一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置及方法，采用对称两支扭力杆，消除附加力矩，使压杆运动过程中不会出现偏心现象；采用钢丝绳拉动扭力杆转动施加扭矩，变扭矩的刚性加载为柔性加载，解决由刚性加载导致的轴向力和扭矩相互影响、传力杆不能和千斤顶垂直等问题。通过圆弧夹板和树脂结构胶将上下压头和试样固结成一体，保证扭矩加载过程中不会使压头和试样脱离，且未对试样端部开槽，避免应力集中现象导致的试样端部破坏。内、外部围压进出油通道完全分离，使内、外围压加载完全独立互不影响。可独立或混合的加载轴向力、扭矩、内围压和外围压，还可实现主应力轴旋转，模拟岩石在复杂应力加载路径下的变形破坏。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于岩石力学与岩石试验领域，具体涉及一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置及方法，属于岩土工程
技术背景复杂应力，尤其是包含主应力大小改变及主应力轴旋转的复杂应力，在工程实际中广泛的存在。例如，像采矿巷道、城市地铁、海底隧道等工程现场开挖过程中，岩体内部应力状态表现的极为复杂，伴随着主应力轴旋转和主应力大小改变的独立或混合存在的现象。上述工程实际中都存在岩石内部复杂的应力状态，而岩石在复杂应力状态下的力学性质和简单应力状态下存在很大差异，因此，能在实验室进行岩石复杂应力加载试验，进而研究复杂应力路径作用下岩石的强度、变形和破坏形态，对于工程灾害的预防及治理具有重要的指导意义。目前，实验室内可实现模拟岩土应力加载路径的试验装置主要包括：单轴压缩仪、常规三轴仪（假三轴）、真三轴仪、直剪仪、环剪仪等。但上述试验仪器装置都不能实现模拟岩石主应力轴旋转的应力路径加载，主应力轴旋转的应力路径加载一般多使用空心圆柱扭剪仪。岩土工程领域目前已经开发出适用于土体的空心圆柱扭剪仪，但是土体和岩体是两种不同的工程材料，其力学性质存在很大差异，目前的土体空心圆柱扭剪仪并不能完全适用于岩石材料。土和岩石材料最大的区别在于，岩石相对于土而言硬度和强度大大提高，在施加载荷的作用下岩石的变形很小，但是达到破坏所需的应力却要大很多。基于上述因素，导致适用于土和适用于岩石的应力路径加载试验装置主要存在以下差异：①岩石的变形相对与土而言很小，所以试样变形的测量需要不同的装置和方法；②由于应力集中问题，岩石空心圆柱试样不能在上下端部开槽，否则很容易在扭矩施加的过程中导致试样端部破坏，影响整个试样的应力加载，所以岩石试样扭矩加载需要特殊的加载装置和方法；③由于试验装置需要内外围压独立加载，而且岩石材料需要的围压比土要大很多，所以需要使用油压来实现并且需要各自独立的进出油通道路径，并且要求空心圆柱试样内外壁密封隔离性较高，使内外油压加载独立互不影响；④不同于土体的低量级应力加载，由于岩石材料加载所需的轴向力和扭矩都非常大，而且轴向力和扭矩通过共同的传力轴施加给试样，就不可避免的导致扭矩和轴向力的加载互相干扰，这种干扰会很大程度上的影响轴向力和扭矩的独立加载，并导致应力的加载数据出现大的偏差，为此要求试验仪器加载装置应尽量避免或减小这种相互影响。与本专利技术申请相关的有：1.中国专利CN104155175A公开的涉及室内岩石力学试验装置，更具体涉及可实现复杂应力路径的岩石空心圆柱扭剪仪。该扭剪仪由底座、套筒、下压头、上压头、活塞、上座、顶盖、连接杆、扭转装置组成，可独立或混合地加载轴向力、内围压、外围压和扭矩。其主要创新包括：a.上压头、下压头和岩石试样通过强力胶粘结成一体，上压头、下压头和岩石试样的接触面开有凸台，增加了岩石试样与上压头、下压头的接触面积，减小了扭矩加载时接触面脱离的风险；b.上座和顶盖内部形成十字形油腔，活塞活动地置于十字形油腔中，活塞将十字形油腔分为上下两部分，液压伺服泵向十字形油腔上部输送液压油并对活塞加载轴向力，因此，不同于传统的采用千斤顶与刚性杆接触的刚性加载方式，在该申请中轴向力的加载采用液压油与活塞接触的柔性加载方式，避免了千斤顶与刚性杆接触产生的端面摩擦效应，有效地消除了当轴向力和扭矩共同加载时的相互干扰；c.通过反力装置平衡力矩，使仪器底部不存在转动趋势，因此，不需要另外配置固定平台。土体和岩体是两种不同的工程材料，其力学性质存在很大差异，适用于岩石的空心圆柱扭剪仪和适用于土的相比存在很多问题，上述专利所涉及的岩石空心圆柱扭剪仪虽然在尽量解决这些问题，但是还存在很多不足。首先，①专利中提出用十字油腔提供轴力从而变刚性加载为柔性加载从而消除轴力加载和扭矩加载的相互影响，但是岩石试验中破坏往往需要达到几十兆帕或者上百兆帕的轴向应力，在这么大的压力下对仪器无论是油箱外接部分或者是和试样接触部分的密封性都有很大的要求，实际试验中很容易由于发生漏油问题导致压力上不去或者不能提供稳定压力，导致试验波动结果不准确。其次，②仪器扭转装置只在一侧提供扭力，对于扭矩的转轴来说，没有形成对称力矩，无法使其对传力轴的傍压力合力为零，会产生附加力矩，增大摩擦；而且提供轴力的活塞1处于转动和沿轴向移动的复合移动中，但是扭转装置是通过刚性扭矩传力杆固定在活塞上，扭矩对轴的作用点不能随轴一同移动从而产生对轴向力的干扰；并且在扭矩施加过程中活塞转动一定角度后，扭矩传力杆不能和千斤顶保持垂直，使扭矩的施加出现问题。再其次，③专利中上压头、下压头和岩石试样通过强力胶粘结成一体，而在试验中在加大扭矩的过程中会发生粘结力不够导致的岩石试样与压头的松脱现象，从而使得扭矩的加载出现问题或导致试验结果不准确。最后，④专利中进油管道和出油管道较多，试验中油压的密封及稳定性需要接受很大考验，重要的是内压的排气管19置于外腔油压中，而排气管是软管，在外腔油压加压过程中可能挤压排气软管导致内部油压发生变化，使内外围压加载不能完全独立，总体来说该专利技术装置的进出油通道设计上还不是很完善。
技术实现思路
为了实现岩石在复杂应力路径下的加载，尤其是实现岩石主应力轴旋转的应力路径加载，本专利技术设计一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置及方法，来研究岩石在复杂应力状态下的力学特性。为实现上述目的，其技术方案如下：一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，包括主体装置和动力装置；所述的主体装置包括顶盖、套筒、底座、压头和压杆；所述套筒分别通过法兰与顶盖、底座连接；压杆的上部连接有两个对称的水平扭力杆，下端穿过顶盖进入套筒内，并能够相对于顶盖上下移动和转动；压头位于套筒内部，上下对称安装在岩石试样的两端，上压头与压杆嵌装，下压头与底座嵌装，且压头与压杆以及底座的相接面对应设有能够防止压头相对于压杆或底座周向运动的限位装置；所述岩石试样为空心圆柱形结构，其内腔与上下压头形成内部围压腔；底座与套筒、顶盖、压杆、压头、岩石试样的外壁形成外部围压腔，所述内部围压腔和外部围压腔各自独立，并分别设有独立的油路通道；所述动力装置包括轴力加载装置、扭矩加载装置和围压加载装置；所述轴力加载装置作用于压杆的顶部，扭矩加载装置通过钢丝绳与扭力杆连接，且扭力加载装置相对于压杆对称设置，施力方向相反，初始状态下，钢丝绳与扭力杆在水平面内垂直；围压加载装置分为内部围压加载装置和外部围压加载装置，分别与内部围压腔、外部围压腔的油路通道连接。所述围压加载装置分别包括进油装置和出油装置，进油装置连接油路通道的下端，出油装置连接油路通道的上端，与围压腔共同构成围压加载系统。所述内部围压腔的油路通道包括设置在底座中心的第二通路，设置在上、下压头轴心的第四通路、第三通路，以及设置在压杆中心的第五通路，以上各通路顺序连通，且对应内部围压腔的中心线设置，所述第二通路和第五通路均为L型，其中第二通路连接进油装置，第五通路连接出油装置。所述外部围压腔体的油路通道包括设置在底座一侧的第一通路以及设置在顶盖侧壁的排气孔；其中第一通路为L型，连接进油装置，排气孔连接出油装置。所述排气孔至少设置一个。所述压杆底端面和底座顶面的中心沿轴向开有圆柱型凹槽，凹槽周围设有若干小卡槽。所述压头设有一圆柱形主本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，包括主体装置和动力装置；所述的主体装置包括顶盖、套筒、底座、压头和压杆；其特征在于，所述套筒分别通过法兰与顶盖、底座连接；压杆的上部连接有两个对称的水平扭力杆，下端穿过顶盖进入套筒内，并能够相对于顶盖上下移动和转动；压头位于套筒内部，上下对称安装在岩石试样的两端，上压头与压杆嵌装，下压头与底座嵌装，且压头与压杆以及底座的相接面对应设有能够防止压头相对于压杆或底座周向运动的限位装置；所述岩石试样为空心圆柱形结构，其内腔与上下压头形成内部围压腔；底座与套筒、顶盖、压杆、压头、岩石试样的外壁形成外部围压腔，所述内部围压腔和外部围压腔各自独立，并分别设有独立的油路通道；所述动力装置包括轴力加载装置、扭矩加载装置和围压加载装置；所述轴力加载装置作用于压杆的顶部，扭矩加载装置通过钢丝绳与扭力杆连接，且扭力加载装置相对于压杆对称设置，施力方向相反，初始状态下，钢丝绳与扭力杆在水平面内垂直；围压加载装置分为内部围压加载装置和外部围压加载装置，分别与内部围压腔、外部围压腔的油路通道连接。

【技术特征摘要】
1.一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，包括主体装置和动力装置；所述的主体装置包括顶盖、套筒、底座、压头和压杆；其特征在于，所述套筒分别通过法兰与顶盖、底座连接；压杆的上部连接有两个对称的水平扭力杆，下端穿过顶盖进入套筒内，并能够相对于顶盖上下移动和转动；压头位于套筒内部，上下对称安装在岩石试样的两端，上压头与压杆嵌装，下压头与底座嵌装，且压头与压杆以及底座的相接面对应设有能够防止压头相对于压杆或底座周向运动的限位装置；所述岩石试样为空心圆柱形结构，其内腔与上下压头形成内部围压腔；底座与套筒、顶盖、压杆、压头、岩石试样的外壁形成外部围压腔，所述内部围压腔和外部围压腔各自独立，并分别设有独立的油路通道；所述动力装置包括轴力加载装置、扭矩加载装置和围压加载装置；所述轴力加载装置作用于压杆的顶部，扭矩加载装置通过钢丝绳与扭力杆连接，且扭力加载装置相对于压杆对称设置，施力方向相反，初始状态下，钢丝绳与扭力杆在水平面内垂直；围压加载装置分为内部围压加载装置和外部围压加载装置，分别与内部围压腔、外部围压腔的油路通道连接。2.根据权利要求1所述的一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，其特征在于，所述围压加载装置分别包括进油装置和出油装置，进油装置连接油路通道的下端，出油装置连接油路通道的上端，与围压腔共同构成围压加载系统；所述内部围压腔的油路通道包括设置在底座中心的第二通路，设置在上、下压头轴心的第四通路、第三通路，以及设置在压杆中心的第五通路，以上各通路顺序连通，且对应内部围压腔的中心线设置，所述第二通路和第五通路均为L型，其中第二通路连接进油装置，第五通路连接出油装置；所述外部围压腔体的油路通道包括设置在底座一侧的第一通路以及设置在顶盖侧壁的排气孔；其中第一通路为L型，连接进油装置，排气孔连接出油装置。3.根据权利要求1所述的一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，其特征在于，所述排气孔至少设置一个。4.根据权利要求1所述的一种适用于岩石的可实现主应力轴旋转的试验装置，其特征在于，所述压杆底端面和底座顶面的中心沿轴向开有圆柱型凹槽，凹槽周围设有若干小卡槽；所述压头设有一圆柱形主体，主体的一端面设有与所述凹槽吻合插接的凸台，凸台的周围设有与所述卡槽连接的卡块；主体另一端面的中心设有能够插入岩石试样内腔的空心圆柱形固定套，固定套的外部设有与固定套之间形成环形夹持腔的圆弧夹板，所述圆弧夹板与主体外缘通过螺钉固定；所述凸台的外部沟槽安装有O形密封圈。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆银龙，张扬，王连国，李兆霖，肖天博，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32