本發(fā)明屬于工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種巖石單軸抗壓強(qiáng)度多尺度試驗(yàn)機(jī)橫向加載裝置及試驗(yàn)方法，適應(yīng)于不同尺寸的巖石抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

背景技術(shù)：

利用單軸壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試巖石的抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)是工程界等常用的試驗(yàn)方法。從資料查詢來(lái)看，巖石抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)設(shè)備是常規(guī)的力學(xué)設(shè)備。但目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的試驗(yàn)機(jī)測(cè)試巖石試樣的尺寸規(guī)格較少且尺寸較小，往往只能測(cè)試單一尺寸或者測(cè)試兩至三種尺寸。設(shè)備的主要局限性表現(xiàn)為：(1)隨著試樣截面尺寸的增大，儀器的加壓荷載會(huì)按面積的比例增大(即按一維尺寸比例的平方增大)，根據(jù)目前市場(chǎng)上調(diào)研的結(jié)果，通過(guò)伺服液壓控制加載的荷載一般最大達(dá)到10000KN左右，以方形100mm*100mm*100mm的巖石試樣為例，若其抗壓強(qiáng)度為100MPa，則法向荷載的壓力值將達(dá)到1000KN；在不考慮抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的情況下，400mm*400mm*400mm的巖石試樣，其一維尺寸比例為100mm*100mm*100mm的巖石試樣4倍，在不考慮抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)等因素的影響下，其則法向荷載的壓力值將達(dá)到16000KN，常規(guī)的荷載值已不能滿足該尺寸的試樣。(2)個(gè)別試驗(yàn)機(jī)只通過(guò)調(diào)整試樣(試樣形狀多為棱柱體或圓柱體)的長(zhǎng)度開展尺寸效應(yīng)試驗(yàn)，即試驗(yàn)加壓的截面尺寸不變(該截面為方形或圓形)，而試樣長(zhǎng)度按比例增大。該方法由于加載的試樣截面面積不變，因此加壓荷載不會(huì)隨著尺寸長(zhǎng)度按比例增大，通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)更大的試驗(yàn)尺寸，克服了上述第一點(diǎn)的問(wèn)題，但會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)豎向框架尺寸往往較大，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室空間無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的擺放。此外，大跨度的試驗(yàn)豎向液壓缸懸空，沒(méi)有導(dǎo)向軌等側(cè)向支撐，容易發(fā)生試件失穩(wěn)，對(duì)加載的液壓缸等構(gòu)件造成破壞。目前市場(chǎng)上的試驗(yàn)以豎向加載為主。試驗(yàn)機(jī)加載長(zhǎng)度也以小尺寸試樣為主。

可見，由于受試驗(yàn)加載力的大小，以及試驗(yàn)空間等多種條件的限制，巖石單軸抗壓強(qiáng)度多尺度試驗(yàn)機(jī)在滿足大尺度試樣的試驗(yàn)上還未見有突破。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有巖石單軸抗壓強(qiáng)度不能開展多尺度的試驗(yàn)，特別是不能開展大尺寸試樣的抗壓試驗(yàn)的不足，本發(fā)明提供了一種巖石單軸抗壓強(qiáng)度多尺度試驗(yàn)機(jī)橫向加載裝置，通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)機(jī)框架結(jié)構(gòu)，將加載框架設(shè)置成橫向的結(jié)構(gòu)機(jī)架，以實(shí)現(xiàn)大跨度的試樣加載試驗(yàn)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種巖石單軸抗壓強(qiáng)度多尺度試驗(yàn)機(jī)橫向加載裝置，所述橫向加載裝置包括框架、荷載加載機(jī)構(gòu)和載荷導(dǎo)向及支撐機(jī)構(gòu)，所述荷載加載機(jī)構(gòu)分布在框架的兩側(cè)，其中一個(gè)載荷加載機(jī)構(gòu)具有自鎖組件，兩個(gè)荷載加載機(jī)構(gòu)的動(dòng)作端相對(duì)設(shè)置且相互之間為供試樣放置的加載工位，所述荷載加載機(jī)構(gòu)的下方設(shè)有所述載荷導(dǎo)向及支撐機(jī)構(gòu)，所述載荷導(dǎo)向及支撐機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)軌槽、移動(dòng)滑輪和用于支撐荷載加載機(jī)構(gòu)的支撐臺(tái)，所述導(dǎo)軌槽設(shè)在框架內(nèi)，所述導(dǎo)軌槽內(nèi)裝有移動(dòng)滑輪，所述支撐臺(tái)的兩端安裝所述移動(dòng)滑輪，所述移動(dòng)滑輪的移動(dòng)方向與所述荷載加載機(jī)構(gòu)的動(dòng)作方向平行。

進(jìn)一步，所述荷載加載機(jī)構(gòu)包括伸縮式油缸、試驗(yàn)力傳感器和加載板，所述伸縮式油缸安裝在框架上，所述伸縮式油缸的動(dòng)作端與試驗(yàn)力傳感器的一端連接，所述試驗(yàn)力傳感器的另一端與加載板連接。

優(yōu)選的，一側(cè)的伸縮式油缸為加載油缸，另一側(cè)的伸縮式油缸為支撐油缸，所述支撐油缸帶有機(jī)械式自鎖組件。

再進(jìn)一步，所述橫向加載裝置還包括試件高度調(diào)節(jié)裝置，所述試件高度調(diào)節(jié)裝置包括下部調(diào)節(jié)裝置，所述下部調(diào)節(jié)裝置與移動(dòng)導(dǎo)軌槽連接。

所述下部調(diào)節(jié)裝置為絲杠機(jī)構(gòu)。

更進(jìn)一步，所述試件高度調(diào)節(jié)裝置包括上部調(diào)節(jié)裝置，所述上調(diào)節(jié)裝置安裝在所述下調(diào)節(jié)裝置的上端，所述上調(diào)節(jié)裝置包括內(nèi)螺絲和內(nèi)螺絲扣，所述內(nèi)螺絲可升降地安裝在內(nèi)螺絲扣內(nèi)。

所述橫向加載裝置還包括拼接式輕質(zhì)鋼化玻璃，所述拼接式輕質(zhì)鋼化玻璃包括側(cè)向鋼化玻璃和頂蓋鋼化玻璃。

所述側(cè)向鋼化玻璃可上下移動(dòng)地設(shè)置在框架兩側(cè)，所述頂蓋鋼化玻璃可內(nèi)外移動(dòng)地設(shè)置在寬假頂部?jī)蓚?cè)，所述側(cè)向鋼化玻璃和頂蓋鋼化玻璃圍成封閉加工空間。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

(1)通過(guò)橫向加載裝置實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)機(jī)的加載機(jī)構(gòu)從縱向向橫向的空間跨度的轉(zhuǎn)換，克服了尺寸效應(yīng)試驗(yàn)機(jī)由于試樣長(zhǎng)度過(guò)大，導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)的縱向框架高度太高，影響室內(nèi)的空間放置。

(2)橫向加載裝置中設(shè)有載荷導(dǎo)向及支撐機(jī)構(gòu)，克服了縱向加載試驗(yàn)機(jī)為了適應(yīng)不同尺寸試樣的試驗(yàn)，由于油缸或試樣伸出過(guò)長(zhǎng)，容易在試樣破壞瞬間容易導(dǎo)致的加載失穩(wěn)現(xiàn)象。表現(xiàn)為：油缸伸出端置于支撐機(jī)構(gòu)上，以免油缸伸長(zhǎng)量過(guò)大，產(chǎn)生向下彎矩，對(duì)油缸起到保護(hù)作用；支撐機(jī)構(gòu)沿著導(dǎo)軌槽軸向滑動(dòng)，可對(duì)油缸沿軸向引導(dǎo)，更好的保護(hù)由于施壓產(chǎn)生側(cè)摩阻力導(dǎo)致的彎矩對(duì)油缸的影響。支撐機(jī)構(gòu)可在導(dǎo)軌槽內(nèi)滑動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同長(zhǎng)度的油缸進(jìn)行支撐。

(3)底部支撐裝置設(shè)有兩節(jié)高度調(diào)節(jié)裝置，下部調(diào)節(jié)裝置在導(dǎo)軌槽內(nèi)移動(dòng)，可滿足不同長(zhǎng)度試樣的支撐和定位。上部調(diào)節(jié)裝置在對(duì)試樣預(yù)壓后，上部調(diào)節(jié)裝置可微調(diào)，保證了試樣只受單軸壓縮，但下部調(diào)節(jié)裝置保持原伸出的高度，可對(duì)試樣起到保護(hù)作用。

(4)設(shè)備兩側(cè)邊和上部均設(shè)有塑鋼玻璃防護(hù)罩，兩側(cè)邊防護(hù)罩不能移動(dòng)，上部為可移動(dòng)式，保證試樣在破壞時(shí)，碎屑不會(huì)彈射至外部。

(5)調(diào)節(jié)裝置可互相轉(zhuǎn)換，可用于方形試樣，或者是圓形試樣。

(6)通過(guò)調(diào)節(jié)承壓板，可實(shí)現(xiàn)直徑不同的試驗(yàn)切換。

附圖說(shuō)明

圖1是小試樣安裝結(jié)構(gòu)平面示意圖。

圖2是小試樣安裝結(jié)構(gòu)立面示意圖。

圖3是大試樣安裝結(jié)構(gòu)平面示意圖。

圖4是大試樣安裝結(jié)構(gòu)立面示意圖。

其中，1、框架；2、載荷導(dǎo)向及支撐機(jī)構(gòu)；3、側(cè)向鋼化玻璃；4、荷載加載機(jī)構(gòu)；5、頂蓋鋼化玻璃；6、試樣；7、試件兩級(jí)高度調(diào)節(jié)裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1～圖4，一種巖石單軸抗壓強(qiáng)度多尺度試驗(yàn)機(jī)橫向加載裝置，包括框架1、荷載加載機(jī)構(gòu)4、載荷導(dǎo)向及支撐機(jī)構(gòu)2、試件兩級(jí)高度調(diào)節(jié)裝置7和拼接式鋼化玻璃等。

荷載加載機(jī)構(gòu)4由分布在框架兩側(cè)的伸縮式油缸、伺服電機(jī)、試驗(yàn)力傳感器、加載板等組成，每套均有兩組(圖中為示意圖，該試驗(yàn)機(jī)的框架長(zhǎng)度和油缸長(zhǎng)度可根據(jù)試驗(yàn)試樣長(zhǎng)度的需要進(jìn)行制造，圖中示意的試驗(yàn)最大長(zhǎng)度與最小長(zhǎng)度的比例為10倍)。兩側(cè)的油缸一個(gè)為加載油缸，另一個(gè)為支撐油缸，兩個(gè)油缸均可沿軸向伸縮，其中支撐油缸具有自鎖功能。根據(jù)不同試樣長(zhǎng)度的試驗(yàn)，預(yù)先將支撐油缸伸出，通過(guò)機(jī)械式自鎖固定支撐油缸，然后安置試樣，再通過(guò)加載油缸的伸出進(jìn)行加載。

兩側(cè)油缸下均設(shè)有載荷導(dǎo)向及支撐機(jī)構(gòu)2，由導(dǎo)軌槽、移動(dòng)滑輪和油缸支撐臺(tái)組成。導(dǎo)軌槽設(shè)在框架內(nèi)(在上側(cè)刻有刻度)，導(dǎo)軌槽內(nèi)裝有移動(dòng)滑輪，通過(guò)滑輪移動(dòng)，該機(jī)構(gòu)將隨著油缸一起伸縮，用于支撐兩個(gè)上部油缸的重量，起到保護(hù)油缸在伸出過(guò)長(zhǎng)后，減少其自重彎矩對(duì)油缸的影響。

試樣6安置在整個(gè)框架1的中心，試樣正下方設(shè)有三組兩節(jié)高度調(diào)節(jié)裝置，每組調(diào)節(jié)裝置均可在移動(dòng)導(dǎo)軌槽內(nèi)移動(dòng)，根據(jù)試樣的長(zhǎng)度選擇調(diào)節(jié)裝置的組數(shù)。該調(diào)節(jié)裝置分為兩級(jí)，包括上部調(diào)節(jié)裝置和下部調(diào)節(jié)裝置，下部調(diào)節(jié)裝置與移動(dòng)導(dǎo)軌槽相連，下部調(diào)節(jié)裝置可通過(guò)內(nèi)部絲杠進(jìn)行調(diào)節(jié)高度。上部調(diào)節(jié)裝置高度為0-10mm，其置入在下部調(diào)節(jié)裝置中，設(shè)有內(nèi)螺絲，通過(guò)內(nèi)螺絲扣調(diào)節(jié)上下高度。試樣安置前，兩部調(diào)節(jié)裝置均伸出至最高點(diǎn)，試樣放置在上部調(diào)節(jié)裝置上，待對(duì)試樣施加一定的預(yù)壓力后，將上部調(diào)節(jié)裝置縮回一定長(zhǎng)度，下部調(diào)節(jié)裝置則保持原伸出的高度，以對(duì)試樣起到保護(hù)作用。

拼接式輕質(zhì)鋼化玻璃，共由四塊鋼化玻璃組成，兩塊為側(cè)向鋼化玻璃3，設(shè)置在外框架兩側(cè)，可在側(cè)邊內(nèi)上下移動(dòng)；兩塊為頂蓋鋼化玻璃5，設(shè)置在外框架頂部?jī)蓚?cè)，可在上頂蓋兩側(cè)邊內(nèi)移出。在載荷加載前，將四塊玻璃全部移出，通過(guò)中間扣鎖扣緊。

本實(shí)施例的加載過(guò)程如下：

試驗(yàn)前，首先將鋼化玻璃打開，將加載油缸縮回。根據(jù)試樣的長(zhǎng)度，先移動(dòng)油缸支撐平臺(tái)，根據(jù)導(dǎo)軌槽上的刻度，固定兩組機(jī)構(gòu)的位置，然后伸出支撐油缸至固定的位置(根據(jù)不同長(zhǎng)度的試樣，控制伸出的油缸長(zhǎng)度)，通過(guò)機(jī)械式自鎖固定支撐油缸。

然后根據(jù)試樣的長(zhǎng)度，選擇兩節(jié)高度調(diào)節(jié)裝置的組數(shù)(當(dāng)開展最小試樣試驗(yàn)時(shí)，可只伸出一組調(diào)節(jié)裝置；中等長(zhǎng)度試樣試驗(yàn)時(shí)，可伸出兩組調(diào)節(jié)裝置；最長(zhǎng)試樣試驗(yàn)時(shí)，可伸出三組調(diào)節(jié)裝置)。將調(diào)節(jié)裝置中的上部調(diào)節(jié)裝置和下部調(diào)節(jié)裝置均伸出至最高點(diǎn)，然后在上部調(diào)節(jié)裝置上部安置試樣。

然后通過(guò)加載油缸，對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)壓(此時(shí)加載荷載較低)，當(dāng)加載板與試樣的摩擦力大于試樣的自重時(shí)，通過(guò)螺絲扣縮回上部調(diào)節(jié)裝置的伸長(zhǎng)量，下部調(diào)節(jié)裝置依舊保持原伸長(zhǎng)量不變。該方法保證了試樣只受單軸壓縮，此外，由于上部調(diào)節(jié)裝置的長(zhǎng)度較短，下部調(diào)節(jié)裝置可以保護(hù)試樣不會(huì)由于加載不穩(wěn)而整體下落。

此時(shí)，將四塊輕質(zhì)鋼化玻璃全部移出，并通過(guò)中間扣鎖扣緊，使整個(gè)試驗(yàn)空間處于相對(duì)封閉的狀態(tài)。隨后開始試樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)加載油缸進(jìn)行加壓，直至試樣完全破壞，獲得相關(guān)力學(xué)參數(shù)。

本實(shí)例以圖示中對(duì)應(yīng)的最大試樣(1000mm*100mm*100mm)與最小試樣(100mm*100mm*100mm)的試驗(yàn)為例對(duì)試驗(yàn)方法作進(jìn)一步描述。

最小試樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法為：試驗(yàn)前，將兩組鋼化玻璃都打開，縮回加油缸。由于是最小試樣試驗(yàn)，需將兩組油缸支撐平臺(tái)均移出至最中間位置。根據(jù)導(dǎo)軌槽上的刻度確定支撐油缸的伸出長(zhǎng)度，伸出支撐油缸后，通過(guò)機(jī)械式自鎖固定支撐油缸。然后選擇中間的兩節(jié)高度調(diào)節(jié)裝置(見圖示2)，將調(diào)節(jié)裝置中的上部調(diào)節(jié)裝置和下部調(diào)節(jié)裝置均伸出至最高點(diǎn)，然后在上部調(diào)節(jié)裝置上部安置最小試樣。此時(shí)，啟動(dòng)加載油缸，開始對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)壓(1KN，2KN，3KN……)，當(dāng)加載板與試樣的摩擦力大于試樣的自重時(shí)(即試樣通過(guò)兩側(cè)油缸對(duì)試樣的作用力，使得試樣不下落)，然后通過(guò)螺絲扣縮回上部調(diào)節(jié)裝置的伸長(zhǎng)量，下部調(diào)節(jié)裝置依舊保持原伸長(zhǎng)量不變。此時(shí)，將四塊輕質(zhì)鋼化玻璃全部移出，并通過(guò)中間扣鎖扣緊，使整個(gè)試驗(yàn)空間處于相對(duì)封閉的狀態(tài)。隨后，繼續(xù)啟動(dòng)加載油缸，開始對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，直至試樣完全破壞，獲得相關(guān)力學(xué)參數(shù)。

最大試樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法為：試驗(yàn)前，將兩組鋼化玻璃都打開，縮回加油缸。由于是最大試樣試驗(yàn)，兩組油缸支撐平臺(tái)可不移除，分別安置在兩側(cè)。根據(jù)導(dǎo)軌槽上的刻度確定支撐油缸的伸出長(zhǎng)度，伸出支撐油缸后，通過(guò)機(jī)械式自鎖固定支撐油缸。然后移動(dòng)三組兩節(jié)高度調(diào)節(jié)裝置(見圖示4)，一組在最中間，另兩組分布在兩側(cè)。將三組的調(diào)節(jié)裝置中的上部調(diào)節(jié)裝置和下部調(diào)節(jié)裝置均伸出至最高點(diǎn)，然后在三組上部調(diào)節(jié)裝置上部安置最大試樣。此時(shí)，啟動(dòng)加載油缸，開始對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)壓(1KN，2KN，3KN……)，當(dāng)加載板與試樣的摩擦力大于試樣的自重時(shí)(即試樣通過(guò)兩側(cè)油缸對(duì)試樣的作用力，使得試樣不下落)，然后通過(guò)螺絲扣縮回三組的上部調(diào)節(jié)裝置的伸長(zhǎng)量，下部調(diào)節(jié)裝置依舊保持原伸長(zhǎng)量不變。此時(shí)，將四塊輕質(zhì)鋼化玻璃全部移出，并通過(guò)中間扣鎖扣緊，使整個(gè)試驗(yàn)空間處于相對(duì)封閉的狀態(tài)。隨后，繼續(xù)啟動(dòng)加載油缸，開始對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，直至試樣完全破壞，獲得相關(guān)力學(xué)參數(shù)。