本发明涉及岩石的力学特性测试技术领域,特别是涉及一种岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统及方法。
背景技术:
随着国家经济快速发展,我国还将建设有大量规模大、技术难度高的岩土工程,如交通高边坡、地下深埋隧道等,其工程岩体的稳定性问题将十分突出。
由于自然界岩石材料低拉伸强度、高压缩强度的特殊性,在工程岩体稳定性风险与设计中,合理得到岩石的拉伸变形模量和拉伸强度这两个力学参数的数值对于岩体稳定性评价、工程支护优化设计与安全建设都具有重要意义,甚至将直接决定工程建设难度和建设成本。因此,如何科学测量岩石的拉伸变形模量和拉伸强度一直是岩石试验力学研究的关键问题之一。
传统的岩石拉伸变形模量和拉伸强度测量方法主要有直接的拉伸法、间接的巴西劈裂法、经验的点荷载法。然而,这样方法均存在测试精度和测试效率不足的问题。
技术实现要素:
基于此,有必要针对现有岩石拉伸变形模量和拉伸强度测量方法存在测试精度和测试效率不足的问题,提供一种测试精度高及测试效率高的岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统及方法。
本申请的一方面,提供岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统,用于测试岩石样件的拉伸变形模量与拉伸强度,所述测试系统包括至少两个测试装置及至少一个应变片,所至少述两个测试装置分别安装于所述岩石样件上沿第一方向间隔设置的至少两个圆形安装通孔内,每一所述应变片设置于所述岩石样件的一侧表面,且位于相邻两个所述圆形安装通孔的中心连线的中部;
每一所述测试装置包括:
第一拉伸件;
第二拉伸件,与所述第一拉伸件沿第二方向相对设置,且所述第一拉伸件与所述第二拉伸件组合形成组合体;
驱动组件用于提供所述第一拉伸件与所述第二拉伸件沿所述第二方向彼此分离的驱动力;
驱动力检测器,用于检测所述驱动组件的驱动力;
至少两个检测件,沿所述组合体的中心对称设置,所述检测件用于检测所述第一拉伸件和所述第二拉伸件之间的相对位移量;
其中,所述第二方向与所述第一方向垂直。
在其中一个实施例中,所述组合体的外廓形状与所述圆形安装通孔的内廓形状相匹配。
在其中一个实施例中,所述驱动组件包括驱动件及至少一个驱动机构,所述驱动件用于提供所述至少一个驱动机构驱动所述第一拉伸件与所述第二拉伸件沿所述第二方向彼此分离的驱动力。
在其中一个实施例中,所述驱动机构包括多个,多个所述驱动机构沿所述组合体的纵长方向间隔设置于所述组合体的内部。
在其中一个实施例中,每一所述驱动机构包括缸体和活塞杆,所述第一拉伸件和所述第二拉伸件其中之一开设有容纳所述缸体的第一容纳腔,所述第一拉伸件和所述第二拉伸件其中之另一与所述活塞杆相抵。
在其中一个实施例中,所述驱动力检测器包括压力检测器,所述压力检测器用于检测所述驱动件的驱动压力。
在其中一个实施例中,所述至少两个检测件设置于所述第一拉伸件与所述第二拉伸件之间。
在其中一个实施例中,每一所述测试装置还包括第一柔性垫层和第二柔性垫层,所述第一柔性垫层和所述第二柔性垫层分别包覆于所述第一拉伸件的外表面和所述第二拉伸件的外表面。
本申请的另一方面,还提供一种利用上述的岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统的岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试方法,包括步骤:
制作岩石试样;其中,所述岩石试样开设有沿第一方向间隔设置的至少两个圆形安装通孔;
将两个所述测试装置分别安装于所述岩石样件上的所述至少两个圆形安装通孔内;
将每一应变片设置于所述岩石样件的一侧表面,且位于相邻两个所述圆形安装通孔的中心连线的中部;
启动所述驱动件持续提供驱动力,直至所述岩石试样出现与相邻两个所述圆形安装通孔的中心连线重合的拉破裂面;
基于所述应变片及所述驱动力检测器的检测数据,计算所述岩石试样的拉伸变形模量;
基于所述至少两个检测件及所述驱动力检测器的检测数据,计算所述岩石试样的拉伸强度。
在其中一个实施例中,所述岩石试样的对称中心与所述至少两个圆形安装通孔的对称中心重合。
在其中一个实施例中,所述岩石试样呈长方体型;
所述圆形安装通孔的直径与相邻两个所述圆形安装通孔之间沿所述第一方向的间距及所述岩石试样沿所述第一方向的边缘与与其相邻的所述圆形安装通孔之间的间距均相等;
每一所述圆形安装通孔的两侧与所述岩石试样沿所述第二方向的边缘之间的间距均为所述圆形安装通孔的直径的1~3倍。
在其中一个实施例中,所述基于所述应变片及所述驱动力检测器的检测数据,计算所述岩石试样的拉伸变形模量,具体包括:
将所述应变片的检测数据与所述驱动力检测器的检测数据进行时间同步后,换算得出所述岩石试样的拉伸应力应变特征曲线;
通过公式(i)计算所述拉伸应力应变特征曲线的弹性段的斜率,以得到所述岩石试样的拉伸变形模量:
et=(σa-σb)/(εa-εb)(i);
其中,et为所述岩石试样的拉伸变形模量,σa为所述拉伸应力应变特征曲线的弹性段上位点的应力,εa为所述拉伸应力应变特征曲线的弹性段上位点的应变,σb为所述拉伸应力应变特征曲线的弹性段下位点的应力,εb为所述拉伸应力应变特征曲线的弹性段下位点的应变。
在其中一个实施例中,所述基于所述至少两个检测件及所述驱动力检测器的检测数据,计算所述岩石试样的拉伸强度,具体包括:
将每一所述测试装置的所述至少两个检测件的检测数据与所述驱动力检测器的检测数据进行时间同步后,并结合公式(ii)计算得到对应的所述岩石试样的拉伸应力,再换算得出与至少两个所述测试装置对应的至少两条所述岩石试样的拉伸变形应力特征曲线:
σ=(f1+f2)/(3·d·t)(ii);
其中,σ为所述岩石试样的拉伸应力,f1为所述第一拉伸件作用在所述岩石试样上的作用力,f2为所述第二拉伸件作用在所述岩石试样上的作用力,d为所述圆形安装通孔的直径,t为所述圆形安装通孔的深度;
基于至少两条所述拉伸变形应力特征曲线,通过公式(iii)计算得到所述岩石试样的拉伸强度:
其中,σt为所述岩石试样的拉伸强度,
上述的岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统及方法,通过将至少两个测试装置分别装设于岩石样件上沿第一方向间隔设置的至少两个圆形安装通孔内,并将每一应变片设置于相邻两个圆形安装通孔的中心连线的中部,再通过驱动件驱动至少一个驱动机构使第一拉伸件与第二拉伸件沿第二方向彼此分离,从而通过圆形安装通孔的内壁使岩石样件沿第二方向的两侧施压,进而可形成与两个圆形安装通孔的中心连线重合的拉破裂面,最后根据驱动力检测器及至少两个检测件的检测数据,计算得到岩石样件的拉伸变形模量与拉伸强度。
附图说明
图1为本发明一实施例中的岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统的结构示意图;
图2为本发明一实施例中的岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统中的测试装置的部分剖面结构示意图;
图3为图2所示的测试装置的a-a截面示意图;
图4为本发明一实施例中的岩石试样的拉伸应力应变特征曲线;
图5为本发明一实施例中的岩石试样的拉伸变形应力特征曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
此外,附图并不是1:1的比例绘制,并且各元件的相对尺寸在附图中仅以示例地绘制,而不一定按照真实比例绘制。
为了便于理解本发明的技术方案,在详细展开说明之前,首先对岩石拉伸变形模量和拉伸强度测量方法进行说明。
现有岩石拉伸变形模量和拉伸强度测量方法主要有直接拉伸法、间接的巴西劈裂法、经验的点荷载法。
其中,直接拉伸法通过将试验两端与拉杆胶结,可以较为准确地获得岩石的真实拉伸荷载和拉伸模量,但一方面因岩石拉伸破裂面的非平整不可控,导致换算真实的拉伸强度困难,具体为三维凹凸非光滑拉破裂面积计算不准确;另一方面因拉破坏的拉破裂面位置事前无法估计,从而导致测量拉伸模量的应变片贴放位置难以确定。
间接的巴西劈裂法通过尖刃压裂岩盘,从而采用间接等效的方式计算获得岩石的拉伸强度,但该方法因是采用压至拉裂的原理,使得压缩的尖刃区域岩体局部受压且破坏,导致计算获得拉伸强度通常大于岩石的真实拉伸强度。
经验的点荷载法在测量岩石的拉伸强度值时,一方面由于试样不规则导致点荷载值存在较大离散性,另一方面由于换算的经验回归公式的系数不唯一,从而导致其试验结果离散性非常大,故该方法获得的测试结果通常难以定量地用于工程稳定性评价和设计优化,而且该方法不能测量岩石的拉伸变形模量。
因此,需要提供一种能提高岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试精度和效率的岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统及方法。
图1示出了本发明一实施例中的岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统的结构示意图;图2为本发明一实施例中的岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统的测试装置的结构示意图;图3为图2所示的测试装置的a-a截面示意图。为便于描述,附图仅示出了与本发明实施例相关的结构。
参阅附图,本发明一实施例提供一种岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统100,用于测试岩石样件200的拉伸变形模量与拉伸强度,测试系统100包括至少两个测试装置10及至少一个应变片20,至少两个测试装置10分别安装于岩石样件200上沿第一方向间隔设置的至少两个圆形安装通孔210内,每一应变片20设置于岩石样件200的一侧表面,且位于相邻两个圆形安装通孔210的中心连线的中部。
应当理解的是,每一应变片20位于相邻两个圆形安装通孔210的中心连线的中部是指,每一应变片20覆盖相邻两个圆形安装通孔210的中心连线的中心,优选地,每一应变片20的中心与相邻两个圆形安装通孔2210的中心连线的中心重合。
还应当理解的是,为了保证应变片20位于相邻两个圆形安装通孔210的中心连线的中部,应变片20应当设置于岩石试样200开设有圆形安装通孔210的一侧表面。具体地,圆形安装通孔210开设于岩石试样200沿第三方向的一侧表面,第三方向与第一方向和下述的第二方向均垂直。
每一测试装置10包括第一拉伸件11、第二拉伸件12、驱动组件13、驱动力检测器14及至少两个检测件15。
第二拉伸件12与第一拉伸件11沿第二方向相对设置,且第一拉伸件11与第二拉伸件12组合形成组合体,其中,第二方向与第一方向垂直。优选地,组合体的外廓形状与圆形安装通孔210的内廓形状相匹配。如此,可在后续驱动第一拉伸件11及第二拉伸件12分离时,对岩石试样200在圆形安装通孔210处的受力均匀,拉破裂面更加平整。
驱动组件13用于驱动第一拉伸件11与第二拉伸件12沿第二方向彼此分离的驱动力,驱动力检测器14用于检测驱动件131的驱动力。具体地,驱动组件13包括驱动件131及至少一个驱动机构132,驱动件131用于提供至少一个驱动机构132驱动第一拉伸件11与第二拉伸件12沿第二方向彼此分离的驱动力,驱动力检测器14用于检测驱动件131的驱动力。
至少两个检测件15沿组合体的中心对称设置,检测件15用于检测第一拉伸件11和第二拉伸件12之间的相对位移量。
如此,通过将两个测试装置10分别装设于岩石样件200上沿第一方向间隔设置的两个圆形安装通孔210内,并将每一应变片20设置于相邻两个圆形安装通孔210的中心连线的中部,再通过驱动件131驱动至少一个驱动机构132使第一拉伸件11与第二拉伸件12沿第二方向彼此分离,从而通过圆形安装通孔210的内壁使岩石样件200沿第二方向的两侧施压,进而可形成与两个圆形安装通孔210的中心连线重合的拉破裂面,最后根据驱动力检测器14及至少两个检测件15的检测数据,计算得到岩石样件200的拉伸变形模量与拉伸强度。
本发明的岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统100,利用小间距双洞隔墙弱区原理,通过将至少两个测试装置10安装于岩石试样200上设置至少两个圆形安装通孔210内,实现了岩石试样200的拉破裂面位置可控以确定应变片20的位置,且拉破裂面形态平整以提高拉伸强度的精度,另外,通过驱动力检测器14及至少两个检测件15的检测数据,可实现岩石试样200的拉伸变形模量与拉伸强度的同步测试,提高了测试的效率。
在一些实施例中,组合体的外廓形状呈圆柱形。对应的,圆形安装通孔21的内廓形状呈圆柱形。圆柱形的组合体可使对应的圆形安装通孔21两侧受力均匀,提高了拉破裂面位置及形态平整的精准度。
进一步地,第一拉伸件11和第二拉伸件12的外廓形状呈半圆形。
在一些实施例中,每一测试装置10还包括第一柔性垫层16和第二柔性垫层17,第一柔性垫层16和第二柔性垫层17分别包覆于第一拉伸件11的外表面和第二拉伸件12的外表面。具体地,第一柔性垫层16和第二柔性垫层17粘接于第一拉伸件11的外表面和第二拉伸件12的外表面。
在一些实施例中,驱动机构132包括多个,多个驱动机构132沿组合体的纵长方向间隔设置于组合体内部。如此,通过多个驱动机构132可稳定地使第一拉伸件11和第二拉伸件12沿第二方向分离,进而使得圆形安装通孔210两侧受压均匀。优选地,驱动机构132包括三个。
在一些实施例中,每一驱动机构132包括缸体1321和活塞杆1322,第一拉伸件11和第二拉伸件12其中之一开设有容纳缸体1321的第一容纳腔,第一拉伸件11和第二拉伸件12其中之另一与活塞杆1322相抵。如此,可通过驱动活塞杆1322在缸体1321内移动,以使第一拉伸件11或第二拉伸件12受力而沿所述第二方向彼此分离。具体地,第一拉伸件11和第二拉伸件12其中之另一开设与活塞杆1322相配合的定位腔,活塞杆1322与定位腔的底部相抵。通过设置定位腔,可使活塞杆1322驱动第一拉伸件11与第二拉伸件12彼此分离更加稳定。
进一步地,驱动检测器14包括压力检测器,压力检测器用于检测驱动件131的驱动压力。具体地,驱动件为液压驱动件,更具体地,驱动件为油泵,压力检测器用于检测驱动件131的驱动油压。在其他实施方式中,驱动件也可为气压驱动件,具体可为气泵,压力检测器用于检测驱动件131的驱动气压,在此不作限制。
更进一步地,驱动组件13还包括与驱动件131相连的连接管路133,每一驱动机构132的缸体1321均连通至连接管路133,压力检测器设置于连接管理133上。具体地,缸体1321设置于第一拉伸件11,连接管路133开设于第一拉伸件11,或者缸体1321设置于第二拉伸件12,连接管路133开设于第二拉伸件12。
在一些实施例中,至少两个检测件15设置于第一拉伸件11与第二拉伸件12之间。具体地,第一拉伸件11和第二拉伸件12开设有第二容纳腔18和第三容纳腔19,检测件15包括固定端151和检测端152,固定端和检测端其中之一设置于第二容纳腔18内,固定端151和检测端152其中之另一设置于第三容纳腔19。更具体地,检测件15还包括基座153,固定端151通过基座153与第二容纳腔18或第三容纳腔19固定连接。
在一些实施例中,检测件15包括四个,四个检测件14沿组合体的纵长方向及横向方向对称设置。具体地,为了避免影响驱动机构132的运动,可设置检测件15围绕驱动机构132设置。
在一些实施例中,岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统100还包括控制器,控制器分别与至少两个检测件15及驱动力检测器14通信连接。具体地,控制器发出采集信号至至少两个检测件15及驱动力检测器14,至少两个检测件15及驱动力检测器14将检测数据反馈至控制器进行记录。
基于同样的发明构思,本发明还提供一种岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试方法,包括步骤:
s110:制作岩石试样200;其中,岩石试样200开设有沿第一方向间隔设置的至少两个圆形安装通孔210;
具体地,第一方向可为岩石试样200的宽度方向。
在一些实施例中,岩石试样200呈长方体型。圆形安装通孔210沿岩石试样200的厚度方向贯穿岩石试样200,组合体的沿其纵长方向的尺寸可与圆形安装通孔210沿岩石试样200的厚度方向的尺寸相等。
在一些实施例中,岩石试样200的对称中心与至少两个圆形安装通孔210的对称中心重合。如此,可在使用两个测试装置10对岩石试样200进行拉破裂面生成时,使得拉破裂面生成更加有效、快速,且提高了拉破裂面位置及形态平整的精准度。
进一步地,圆形安装通孔210的直径与相邻两个圆形安装通孔210之间沿第一方向的间距及岩石试样200沿第一方向的边缘与与其相邻的圆形安装通孔210之间的间距均相等。
在一些实施例中,每一圆形安装通孔210与岩石试样200沿第二方向的边缘之间的间距为圆形安装通孔210的直径的1~3倍。具体地,第二方向为岩石试样200的纵长方向。优选地,每一圆形安装通孔210的两侧与岩石试样200沿第二方向的边缘之间的间距均为圆形安装通孔210的直径的3倍。
s120:将两个测试装置10分别安装于岩石样件200上沿第一方向间隔设置的至少两个圆形安装通孔210内;
其中,每一测试装置10包括由第一拉伸体11和第二拉伸体12组合形成的组合体,组合体的外廓形状与圆形安装通孔210的内廓形状相匹配。优选地,组合体的外廓形状呈圆柱形,圆形安装通孔21的内廓形状呈圆柱形。
s130:将每一应变片20设置于岩石样件200的一侧表面,且位于相邻两个圆形安装通孔210的中心连线的中部;
s140:启动驱动件131持续提供驱动力,直至岩石试样200出现与两个圆形安装通孔210的中心连线重合的拉破裂面;
其中,驱动件131持续向至少一个驱动机构132提供驱动力。
s150:基于应变片20及驱动力检测器14的检测数据,计算岩石试样200的拉伸变形模量;
s160:基于至少两个检测件15及驱动力检测器14的检测数据,计算岩石试样200的拉伸强度。
具体到一实施例中,步骤150具体包括:
将应变片20的检测数据与驱动力检测器14的检测数据进行时间同步后,换算得出岩石试样200的拉伸应力应变特征曲线(如图4所示);
通过公式(i)计算拉伸应力应变特征曲线的弹性段的斜率,以得到岩石试样200的拉伸变形模量:
et=(σa-σb)/(εa-εb)(i);
其中,et为岩石试样200的拉伸变形模量,σa为拉伸应力应变特征曲线的弹性段上位点的应力,εa为拉伸应力应变特征曲线的弹性段上位点的应变,σb为拉伸应力应变特征曲线的弹性段下位点的应力,εb为伸应力应变特征曲线的弹性段下位点的应变。
具体到一实施例中,步骤160具体包括:
s161:将每一测试装置10的至少两个检测件15的检测数据与驱动力检测器14的检测数据进行时间同步后,并结合公式(ii)计算得到对应的岩石试样200的拉伸应力,再换算得出与至少两个测试装置10对应的至少两条岩石试样200的拉伸变形应力特征曲线:
σ=(f1+f2)/(3·d·t)(ii);
其中,σ为岩石试样200的拉伸应力,f1为第一拉伸件11作用在岩石试样200上的作用力,f2为第二拉伸件12作用在岩石试样200上的作用力,d为圆形安装通孔210的直径,t为圆形安装通孔210的深度;
s162:基于至少两条拉伸变形应力特征曲线,通过公式(iii)计算得到岩石试样200的拉伸强度:
其中,σt为岩石试样200的拉伸强度,
具体到一实施例中,如图5所示,为两条拉伸变形应力特征曲线,根据公式(iii)计算得到岩石试样200的拉伸强度:
本发明实施例提供的岩石拉伸变形模量与拉伸强度测试系统及方法,相较于现有技术,具有以下有益效果:
通过将至少两个测试装置10分别装设于岩石样件200上沿第一方向间隔设置的至少两个圆形安装通孔210内,并将每一应变片20设置于相邻两个圆形安装通孔210的中心连线的中部,再通过驱动件131驱动至少一个驱动机构132使第一拉伸件11与第二拉伸件12沿第二方向彼此分离,从而通过圆形安装通孔210的内壁使岩石样件200沿第二方向的两侧施压,进而可形成与两个圆形安装通孔210的中心连线重合的拉破裂面,最后根据驱动力检测器14及至少两个检测件15的检测数据,计算得到岩石样件200的拉伸变形模量与拉伸强度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。