一种用于岩石双轴试验的可调侧向压力加载装置及其试验方法与流程

本发明涉及岩石力学与工程领域，具体为一种用于岩石试样双轴压缩室内试验的侧向压力加载装置及其试验方法。

背景技术：

在采矿、水利和交通等岩石工程中，岩石的强度特征是一项至关重要的基本参数，直接关系到工程的长期稳定及安全运营。在实验室条件下，开展岩石强度破坏的研究对于正确认识外载条件及其他影响因素对岩石强度的影响规律具有重要意义。然而，目前这方面的研究还主要集中在单轴加载或者常规三轴加载。在实际岩石工程中，由于开挖卸荷等原因改变岩体的受力状态，应力重新分布后经常会出现平面应力状态，也即双向受力状态(两对面上受力，另一对面不受力，即自由面)。但是，受限于双轴加载设备，关于岩石在双轴受力状态下的强度演化规律和破裂机制均还未得到深入的试验研究。因此，研制一种简单、适用于室内岩石试样双轴加载的试验装置是岩石力学工作者的迫切需求。

目前，关于岩石试件侧向加载装置的研究现状，简述如下：

1、《一种岩石围压加载实验装置及实验方法》发明专利公开了一种采用采用钢板围成的箱体、预应力螺栓和力矩扳手实现侧向加载的装置及方法(参见申请号201410080149.5，发明人夏彬伟，等)，该方法适用于低成本、较小应力的加载实验，但是对于较大应力加载和试验过程中及时调整围压值方面有所不足。

2、《机械破岩试验平台围压装置》发明专利公开了一种采用控制系统、液压系统及机械部分等实现破岩平台的围压装置(参见申请号：201310086456.X，发明人龚秋明，等)，该方法能够实现可调的侧压值，但是该装置结构复杂、成本高。

3、《实验室用岩石强度测试的围压加载装置》发明专利公开了一种采用圆柱形筒体、承载座及加载盖等组成的围压加载装置(参见申请号201420009131.1，发明人王新武，等)，该装置能够施加环向均布的围压，不能对长方体状岩样的进行侧向加载。

总之，目前关于岩石侧向加载装置还存在设备构造复杂、难以实现可调的侧向压力值等不足，急需研制一种简单、经济和有效的侧向加载试验装置。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于岩石双轴试验的可调侧向压力加载装置及其试验方法，构造简单、易于操作，且能够实现可调压力。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于岩石双轴试验的可调侧向压力加载装置，包括反力架、侧压箱体和手动压力泵，其中，所述反力架包括两个相同且对向设置的约束钢板，两个约束钢板之间通过若干根高强螺栓连接，其中一侧的约束钢板内侧设置有侧压箱体，另一侧约束钢板与侧压箱体之间放置有待测的岩石试样，所述手动压力泵的出气口与侧压箱体连通。

所述反力架包括两个相同且对向设置的约束钢板，分别为第一约束钢板和第二约束钢板，该两块约束钢板上分别开设有四个较大螺栓孔，两块约束钢板上的螺栓孔一一对应，并通过四根较大高强螺栓穿过两个约束钢板上的较大螺栓孔固定，且较大高强螺栓的端部固定有较大高强螺母；其中一侧的约束钢板上设置有四个较小螺栓孔，并通过四根较小高强螺栓和四个较小高强螺母固定一块第三约束钢板，所述第三约束钢板的面积小于第一约束钢板。

所述侧压箱体包括一块第四约束钢板，第四约束钢板上开设有四个较大螺栓孔，且该四个较大螺栓孔与第一约束钢板和第二约束钢板上的较大高强螺栓位置对应；第四约束钢板上远离岩石试样的一侧连接有刚性箱体，该刚性箱体远离岩样的一个侧面临空，刚性箱体内部置有与刚性箱体在高度和宽度上匹配，但其平行于较小高强螺栓方向的长度短于刚性箱体的橡胶套，在刚性箱体和橡胶套上开设有一个连接孔，用于连接手动压力泵的出气口。

所述的手动压力泵包括手持摇把、压力表、盛水容器、软管、阀门以及缸体，其中，所述手持摇把设置于缸体的一端，手持摇把与位于缸体内的活塞连接，缸体的另一端连接有软管，软管上设置有压力表；所述缸体上还连接有盛水容器；所述阀门为两个，其中一个设置于盛水容器与缸体的连接处，另一个设置于软管上。

所述岩石试样的两侧放置有刚性垫块。

一种用于岩石双轴加载试验的可调侧向压力加载试验方法，包括以下步骤：

步骤一，将侧压箱体套入到四根较小高强螺栓上，刚性箱体在远离岩样一侧的临空面正好嵌套在反力架的第三约束钢板上，并用较小高强螺母将两侧第一约束钢板和第二约束钢板固定；

步骤二，将手动压力泵中的软管的出口端与侧压箱体及橡胶套中的连接孔相连接；

步骤三，将岩石试样置于反力架中间位置，并选用尺寸合适的刚性垫块置于岩石试样的两侧，则整个装置组装完成；

步骤四，通过手动压力泵对橡胶套加载，推动侧压箱体向岩石试样一端移动，反力架两端的约束钢板提供反力，从而实现对岩石试样的侧向加载；观察压力表实时显示的侧向压力值，并且通过手动压力泵及时加载和卸载，实现试验过程中侧向压力调节。

有益效果：本发明采用简单的反力架、侧压箱和手动压力泵即可对板状岩样施加侧向压力。该加载系统构造简单、组装方便、操作便捷以及成本较低。试验过程中通过调整压力泵即可改变侧压值，实现试验过程中侧向压力可调。结合简单轴向单轴加载试验机即可实现岩石试样双轴加载试验。通过改变垫块位置，结合简单轴向单轴加载试验机即可实现岩样直剪试验。通过改变刚性垫块尺寸，可以进行岩石尺寸效应岩样研究。

附图说明

图1为岩石试样双轴加载装置及试验方法示意图；

图2为反力架的示意图；

图3为侧压箱体的示意图；

图4为手动压力泵的示意图。

图中：1—刚性垫块；2—反力架；3—侧压箱体；4—手动压力泵；5—岩样；61—较大高强螺栓；62—较小高强螺栓；71—较大高强螺母；72—较小高强螺母；81—第一约束钢板；82—第二约束钢板；83—第三约束钢板；84—第四约束钢板；91—较大螺栓孔；92—较小螺栓孔；10—刚性箱体；11—橡胶套；12—连接孔；13—摇把；14—压力表；15—盛水容器；16—软管；17—阀门；18—缸体；19—活塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种用于岩石双轴试验的可调侧向压力加载装置，包括反力架2、侧压箱体3和手动压力泵4，其中，所述反力架2包括两个相同且对向设置的约束钢板，两个约束钢板之间通过若干根高强螺栓连接，其中一侧的约束钢板内侧设置有侧压箱体3，另一侧约束钢板与侧压箱体3之间放置有待测的岩石试样5，所述手动压力泵4的出气口与侧压箱体3连通。

如图2，反力架2包括两个相同且对向设置的约束钢板，分别为第一约束钢板81和第二约束钢板82，该两块约束钢板上分别开设有四个较大螺栓孔91，两块约束钢板上的螺栓孔一一对应，并通过四根较大高强螺栓61穿过两个约束钢板上的较大螺栓孔91固定，且较大高强螺栓61的端部固定有较大高强螺母71；其中一侧的约束钢板上设置有四个较小螺栓孔92，并通过四根较小高强螺栓62和四个高强螺母72固定一块第三约束钢板83，所述第三约束钢板83的面积小于第一约束钢板81。

如图3，侧压箱体3包括一块第四约束钢板84，第四约束钢板84上开设有四个较大螺栓孔91，且该四个较大螺栓孔91与第一约束钢板81和第二约束钢板82上的较大螺栓孔91位置对应；第四约束钢板84上远离岩石试样5的一侧连接有刚性箱体10，该刚性箱体10远离岩样的一个侧面临空，刚性箱体10内部置有与刚性箱体10在高度和宽度上匹配，但其平行于较小高强螺栓62方向的长度短于刚性箱体的橡胶套11，在刚性箱体10和橡胶套11上开设有一个连接孔12，用于连接手动压力泵4的出气口。

如图4，手动压力泵4包括手持摇把13、压力表14、盛水容器15、软管16、阀门17以及缸体18，其中，所述手持摇把13设置于缸体18的一端，手持摇把13与位于缸体18内的活塞19连接，缸体18的另一端连接有软管16，软管16上设置有压力表14；所述缸体18上还连接有盛水容器15；所述阀门17为两个，其中一个设置于盛水容器15与缸体18的连接处，另一个设置于软管16上。其中，盛水容器15中装有一定量的水，通过压力泵注入橡皮套11，从而产生侧压力。

所述岩石试样5的两侧放置有刚性垫块1。

本发明中所述的较大高强螺栓61，较小高强螺栓62，较大高强螺母71，较小高强螺母72，较大螺栓孔91，较小螺栓孔92，是指两种规格的高强螺栓、高强螺母、螺栓孔之间相对尺寸的大小。

一种用于岩石双轴加载试验的可调侧向压力加载试验方法，包括以下步骤：

步骤一，将侧压箱体3套入到四根较小高强螺栓62上，刚性箱体10在远离岩样一侧的临空面正好嵌套在反力架2的第三约束钢板83上，并用较小高强螺母72将两侧第一约束钢板81和第二约束钢板82固定；

步骤二，将手动压力泵4中的软管16的出口端与侧压箱体3及橡胶套11中的连接孔12相连接；

步骤三，将岩石试样5置于反力架2中间位置，并选用尺寸合适的刚性垫块1置于岩石试样5的两侧，则整个装置组装完成；

步骤四，通过手动压力泵4对橡胶套11加载，推动侧压箱体3向岩石试样5一端移动，反力架2两端的约束钢板提供反力，从而实现对岩石试样5的侧向加载；观察压力表14实时显示的侧向压力值，并且通过手动压力泵4及时加载和卸载，实现试验过程中侧向压力调节。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。