一种利用连杆机构实现的岩石围压施加装置制造方法及图纸

一种利用连杆机构实现的岩石围压施加装置，包括加载板、水平变幅机构、定块机构、集热导热块、加热元件；加载板、水平变幅机构与定块机构依次连接；定块机构中螺纹连接杆嵌设于导筒内，且其末段活动地穿过导筒；加载板正对于岩石试样块上部加载侧面，并与水平变幅机构的杆端通过高副连接；当螺纹连接杆在室温下与导筒紧固连接时，加载板与所述加载侧面贴合接触；所述加热元件可借助集热导热块将所述螺杆从室温加热至指定温度；利用杆体冷缩后产生的巨大拉力使得加载板接触并挤压岩石试样块上部的加载侧面，以产生给定大小的围压作用。本发明专利技术结构简单、稳定可靠、经济实用、操作便捷，且满足测试精度要求，适用于深部岩层各研究领域。

A rock confining pressure applying device realized by connecting rod mechanism

【技术实现步骤摘要】
一种利用连杆机构实现的岩石围压施加装置
本专利技术属于隧道工程与岩土工程的交叉领域，涉及一种岩石围压施加装置，尤其涉及一种利用连杆机构实现的可配合TBM(硬岩掘进机)滚刀(盘形滚刀)标准线切割试验台(以下简称TBM标准线切割试验台)使用的用于模拟破岩刀具多种破岩工况下岩石围压状态的岩石围压施加装置。
技术介绍
赋存于地层中的岩体，尤其是深部岩层中的天然岩体，由于受到重力、板块运动及地壳收缩等因素的影响，具备一定地应力(也称岩体围压)。该岩体围压影响了岩石自身物理力学性质、岩石破碎/破坏机制等，以及影响了开挖装置的破岩载荷特性、破岩效率和使用寿命等。因此，无围压应力条件下的岩体(如实验室环境下制备的普通岩石试样块)表现出的特性与岩体围压及浅表地层中低围压应力条件下天然岩体表现出的特性截然不同。岩体围压下天然岩体表现出的特性是大型地下洞室稳定性分析与工程设计的必要信息之一，对于深部高应力地下工程的安全评价与灾害防治尤为重要。在研究与岩体围压息息相关的岩石力学与岩土工程学问题时，尤其是涉及诸如大埋深隧道环境下TBM(硬岩掘进机)掘进刀具破岩机理、深部煤炭巷道下掘锚机截割头煤岩开挖机理、部分地质构造高应力的特殊国防深地工程中采用钻爆法施工后，边坡稳定性问题等深部岩层的研究领域时，需要在研究过程中考虑到岩体围压作用，并应在相应的试验中模拟出岩体围压的真实状态。以在TBM标准线切割试验台的基础上开展TBM刀盘刀具破岩实验研究为例，由于岩体在隧道开挖前便具有高围压水平，实验时应模拟出深部岩层受到高围压的环境条件，因此需要在TBM标准线切割试验台的石仓内牢固装夹岩石试样块，还应对靠近岩石试样块待切削表面的侧面加载一定的压力，进而模拟出与真实掘进环境下岩石具有的侧向围压。目前，真三轴扰动试验台、三轴岩石物理力学性能测试试验机等均采用油浴加压的方式模拟三轴围压，但该项技术方案因未留出可供刀具切削的待切削表面，故不适用于本领域。参考当前现有的两轴岩石物理力学性能测试试验机的围压模拟原理，理论上可采用一对液压缸对顶的方式为岩石试样块施加侧向围压，同时将岩石试样块的上表面留出作为刀具切削表面。然而，由于进行TBM线切割试验所需岩石试样块的尺寸均较大(为了避免岩石试样块尺寸过小引起边界效应，文献《DisccuttingtestsinColoradoRedGranite:ImplicationsforTBMperformanceprediction》中采用了1.1×0.8×0.6m的花岗岩试样)，导致给定围压下所需液压缸工作压力极高，所需的液压泵站及液压系统复杂且成本极高(需要配置伺服阀、高压泵等)，且对加载装置的刚度、液压系统的密封性能和可靠性提出了极高要求，不便于实现。一般的设计经验表明，当TBM标准线切割试验台上采用17英寸(直径为432mm)全尺寸TBM滚刀进行破岩切削试验时，若试验台刀间距模拟能力最大设计为75mm，则在尽量降低岩石试样块尺寸的边界效应的前提下，采用液压缸对顶的方式可获得的理论经济围压仅为1～2MPa左右(按液压缸额定载荷为250～300kN计算，装置造价成本按30万人民币计算)，这显然不能满足深部岩层下高围压模拟要求。尽管天然岩体的围压水平对于研究深部岩层下TBM刀盘刀具切削机理和掘进效率至关重要，但由于实验技术的局限性，导致现有的全尺寸TBM刀具破岩试验台都不具备提供模拟侧向围压的能力，或者说是不能经济可行地模拟出高围压水平，具体参考专利201310032227.X、ZL200810143551.8、ZL200810143552.2、CN102445336A、ZL200410089260.7、CN102788693A等。国外美国科罗拉多矿业学院、韩国KoreaInstituteofConstructionTechnology、土耳其IstanbulTechnicalUniversity等机构也对滚刀破岩特性进行了实验研究，但也均未能研制出有效的围压模拟装置；这包括文献(DisccuttingtestsinColoradoRedGranite:ImplicationsforTBMperformanceprediction)提到的美国科罗拉多矿业学院研制的线性切割试验台(LinearCuttingMachine)，文献(OptimumspacingofTBMdisccutters:Anumericalsimulationusingthethree-dimensionaldynamicfracturingmethod)提到的韩国KoreaInstituteofConstructionTechnology研制的滚刀破岩试验台，文献(CorrelationofrockcuttingtestswithfieldperformanceofaTBMinahighlyfracturedrockformation:AcasestudyinKozyatagi-Kadikoymetrotunnel,Turkey)提到的土耳其IstanbulTechnicalUniversity研制的滚刀破岩试验台。可见，现有TBM刀具切削实验台均不具备围压模拟试验的能力。更为确切地讲，是目前现有TBM刀具切削实验台所用石仓不具备岩石围压模拟加载功能，难以满足工程应用研究中模拟TBM滚刀切削工况的要求。仍以TBM刀盘刀具掘进破岩过程为例，初始状态下，掌子面上岩石平整，待切削岩石处于平面围压状态下(仅掌子面为自由面)；TBM处于传统破岩工况下，单把滚刀回转滚压岩石后会形成环状切槽，其外周边界为自由面；与前一滚刀相邻的后一滚刀随后滚压至与所述环状切槽相邻近区域时，可利用所述环状切槽的自由面的尺寸边界效应，促进岩石裂纹与所述自由面交汇，并在前一滚刀与后一滚刀之间形成较大的岩石破碎块；针对传统破岩工况，在进行滚刀模拟破岩试验时，岩石试样块应施加平面围压。但在某些场合下，例如在二维滚刀侵岩分析案例中，则常将岩石试样块所处的平面围压状态进一步简化为单向对侧围压状态。然而，当处于临空面破岩工况这一特殊情况下工作时，掌子面上的待切削岩石还存于一种三向围压状态，即待切削岩石三个侧面均受到围压作用，而余下与滚刀中间平面相邻的一侧面(也即临空面)为自由面。中国专利《一种新型破岩方法及破岩滚刀》(公开号为：CN201410206457)将临空面破岩工况称之为滚刀片削破岩法，即初始状态下，在掌子面中心处(利用滚刀、激光切割、水射流、火焰喷射等方法)先行开挖出较深的中心破碎区，其中心破碎区的边界面为临空面；随后，利用与临空面相邻的滚刀回转滚压该掌子面，此时，所述滚刀产生的切削应力仅传递至该临空面上(因掌子面上的岩体不再连续，故无法把该应力继续传递下去)，并在该临空面周围集中；所述滚刀与该临空面一侧的岩石最终会因侧向裂纹与该临空面交汇而形成较大的岩石破碎块，导致中心破碎区的外径进一步扩大，并形成新的临空面；随着刀盘回转滚压破岩运动的持续进行，与所述新临空面相邻的滚刀同样参与回转滚压破岩，这样一来，将掌子面的岩石沿所述新临空面层层片削下来。与TBM传统破岩工况不同，临空面破岩工况下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用连杆机构实现的岩石围压施加装置，包括加载板、水平变幅机构、定块机构、集热导热块、加热元件，其特征在于：/n水平变幅机构包括主动摇杆、从动摇杆和过渡连杆；主动摇杆和从动摇杆均为连架杆；过渡连杆为连杆；在主动摇杆的驱动下，从动摇杆绕机架做相对摆动，过渡连杆的杆端始终作水平移动；/n定块机构包括螺纹连接杆、从动连杆、导筒；导筒竖直放置，且固接在机架上；螺纹连接杆垂向活动地嵌设于导筒内，且螺纹连接杆的末段同样活动地穿过导筒；所述螺纹连接杆的末段开设有外螺纹；从动连杆与所述螺纹连接杆远离外螺纹段的末段活动地铰接；/n螺纹连接杆外伸于导筒的外螺纹段利用紧固螺母将螺纹连接杆与导筒紧固连接；/n加载板正对设置于岩石试样块上部任一加载侧面；加载板的背面与所述过渡连杆的杆端通过高副连接；加载板仅相对于机架作水平运动；/n主动摇杆的末端活动地铰接有滑块；滑块活动地套设于从动连杆上，滑块可沿从动连杆的杆长方向相对滑动；/n当紧固螺母在室温状态下初步预紧时，加载板与所述加载侧面贴合并接触；/n集热导热块的侧面上开设有轴线相互平行的螺纹连接杆通过孔和加热元件安装孔；螺纹连接杆活动地穿过螺纹连接杆通过孔，以便将集热导热块套装在螺纹连接杆上；所述加热元件插入加热元件安装孔内，可借助集热导热块将所述螺杆从室温加热至指定温度。/n...

【技术特征摘要】
20190322 CN 2019102243072;20190506 CN 2019103693691.一种利用连杆机构实现的岩石围压施加装置，包括加载板、水平变幅机构、定块机构、集热导热块、加热元件，其特征在于：
水平变幅机构包括主动摇杆、从动摇杆和过渡连杆；主动摇杆和从动摇杆均为连架杆；过渡连杆为连杆；在主动摇杆的驱动下，从动摇杆绕机架做相对摆动，过渡连杆的杆端始终作水平移动；
定块机构包括螺纹连接杆、从动连杆、导筒；导筒竖直放置，且固接在机架上；螺纹连接杆垂向活动地嵌设于导筒内，且螺纹连接杆的末段同样活动地穿过导筒；所述螺纹连接杆的末段开设有外螺纹；从动连杆与所述螺纹连接杆远离外螺纹段的末段活动地铰接；
螺纹连接杆外伸于导筒的外螺纹段利用紧固螺母将螺纹连接杆与导筒紧固连接；
加载板正对设置于岩石试样块上部任一加载侧面；加载板的背面与所述过渡连杆的杆端通过高副连接；加载板仅相对于机架作水平运动；
主动摇杆的末端活动地铰接有滑块；滑块活动地套设于从动连杆上，滑块可沿从动连杆的杆长方向相对滑动；
当紧固螺母在室温状态下初步预紧时，加载板与所述加载侧面贴合并接触；
集热导热块的侧面上开设有轴线相互平行的螺纹连接杆通过孔和加热元件安装孔；螺纹连接杆活动地穿过螺纹连接杆通过孔，以便将集热导热块套装在螺纹连接杆上；所述加热元件插入加热元件安装孔内，可借助集热导热块将所述螺杆从室温加热至指定温度。


2.根据权利要求1所述的一种利用连杆机构实现的岩石围压施加装置，其特征在于：在利用紧固螺母将螺纹连接杆与导筒紧固连接时，还应设置垫片；设置一对紧固螺母于所述螺纹连接杆外伸于导筒的外螺纹段上。


3.根据权利要求2所述的一种利用连杆机构实现的岩石...

【专利技术属性】
技术研发人员：张魁，钟世燊，李艳，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43