一种非标准岩石试件力学参数测试装置及测试方法

摘要

本发明公开了一种非标准岩石试件力学参数测试装置及测试方法，它包括用于加荷的液压式压力试验机和与压力试验机配套使用的试件夹持装置以及上、下加荷锥；试件夹持装置结构是：在液压式压力试验机的液压油缸柱头的中心轴上设有高度能调的垫柱，垫柱上设有垫板；垫板两端对称设有能上下调节的左、右纵向杆；在左、右纵向杆上的对称位置分别设有能水平推拉的横向杆，两根横向杆的内端头分别设有弧形的弹性夹持垫，要求两个夹持垫的弧形对应。本发明利用压力试验机和具有径向夹持功能的夹持装置可以在室内对现场采取的试样直接进行岩石力学性质试验，显著提高了试验结果的准确性，也不会发生伤人事故，达到安全测试的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩石试件力学参数的测试装置及测试方法，尤其是非标准 岩石试件力学参数的测试装置及测试方法。

背景技术

在地质、矿山、水电、土木和交通等工程建设中，往往需要对现场的岩体 进行取样，在实验室内对岩样进行试验测试，获取岩石的基本物理力学参数， 从而为岩体工程稳定性分析及支护设计提供可靠的基础数据。

目前在室内广泛开展的是标准形状的岩石试件力学试验，按着中华人民共 和国《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-99）的要求，标准试件是指规则的 圆柱体或长方体，其直径或边长为48mm～52mm，高度为直径的2倍。为了满足 试验机承压板与岩石试件的面接触条件，对岩石试件的两个端面加工精度要求 极高，不平整度不得大于0.05mm。

近年来，随着机械及电子行业的进步，岩石力学试验设备性能越来越优良， 可以完成岩石的多种物理力学性能指标测试，并能够达到较高的测试精准度。 但作为试验对象的岩石标准试件制备一直存在着诸多困难，其中有岩样加工设 备及取样方法方面的不足，但更多的是岩石本身存在节理裂隙或岩质软弱等情 况，使得现场钻取的岩心较短、孔径较粗，无法满足实验室内二次加工成标准 试件的尺寸。此外，如易风化、怕扰动、弱胶结类的泥岩等，在室内对岩样进 行二次加工制备过程中，由于钻、切、磨等加工环节的扰动，难免对试件造成 不同程度的损伤破坏，室内加工成型的标准试件尽管在形状尺寸上满足了要求， 但却与岩石的天然状态差别较大，其测试结果难以反映出真实的岩石力学性能。

综合考虑目前室内岩石力学试验状况及标准试件制备的问题，开发一种对 现场取样的岩石直接进行测试的试验装置及试验方法，获取岩石的基本力学参 数，以解决工程取样中的短岩心、大直径或者难于二次加工等情况下的非标准 岩石试件的试验测试问题。

发明内容

为了满足在实验室测试岩石力学参数的需求，本发明提供一种操作简单、 使用安全的非标准岩石试件力学参数测试装置，这种测试装置降低了对试件形 状尺寸的限制程度，同时通过与电液伺服压力试验机平台连接，可实现对非标 准岩石试件进行多种方案的加载控制，并可采用计算机自动记录试验曲线与数 据。

本发明同时提供这种测试装置的测试方法。

本发明采取的技术方案是：

一种非标准岩石试件力学参数测试装置，它包括用于加荷的液压式压力试 验机，所述的液压式压力试验机它是由机架主体、液压油缸、传力柱、设在传 力柱上的压力传感器、伺服加载系统和计算机组成，其特征在于，在液压式压 力试验机的加载面设有上、下加荷锥，此外还包括一个试件夹持装置。

所述的试件夹持装置结构是：在液压式压力试验机的液压油缸柱头的中心 轴上设有高度可调的垫柱，垫柱上设有垫板；垫板两端对称设有可上下调节的 左、右纵向杆；在左、右纵向杆上的对称位置分别设有可水平推拉的横向杆， 两根横向杆的内端头分别设有单面为弧形凹陷的弹性夹持垫，要求两个夹持垫 的弧形凹陷方向相同。

所述的垫柱整体由多个柱形块体组成，便于通过加减柱形块体来调节下加 荷锥的高度，能够满足不同尺寸试件试验的需要，柱形块体之间使用螺纹杆连 接；整个垫柱的上端面和下端面的中心位置都设有螺纹孔，上端面的螺纹孔可 以使用相应的螺纹杆配合与垫板连接，下端面的螺纹孔，可以使用螺纹杆将垫 柱与油缸柱头连接；

所述的垫板为具有一定厚度的狭长钢板，垫板中心位置设有一个螺纹孔， 可以使用螺纹杆把垫板和下加荷锥连接；垫板两端有两个对称的竖直方向圆形 通孔，可以配合纵向杆的插入和上下调节，要求垫板上两端圆形通孔的间距大 于垫柱的直径，便于纵向杆的上下调节；垫板两侧面各有一个水平方向螺纹孔， 可以安装水平方向固定螺母，通过旋紧水平方向固定螺母起到固定纵向杆的作 用。

所述的左、右纵向杆断面均为圆柱形，用于配合插入垫板两端的圆形通孔 中，纵向杆上部有一个水平方向矩形通孔，用于配合横向杆的插入与调节；在 纵向杆上端面有竖直方向固定螺母，通过调节竖直方向固定螺母来固定横向杆； 纵向杆上标有刻度，调节纵向杆时便于标定试件支撑高度。

所述的横杆断面为矩形断面，一端固定并支撑夹持垫；另一端插入纵向杆 上端的矩形通孔中，横杆可在矩形通孔中实现水平推拉，以达到调节两夹持垫 间距的目的；横向杆上标有刻度，可以根据试件水平方向大小，调节横向杆， 达到试验要求位置，并确保夹持固定住试件。

所述的夹持垫为一个单面呈弧形凹陷的块体橡胶垫，主要作用为配合夹持 固定试件，并且利用橡胶材料良好的弹性，在试件崩裂过程中起到抗震防冲作 用，防止试件碎片伤人或损坏仪器。

所述的上加荷锥安装在液压式压力试验机的传力柱上；所述的下加荷锥设 在试件夹持装置的垫板上；并使上、下加荷锥位于液压式压力试验机加载轴向 上。

本发明测试装置的测试步骤如下：

第一步：组装测试装置

依次将垫柱和垫板放到液压式压力试验机的试验台上，把垫柱固定在液压 式压力试验机油缸柱头的中心位置，并将垫柱和垫板固定连接；再将上加荷锥 连接到试验机的传力柱上，下加荷锥连接到垫板上，确保垫板和垫柱的中轴线 与液压式压力试验机传力柱中轴线一致；将夹持装置的纵向杆插入垫板两端的 圆形孔中；把带有弹性夹持垫的横向调节杆插入纵向调节杆上部的矩形通孔中；

第二步：试件的夹持

把试件放到上、下加荷锥之间，启动液压式压力试验机，使油缸柱头移动， 使两加荷锥距离稍大于试件加荷点间的距离，调节纵向杆和横向杆，并配合旋 紧水平方向固定螺母和垂直方向固定螺母，确保能够按照不同加载方式的要求 将试件固定于两加荷锥之间。

第三步；试件力学参数的测试

启动液压式压力试验机使油缸向上行程对试件实施压力，通过伺服加载系 统控制加载速率和时间，压力传感器输出试件所受压力的信号送至计算机，上 述信号经计算机处理得到试件破坏过程线，从曲线中可以得到点荷载试验的破 坏荷载，经换算便可以得到岩石试件的实际强度和变形参数。

本发明的优点是：

一是：本发明在压力试验机的试验台和传力柱上分别设置加荷锥，可以在 室内对现场采取的试样直接进行岩石力学性质试验，不用对试样进行二次加工， 不但操作简单，而且显著提高了试验结果的准确性。

二是：由于采用具有径向夹持功能的夹持装置，夹持试件时，试件紧紧包 裹在夹持装置的弹性夹持垫中，在测试过程中，即便试件崩裂，也不会发生伤 人事故，达到安全测试的目的。

三是，本发明采用压力试验机对事件进行加荷，不但避免了人工操作带来 的误差，而且还可以方便控制加载速率和加载时间，从而进一步提高测试结果 的准确性。

四是：本发明可以直接在计算机上得到试验曲线与数据，提高了测试的便 利性和直观性，为试件力学性能的进一步研究提供了可靠的基础。

附图说明

图1为本发明测试装置的结构示意图；

图2为测试装置中加荷锥的断面示意图；

图3为测试装置中垫板的断面示意图；

图4为测试装置中垫柱的断面示意图；

图5为测试装置中夹持装置部分构件示意图。

图中：1（a）—上加荷锥、1（b）—下加荷锥、2—垫板、3—垫柱、4—纵 向杆、5—横向杆、6—弹性夹持垫、7（a）—垂直方向固定螺母、7（b）—水 平方向固定螺母、8—传力柱、9—油缸柱头、10—液压式压力试验机、11—压 力传感器、12—液压油缸、13—伺服加载系统、14—计算机。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明非标准岩石试件力学参数测试装置，包括用于加荷的 液压式压力试验机10、试件夹持装置、上加荷锥1（a）和下加荷锥1（b），所 述的液压式压力试验机10是由机架主体、液压油缸12、传力柱8、设在传力柱 8上的压力传感器11、伺服加载系统13和计算机14组成，

所述的试件夹持装置结构如图5所示：在压力试验机液压油缸柱头9的中 心轴上设有高度可调的垫柱3，垫柱3上设有垫板2；垫板2两端对称设有可上 下调节的左、右纵向杆4；在左、右纵向杆4上部的对称位置分别设有可水平推 拉的横向杆5，两根横向杆5的内端头分别设有弧形的弹性夹持垫6，要求两个 弹性夹持垫6的弧形对应。

所述的垫柱3（见图4）整体由多个柱形块体组成，便于通过加减柱形块体 来调节下加荷锥1（b）的高度，能够满足不同尺寸试件试验的需要，柱形块体 之间使用螺纹杆连接；整个垫柱3的上端面和下端面的中心位置都设有螺纹孔， 上端面的螺纹孔使用相应的螺纹杆配合与垫板连接，下端面的螺纹孔使用螺纹 杆将垫柱与油缸柱头9连接；

所述的垫板2（见图3）为具有厚度的狭长钢板，垫板2中心位置设有一个 螺纹孔，使用螺纹杆把垫板2和下加荷锥1（b）连接；垫板2两端有两个对称 的竖直方向圆形通孔，用于配合纵向杆4的插入和上下调节，要求垫板2上两 端圆形通孔的间距大于垫柱3的直径，便于纵向杆4的上下调节；垫板2两侧 面各有一个水平方向螺纹孔，用于安装水平方向固定螺母7（b），通过旋紧水 平方向固定螺母7（b）起到固定纵向杆4的作用。

所述的左、右纵向杆4断面为圆柱形，用于配合插入垫板2两端的圆形通 孔中，纵向杆4上部有一个水平方向矩形通孔，用于配合横向杆的插入与调节； 在纵向杆4上端面有竖直方向固定螺母7（a），通过旋紧竖直方向固定螺母7 （a）来固定横向杆；纵向杆4上标有刻度，用于调节纵向杆4时便于标定试件 支撑高度。

所述的横向杆5断面为矩形断面，横向杆5一端固定并支撑夹持垫6；横杆 5另一端插入纵向杆4上的矩形通孔中，横向杆5在矩形通孔中实现水平推拉， 以达到调节两夹持垫6间距的目的；横向杆5上标有刻度，根据试件水平方向 大小，调节横向杆5，达到试验要求位置，并确保夹持固定住试件。

所述的夹持垫6为一个单面呈弧形凹陷的块体橡胶垫，主要作用为配合夹 持固定试件，并且利用橡胶材料良好的弹性，在试件崩裂过程中起到抗震防冲 作用，防止试件碎片伤人或损坏仪器。

所述的上加荷锥1（a）（见图2）安装在试验机的传力柱8上；所述的下 加荷锥1（b）设在试件夹持装置的垫板2上；并使上、下加荷锥位于试验机加 载轴向上。

本发明测试装置的测试步骤如下：

第一步：组装测试装置

依次将垫柱3和垫板2放到液压式压力试验机10的实验台上，把垫柱3固 定在液压式压力试验机油缸柱头9的中心位置，并将垫柱3和垫板2固定连接； 再将上加荷锥1（a）连接到试验机的传力柱上、下加荷锥1（b）连接到垫板2 上，确保垫板2和垫柱3的中轴线与试验机传力柱8中轴线一致；将夹持装置 的左、右纵向杆4分别插入垫板2两端的圆形孔中；把带有弹性夹持垫6的横 向调节杆5插入纵向调节杆4上部的矩形通孔中；

第二步：试件的夹持

把试件放到上加荷锥1（a）和下加荷锥1（b）之间，启动液压式压力试验 机10，使油缸柱头9移动，使两加荷锥距离稍大于试件加荷点间的距离，调节 纵向杆4和横向杆5，并配合旋紧水平方向固定螺母7（b）和垂直方向固定螺 母7（a），确保能够按照不同加载方式的要求将试件固定于两加荷锥之间；

第三步；试件力学参数的测试

启动液压式压力试验机10，使油缸向上行程对试件实施压力，通过伺服加 载系统13控制加载速率和时间，压力传感器11输出试件所受压力的信号送计 算机，上述信号经计算机14处理得到试件破坏过程线，从曲线中可以得到点荷 载试验的破坏荷载，经换算便可以得到岩石试件的实际强度和变形参数。