本发明专利技术涉及一种对类岩材料实现轴向梯度静应力的加载实验方法及装置，装置包括滚轴，在滚轴上从下往上依次放置有下层钢板、下层橡胶垫、试件、上层橡胶垫、上层钢板，下层钢板与下层橡胶垫之间、上层橡胶垫与上层钢板之间分别粘接在一起，上层钢板与下层钢板两侧之间通过均匀、对称布置的螺栓连接，上层钢板与下层钢板的右端与右侧挡板紧密接触，试件的右端与右侧挡板之间留有间距，上层钢板与下层钢板之间对称线与试件的轴心线、轴向加载装置的轴心线重合。加载实验步骤包括试件制备；确定施加荷载和螺栓扭矩；安装加载装置；对螺栓施加力矩；对试件施加荷载；本发明专利技术能施加不同梯度大小的轴向静应力，提供的梯度静应力值能达到其强度极限。
【技术实现步骤摘要】
对类岩材料实现轴向梯度静应力的加载实验方法及装置
本专利技术涉及轴向梯度静应力的加载技术，具体是一种对类岩材料实现轴向梯度静应力的加载实验方法及装置。
技术介绍
通过室内实验测定各种材料的力学性能是进行科学研究的主要方法之一。目前常规压缩实验装置多数仅在试件的两个端面进行加载，当试件为等截面时，每个横截面上的静应力大小相等。这样的加载方法仅能测试小尺寸试件的力学性能，比如对混凝土试件，其尺寸一般情况下选用150mm×150mm×150mm。对岩石常规单轴或三轴压缩试验时，圆柱体试件的尺寸一般是直径50mm，高度100mm。这些常规实验方法或设备仅能实现对类岩材料试件施加均匀静应力和测定其在均匀静应力作用下的力学特性，尚且不能模拟出大尺寸工程构件所处的梯度静应力环境，进一步的力学性能测试工作也就无法开展。众多大尺寸工程构件在正常工作时，不同横截面上的正应力大小不同，横截面上的正应力大小沿轴向空间位置的变化而变化，即所谓的空间梯度应力。例如，高层框架结构中的混凝土柱，若其横截面面积相同，横截面承受的轴向压力从上往下逐渐增大，构件内部的轴向静应力呈梯度变化。地下工程岩体(特别是深部工程岩体)开挖时，围岩体所处的应力环境也是梯度应力环境，这主要是由以下两方面原因引起的：一是在仅考虑自重应力时，原岩应力大小在竖直方向呈线性变化，围岩的位置越深，自重地应力值越大。二是地下工程岩体开挖卸荷导致附近围岩体中的应力场发生较大变化，例对深埋圆形巷道开挖的理论分析表明，开挖后围岩径向应力的大小为(p0是未开挖前的原岩应力大小，R0是巷道半径，r是围岩到巷道圆心的距离)，径向应力σr随空间位置r呈非线性梯度变化。目前学术界有一个共识，在研究材料或构件力学特性时，应该考虑构件的实际受力环境，比如在研究材料或构件的动力特性时，应该先模拟出与实际吻合的静力环境。在认识到对类岩材料实现梯度静应力加载的重要性基础上，已经出现一些简单的梯度应力加载方法。但已有方法是通过悬挂配重实现的，存在很多不足之处，类岩材料的强度一般在10～102MPa量级，通过悬挂配重的方式加载很难达到材料的强度极限；另外，悬挂配重的过程比较费时费力，且很难保证安全。因此，亟需一种更加有效的、能够实现对类岩材料施加梯度静应力的方法和装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种对类岩材料实现轴向梯度静应力的加载实验方法及装置，它简便易行，能对不同的类岩材料施加不同梯度大小的轴向静应力，且对常见的类岩材料，提供的梯度静应力值能达到其强度极限。本专利技术的技术方案：一种对类岩材料实现轴向梯度静应力的加载实验装置，包括基座平台，固定于基座平台上的左侧挡板、中间挡板和右侧挡板，安装于左侧挡板和右侧挡板上的支柱，布置于基座平台上的轴向加载装置，放置在基座平台上的滚轴，在滚轴上从下往上依次放置有下层钢板、下层橡胶垫、试件、上层橡胶垫、上层钢板，下层钢板与下层橡胶垫之间、上层橡胶垫与上层钢板之间分别粘接在一起，上层钢板与下层钢板两侧之间通过均匀、对称布置的螺栓连接，上层钢板与下层钢板的右端与右侧挡板紧密接触，试件的右端与右侧挡板之间留有间距，上层钢板与下层钢板之间对称线与试件的轴心线、轴向加载装置的轴心线重合。试件的右端与右侧挡板之间的间距为3～5cm。一种对类岩材料实现轴向梯度静应力的加载实验方法，包括以下步骤：步骤1，试件制备；试件为柱体类岩材料，且其横截面为正方形，几何尺寸为柱体长×横截面宽×横截面高＝1000mm～1500mm×30mm～100mm×30mm～100mm；步骤2，确定轴向加载装置施加荷载值和螺栓的旋紧扭矩；根据试件的几何尺寸和需要实现的轴向静应力梯度，按式(1)计算确定轴向加载装置需提供的轴向荷载值，即：式(1)中：FN为轴向加载装置需要提供的轴向荷载，l为试件的长度，k为静应力梯度，x为试件的任意横截面与试件右端面的距离，A为试件的横截面面积；在完成施加目标梯度静应力时，试件与橡胶垫之间处于运动的极限平衡状态，依据静力学平衡，可以推知试件的上下表面与上、下层橡胶垫的接触面间所需要达到的总滑动摩擦力Fs＝FN；进而可以计算出通过螺栓需要给下层橡胶垫、上层橡胶垫和试件之间提供的正压力F，即：式(2)中：μ为试件的上下表面与橡胶垫的接触面间的静摩擦系数，可用倾斜法测得橡胶垫和试件间的静摩擦系数；通过数显式扭矩扳手需要给每一根螺栓提供的扭矩可以按式(3)计算得到：式(3)中：T为数显式扭矩扳手需要给每一根螺栓提供的扭矩；n为螺栓的总数量；ξ为旋紧力系数，根据螺栓的规格查阅机械手册取值；d为螺栓的公称直径；步骤3，安装加载实验装置；首先在基座平台上等间距放置滚轴，滚轴上放置下层钢板，下层钢板上用胶粘牢下层橡胶垫，在下层橡胶垫上放置试件，试件上放置上层橡胶垫和上层钢板，上层橡胶垫和上层钢板间用胶粘牢，上下层钢板之间的对称线与试件的轴心线、轴向加载装置的轴心线重合；上下层钢板的右端与右侧挡板紧密接触，试件右端面与右侧挡板之间预留3～5cm间距；然后用螺栓将下层钢板与上层钢板连接在一起；步骤4，利用数显式扭矩扳手对螺栓施加所需的旋紧力矩；在对螺栓施加旋紧力矩时，需要进行多次检验，以防止出现松动现象；对螺栓施加旋紧力矩时，应分别多次加载，即先对全部螺栓施加小于目标值T的扭矩，然后继续对螺栓施加扭矩到目标值T；步骤5，通过轴向加载装置对试件施加轴向荷载；首先将手动液压泵调整至加压挡位，摇动加压手柄使得轴向加载装置的活塞前进至刚好接触试件左端面的位置；然后匀速缓慢地摇动加压手柄，使得轴向加载装置的活塞继续匀速缓慢地前进，并不断观测压力表的读数，直至达到计算得到的压力值FN，停止加压。螺栓的旋紧顺序为：自上下层钢板中间位置的螺栓开始向两端对称地旋紧。本专利技术实现了对类岩材料施加梯度静应力，为研究材料在梯度静应力下相应力学特性提供一种有效的实验方法与装置。其受力原理简明，操作简单易行，可以实现多种应力梯度，如线性梯度、非线性梯度，能够较为真实地模拟出工程结构(或介质)所处的应力环境，以便对其相应力学特性进行深入研究。能对不同的类岩材料施加不同梯度大小的轴向静应力，且对常见的类岩材料，提供的梯度静应力值能达到其强度极限。附图说明图1为本专利技术的实现轴向梯度静应力的加载实验装置的正视图；图2为图1的剖视图；图中：1-轴向加载装置；2-螺栓；3-下层钢板；4-下层橡胶垫；5-试件；6-基座平台；7-滚轴；8-左侧挡板；9-中间挡板；10-支柱；11-上层橡胶垫；12-上层钢板；13-右侧挡板。具体实施方式本专利技术的对类岩材料实现轴向梯度静应力的加载实验装置参考了动静组合加载试验装置(ModifiedSplitHopkinsonPressureBar,MSHPB)。本专利技术的对类岩材料实现轴向梯度静应力的加载实验装置如图1、图2所示，包括基座平台6、左侧挡板8、中间挡板9、右侧挡板13、支柱10、滚轴7、两块有预留螺栓孔的钢板(上层钢板12和下层钢板3)、两块橡胶垫(上层橡胶垫11和下层橡胶垫4)、螺栓2、轴向加载装置1，用数显式扭矩扳手旋紧螺栓2。基座平台6水平放置，用于支撑上部结构，并提供光滑水平的实验条件。三块挡板与基座平台6垂直，从左至右依次为左侧挡板8、中间挡板9和右侧挡板13。支柱本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种对类岩材料实现轴向梯度静应力的加载实验装置，包括基座平台，固定于基座平台上的左侧挡板、中间挡板和右侧挡板，安装于左侧挡板和右侧挡板上的支柱，布置于基座平台上的轴向加载装置，放置在基座平台上的滚轴，其特征是：在滚轴上从下往上依次放置有下层钢板、下层橡胶垫、试件、上层橡胶垫、上层钢板，下层钢板与下层橡胶垫之间、上层橡胶垫与上层钢板之间分别粘接在一起，上层钢板与下层钢板两侧之间通过均匀、对称布置的螺栓连接，上层钢板与下层钢板的右端与右侧挡板紧密接触，试件的右端与右侧挡板之间留有间距，上层钢板与下层钢板之间对称线与试件的轴心线、轴向加载装置的轴心线重合。
【技术特征摘要】
1.一种对类岩材料实现轴向梯度静应力的加载实验装置，包括基座平台，固定于基座平台上的左侧挡板、中间挡板和右侧挡板，安装于左侧挡板和右侧挡板上的支柱，布置于基座平台上的轴向加载装置，放置在基座平台上的滚轴，其特征是：在滚轴上从下往上依次放置有下层钢板、下层橡胶垫、试件、上层橡胶垫、上层钢板，下层钢板与下层橡胶垫之间、上层橡胶垫与上层钢板之间分别粘接在一起，上层钢板与下层钢板两侧之间通过均匀、对称布置的螺栓连接，上层钢板与下层钢板的右端与右侧挡板紧密接触，试件的右端与右侧挡板之间留有间距，上层钢板与下层钢板之间对称线与试件的轴心线、轴向加载装置的轴心线重合。2.根据权利要求1所述的一种对类岩材料实现轴向梯度静应力的加载实验装置，其特征是：试件的右端与右侧挡板之间的间距为3～5cm。3.根据权利要求1所述的装置对类岩材料实现轴向梯度静应力的加载实验方法，包括以下步骤：步骤1，试件制备；试件为柱体类岩材料，且其横截面为正方形，几何尺寸为柱体长×横截面宽×横截面高＝1000mm～1500mm×30mm～100mm×30mm～100mm；步骤2，确定轴向加载装置施加荷载值和螺栓的旋紧扭矩；根据试件的几何尺寸和需要实现的轴向静应力梯度，按式(1)计算确定轴向加载装置需提供的轴向荷载值，即：式(1)中：FN为轴向加载装置需要提供的轴向荷载，l为试件的长度，k为静应力梯度，x为试件的任意横截面与试件右端面的距离，A为试件的横截面面积；在完成施加目标梯度静应力时，试件与橡胶垫之间处于运动的极限平衡状态，依据静力学平衡，可以推知试件的上下表面与上、下层橡胶垫的接触面间所需要达到的总滑动摩擦力Fs＝FN；进而可以...
【专利技术属性】
技术研发人员：金解放，张睿，袁伟，王熙博，吴越，余雄，钟依禄，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。