結(jié)果有差別，在開展巴西試驗的同時應輔以進行少樣本的直接拉伸試 驗以對所得試驗結(jié)果校驗，以更好地保障試驗結(jié)果準確性、可靠性。
[0022] 2.2彎曲拉伸試驗
[0023] 彎曲試驗(Bending tests)在巖石力學試驗中一般被用來測試彈性模量和巖石抗 拉強度。它利用結(jié)構(gòu)試驗中梁的三點或四點加載的方法，使梁的下沿產(chǎn)生純拉應力的作用 而使巖石試件產(chǎn)生斷裂破壞的原理，間接地求出巖石的抗拉強度值。美國材料與試驗協(xié)會 (ASTM)將彎曲拉伸試驗列為測量巖石抗拉強度的標準試驗。彎曲拉伸試驗的形式主要有三 點彎曲拉伸試驗、四點彎曲拉伸試驗。試驗主要通過將巖石加工成矩形斷面的條形狀后，置 于特制支座上加載，試件在梁的下邊緣受拉伸而斷裂，主要的試驗裝置及試驗過程如圖5、 圖6所示。
[0024]四點彎曲拉伸試驗抗拉強度計算公式為：
(4)
[0026]式中：L是支承點間距(cm) ;h是試件高(cm) ;b是試件寬(cm)。
[0027]三點彎曲拉伸試驗抗拉強度計算公式為：
(5)
[0029]式中：L是支承點間距（cm) ;h是試件高（cm) ;b是試件寬（cm) 〇
[0030] 彎曲拉伸試驗的力學模型均是建立在以下4個基本假設基礎之上的：①梁的截面 嚴格保持為平面;②材料是均質(zhì)的，服從胡克定律;③彎曲發(fā)生在梁的對稱面內(nèi)；④拉伸和 壓縮的應力-應變特性相同。對于巖石而言，第4個假設與巖石的特性存在較大的差別，因此 利用抗彎法求得的抗拉強度也存在一定的偏差，且試件的加工也遠比直接拉伸法麻煩。
[0031] 當前對彎曲拉伸試驗開展的較少，試驗數(shù)據(jù)也很有限，該法測量的抗拉強度值較 大。與直接拉伸法試驗相比，其測量結(jié)果普遍較實際抗拉強度值偏大，試驗結(jié)果的參照價值 較小，該類試驗一般不作為巖石抗拉強度測定的推薦試驗。
[0032] 彎曲拉伸試驗作為巖石抗拉強度測試方法之一已被許多學者研究并采用，該測試 方法的巖石試樣為條塊狀，測試過程簡潔、直接。但其求算公式有較多的前提假設，如"拉伸 和壓縮的應力-應變特性相同"對于巖石而言根本不符其力學性質(zhì)，且試件的加工也遠比直 接拉伸法麻煩。三點彎曲拉伸試驗所得抗拉強度比直接抗拉強度偏大，分析其主要原因是 三點彎曲法中影響抗拉強度的因素除了跨度、高度和厚度外，預置裂紋的長度和寬度、預置 裂紋的位置等都對抗拉強度有較大的影響。對于一批相同巖樣，巖樣自身無差別的情況下 其抗拉強度測試值與試驗加載速率也有很大的關(guān)系，如對于花崗巖在加載速率增加一個量 級時，抗拉強度約增加10%。此外已有學者提出質(zhì)疑，三點彎曲的破裂機制為拉伸、壓剪雙 重破裂機制，破裂過程中巖石性質(zhì)由連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)變到非連續(xù)介質(zhì)，而在抗拉強度計算公式 中，這些影響因素并沒有得到考慮。若要得到更為準確的抗拉強度，計算公式還需要進一步 的修正、研究。
[0033] 許多學者嘗試了尋找各種可以替代直接拉伸試驗的間接抗拉強度測量方法，通常 會利用連續(xù)力學求算巖樣破壞時的最大拉伸應力，并假設試樣滿足線彈性行為和雙模塊模 型。此外巖石在拉伸狀態(tài)時材料性質(zhì)通常為脆性，僅在受拉伸應力作用處出現(xiàn)拉伸破裂。無 論是直接拉伸試驗還是間接拉伸試驗測量結(jié)果可靠性均會受到試件的尺度效應及尺寸效 應的影響，前者受顆粒尺度及試件尺寸相對大小的影響，后者根據(jù)試件的體積大小的狀況 還會受到巖石材料帶有缺陷問題的影響。此外應力梯度效應的存在也會影響間接拉伸試驗 的測試結(jié)果。這也解釋了應力梯度隨材料缺陷的存在會導致三點彎曲及四點彎曲試驗比直 接拉伸試驗的結(jié)果偏大。當大應力梯度存在時較小體積巖樣也可供測量抗拉強度，以降低 巖石自身材料缺陷帶來的影響。各種主要的巖石抗拉強度測量方法優(yōu)缺點如表1中所概括 所述。
[0034] 表1主要巖石抗拉強度測量試驗比較
[0036] 如前所述，當前抗拉強度測試方法由于加載接觸條件的變化而導致相應的測試干 擾也較大，且存在試驗前提假設、力學模型選取的近似誤差、數(shù)值計算中的誤差等諸多影響 因素，使得這些方法的測試結(jié)果表現(xiàn)出隨機性、不穩(wěn)定性，未能形成一個被廣泛認可并參照 的巖石抗拉強度測試標準。鑒于上述原因，非常有必要開發(fā)新的直接拉伸巖石抗拉強度試 驗設備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0037] 為了解決現(xiàn)有的抗拉強度測試方法及設備存在的問題，本發(fā)明提供一種多直徑巖 芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度試驗機。所述實驗機能夠?qū)崿F(xiàn)多直徑巖芯抗拉強度簡便、 快速和精確確定，同時滿足以下一些具體性能指標：
[0038] (1)可滿足地質(zhì)勘探所獲取的多直徑巖芯的抗拉強度快速測定，巖芯直徑參照《巖 土工程勘察規(guī)范，DGJ08-37-2012》；
[0039] (2)抗拉強度實驗機測試壓力傳感器的精度優(yōu)于0.1% ;
[0040] (3)加載壓力栗能滿足各種不同直徑和巖性巖芯的抗拉強度測定要求，最大輸出 壓力不小于50MPa;
[0041] (4)實驗儀器配備數(shù)顯屏，同時可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的實時傳輸和記錄，與計算機采 用R232接口或者USB接口傳輸。
[0042]為實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0043] 1、力學模型與原理
[0044] 本發(fā)明主要目的在于利用地質(zhì)勘探(或巖土工程勘察)取得的完整巖芯快速開展 巖石抗拉強度測定。首先將取得的巖芯切割成合適的長度，一般選擇巖芯的長度應為巖芯 直徑的2倍，巖芯長度至少為巖芯直徑的1.5倍，將巖芯兩端磨平。將切割好的巖芯從頂面和 底面各套鉆兩個與巖芯同軸且不同直徑的圓環(huán)筒。最后將制備好的巖芯置于加載架上，可 以選擇從頂部加載盤或者底部加載環(huán)施加主動荷載，原理圖如圖7所示。
[0045] 實驗開始后，給巖樣頂部施加一個軸向荷載Fa，巖樣底部的支撐環(huán)會給巖樣施加 一個反力，隨著軸向荷載? 3不斷增大，會在巖樣中部的中心圓筒部位產(chǎn)生受拉區(qū)，如圖8(a) 中暗色陰影部分所示。持續(xù)增加軸向荷載Fa，最后巖樣在如圖7所示的預想破裂位置發(fā)生張 拉破壞，從開始加載到巖樣發(fā)生破壞，巖樣破壞位置的應力分布狀態(tài)可以粗略的劃分為三 個階段，破壞前、破壞時和破壞后，如圖8(13)、（幻、（(1)、（ 6)所示。破壞前的軸向應力（％)分 布如圖8(c)所示，對應于圖8(b)中的A點，此時由于軸向荷載的施加在中心圓筒的邊緣部位 產(chǎn)生應力集中，應力分布表現(xiàn)為邊緣應力集中部位應力量值高，而遠離應力集中部位則應 力不斷降低。隨著軸向荷載不斷增加，應力集中區(qū)不斷擴大，中心圓筒截面上的軸向應力 (%)分布逐漸趨于均勻，最先達到巖石抗拉強度的區(qū)域發(fā)生張拉破壞，應力開始降低，如圖 8(d)所示，對應于圖8(b)中的B點。巖樣發(fā)生破壞后，軸向應力( 〇y)量值隨之降低，發(fā)生張拉 破壞的區(qū)域的應力量值趨于零，如圖8(e)所示，對應于圖8(b)中的C點。從開始加載到巖樣 的完全破壞這一全過程中，巖石的斷裂能是持續(xù)增加的，如圖8(b)所示，而斷裂能的變化過 程取決于巖石材料的延性特征。
[0046] 通過上面的力學分析可知，多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸實驗中巖樣主要是受拉破 壞，由此可以推導出巖樣的抗拉強度計算公式如下所示：
(6)
[0048]式中：Fa是巖樣張拉破裂時候的最大軸向荷載，N;ri是巖樣的外圓環(huán)半徑，m;r2是 巖樣的內(nèi)圓環(huán)半徑，m。
[0049] 2、試驗機設計與功能實現(xiàn)
[0050] 多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度測試過程中應該注意以下要點：
[0051] 1)由于要求對巖芯進行兩次同軸套鉆，套鉆過程對巖芯的完整性和強度提出了嚴 格的要求。要求巖芯能承受套鉆作業(yè)的加工擾動，完整，不受微小結(jié)構(gòu)面的影響；
[0052] 2)要求巖樣的長度至少為巖芯直徑的1.5倍，或者為巖芯直徑的2倍;具體尺寸要 求為巖芯長度應大于100mm;如果巖石顆粒較大，可以采用巖芯長度大于200mm以滿足巖樣 受拉區(qū)代表性的要求，受拉區(qū)應為巖樣長度的1/2~1/3;
[0053] 3)雙圓環(huán)套鉆過程中應該采用嚴格的操作保障措施保證巖芯、內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)同 軸同心；
[0054] 4)實驗過程的加載操作可以參考相關(guān)實驗規(guī)程關(guān)于單軸抗壓強度測試的相關(guān)規(guī) 定?？梢允褂脩虞d速率或者變形率控制加載速率，建議的應力加載速率為〇.〇5MPa/s。 如果實驗條件允許，記錄實驗全應力-應變過程曲線。
[0055] 5)加載過程中，應該采用必要的措施保證荷載軸線與巖樣平行且同軸。
[0056] 根據(jù)前面的實驗要求和力學分析，研發(fā)并制造專用的多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸 巖石抗拉強度試驗機，所述試驗機包括加載系統(tǒng)、壓力監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加載架和樣品 夾持系統(tǒng)三個部分，具體的結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。
[0057]所述加載系統(tǒng)包括上壓盤（16)、球頭（10)、球座（9)、塔形彈簧（12)、球鉸端蓋 (11)、油缸(8)、下壓盤(3)、導向套(5)和導向板(4)。所述油缸為液壓動力的輸出裝置，在這 套實驗機中配備了電動油栗和手動油栗兩套系統(tǒng)，電動油栗的最高輸出壓力為30MPa，加載 率可以控制到〇.〇〇5MPa/s;手動油栗的最高輸出壓力為60MPa，脈沖式輸出壓力，加載率與 人操作頻率密切相關(guān)，手動操作時，完全可以根據(jù)數(shù)顯壓力監(jiān)視器的變化控制操作頻率以 滿足實驗要求。所述上壓盤和所述下壓盤組成了給樣品施加壓力的主動力源和反力架。所 述球頭、球座、塔形彈簧和球鉸端蓋組成的結(jié)構(gòu)可以保證所施加的荷載與巖石樣品同軸平 行。所述導向套和導向板組成的結(jié)構(gòu)保證所施加的荷載與巖石樣品同軸平行，且荷載處于 試驗機所設定的加載架平面內(nèi)。
[0058]所述壓力監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、壓力數(shù)字顯示屏、 監(jiān)控壓力表和筆記本電腦數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。所述傳感器及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)為高精度A/D壓 力傳感器，可與計算機連接，實現(xiàn)計算機實時觀測、記錄和存儲。這些配件均采用工業(yè)化的 標準產(chǎn)品，根據(jù)實際需要選用即可滿足試驗機的需要，這里不做詳細介紹。要求壓力傳感器 精度優(yōu)于0.1%。
[0059] 所述加載架和樣品夾持系統(tǒng)包括變直徑巖樣內(nèi)圓環(huán)壓盤、變直徑巖樣外圓環(huán)壓 盤、下橫梁、立柱、立柱固定環(huán)和上橫梁。其中下橫梁、立柱、立柱固定環(huán)和上橫梁組成了整 個試驗機的加載和反力承載系統(tǒng)，基本原理與點荷載、巴西劈裂盤的試驗系統(tǒng)類似。對于樣 品夾持，需要滿足多種直徑的巖芯巖樣實驗要求。在試驗機研發(fā)過程中，希望盡可能地減少 樣品加工工序，將巖芯兩端簡單切割，磨平，然后套鉆雙圓環(huán)，就能滿足實驗要求。對于常見 規(guī)格尺寸的地質(zhì)勘探鉆孔巖芯，直徑分別為①49±0.5mm、①62±0.5mm、①89±0.5mm、①94 ±0.5mm。針對這些尺寸，同時參考巖石力學的厚壁筒原理，每個圓筒的內(nèi)外徑之比不超過 0.75，基于這些尺寸因素，巖樣內(nèi)圓環(huán)壓盤設計不同的直徑，包括①20mm、①25mm、①30mm、 ①35mm、O40mm. O 45mm. O 50mmn 0 55mm，共8個直徑，巖樣外圓環(huán)壓盤直徑包括30mm、〇 35mm、C>40mm、C>45mm、C>50mm、〇55mm. C>60mm、0 65mm，共8個直徑，實驗過程中可以根據(jù)測 試樣品靈活選用套鉆尺寸，最后求平均值來獲得最終測定值。變直徑巖樣上下壓盤之間設 計成可上下調(diào)整其空間的裝置，油缸的行程空間可以滿足300mm的行程要求，以更好地滿足 不同巖樣大小的適用要求及試驗操作的靈活便捷性。
[0060] 本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為：
[0061 ] (1)試驗機可以監(jiān)測和記錄巖樣受拉破壞的整個測試過程，并快速確定巖石直接 拉伸時的抗拉強度定量值，而且測試原理和過程嚴謹可靠，填補了國內(nèi)這一研究領域的空 白。
[0062] (2)試驗機配合國內(nèi)現(xiàn)行的四種地質(zhì)勘探（巖土工程勘察）鉆孔直徑（0 76 土 0.5謹、094±0.5謹、〇 110±0.5謹、〇 130±0.5謹)而設計，可以有效補充常規(guī)巖石物理力 學測試的實驗參數(shù)，而對實驗樣品準備要求較低，只需要將巖芯兩端磨平并同心（同軸)套 鉆就可以滿足要求，對實驗樣品的要求遠遠低于前面所述的巖石抗拉實驗。
[0063] (3)本設備操作運輸簡便。
【附圖說明】
[0064]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0065] 圖1為巖樣直接拉伸試驗的幾種夾持裝置。
[0066] 圖中，（a)是巖樣直接拉伸夾持器，（b)是膠合圓柱形試樣(c)是"狗骨型"雙軸拉伸 巖樣直接拉伸夾持器。
[0067]圖2為修正后的直接拉伸試驗裝置，可將壓力轉(zhuǎn)換為拉力。
[0068]圖3為圓盤劈裂試驗法示意圖。
[0069] 圖中，1是硬質(zhì)鋼絲，2是承壓板，3是圓盤狀巖石試件，4是應壓片，5是壓力傳感器， 6是應力，7是應變，8是應力應變采集系統(tǒng)，9是計算機處理系統(tǒng)，10是巖石的抗拉彈性模量。
[0070] 圖4為巴西試驗加載方式示意圖。
[0071] 圖中，（a)是直接加載，（b)是墊片加載，（c)是墊條加載，（d)是弧形加載，F(xiàn)a為施加 載荷，D為巖樣直徑。
[0072] 圖5為巖梁四點彎曲拉伸試驗測試示意圖。
[0073]圖6為巖梁三點彎曲拉伸試驗測試示意圖。
[0074]圖7為本發(fā)明所述的多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度測試原理示意圖。 [0075]圖中，1是預想斷裂面。
[0076] 圖8為本發(fā)明所述的多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸實驗測試過程力學分析圖。
[0077] 圖中，（a)是直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度測試基本受力模型及受拉區(qū) 示意，（b)是抗拉強度測試應力應變?nèi)^程曲線和斷裂能示意，（c)是抗拉強度測試破壞前 的受力模式及樣品內(nèi)部應力分布圖，（d)是抗拉強度測試破壞時的受力模式及樣品內(nèi)部應 力分布圖，（e)是抗拉強度測試破壞后的受力模式及樣品內(nèi)部應力分布圖，1為受拉區(qū)，2為 單軸抗拉強度，3為斷裂能G f持續(xù)增加。
[0078] 圖9為本發(fā)明所述的多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度試驗機結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0079]圖中，1是上橫梁，2是立柱，3是下壓盤，4是導向板，5是導向套，6是立柱固定環(huán)，7 是下橫梁，8是油缸，9是球座，10是球頭，11是球鉸端蓋，12是塔形彈簧，13是變直徑巖樣外 圓環(huán)壓盤，14是巖樣，15是變直徑巖樣內(nèi)圓環(huán)壓盤，16是上壓盤，17是傳感器及數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0080] 實施例1 [0081 ] 參見圖9:
[0082] -種多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度試驗機，所述試驗機包括加載系 統(tǒng)、壓力監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加載架和樣品夾持系統(tǒng)三個部分。
[0083] 所述加載系統(tǒng)包括上壓盤（16)、球頭（10)、球座（9)、塔形彈簧（12)、球鉸端蓋 (11)、油缸(8)、下壓盤(3)、導向套(5)和導向板(4)。所述油缸(8)為液壓動力的輸出裝置， 在這套實驗機中配備了電動油栗和手動油栗兩套系統(tǒng)，電動油栗的最高輸出壓力為30MPa， 加載率可以控制到〇.〇〇5MPa/s;手動油栗的最高輸出壓力為60MPa，脈沖式輸出壓力，加載 率與人操作頻率密切相關(guān)，手動操作時，完全可以根據(jù)數(shù)顯壓力監(jiān)視器的變化控制操作頻 率以滿足實驗要求。所述上壓盤（16)和所述下壓盤(3)組成了給樣品施加壓力的主動力源 和反力架。所述球頭（10)、球座(9)、塔形彈簧（12)和球鉸端蓋（11)組成的結(jié)構(gòu)可以保證所 施加的荷載與巖石樣品同軸平行。所述導向套(5)和導向板(4)組成的結(jié)構(gòu)保證所施加的荷 載與巖石樣品同軸平行，且荷載處于試驗機所設定的加載架平面內(nèi)。
[0084]所述壓力監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（17)包括傳感器及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、壓力數(shù)字顯示 屏、監(jiān)控壓力表和筆記本電腦數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。所述傳感器及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)為高精度A/D 壓力傳感器，可與計算機連接，實現(xiàn)計算機實時觀測、記錄和存儲。所述壓力傳感器精度優(yōu) 于0 ? 1 % 〇
[0085] 所述加載架和樣品夾持系統(tǒng)包括變直徑巖樣內(nèi)圓環(huán)壓盤（15)、變直徑巖樣外圓環(huán) 壓盤（13)、下橫梁（7)、立柱(2)、立柱固定環(huán)(6)和上橫梁（1)。其中下橫梁(7)、立柱（2)、立 柱固定環(huán)(6)和上橫梁（1)組成了整個試驗機的加載和反力承載系統(tǒng)。所述巖樣內(nèi)圓環(huán)壓盤 (15)設計有包括20mm、25mm、C>30mm、35mm、40mm、C>45mm、C>50mm、55mm，共8個直 徑，所述巖樣外圓環(huán)壓盤（13)直徑包括①30mm、①35mm、①40mm、①45mm、①50mm、C>55mm、〇 60mm、〇65mm，共8個直徑。所述變直徑巖樣上、下壓盤之間設計成可上下調(diào)整其空間的裝 置，所述油缸(8)的行程空間可以滿足300mm的行程要求，以更好地滿足不同巖樣大小的適 用要求及試驗操作的靈活便捷性。
[0086] 應用例1
[0087] 實驗設備成功研發(fā)后，使用幾種樣品進行了第一批次的實驗。實驗的加載速率為 0.02MPa/s，巖樣的內(nèi)圓環(huán)直徑為30mm，外圓環(huán)直徑為60mm，巖樣的外徑為95mm。實驗雙圓環(huán) 的偏心度約為3mm。實驗結(jié)果如表2所示。
[0088] 表2某次雙圓環(huán)直接拉伸實驗測試結(jié)果表
[0090]最后應說明的是:顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并 非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎上還可以做 出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引 伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。
【主權(quán)項】
1. 多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度試驗機，其特征在于:所述試驗機包括加 載系統(tǒng)、壓力監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加載架和樣品夾持系統(tǒng)三個部分。2. 如權(quán)利要求1所述的多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度試驗機，其特征在于： 所述加載系統(tǒng)包括上壓盤、球頭、球座、塔形彈簧、球鉸端蓋、油缸、下壓盤、導向套和導向 板;所述油缸為液壓動力的輸出裝置;所述上壓盤和所述下壓盤組成了給樣品施加壓力的 主動力源和反力架;所述球頭、球座、塔形彈簧和球鉸端蓋組成的結(jié)構(gòu)保證所施加的荷載與 巖石樣品同軸平行;所述導向套和導向板組成的結(jié)構(gòu)保證所施加的荷載與巖石樣品同軸平 行，且荷載處于試驗機所設定的加載架平面內(nèi)。3. 如權(quán)利要求1或2所述的多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度試驗機，其特征在 于：配備電動油栗和手動油栗，電動油栗的最高輸出壓力為30MPa，加載率可以控制到 O · 005MPa/s;手動油栗的最高輸出壓力為60MPa，脈沖式輸出壓力。4. 如權(quán)利要求1所述的多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度試驗機，其特征在于： 所述壓力監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、壓力數(shù)字顯示屏、監(jiān)控壓力 表和筆記本電腦數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng);所述傳感器及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)為高精度A/D壓力傳感器， 可與計算機連接，實現(xiàn)計算機實時觀測、記錄和存儲;所述壓力傳感器精度優(yōu)于〇. 1 %。5. 如權(quán)利要求1所述的多直徑巖芯雙圓環(huán)直接拉伸巖石抗拉強度試驗機，其特征在于： 所述加載架和樣品夾持系統(tǒng)包括變直徑巖樣內(nèi)圓環(huán)壓盤、變直徑巖樣外圓環(huán)壓盤、下橫梁、 立柱、立柱固定環(huán)和上橫梁;所述下橫梁、立柱、立柱固定環(huán)和上橫梁組成了整個試驗機的 加載和反力承載系統(tǒng)；所述巖樣內(nèi)圓環(huán)壓盤設計有Φ 20mm、Φ 25mm、Φ 30mm、Φ 35mm、Φ 40mm、Φ45mmN Φ50mmn Φ55ηιηι，共8個直徑;所述巖樣外圓環(huán)壓盤設計有Φ30mm、Φ35mm、Φ 40mm、Φ 45mm、Φ 50mm、Φ 55mm、Φ 60mm、Φ 65mm，共8個直徑;所述變直徑巖樣上、下壓盤之間 設計成可上下調(diào)整其空間的裝置，油缸的行程空間可以滿足300mm的行程要求。
【文檔編號】G01N3/10GK105910909SQ201610186531
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】王成虎
【申請人】中國地震局地殼應力研究所