CN108225904A - 岩石直接拉伸试验的夹具及基于该夹具的试验方法 - Google Patents

Abstract

试验的夹具及基于该夹具的试验方法，属于岩石力学测试领域。该夹具能够直接用于岩石三轴力学试验机，包括上压头及下压头，下压头顶部设置有中空的滑动槽，滑动槽包括平行设置的两条滑轮移动边，还包括两组哑铃状轮轴及两条拉伸链杆，哑铃状轮轴包括通过拉伸轴相连接的两个滑动轮轴，这两个滑动轮轴分别能够在两条滑轮移动边上滑动，每条拉伸轴各与一条拉伸链杆的一端相连，两条拉伸链杆的另一端分别与试件的两端相连，还包括设置于两条拉伸轴之间的楔形压板，楔形压板的顶端长度大于底端长度，在上压头的作用下，楔形压板能够逐渐下降，随着楔形压板的下降，两条拉伸轴间距增大，两条拉伸链杆被拉伸，以拉伸试件；适用于开展岩石拉伸强度测试。

Description

岩石直接拉伸试验的夹具及基于该夹具的试验方法

技术领域

本发明属于岩土力学测试领域，涉及一种能够在传统岩石力学试验机上实现岩石直接拉伸试验的夹具及基于该夹具进行岩石拉伸强度测试的试验方法。

背景技术

岩石的破坏形式大多可分为以下三类：脆性破坏、延性破坏和弱面剪切破坏。而岩石发生破坏主要是由剪力、压力、拉力中的一种或多种因素引起的，因此研究岩石的抗拉强度对研究岩石的破坏形式及破坏准则有着相当重要的意义。

由于岩石的抗拉强度较小，对岩石进行直接拉伸试验比较困难，因此目前室内测量岩石的拉伸强度主要是通过间接拉伸方法来进行。其中，最广泛使用的方法是劈裂法(巴西劈裂法)测定岩石的抗拉强度。劈裂法是利用圆柱型试件通过向其直径方向施加集中压力实现的，步骤简单，易于操作，只需要一台岩石压力机即可进行。然而，通过该方法确定的抗拉强度与直接拉伸试验测得的拉伸强度存在一定误差，且难以获得拉伸全应力应变曲线。

如图1所示是现有技术中岩石直接拉伸试验选用的装置，在试件6上下两侧分别设置有上端帽12和下端帽13，上端帽12连接有拉伸链条15，下端帽13底部与垫板11连接，试件固定槽14与垫板11连接，垫板11下方有刚性套筒16支撑，拉伸链条15用插销与试件固定槽14连接，由于垫板11与下端帽13的试件固定槽14之间有一定间隙，刚性套筒16不能在整个试验过程中对试件及下端帽的重量起有效的支撑作用。当试件所受拉应力达到峰值后，在破坏面以下的试件、下端帽13和下部的拉伸链条15所受重力的作用下，试件发生突然破坏，导致目前测量的岩石拉伸强度存在进一步的误差，进行峰值应力后力学效应测试也较为困难，也存在破坏后的试样掉落导致引伸计等传感器或其接口等被损坏的风险。尽管目前已有一些研究针对岩石拉伸试件及夹具进行改进，但都不能避免重力对岩石拉伸破坏时产生的影响。另一方面，为了测试得到岩石峰后应力应变结果需降低轴向加载速率，传统直接拉伸实验是通过降低线性可变差动变压器LVDT速率加以控制，对于未配置LVDT的设备难以实现峰后测试，且设备的最低加载速率是有限的，不能无限制降低该加载速率。因此，亟需一种能够有效降低重力影响、提高结果准确度、并可以利用传统岩石压力机且能在传统岩石压力机最低加载速率基础上进一步降低加载速率的岩石直接拉伸强度和破坏行为测试的岩石直接试验系统及方法。

同时，现有技术中针对岩石抗压强度的研究较多，室内利用传统岩石力学试验机测量岩石抗压强度的技术已经比较成熟，并出现了声发射测试、光学应变测量等多种辅助测量技术，以反映岩石试件在破坏时裂纹的萌生、成核、扩展、贯通直至宏观破裂的过程。为了充分利用传统岩石力学试验机的辅助测量功能，降低重力影响、提高结果准确度、并可以利用传统岩石压力机且能在传统岩石压力机最低加载速率基础上进一步降低加载速率的岩石直接拉伸强度和破坏行为测试，需要发明一种能够在传统岩石力学试验机上实现岩石直接拉伸试验的夹具及试验方法，测量岩石试件在直接拉伸试验中的破坏过程，并能够绘制出岩石拉伸破坏的峰后曲线，以绘制岩石拉伸破坏全应力-应变曲线，获得更能反应工程实际的岩石抗拉强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中岩石直接拉伸试验受重力影响导致结果准确率低，且不能直接在传统岩石压力机上进行试验的缺点，提供一种岩石直接拉伸试验的夹具及基于该夹具的试验方法，该夹具能够直接在传统岩石力学试验机上实现岩石直接拉伸试验，结果准确率高，且能通过改变夹具的弧度实现加载速率降低进而获得全应力应变曲线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：岩石直接拉伸试验的夹具，该夹具能够直接用于岩石三轴力学试验机，包括上压头及下压头，下压头顶部设置有中空的滑动槽，滑动槽包括平行设置的两条滑轮移动边，还包括两组哑铃状轮轴及两条拉伸链杆，哑铃状轮轴包括通过拉伸轴相连接的两个滑动轮轴，这两个滑动轮轴分别能够在两条滑轮移动边上滑动，每条拉伸轴各与一条拉伸链杆的一端相连，两条拉伸链杆的另一端分别与试件的两端相连，还包括设置于两条拉伸轴之间的楔形压板，楔形压板的顶端长度大于底端长度，在上压头的作用下，楔形压板能够逐渐下降，随着楔形压板的下降，两条拉伸轴间距增大，两条拉伸链杆被拉伸，从而实现试件的拉伸。

具体的，试件为狗骨头状，包括圆柱主体，圆柱主体两端各设有一个圆盘状的试件拉头，试件拉头的直径大于圆柱主体的直径。

具体的，滑动槽为长方体状网架结构，由12根实心钢管相互焊接而成，在滑动槽顶部四个连接点处分别设置有一个实心固定块。

进一步的，试件拉头外侧设有试件夹头，试件夹头上设置有插销槽，拉伸轴上也设有插销槽，拉伸链杆为高拉伸强度的钢制杆件，拉伸链杆的两端都设置有插销槽，通过与插销槽相匹配的插销将拉伸链杆分别与试件拉头及拉伸轴相连。

进一步的，滑动槽顶部设置有导轨，滑动轮轴能够在导轨上自由滑动。

具体的，楔形压板为两个完全相同的变弧度压板，压板厚度为4～6mm，楔形压板底端长度略小于试件加两端拉伸链杆的总长度，楔形压板顶端长度略大于试件加两端拉伸链杆的总长度，楔形压板的侧边从底端到顶端随着曲率半径逐渐增大，切线与垂直向夹角逐渐减小。

具体的，在两个楔形压板顶部之间设置有连接板，上压头作用在连接板上，通过连接板将力的作用传递给两块楔形压板。

优选的，上压头为圆柱状或长方体状实心钢压块，下压头的大小及形状与上压头相同。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：岩石拉伸试验方法，基于上述试件拉伸试验的夹具，包括以下步骤：

A.选用符合要求尺寸及质量的岩石试件，记录试件的基本数据，并在试件的两端贴覆试件夹头，基本数据包括试件内径D₂；

B.选用合适的上下压头，并记录上压头的质量m₀，将下压头放置在试验机底部压头上，并将滑动槽放置在下压头上，使得试验机底部压头、下压头底面中心与试验机底部压头中心对齐，通过拉伸链杆将试件固定在滑动槽的滑动轮轴间的拉伸轴上；

C.将楔形压板垂直塞入滑动轮轴中间，从上而下挤压楔形压板，使楔形压板与滑动轮轴两侧紧密贴合，装配上压头，使上压头顶部中心与试验机上部压头中心对齐；

D.在试件中部轴向安装轴向引伸计，环向安装环向引伸计，略微升高机器位移直到上压头与机器上压头紧密压紧，以恒定轴向位移加载速率进行加载，直至实验结束，记录相关数据，可测量获得岩石试件在拉伸过程中完整的应力应变曲线，记录岩石应力应变曲线的应力达到峰值时楔形压板与拉伸轴交点处的倾斜角度值，并将其记录为峰值倾角值θ，试件轴向应力的峰值P_cr；

E.根据记录的数据计算岩石拉伸强度σ_t＝2*(P_cr+m₀g)*tanθ/(πD₂ ²)，其中，P_cr为轴向应力的峰值，m₀为上压头质量，D₂为试件直径，θ为峰值倾角值。

具体的，步骤B中通过拉伸链杆将试件固定在滑动槽的滑动轮轴间的拉伸轴上，具体为，在两个试件夹头外侧分别连接拉伸链杆，并将拉伸链杆的另一端各与一个拉伸轴相连，拉伸链杆的两端上预留有插销槽，利用与插销槽相匹配的插销将拉伸链杆与试件夹头、拉伸轴相连。

本发明的有益效果是：结构简单，易于操作，将拉伸方向由传统的竖直方向转化为水平方向，使重力和拉伸轴力正交，避免了重力对拉伸轴力的影响，同时将上压头的自重考虑在了试验影响因素之内，进一步减小了实验误差，同时，通过变弧度楔形夹板进行加载，在试件达到破坏时试件轴向速率达到最小，能够在传统岩石压力机最低加载速率基础上进一步降低加载速率，有利于完整描绘岩石拉伸过程中全应力应变曲线，提高试验结果准确性；此外，由于其能够直接在传统岩石力学试验机实现岩石的直接拉伸试验，充分利用传统岩石力学实验机的功能，扩展传统岩石力学试验机的用途，并能够结合传统岩石力学试验机的加载式CT扫描、声发射监测的辅助测量手段，通过多种途径监测岩石的破坏过程，有利于进一步探索岩石在拉伸过程中裂纹的产生、扩展及贯通过程。本发明适用于开展岩石拉伸强度测试。

附图说明

图1是现有直接拉伸试验选用的装置的结构示意图；

图2是本发明中夹具的结构示意图；

图3是本发明中夹具的结构示意图A-A断面俯视图；

图4是本发明中楔形压板的结构示意图；

图5是本发明中在试验机上实施岩石拉伸试验的结构示意图；

图6是本发明中狗骨头状试样的结构示意图；

其中，11为垫板，12为上端帽，13为下端帽，14为试件固定槽，15为拉伸链条，16为刚性套筒，1为上压头，2为楔形压板，3为滑动轮轴，4为滑动槽，5为下压头，6为试件，7为拉伸链杆，8为拉伸轴，61为圆柱主体，62为试件拉头。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。文中所述传统岩石压力机即普通岩石压力机。

如图2～3所示的岩石直接拉伸试验的夹具，包括上压头1及下压头5，下压头5顶部设置有中空的滑动槽4，滑动槽4包括平行设置的两条滑轮移动边，还包括两组哑铃状轮轴及两条拉伸链杆7，哑铃状轮轴包括通过拉伸轴8相连接的两个滑动轮轴3，优选的，滑动轮轴3与拉伸轴8之间以插销连接，每组哑铃状轮轴的两个滑动轮轴之间距离应略大于滑动槽两条滑轮移动边的距离，使这两个滑动轮轴分别能够在两条滑轮移动边上滑动，每条拉伸轴8各与一条拉伸链杆7的一端相连，两条拉伸链杆7的另一端分别与试件的两端相连，还包括设置于两条拉伸轴8之间的楔形压板2，楔形压板2的顶端长度大于底端长度，在上压头1的作用下，楔形压板2能够逐渐下降，随着楔形压板2的下降，两条拉伸轴8间距增大，两条拉伸链杆7被拉伸，从而实现试件的拉伸。

上压头为圆柱状或长方体状实心钢压块，安装时使得上压头中心与岩石力学试验机上压头正中心对准。在试验中只要上压头能压着楔形压板往下走，下压头能垫着滑动槽就满足条件。下压头的大小及形状与上压头相同，以便于购置和加工。

滑动槽4可以选择长方体状网架结构式，由12根实心钢管相互焊接而成。长方体具有12条边，因此采用12根钢管制作滑动槽，可以采用其他连接方式，但考虑到连接固定效果好，优选用焊接。滑动槽的长度应大于试件加两端拉伸链杆的总长度，并需要留出一定距离供滑动轮轴滑动。下压头的宽度大于滑动槽的宽度，可以实现将滑动槽架设在下压头上，在滑动槽4顶部四个连接点处分别设置有一个实心固定块，如在滑动槽顶点处焊接四块实心钢块，以避免滑动轮轴从滑动槽上滑落。为了控制滑动轮轴的滑动导向，在滑动槽顶部设置有导轨，滑动轮轴能够在导轨上自由滑动。

基于拉力考虑，拉伸链杆7为高拉伸强度的钢制杆件，拉伸链杆的两端都设置有插销槽，通过与插销槽相匹配的插销将拉伸链杆分别与试件拉头及拉伸轴相连。杆件两侧以插销分别连接试件夹头及拉伸钢轴，优选为压缩螺旋弹簧，利用压缩螺旋弹簧替代传统直接拉伸试验机采用的刚性套筒。拉伸轴及拉伸链杆中部均有一插销口，插入插销使两者固定。

如图4所示，楔形压板2为两个完全相同的变弧度压板，压板厚度不易过厚，优选4～6mm，楔形压板底端长度应略小于试件加两端拉伸链杆的总长度，优选290mm，顶端长度应略大于试件加两端拉伸链杆的总长度，优选310mm，楔形压板的侧边从底端到顶端随着曲率半径逐渐增大，切线与垂直向夹角逐渐减小。在试件前方及后方分别塞入一块楔形压板。上压头底面大小略大于两块楔形压板间距，可实现利用上压头同时给两块楔形压板施加压力使得楔形压板下降，此外，也可以在两个楔形压板顶部之间设置有连接板，上压头作用在连接板上，连接板与上压头底面平行，通过连接板将力的作用传递给两块楔形压板。

如图5所示，岩石直接拉伸试验的夹具能够直接用于岩石三轴力学试验机，将试件通过楔形夹板和滑动槽等部件将其固定在三轴力学实验机上即可开展试验。通过该夹具能将试验机施加的垂直方向的荷载转换为水平方向的荷载，尽可能消除重力在岩石直接拉伸试验过程中产生的影响。此外，通过采用变弧度的楔形压板以控制加载速率，随着试验的进行水平方向的加载速度越来越慢，从而在岩石拉伸试件即将达到破坏时达到加载最大值。

如图6所示，试件为狗骨头状，包括圆柱主体61，圆柱主体61两端各设有一个圆盘状的试件拉头62，圆形截面的特点在于受力均匀，能够承受更大的作用力，从受力分析上来讲，圆形的受力比其他形状要合理均匀，不会出现应力集中的现象，提高结果准确性。试件拉头62的直径大于圆柱主体61的直径，基于试验用具的普适性，选用如下参数：圆柱主体61的高度为90～110mm，其直径为28～32mm，试件拉头62为圆盘状，其直径为48～54mm。可采用粘接或焊接方式将试件拉头62接在圆柱主体61两端，基于变形小及长度误差小考虑，优选粘接方式。

基于上述夹具在传统岩石力学试验机上进行岩石直接拉伸试验方法，包括以下步骤：

(1)取样。

本例中，取样工作是在四川省瀑布沟水电站的地下厂房展开的，选取1#尾水隧洞的花岗岩，命名为黑云母二长花岗岩，以下简称为瀑布沟花岗岩。岩样肉眼观察为灰白色中粗粒不等粒状结构，块状构造，岩石组分主要是石英(灰色)，钾长石(肉红色)，斜长石(灰白色)及少些黑色矿物，矿物组分的分布不太均匀。显微镜下观察为中粗粒不等粒半自形粒状结构，块状构造。岩石组分主要由两种长石、石英及少量黑云母组成。局部具较强的碎裂。

(2)制备试件。

从现场选取的瀑布沟花岗岩岩芯或岩块在实验室用钻机或车床等机械加工成直径为50mm，高度为100mm的标准试件，高径比为(2±0.2)，之后打磨试件中部，至试件中部为直径30mm，高度90mm的圆柱主体，试件拉头为直径60mm、高度5mm的扁长试件，形成狗骨头状试件。设计成狗骨头状试件以便于拉伸，提供拉应力。制样标准参照《GB50266-2013工程岩体试验方法标准》等相关规定进行，用磨床加工试件表面，使试件两端面不平行度小于0.05mm；试件上下端直径差小于0.3mm；试件表面应光滑，并避免因不规则表面而产生的应力集中现象。

(3)试验过程。

1)制样：用电子天平测量试件质量为227.87g，试件高度105.21mm，试件外径48.68mm，试件直径D₂为30.09mm，计算获得试件密度为2.64g/cm³试件符合标准，并记录上述数据。之后在试件两端用环氧树脂AB胶将试件夹头粘接在试件拉头外侧与，放入恒温烘箱中加热至胶体凝固。试件夹头是一种现有的塑料夹具，在传统拉伸试验中也会使用到，夹头上有插销槽，供拉伸链条连接。待试件冷却后，用两端均预留插销槽的拉伸链杆一侧连接试件夹头，一侧连接滑动轮轴，插入插销连接并检查插销连接是否紧密。

2)放置部件：选用两个直径为120mm，高度30mm的压头，分别作为上压头和下压头，称量得到单块压头质量为2.663kg，将下压头底面中心与试验机底部压头中心对齐；选用实心钢管构建的长方体状网架结构滑动槽，滑动槽整体尺寸为长度350mm，宽度200mm，高度200mm，将滑动槽放置在下压头上，使滑动槽底面矩形中心与下压头底部压头中心对齐。

3)放置岩石试件：将步骤1)得到的试件连同拉伸链杆及滑动轮轴一起装置在滑动槽上，在滑动槽上涂抹适量润滑油，推动滑动轮轴，检查试件整体是否可以在实心滑动槽上自由滑动。选用底部290mm，顶部310mm，厚度5mm的楔形压板，将楔形压板垂直塞入滑动轮轴中间，在岩石试件前方及后方各塞入一块楔形压板。适当从上而下挤压楔形压板，使楔形压板与滑动轮轴两侧紧密贴合，装配上压头，使上压头顶部中心与试验机上部压头中心对齐。

4)实验：在岩石试件中部轴向安装轴向引伸计，环向安装环向引伸计。略微升高机器位移直到上压头与机器上压头紧密压紧，之后以0.005mm/min的恒定轴向位移加载速率进行加载，直至发生破坏实验结束，记录相关数据，此处的相关数据包括在破坏时在纸上用直尺画出切线角度，并用量角器进行测量得到的楔形压板与拉伸轴交点处的倾斜角度，可测量获得岩石试件在拉伸过程中完整的应力应变曲线。记录岩石应力应变曲线的轴向应力达到峰值是楔形压板与拉伸轴交点处的倾斜角度为15°，并将其记录为峰值倾角值θ，如图2中B点所示，轴向应力的峰值P_cr为13.137kN，上述应力皆指代岩石试件受到的轴向应力。

(5)计算结果。根据记录的数据计算岩石拉伸强度

σ_t＝2*(P_cr+m₀g)*tanθ/(πD₂ ²)＝2*(13.137+2.663*9.8/1000)*1000*tan(15°)/(π*30.09²)＝48MPa其中，P_cr为轴向应力的峰值，m₀为上压头质量，D₂为试件直径，θ为峰值倾角值。

为了提高结果准确度，可以多次测量求平均值。

Claims (10)

1.岩石直接拉伸试验的夹具，其特征在于，包括上压头(1)及下压头(5)，下压头(5)顶部设置有中空的滑动槽(4)，滑动槽(4)包括平行设置的两条滑轮移动边，还包括两组哑铃状轮轴及两条拉伸链杆(7)，哑铃状轮轴包括通过拉伸轴(8)相连接的两个滑动轮轴(3)，这两个滑动轮轴分别能够在两条滑轮移动边上滑动，每条拉伸轴(8)各与一条拉伸链杆(7)的一端相连，两条拉伸链杆(7)的另一端分别与试件的两端相连，还包括设置于两条拉伸轴(8)之间的楔形压板(2)，楔形压板(2)的顶端长度大于底端长度，在上压头(1)的作用下，楔形压板(2)能够逐渐下降，随着楔形压板(2)的下降，两条拉伸轴(8)间距增大，两条拉伸链杆(7)被拉伸，从而实现试件的拉伸。

2.如权利要求1所述的夹具，其特征在于，试件为狗骨头状，包括圆柱主体(61)，圆柱主体(61)两端各设有一个圆盘状的试件拉头(62)，试件拉头(62)的直径大于圆柱主体(61)的直径。

3.如权利要求1所述的夹具，其特征在于，滑动槽(4)为长方体状网架结构，由12根实心钢管相互焊接而成，在滑动槽(4)顶部四个连接点处分别设置有一个实心固定块。

4.如权利要求1所述的夹具，其特征在于，试件拉头外侧设有试件夹头，试件夹头上设置有插销槽，拉伸轴上也设有插销槽，拉伸链杆为高拉伸强度的钢制杆件，拉伸链杆的两端都设置有插销槽，通过与插销槽相匹配的插销将拉伸链杆分别与试件拉头及拉伸轴相连。

5.如权利要求1所述的夹具，其特征在于，滑动槽顶部设置有导轨，滑动轮轴能够在导轨上自由滑动。

6.如权利要求1所述的夹具，其特征在于，楔形压板(2)为两个完全相同的变弧度压板，压板厚度为4～6mm，楔形压板底端长度略小于试件加两端拉伸链杆的总长度，楔形压板顶端长度略大于试件加两端拉伸链杆的总长度，楔形压板的侧边从底端到顶端随着曲率半径逐渐增大，切线与垂直向夹角逐渐减小。

7.如权利要求6所述的夹具，其特征在于，在两个楔形压板顶部之间设置有连接板，上压头作用在连接板上，通过连接板将力的作用传递给两块楔形压板。

8.如权利要求1所述的夹具，其特征在于，上压头为圆柱状或长方体状实心钢压块，下压头的大小及形状与上压头相同。

9.岩石直接拉伸试验方法，其特征在于，基于如权利要求1～8中任一权利要求所述的岩石直接拉伸试验的夹具，包括以下步骤：

A.选用符合要求尺寸及质量的岩石试件，记录试件的基本数据，并在试件的两端贴覆试件夹头，基本数据包括试件内径D₂；

B.选用合适的上下压头，并记录上压头的质量m₀，将下压头放置在试验机底部压头上，并将滑动槽放置在下压头上，使得试验机底部压头、下压头底面中心与试验机底部压头中心对齐，通过拉伸链杆将试件固定在滑动槽的滑动轮轴间的拉伸轴上；

C.将楔形压板垂直塞入滑动轮轴中间，从上而下挤压楔形压板，使楔形压板与滑动轮轴两侧紧密贴合，装配上压头，使上压头顶部中心与试验机上部压头中心对齐；

D.在试件中部轴向安装轴向引伸计，环向安装环向引伸计，略微升高机器位移直到上压头与机器上压头紧密压紧，以恒定轴向位移加载速率进行加载，直至实验结束，记录相关数据，可测量获得岩石试件在拉伸过程中完整的应力应变曲线，记录岩石应力应变曲线的应力达到峰值时楔形压板与拉伸轴交点处的倾斜角度值，并将其记录为峰值倾角值θ，试件轴向应力的峰值P_cr；

E.根据记录的数据计算岩石拉伸强度σ_t＝2*(P_cr+m₀g)*tanθ/(πD₂ ²)，其中，P_cr为轴向应力的峰值，m₀为上压头质量，D₂为试件直径，θ为峰值倾角值。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤B中通过拉伸链杆将试件固定在滑动槽的滑动轮轴间的拉伸轴上，具体为，在两个试件夹头外侧分别连接拉伸链杆，并将拉伸链杆的另一端各与一个拉伸轴相连，拉伸链杆的两端上预留有插销槽，利用与插销槽相匹配的插销将拉伸链杆与试件夹头、拉伸轴相连。