套筒粘接的巖石直接拉伸試驗裝置及試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種套筒粘接的巖石直接拉伸試驗裝置及試驗方法，所述的試驗裝置包括相配套的套筒組件、粘結(jié)裝置和拉伸定位裝置；套筒與巖石試件的端面和部分側(cè)面粘接，通過增大試件端部粘結(jié)面積有效提高試件端部的抗拉承載力，從而達到進行高強度巖石拉伸試驗的目的。該試驗裝置構(gòu)造簡單、拆卸方便，試驗方法簡便，易于操作。試驗裝置及試驗方法易于推廣，應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟效益顯著。
【專利說明】套筒粘接的巖石直接拉伸試驗裝置及試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種巖石拉伸試驗技術(shù)，尤其是套筒粘接的巖石直接拉伸試驗裝置及試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，巖石在大多數(shù)情況下承受壓應(yīng)力而較少承受拉應(yīng)力。因此，壓縮和剪切應(yīng)力狀態(tài)受到重視，巖石力學特性的試驗研究主要集中在壓應(yīng)力條件下巖石的力學響應(yīng)，包括單軸、雙軸和三軸壓縮試驗等；而對拉應(yīng)力作用下巖石的力學特性研究相對較少。但是目前工程巖體中的應(yīng)力狀態(tài)常常很復(fù)雜，有些區(qū)域處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而有些區(qū)域則處于拉應(yīng)力或拉剪應(yīng)力狀態(tài)；而且?guī)r石類材料最顯著的特點就是抗拉強度遠小于抗壓強度，所以巖體的破壞常常從拉應(yīng)力區(qū)或拉剪應(yīng)力區(qū)開始，出現(xiàn)拉破壞或拉剪破壞。因而研究拉應(yīng)力作用下特別是單軸直接拉伸條件下巖石的力學特性具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。
[0003]目前，巖石的抗拉強度通常采用巴西圓盤劈裂試驗測得，但是巴西劈裂試驗時，巖石試樣的應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜，與單軸拉伸時的應(yīng)力狀態(tài)相去甚遠，導(dǎo)致測得的抗拉強度與真實值有較大差距，并不能真實反映巖石的力學性質(zhì)，且無法獲得巖石的拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線。少數(shù)學者開展了巖石直接拉伸的試驗研究，但是由于試驗方法和配套裝置的限制，目前還無法準確測試單軸拉伸條件下巖石的力學特性，如:抗拉強度、極限拉應(yīng)變、拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線等；對于高強度巖石(抗拉強度超過IOMPa)的直接拉伸試驗更是無法開展。
[0004]目前國內(nèi)關(guān)于巖石直接拉伸試驗的試驗裝置及試驗方法的研究現(xiàn)狀如下:
[0005](I)《金屬礦山》1995年第3期介紹了一種命名為SX-1的夾持裝置，該裝置設(shè)有萬向活接，能消除試件拉伸時的偏心，但是夾持裝置直接與試件端部相連，易在夾持部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致試件端部出現(xiàn)破壞。
[0006](2)《中國礦業(yè)大學學報》1999年第3期介紹了一種直接單向拉伸的試驗方法，該方法采用特殊形狀的夾具和巖石試件，試件形狀復(fù)雜、加工難度大，不易推廣使用。
[0007](3)《工程勘察》2011年第4期介紹了一種巖石直接拉伸的試驗裝置，該裝置上下均設(shè)置了轉(zhuǎn)向機構(gòu)，可以消除試驗過程中的偏心，但是巖石試件需要與裝置的上下拉頭粘接，在粘接時無法保證試件與上下拉頭嚴格對中。
[0008](4)《焦作工學院學報》(自然科學版)2004年第3期介紹了兩種巖石直接拉伸的試驗方法，一是利用伍德合金連接試件，二是用粘膠直接將試件粘接在試驗機壓頭上。上述兩種方法均將試件直接連接在試驗機上，沒有設(shè)置轉(zhuǎn)向機構(gòu)，試驗過程中無法避免巖石試件偏心受拉。
[0009](5)《巖石力學與工程學報》2005年第3期介紹了一種巖石直接拉伸的試驗方法，自行設(shè)計了拉-壓轉(zhuǎn)換器，用504高級萬能粘膠將試件粘接在拉塊上，巖石試件使用磨光機加工，但是沒有設(shè)置轉(zhuǎn)向機構(gòu)，仍然不能完全消除偏心的影響。
[0010](6)《河南理工大學學報》2006年第4期介紹了一種可以加圍壓的直接拉伸的試驗裝置，該裝置采用粘膠將試件與上下拉頭粘接，但是沒有設(shè)置轉(zhuǎn)向機構(gòu)，無法消除偏心的影響。
[0011](7)《巖土力學》2008年第I期介紹了一種可對同一巖石試樣進行壓縮和直接拉伸試驗的試驗裝置，該試驗裝置在上下兩端均設(shè)置了轉(zhuǎn)向機構(gòu)，可以消除偏心的影響；但是無法保證試件與上下拉頭粘接時嚴格對中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種套筒粘接的巖石拉伸試驗裝置及試驗方法，該裝置構(gòu)造簡單、操作方便、裝卸容易，可用于精確測試高強度巖石的抗拉強度。
[0013]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0014]一種套筒粘接的巖石直接拉伸試驗裝置，包括相配套的套筒組件、粘結(jié)裝置和拉伸定位裝置，所述粘結(jié)裝置包括底板以及平行設(shè)置且垂直固定于底板上的兩根立柱，兩根立柱上均套接有上下設(shè)置的上定位裝置和下定位裝置，且上、下定位裝置均能沿立柱上下自由滑動，上、下定位裝置連接兩根立柱；上定位裝置下端面的中心位置安裝有用于夾緊巖石試件或套筒組件拉桿的三爪卡盤；下定位裝置的中心位置設(shè)有與套筒組件的拉桿直徑相等的定位圓孔，且該定位圓孔的圓心與三爪卡盤的中心同軸；底板上設(shè)有與下定位裝置的定位圓孔相對應(yīng)的控制粘膠厚度的膠厚調(diào)節(jié)螺栓。
[0015]所述套筒組件包括拉桿、對開筒套、緊箍環(huán)和緊固螺栓，對開套筒外部通過緊箍環(huán)組成一環(huán)形套筒，且緊固螺栓一端旋入緊箍環(huán)頂在對開套筒上，拉桿一端通過絲扣局部旋入對開套筒，對開套筒內(nèi)腔中剩余的部分形成與試件粘結(jié)的空間。
[0016]所述上定位裝置包括分別套在兩根立柱上的限位筒、以及連接兩限位筒的中間件，中間件上中間位置設(shè)有三爪卡盤，套筒上旋有緊固套筒的且端部頂在立柱上的限位螺栓。
[0017]所述下定位裝置包括分別套在兩根立柱上的限位筒、以及連接兩限位筒的中間件，中間件上中間位置設(shè)有用于使套筒組件的拉桿穿過的定位圓孔，套筒上旋有緊固套筒的且端部頂在立柱上的限位螺栓。
[0018]一種利用套筒粘接的巖石直接拉伸試驗裝置的拉伸試驗方法，步驟如下:
[0019]I)將套筒拉桿、對開筒套組裝起來，用緊箍環(huán)套住，并擰緊緊固螺栓；
[0020]2)將組裝完成的套筒拉桿穿過下定位裝置的定位圓孔，套筒拉桿用底板上的膠厚調(diào)節(jié)螺栓托??；
[0021]3)將上定位裝置固定在雙側(cè)立柱的上半部分位置上，然后將巖石試件夾持固定在上定位裝置的三爪卡盤中；
[0022]4)將粘膠攪拌均勻，均勻涂抹在套筒的內(nèi)壁；
[0023]5)下移上定位裝置，直至巖石試件插入套筒內(nèi)部并與其內(nèi)壁粘膠相接觸，然后固定上定位裝置；
[0024]6)通過向上旋動膠厚調(diào)節(jié)螺栓控制試件粘膠的厚度，將多余的粘膠擠出；
[0025]7)靜置24h，將與套筒粘接完成的巖石試件從粘接裝置中取出；
[0026]8)重復(fù)步驟I)?6)，將巖石試件的另一端也與套筒粘接好；
[0027]9)將粘接好試件的套筒與拉伸定位裝置連接；首先將套筒拉桿與T型滑塊相連，然后將連接T型滑槽的球鉸連桿夾持在萬能試驗機的夾具上，調(diào)整試驗機的拉伸空間，最后將與試件連接完成的T型滑塊滑入T型滑槽內(nèi)；先施加預(yù)緊力，然后以等應(yīng)變或等應(yīng)力的方式進行拉伸試驗，逐級加載直至試件被拉斷；
[0028]10)巖石直接拉伸試驗的同時，設(shè)置于拉伸試件上的測試傳感器采集信號，傳遞給計算機，計算機會記錄各類測試數(shù)據(jù)，最終測試獲得巖石的抗拉強度。
[0029]本發(fā)明包括相配合的套筒組件、粘接裝置和拉伸定位裝置。套筒組件主要由拉桿、對開筒套、緊箍環(huán)和緊固螺栓組成。對開筒套與拉桿通過絲扣連接，組成直徑略大于50mm的圓柱體內(nèi)部空間，考慮拉伸試驗結(jié)束便于拆卸試件，將套筒設(shè)計成對開雙瓣式。緊箍環(huán)的直徑比對開筒套的外徑略大，緊箍環(huán)作用:一是巖石試件粘接過程中固定對開筒套以免其與拉桿脫開；二是在巖石試件拉伸過程中限制對開筒套的側(cè)向膨脹。套筒不僅與試件端面粘接也與其側(cè)面部分粘接，可保證試件端部有足夠粘接面積來能承受較大的抗拉承載力，并滿足高強度巖石拉伸試驗的需要。
[0030]粘接裝置主要由雙側(cè)立柱、底板、上定位裝置、下定位裝置和膠厚調(diào)節(jié)螺栓構(gòu)成。雙側(cè)立柱使用精密機床加工以保證其光滑平直。底板的作用是支撐粘接裝置的上部結(jié)構(gòu)。立柱下端固定于底板上，立柱由上至下依次裝配有上定位裝置、下定位裝置，底板上設(shè)置有控制粘膠厚度的膠厚調(diào)節(jié)螺栓。上定位裝置的兩端分別連接在兩側(cè)立柱上并且可沿立柱自由滑動，其中心位置安裝有三爪卡盤，三爪卡盤為帶有三個可同步移動的夾緊爪，擰動三爪卡盤的調(diào)節(jié)螺栓可調(diào)整三個夾緊爪的位置，以夾緊不同直徑的試件，三爪卡盤可夾持巖石試件或套筒拉桿，并保證巖石試件或套筒拉桿與三爪卡盤同軸；上定位裝置的兩端設(shè)有限位螺栓，可將其固定在立柱的任意位置。
[0031]下定位裝置的兩端分別連接在兩側(cè)立柱上并且可沿立柱自由滑動，其中心位置設(shè)置有與套筒拉桿直徑相同的定位圓孔，用于放置套筒拉桿，定位圓孔與三爪卡盤同軸，并保證拉桿與三爪卡盤同軸，可消除巖石試件粘接引起的偏心；下定位裝置的兩端也設(shè)有限位螺栓，可將其固定在立柱的任意位置。
[0032]膠厚調(diào)節(jié)螺栓安裝在底板中心位置上，可上下旋動精確控制試件粘膠的厚度。
[0033]拉伸定位裝置是 申請人:已申請并得到受理的發(fā)明專利《利用軸向?qū)χ卸ㄎ谎b置進行巖石直接拉伸的試驗方法》(申請?zhí)?201310289705.5)中的拉伸對中定位裝置，它包括對稱設(shè)置的上下連桿、上下球鉸、上下T型滑槽、上下T型滑塊，上下連桿分別連接于上下球鉸的兩端，上下球鉸分別與上下T型滑槽相連，上下T型滑塊分別卡設(shè)于上下T型滑槽中。
[0034]本發(fā)明通過套筒來增大試件端部的抗拉承載力，通過粘接裝置消除試件粘接可能產(chǎn)生的偏心，通過拉伸定位裝置消除試件拉伸過程中的偏心，配合使用萬能試驗機可準確測試高強度巖石的抗拉強度。
[0035]本發(fā)明與國內(nèi)外同類型技術(shù)相比具有如下顯著的技術(shù)優(yōu)勢:
[0036](I)通過套筒增大試件端部的抗拉承載力，有效測試高強度巖石的抗拉強度。
[0037](2)粘接裝置保證粘接的試件與套筒拉桿同軸，解決了試件粘接可能產(chǎn)生的偏心。
[0038](3)粘膠采用樂泰樹脂膠(E-120HP)，保證巖石端面的粘接強度超過15MPa，其強度可滿足直接拉伸試驗的要求。
[0039](4)整套裝置結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便、易于操作，應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟效益顯著?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0040]圖1是套筒結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖2是試件粘膠示意圖；
[0042]圖3是粘接裝置示意圖；
[0043]圖4是拉伸裝置示意圖；
[0044]圖中:1.拉桿、2.對開筒套、3.緊箍環(huán)、4.緊固螺栓、5.底板、6.下定位裝置、7.上定位裝置、8.立柱、9.三爪卡盤、10.限位螺栓、11.膠厚調(diào)節(jié)螺栓、12.粘膠、13.巖石試件、14.套筒組件、15.上連桿、16.上球鉸、17.上T型滑槽、18.上T型滑塊、19.下T型滑塊、20.下T型滑槽、21.下球鉸、22.下連桿。
【具體實施方式】
[0045]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0046]圖1中，套筒組件14主要由拉桿1、對開筒套2、緊箍環(huán)3和緊固螺栓4組成。對開筒套2與拉桿I通過絲扣連接，組成直徑略大于50mm的圓柱體內(nèi)部空間，為便于拆卸設(shè)計成對開雙瓣式。緊箍環(huán)3的直徑比對開筒套2的外徑略大，主要用于箍住套筒。
[0047]圖2中，套筒14不僅與試件13的端面粘接，也與其側(cè)面部分粘接。試件13端面的粘膠12承受拉應(yīng)力，試件13側(cè)面的粘膠12承受剪應(yīng)力，由此保證試件端部能承受較大的抗拉承載力，并滿足高強度巖石拉伸試驗的需要。
[0048]圖3中，粘接裝置主要由雙側(cè)立柱8、底板5、上定位裝置7、下定位裝置6和膠厚調(diào)節(jié)螺栓11、三爪卡盤9等構(gòu)成。雙側(cè)立柱8使用精密機床加工以保證其光滑平直。底板5的作用是支撐粘接裝置的上部結(jié)構(gòu)。上定位裝置7可沿立柱8上下移動，其三爪卡盤9可夾持巖石試件13或套筒拉桿1，并保證巖石試件13和拉桿I與三爪卡盤9同軸。上定位裝置7的兩端設(shè)有限位螺栓10，可將上定位裝置7固定在立柱8上的任意位置。下定位裝置6也可沿立柱8上下移動，其定位圓孔與三爪卡盤9同軸，以消除巖石試件13粘接可能引起的偏心。下定位裝置6的兩端也設(shè)有限位螺栓10，可將下定位裝置6固定在立柱8上的任意位置。底板上的膠厚調(diào)節(jié)螺栓11用于精確控制粘膠12的厚度。
[0049]圖4中，拉伸定位裝置主要由上下連桿15、22、上下球鉸16、21、上下T型滑槽17、20、上下T型滑塊18、19和套筒14構(gòu)成。上下球鉸16、21的連桿15、22可在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，以消除巖石試件13受拉時的偏心。為便于拆裝和定位已粘接好的試件，設(shè)置了帶有一定弧度的T型滑槽17、20和T型滑塊18、19，T型滑槽17、20和T型滑塊18、19的接觸面光滑且涂有潤滑油。首先將與試件13粘結(jié)的套筒拉桿I與T型滑塊18、19相連，然后將T型滑塊18、19滑入T型滑槽17、20內(nèi)，即可進行直接拉伸試驗。
[0050]利用發(fā)明裝置進行巖石拉伸試驗的方法如下:
[0051]I)將套筒拉桿1、對開筒套2組裝起來，用緊箍環(huán)3套住，并擰緊緊固螺栓4 ；
[0052]2)將組裝完成的套筒拉桿I穿過下定位裝置6的定位圓孔，套筒拉桿I用底板上的膠厚調(diào)節(jié)螺栓11托??；
[0053]3)將上定位裝置7固定在雙側(cè)立柱8的較高位置，然后將巖石試件13固定在上定位裝置的三爪卡盤9中；
[0054]4)將適量的粘膠12攪拌均勻，均勻涂抹在套筒14的內(nèi)壁；[0055]5)下移上定位裝置7直至巖石試件13插入套筒14內(nèi)部與粘膠12相接觸，然后固定上定位裝置7 ；
[0056]6)向上旋動膠厚調(diào)節(jié)螺栓11，控制粘膠12的厚度，將多余的粘膠12擠出；
[0057]7)靜置24h，將與套筒14粘接完成的試件13從粘接裝置中取出；
[0058]8)重復(fù)步驟I)?6)，將試件13的另一端與套筒14粘接完成；
[0059]9)將粘接試件13的套筒14與拉伸定位裝置連接。首先將套筒拉桿I與T型滑塊18、19相連，然后將連接T型滑槽17、20的球鉸連桿15、22夾持在萬能試驗機的夾具上，調(diào)整試驗機的拉伸空間，最后將與試件13連接完成的T型滑塊18、19滑入T型滑槽17、20內(nèi)。先施加較小的預(yù)緊力，然后以等應(yīng)變或等應(yīng)力的方式進行拉伸試驗，逐級加載直至試件
13被拉斷；
[0060]10)巖石直接拉伸試驗的同時，設(shè)置于拉伸試件上的測試傳感器采集信號，傳遞給計算機，計算機會記錄各類測試數(shù)據(jù)，最終測試獲得巖石的抗拉強度。
[0061]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變化仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種套筒粘接的巖石直接拉伸試驗裝置，其特征是，包括相配套的套筒組件、粘結(jié)裝置和拉伸定位裝置，所述粘結(jié)裝置包括底板以及平行設(shè)置且垂直固定于底板上的兩根立柱，兩根立柱上均套接有上下設(shè)置的上定位裝置和下定位裝置，且上、下定位裝置均能沿立柱上下自由滑動，上、下定位裝置連接于兩根立柱上；上定位裝置下端面的中心位置安裝有用于夾緊巖石試件或套筒組件拉桿的三爪卡盤；下定位裝置的中心位置設(shè)有與套筒組件的拉桿直徑相等的定位圓孔，且該定位圓孔的圓心與三爪卡盤的中心同軸；底板上設(shè)有與下定位裝置的定位圓孔相對應(yīng)的控制粘膠厚度的膠厚調(diào)節(jié)螺栓。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述套筒組件包括拉桿、對開筒套、緊箍環(huán)和緊固螺栓，對開套筒外部通過緊箍環(huán)組成一環(huán)形套筒，且緊固螺栓一端旋入緊箍環(huán)頂在對開套筒上，拉桿一端通過絲扣局部旋入對開套筒，對開套筒內(nèi)腔中剩余的部分形成與試件粘結(jié)的空間。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述上定位裝置包括分別套在兩根立柱上的限位筒、以及連接兩限位筒的中間件，中間件上中間位置設(shè)有三爪卡盤，套筒上旋有緊固套筒的且端部頂在立柱上的限位螺栓。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述下定位裝置包括分別套在兩根立柱上的限位筒、以及連接兩限位筒的中間件，中間件上中間位置設(shè)有用于使套筒組件的拉桿穿過的定位圓孔，套筒上旋有緊固套筒的且端部頂在立柱上的限位螺栓。
5.一種利用套筒粘接的巖石直接拉伸試驗裝置的拉伸試驗方法，其特征是，步驟如下: 1)將套筒拉桿、對開筒套組裝起來，用緊箍環(huán)套住，并擰緊緊固螺栓； 2)將組裝完成的套筒拉桿穿過下定位裝置的定位圓孔，套筒拉桿用底板上的膠厚調(diào)節(jié)螺栓托??； 3)將上定位裝置固定在雙側(cè)立柱的上半部分位置上，然后將巖石試件夾持固定在上定位裝置的三爪卡盤中； 4)將粘膠攪拌均勻，均勻涂抹在套筒的內(nèi)壁； 5)下移上定位裝置，直至巖石試件插入套筒內(nèi)部并與其內(nèi)壁粘膠相接觸，然后固定上定位裝置； 6)通過向上旋動膠厚調(diào)節(jié)螺栓控制試件粘膠的厚度，將多余的粘膠擠出； 7)靜置24h，將與套筒粘接完成的巖石試件從粘接裝置中取出； 8)重復(fù)步驟I)?6)，將巖石試件的另一端也與套筒粘接好； 9)將粘接好試件的套筒與拉伸定位裝置連接；首先將套筒拉桿與T型滑塊相連，然后將連接T型滑槽的球鉸連桿夾持在萬能試驗機的夾具上，調(diào)整試驗機的拉伸空間，最后將與試件連接完成的T型滑塊滑入T型滑槽內(nèi)；先施加預(yù)緊力，然后以等應(yīng)變或等應(yīng)力的方式進行拉伸試驗，逐級加載直至試件被拉斷； 10)巖石直接拉伸試驗的同時，設(shè)置于拉伸試件上的測試傳感器采集信號，傳遞給計算機，計算機會記錄各類測試數(shù)據(jù)，最終測試獲得巖石的抗拉強度。
【文檔編號】G01N3/08GK103543066SQ201310507021
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】張強勇, 李術(shù)才, 張緒濤, 向文, 袁圣渤, 王超 申請人:山東大學