[發明專利]一種壓裂式巖土抗拉強度測試裝置和方法

有效

• 申請號: 201810310994.5
• 申請日: 2018-04-09
• 公開（公告）號: CN108562479B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 李彥榮;趙金貴;王永峰
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02;G01N3/08
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

本發明公開一種壓裂式巖土抗拉強度測試裝置和方法，測試對象為圓柱狀的土或軟巖試樣。該裝置包括機械結構和控制裝置；試樣安裝于豎向設置的被動壓裂桿和主動壓裂桿之間，通過調節定心架，將試樣對中并貼合于被動壓裂桿；主動壓裂桿沿水平方向推進，對試樣完成壓裂；主動壓裂桿的推進速率由控制裝置的速率控制器來控制；數據采集模塊采集并存儲壓力、位移數據，并在顯示屏上實時圖形化顯示；測試結束后數據分析模塊計算出抗拉強度值。該裝置輕便、結構緊湊；試驗無需額外零部件，系統誤差小；試樣安裝方便、操作簡單、試驗效率高；試樣豎向安放，穩固無滑移，采用定心架規范試樣位置，避免了偏應力的產生，確保試樣破壞效果統一，測試結果準確可靠。

技術領域

本發明具體涉及一種壓裂式巖土抗拉強度測試裝置和方法，屬于巖土力學強度試驗裝置領域。

背景技術

抗拉強度是指材料對外界荷載所產生的拉應力的極限抵抗能力。目前，測試巖土體抗拉強度的方法，主要有單軸拉伸法、巴西劈裂法和軸向壓裂法。

單軸拉伸法是在試樣兩端直接施加拉力，直至試樣被拉斷。通過斷裂時斷面的應力和面積來計算抗拉強度。單軸拉伸法在測試中可觀察到試樣受力拉伸直至破壞的完整過程，能直觀地反應試樣受拉破壞的力學行為。但是，對于土體和軟巖材料，單軸拉伸法中存在試樣安裝困難的問題。目前單軸拉伸試驗常采用夾具或高分子膠水，將圓柱狀試樣的兩個端頭與拉桿連接固定，通過對拉桿施加拉伸荷載，實現對試樣的拉伸破壞。固定夾具為兩個半圓形夾片，利用螺絲將兩個夾片對扣緊固，從而固定試樣的兩個端頭。由于土體和軟巖硬度小，脆性大，在緊固過程中試樣端頭容易被擠壓破壞。其次，試樣兩端夾具對中困難，測試過程中易產生偏心力，對測試結果造成影響。再者，拉伸過程中夾具與試樣之間易產生相對滑動，試樣的真實形變量難以測得。采用高分子膠水粘結試樣端頭，易使試樣端部的內部結構遭到破壞，試樣與拉桿難以粘結緊固，拉伸過程中試樣與拉桿間易發生脫離。

巴西劈裂法是將圓柱狀試樣平置，在其上下位置襯墊劈裂墊條，通過對劈裂墊條施加荷載，對試樣實現劈裂。巴西劈裂法的實際操作中，存在墊條擺放不易操控的問題。規范要求，墊條必須對稱放置于試樣上下，且要求兩墊條同試樣的接觸線應處于試樣的豎直縱切面上。但由于墊條尺寸較小，人為擺放效果難以達到規范要求，受壓時易出現偏心壓力，導致錯誤的測試結果。此外，在施壓過程中劈裂墊條容易發生滑移，導致試驗失敗。

軸向壓裂法是在圓柱試樣的上下端面放置小直徑柱體墊塊，在墊塊上施加荷載，將試樣壓裂破壞。在實際操作中，上下圓柱襯墊難于精準對中，導致試樣偏心受壓。此外，試驗壓裂效果難統一，壓裂破壞后的試樣通常不會出現規范要求的圓錐形破裂面和多條沿徑向的獨立裂紋，影響測試結果。

除上述問題之外，現行的抗拉強度測試方法中，試驗荷載一般由萬能試驗機提供，所需零部件多，且相關零部件，如夾具、墊條、襯墊等，需要額外加工定制，整套測試系統價格高昂，體積龐大，不便搬移。同時，試驗過程需要多人配合，操作復雜繁瑣，效率低。試驗人工操作步驟多，零部件的安裝或放置難以達到精確控制，影響最終試驗效果。

發明內容

本發明旨在提供一種壓裂式巖土抗拉強度測試裝置和方法。該裝置將機械結構與計算機程序相結合，高度集成為一體，大幅度縮小了測試裝置的體積；整個裝置結構輕便簡潔、便于搬運，大幅度簡化了實驗操作，提高了實驗效率。

本發明的測試對象為圓柱狀的土體或軟巖試樣。測試時試樣豎向安放，壓裂桿沿水平方向對試樣施加壓力，確保測試過程中試樣始終保持穩定狀態，無滑移現象，規避了巴西劈裂法中試樣因水平放置和軸向壓裂法試樣因下端放置小尺寸墊塊所引起的失穩問題。裝置簡化了試驗操作，試驗效率高，試樣放置于測試區即可，無需夾具、膠水或其他額外零部件固定試樣，避免了對試樣結構造成破壞。裝置采用定心架規范試樣位置，可確保兩個壓裂桿處于試樣的同一中心面，規避了直接拉伸法、巴西劈裂法和軸向壓裂法中易出現偏心力的問題，保證了測試結果的精準性。壓裂面貼合于中心面，試樣的破壞效果統一，測試結果可靠。