一种离心加载测岩石的抗拉强度的实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于岩石实验技术领域，具体涉及一种利用离心加载的方法来测得岩石的抗拉强度的装置及实验方法。

背景技术

目前对于岩石抗拉强度的测试可分为两类，一种是间接拉伸实验，比如巴西劈裂法、点荷载法、正方形板对轴压裂实验等等。其中使用最广的为巴西劈裂法，即在圆柱体的岩石试件的直径方向上放入上下两根垫条，施加相对的线性荷载，使之沿试件直径向破坏，用以间接地测得试件的抗拉强度。另一类就是直接拉伸实验，通过夹具夹持试样的两端进行试样的抗拉强度测试，但对于夹具夹持的位置处，如一种岩石抗拉强度测试及其实验方法 (CN201810463521.9)会出现应力集中，由于岩石的脆性，用这种方法有一定的局限性。目前直接测岩石抗拉强度的较为准确的有霍普金森杆实验，但是其制造成本较大，占地面积也有一定的需求。虽然对于岩石抗拉强度的直接拉伸实验会受到种种难题，但相对于间接拉伸实验的误差而言，追求其他的直接拉伸实验的方法是对岩石抗拉强度准确测试的一种突破途径。

现有的一种利用离心力测定土体抗拉强度的实验仪器以及实验方法(201510145188.3)为本发明提供了思路，即通过设计一种离心加载测岩石的抗拉强度的实验装置，以及与此装置配套的实验方法。

发明内容

为了解决现有的技术问题，本发明提出一种离心加载测岩石的抗拉强度的实验装置及实验方法。

本发明的实验对象为，抗拉强度不超过约15MPa的岩石试样和人为所浇筑的岩土试样(对于抗拉强度测试的上限约束，是受目前电机最大转速的影响，在制作装置时应根据需要确定电机的功率，本发明所确定的抗拉强度上限是根据20000r/min的转速所近似确定的。)，对于超过此抗拉强度的岩石，可以使用转速更高的电机制作，或者利用巴西劈裂实验和者霍普森拉杆实验方法来进行测试。以下仅针对两端具有凹槽的岩石试样进行说明，其他类型试样原理相同。

两端具有凹槽的岩石试样将被水平放置于该发明装置中，且以试样的中心为轴作水平旋转，利用高速旋转产生的岩石试样两端方向相反的离心力代替拉力来使得岩石试样被拉裂，以求满足岩石抗拉强度的直接拉伸实验，再通过相应的装置测出岩石试样在不同转速的条件下岩石试样被拉裂的情况，如此再通过相应的计算机程序以岩石试样在不同拉应力与岩石试样被拉裂的程度做出一个关于岩石抗拉强度σ和岩石形变ε函数图出来。

为了实现以上的目的，本发明所采用的技术方案为：

一种离心加载测岩石的抗拉强度的实验装置，包括电机，电机受变频器控制(通过变频器来控制电机的转速且变频器通过无线连接，将电机的转速传输到计算机的程序中去)，且电机连接着传动轴；

进一步的，所述传动轴，其一端与电机相连，另一端具有齿轮，其齿轮用以与转盘相啮合；

进一步的，所述转盘，为一圆环柱体，其分为上下两部分，转盘下部分的内侧具有齿轮，用以与传动轴一端的齿轮相啮合，转盘的上部分用以安装线路，同时转盘的上表面处装有两根固定架；

进一步的，所述固定架，主体结构为空心杆，其杆上部分具有一定部分的螺纹凹槽，在固定架的螺纹凹槽以下的一部分外侧安装力敏电阻盒，且在安装力敏电阻盒的位置处，固定架预留一小孔，两根固定架应安装在转盘上表面圆环的同一个直径上，即固定架的一端固定在转盘的上表面，另一端具有螺纹凹槽，用以连接支架；

进一步的，所述力敏电阻盒，其盒外侧具有电阻调节阀，用以调节弹簧伸缩杆的长度，从而来调节力敏电阻与岩石试样的初始压力，对于其安装位置处的小孔，用以接通电路，即将力敏电阻所受的压力状态通过电信号传达到信号输出端，再通过无线连接，将相应数据从信号输出端传给相应计算机的程序中；

进一步的，所述螺纹凹槽，通过嵌入螺母，将支架固定在固定架的上端；所述嵌入螺母，为内侧有螺纹与支架连接，外侧也有螺纹与固定架连接；

进一步的，所述支架，形如‘T’，其下端具有螺纹，用以拧在嵌入螺母的内侧，此外，支架上部的一端也具有螺纹且装有配重环，另一端为空心杆，且此端具有固定垫，用以支撑岩石试样的重量，同时可以调节固定垫在岩石样的凹槽位置使得岩石试样的中心与转盘的圆心的连线垂直于转盘平面；

进一步的，所述配重环，为安装在支架一端的具有一定质量的“螺母”，通过在支架一端的螺纹上转动，使得岩石试样以其中心为界，左右两部分达到平衡，如此便能使得岩石试样能一直绕着岩石试样中心与转盘圆心的连线旋转；

进一步的，所述固定垫，通过支架的空心端，向固定垫里充入气体，使得加载垫与岩石试样凹槽内壁紧密接触，用以将岩石试样的重量传递到支架上去，同时也能保证在实验过程中，固定垫给岩石试样提供逐渐增大的始终水平垂直于岩石试样的切向力；

进一步的，所述电路，当岩石试样在自身的旋转达到一定的速度时，岩石试样产生裂隙的时候会对增大与其接触到的力敏电阻的压力，改变力敏电阻的电阻值，再进而影响整个电路的电流值，然后通过信号输出端，以无线连接的方式，将电路的电流信号和电机的转速传递给相应的计算机程序；

进一步的，所述外壳，用以为实验提供一个近似真空的环境，以减少在岩石试样在旋转时空气所带来的阻力，为达到此目的，外壳需要笼罩整个实验装置，然后再通过外壳的抽气阀，将外壳内部的空气抽取出来，以求其内部是近似的真空环境。

进一步的，为了调整转盘的水平转动以及整个装置的稳定性，电机下端安装有底座，所述底座，用以将电机固定住，同时其与稳定架相连，通过四个水平夹角为90°的稳定架组合，共同保证整个装置在运行时的稳定性；

进一步的，所述稳定架，其一端通过螺母与底座相连接，另一端利用架脚纵向贯穿稳定架来调节其高度，如此，既保证了装置运行的稳定性，又能实现转盘的水平放置，同时又可对岩石试样的水平状态起到一个粗调的作用。

本发明的实验方法，通过离心加载，将离心力代替拉力，巧妙地避免的岩石试样因其脆性无法夹持的困扰，直接对岩石试样进行离心加载，不仅能够直接测得岩石试样的实际抗拉强度，而且还能通过相应程序对岩石抗拉强度σ和岩石形变ε做出函数图出来。且对于实验过程的干扰力，也能在实验之前准确的测得，如此可以提高岩石试样的抗拉强度的精准度。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意；

图2为传动轴与转盘的齿轮啮合；

图3为支架和固定架的连接图；

图4为稳定架和底座的俯视图；

图5为岩石拉力大小测算的分析图；

图中：1、电机；2、信号输出端；3、传动轴；4、转盘；5、电路；6、固定架；7、力敏电阻盒；8、支架；9、固定垫；10、岩石试样凹槽；11、排气阀；12、外壳；13、嵌入螺母；14、计算机；15、稳定架；16、底座；

其中：6-1、固定架螺纹；6-2、预留小孔；

7-1、电阻调节阀；7-2、力敏电阻；7-3、弹簧伸缩杆；

8-1、配重环；8-2、进气阀；8-3、支架螺纹；8-4、配重螺纹；

15-1、架脚；15-2、螺母；

具体实施方式：

下面将结合本发明的实施的例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2和图3所示，一种离心加载测岩石的抗拉强度的实验装置及实验方法，

实验前的准备工作：以岩石试样为例(岩石试样的规格为，比重为γ，高为L，半径为R，所开凹槽的半径为r，深度为m)，将支架(8)带有固定垫 (9)的一端塞进岩石试样凹槽(10)中。然后再记录充入固定垫(9)内的气体压强P，使得固定垫(9)正好卡在岩石试样的凹槽(10)处，然后在通过测力计，测出固定垫(9)与在岩石试样水平放置的最大静摩擦力f

进一步的，调节稳定架(15)上的架脚(15-1)，通过稳定底座(16)来保证在整个装置运行的时候，不会出现晃动的现象，同时也用水平测量尺放置在转盘的上表面，使得在调节架脚(15-1)的时候，转盘能达到一个水平状态。

进一步的，将嵌入螺母(13)与支架(8)下端的螺纹拧紧，然后再将支架 (8)放在固定架(9)上，反向旋转嵌入螺母(13)，进而将支架(8)固定在固定架(9)上；进一步的，调节力敏电阻盒(7)，使得力敏电阻(7-2)与岩石试样有初始压力，进一步的，在固定完支架(8)后，再调节支架(8)另一端的配重环(8-1)，以使得岩石试样在加载时，能绕着岩石试样的中心和转盘 (4)的圆心的这条线旋转。

实验过程:启动电机(1)，通过传动轴(3)带动转盘(4)，进而带动固定架 (6)、支架(8)、岩石试样开始转动(这里的电机的转速可以控制的，即电机的转动是逐渐加速的状态，所以岩石试样也是处于逐渐加速的状态。)通过一定时间的加速，岩石试样的左右两端的离心力越来越大，当达到岩石试样的抗拉强度时，岩石试样会产生裂隙，此时力敏电阻(7-2)的压力会发生改变，电路 (5)的电流信号会在压力显示器(2)通过无线连接传至计算机(14)，通过计算机(14)上的程序给出此时岩石试样左右两端固定架上的两个力敏电阻所受的压力f

对于实验的数据处理：岩石试样如此旋转，按理论上是试样中心所受的离心力最大，但岩石试样并不一定从中心产生裂隙，因此岩石试样左右两端的力敏电阻(7-2)所受的力可能不一样，这里取其两个力的最小值，假设f

如图5所示，易知：

F

因为目前的岩石抗拉强度大都小于15MPa，岩石的比重在2.0与5.0之间，初步估计当岩石试样的转速达到20000r/min左右，能达到要求，在制作此装置的时候可以按需选择电机的型号。

由以上所述，可总结出本装置的以下特点：

1)本装置通过离心力来代替拉力对岩石试样进行直接抗拉实验，其所测得的抗拉强度更与实际相符合。

2)本装置可以通过电路的无线连接，将岩石试样的抗拉强度实验的情况能通过相应程序对岩石抗拉强度σ和岩石形变ε做出函数图出来。

3)本装置的制造相对于霍普金森杆测岩石的抗拉强度，其制造成本相对会低一些，占地面积也会较小。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所设计的权利要求。