本發(fā)明涉及一種變形測量裝置及測量方法，尤其涉及一種柱狀類巖石材料側(cè)向變形測量裝置及測量方法。

背景技術：

目前，在巖石力學常規(guī)三軸試驗中，柱狀試樣的側(cè)向變形測量靈敏度和精度一直是備受關注的問題，柱狀試樣的側(cè)面為曲面，直接測得試樣直徑的變化值存在難度，由于試樣側(cè)向變形的非均勻性，對于提高環(huán)向變形測量的精準度一直是個難題?，F(xiàn)有技術中一類采用測量試樣某一水平面上周長的變化值間接得到試樣的側(cè)向變形。采用貼變形片式的環(huán)向位移傳感器，將環(huán)向位移轉(zhuǎn)化為橋路電阻電壓變化值輸出，固定方式一般采用鏈式、鋼絲繩式、箍圈式。在使用過程中發(fā)現(xiàn)，變形片式環(huán)向位移傳感器存在量程范圍小，可調(diào)控性小，變形片電阻對溫度敏感，輸出電信號受溫度影響大，數(shù)據(jù)波動性大，且使用一段時間后測量靈敏度和精度降低，使用壽命短的問題?，F(xiàn)有技術中鋼絲繩式的固定方式在預緊固定過程中需保持較大牽引力將鋼絲繩拉緊，操作費時費力?，F(xiàn)有技術中還有一類采用位移傳感器對頂方式直接測量試樣變形過程徑向位移，由于位移傳感器與試樣側(cè)面是點點接觸，一方面點接觸在試樣非均勻變形時因裝置自身重量容易出現(xiàn)脫離或傳感器軸線方向偏離徑向等問題，導致測量誤差增大，同時易損壞位移傳感器的頂頭，；另一方面需要的水平方向空間大，在一些空間局限的圍壓室內(nèi)不適用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術中的缺陷，提供一種柱狀類巖石材料側(cè)向變形測量裝置，直接測量試樣變形產(chǎn)生的徑向位移。

為解決上述問題，所采取的技術方案為：一種柱狀類巖石材料側(cè)向變形測量裝置，包括

固定裝置，所述的固定裝置包括用于放置樣品的載物臺和水平套于試樣外圍的水平約束環(huán)，所述的水平約束環(huán)的上設置有與試樣徑向方向一致的筒形滑軌；

傳動裝置，所述的傳動裝置包括水平傳動桿和垂直傳動桿，所述的水平傳動桿置于所述的水平約束環(huán)的上方，所述的水平傳動桿一端固定連接支承板、一端穿過筒形滑軌固定連接傾斜擋板，所述筒狀滑軌的內(nèi)徑與水平傳動桿的直徑相當，所述的支承板在測量過程中與試樣側(cè)壁緊密貼合，所述的支承板呈中心對稱設置在樣品的周向位置，所述的傾斜擋板與水平方向呈傾斜設置，所述傾斜擋板與水平面的交線垂直于所述的水平傳動桿；所述的垂直傳動桿一端與傾斜擋板接觸，一端與測量裝置連接，所述的支承板與所述的水平約束環(huán)之間還設有處于預緊狀態(tài)的彈性部件；

測量裝置，所述的測量裝置包括在豎直方向放置的第一位移傳感器和第二位移傳感器，所述第一位移傳感器的探頭與所述水平約束環(huán)背向水平傳動桿的一面接觸，所述第二位移傳感器的探頭與垂直傳動桿接觸。

進一步的，所述的第一位移傳感器和所述的第二位移傳感器分別通過第一固定模塊和第二固定模塊固定在固定桿上，所述的固定桿固定在所述的載物臺上，所述的第二固定模塊上設置有豎直約束套筒，所述的豎直約束套筒下端孔徑與垂直傳動桿桿徑相當，所述的垂直傳動桿靠近第二位移傳感器的一端設有兩平行圓盤，所述的第二位移傳感器和所述的兩平行圓盤置于豎直約束套筒內(nèi)。

進一步的，所述的豎直約束套筒側(cè)壁設有用于保持套筒內(nèi)外壓平衡的開孔。

進一步的，所述的支承板、所述的第二位移傳感器和所述的固定桿均設置4個，所述的第二固定模塊設置一個且固定在其一的固定桿上。

進一步的，所述的位移傳感器為lvdt直線位移傳感器。

進一步的，所述的傾斜擋板與水平方向呈45°夾角設置，所述的支承板為弧形彎板，所述弧形彎板的曲率與試樣的側(cè)壁曲率一致，所述的支承板置于試樣的中間位置處，所述的彈性部件為彈簧。

進一步的，所述的傾斜擋板下端面豎向設置有轉(zhuǎn)接塊，所述的轉(zhuǎn)接塊上設有與水平傳動桿相對應的固定孔，所述的水平傳動桿連接傾斜擋板的一端設有螺紋，所述的水平傳動桿通過固定孔和螺母固定在傾斜擋板上。

進一步的，每個所述的支承板與傾斜擋板之間均連接有兩個相互平行的水平傳動桿，所述的筒形滑軌含兩個，所述的筒形滑軌焊接在水平約束環(huán)朝向水平傳動桿的一側(cè)，所述的彈性部件置于兩平行水平傳動桿的中間位置且與水平傳動桿平行。

本發(fā)明公布了一種基于上述變形測量裝置的使用方法，包括以下步驟：

(1)組裝支承板、擋板、水平約束環(huán)和水平傳動桿；

(2)放置試樣，并將步驟1中的組裝件上的支承板固定試樣中部，使若干支承板處于同一水平面；

(3)安裝固定桿、第一位移傳感器、第二位移傳感器和垂直傳動桿；保證垂直傳動桿的頂頭可落在擋板上并可以在一定范圍內(nèi)滑動；

(4)對試樣施加應變并記錄第一位移傳感器和第二位移傳感器的位移變化，利用公式δd＝(d2-d1)/tanθ計算試樣的徑向位移，d1為第一位移傳感器的位移變化值、d2為第二位移傳感器的位移變化值，θ為傾斜擋板與水平方向的夾角；

(5)試驗結束，按順序拆卸第二位移傳感器、第二固定模塊、取下步驟1中的組裝件、取下試樣、拆卸第一位移傳感器、第一固定模塊、旋下固定桿。

本發(fā)明還公開了一種柱狀類巖石材料側(cè)向變形的測量方法，通過傳動部件將試樣在變形過程中發(fā)生的徑向位移和試樣軸向變形引起裝置產(chǎn)生的軸向誤差位移通過傳動裝置轉(zhuǎn)化為傳動裝置的軸向位移d2；所述的傳動裝置包括置于巖石柱側(cè)壁的水平傳動桿、與水平傳動桿遠離試樣的一端相連的傾斜擋板和與傾斜擋板上端面相接觸的垂直傳動桿，所述，所述的d2為垂直傳動桿的軸向位移；

由位移測量裝置測量試樣變形過程中引起裝置產(chǎn)生的軸向誤差位移d1；；

通過公式δd＝(d2-d1)/tanθ得出試樣的徑向位移。

本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果：1)本發(fā)明采用幾個相同支承板與試樣側(cè)面貼合，利用彈性部件將裝置固定在試樣側(cè)面，附著在試樣側(cè)面的裝置自身重量輕，且支承板與試樣側(cè)面摩擦力大，使用過程不存在脫離或者傳動桿軸線偏離徑向的問題。

2)本發(fā)明采用幾塊相互獨立的支承板貼合試樣側(cè)面一周，可將試樣變形過程中徑向位移反饋到傳動裝置，能夠較全面地反應試樣側(cè)面變形情況。

3)傳動裝置中包含徑向的水平傳動桿和垂直傳動桿，且利用擋板將位移轉(zhuǎn)化為垂直傳動桿豎直方向的位移，抗干擾性強。

4)本發(fā)明可在密閉小空間范圍內(nèi)工作，適用性強。

5)本發(fā)明采用高精度的位移傳感器直接測得徑向位移，靈敏度高。

6)裝置在工作過程受溫度影響極小，對實驗室溫度控制要求低。

7)本發(fā)明可結合常規(guī)三軸試驗儀實現(xiàn)對試樣三軸壓縮過程的徑向位移的測量，從而得到側(cè)向變形值。

附圖說明

圖1，本發(fā)明的結構示意圖；

圖2，本發(fā)明的正視圖；

圖3，本發(fā)明的右視圖；

圖4，本發(fā)明的俯視圖；

圖5，本發(fā)明傳動裝置與測量裝置的局部示意圖；

圖6，本發(fā)明各裝置的位置關系圖；

圖7，本發(fā)明的45°擋板、垂直傳動桿、lvdt1接觸關系圖；

圖8，本發(fā)明的支承板、水平傳動桿、筒狀滑軌的位置關系示意圖；

圖9，本發(fā)明的彈簧裝配示意圖；

圖10，傾斜擋板結構示意圖；

圖11，徑向位移計算原理圖；

圖中：1試樣，2支承板，3滑軌，4水平約束環(huán)，5水平傳動桿，6擋板，7轉(zhuǎn)接塊，7a固定孔，8垂直傳動桿，8a平行圓盤，9豎直約束套筒，9a開孔，10第一固定模塊，10a第一通孔，10b第二通孔，11第二固定模塊，11a第三通孔，12固定桿，13第一位移傳感器，14第二位移傳感器，15第一固定螺絲，16彈簧，第一圓柱體16a、第二圓柱體16b、17載物臺，18下壓頭，19固定螺絲。

具體實施方式

下面將結合具體實施方式和附圖對本發(fā)明做進一步的解釋說明。

如圖1-10所示，一種柱狀類巖石材料側(cè)向變形測量裝置，包括固定裝置、傳動裝置、測量裝置和軸向約束裝置，固定裝置包括載物臺和置于載物臺上端的下壓頭；傳動裝置包括水平傳動桿5、傾斜擋板6、垂直傳動桿8、支承板2和彈簧16，軸向約束裝置由豎直約束套筒9、第一固定模塊10、第二固定模塊11、固定桿12組成，測量裝置由第一位移傳感器13和第二位移傳感器14組成；支承板2與巖石試樣1側(cè)面完全貼合，背面中部與兩根水平傳動桿5的一端部固定，水平傳動桿5穿過筒狀滑軌3，其另一端插入傾斜擋板6上轉(zhuǎn)接塊7的圓形通孔7a，通過第一固定螺絲15與傾斜擋板6固定；支承板2背面中部通過彈簧16與筒狀滑軌3端部連接；垂直傳動桿8頂頭與傾斜擋板6接觸，其底部設置兩個直徑相同的圓盤8a，置于豎直約束套筒9中；第二位移傳感器14置于豎直約束套筒9中，探頭與垂直傳動桿8頂端圓盤8a接觸，第二固定模塊11將豎直約束套筒9固定在固定桿12上的標定位置，第一位移傳感器13探頭與水平約束環(huán)4接觸，第一固定模塊10將第一位移傳感器13固定在固定桿12上，固定桿12端部通過螺紋與載物臺連接；巖石試樣1側(cè)面變形，支承板2產(chǎn)生位移，在彈簧16作用下始終保持與試樣側(cè)面貼合，通過傳動裝置將支承板2產(chǎn)生的水平徑向位移轉(zhuǎn)化為垂直傳動桿的位移傳遞到第二位移傳感器14，試樣的軸向變形引起水平約束環(huán)4產(chǎn)生的軸向位移由第一位移傳感器13測出，從而得到徑向位移，第一位移傳感器13和第二位移傳感器14均為lvdt直線位移傳感器。

本實施例中，以標準圓柱形巖石試樣1φ50×100的單軸壓縮試驗為例，裝置支承板2的圓弧半徑選用25mm，保證支承板2可以與試樣側(cè)面完全貼合，提高裝置測量的準確性；支承板2寬度選用20mm，可放置在試樣中部的高度四分之一的范圍內(nèi)，可排除試樣端部效應對側(cè)向變形測量的影響。裝置采用4塊相同的相互獨立的支承板2對稱分布在試樣中部一周，對應4個傳動裝置和4個第二位移傳感器14；裝置選用1個誤差補償位移傳感器即第一位移傳感器13；本實施例裝置采用的合金材料密度小，硬度大，在高壓環(huán)境下不會產(chǎn)生變形。

本實施例中，所述兩根水平傳動桿5相互平行，對稱固定在支承板2背面中部，桿軸線在同一水平面上，且在同一水平面上對稱軸過支承板2中心、試樣軸心，使得傳動裝置傳遞的物理量為試樣的徑向位移。

本實施例中，所述筒狀滑軌3下端焊接在水平約束環(huán)4上，滑軌3軸心與水平傳動桿5軸心重合，滑軌3內(nèi)徑與水平傳動桿5直徑相等，接觸面光滑，且只允許水平傳動桿5沿其軸線方向運動，支承板2和滑軌3的約束作用可保證裝置安裝的水平狀態(tài)。

本實施例中，所述支承板2背面中心位置，即兩水平傳動桿5對稱中心，設置第一圓柱體16a，所述水平約束環(huán)4上兩筒狀滑軌3對稱中心水平設置第二圓柱體16b，兩個圓柱體尺寸相同，且軸心重合，直徑與彈簧16內(nèi)徑相等，彈簧16兩端可套入圓柱體做沿其軸向伸縮，起到保持支承板2始終與試樣側(cè)面貼合，維持裝置不脫離試樣的作用。裝置安裝到試樣上后，兩圓柱體端面最近距離約10mm，水平約束環(huán)4內(nèi)徑選用70mm，為水平傳動桿5滑動留出空間。

本實施例中，所述水平約束環(huán)4為整體圓環(huán)，內(nèi)徑大于巖石試樣1直徑，環(huán)寬度大于筒狀滑軌3長度，水平約束環(huán)4保證了裝置的整體性，使得支承板2固定的高度在同一水平。

本實施例中，所述擋板6選用45°的傾斜擋板6，擋板選用矩形擋板，下端設置長方體轉(zhuǎn)接塊7，轉(zhuǎn)接塊7與擋板6一體成型，轉(zhuǎn)接塊7水平方向設置兩個圓形通孔7a，通孔直徑與水平傳動桿5直徑相等，軸線與水平傳動桿5軸線重合，水平傳動桿5端部直徑小于桿直徑，允許水平傳動桿5插入通孔；轉(zhuǎn)接塊7下端面低于水平約束環(huán)4下端面，在彈簧16作用下轉(zhuǎn)接塊7可被水平約束環(huán)4阻擋，起到限位作用。

本實施例中，所述水平傳動桿5端部近轉(zhuǎn)接塊7端軸向設置內(nèi)置螺紋，第一固定螺絲15可旋入將水平傳動桿5與45°擋板6固定，第一固定螺絲15的螺絲頭直徑大于通孔直徑。

本實施例中，所述45°擋板6與垂直傳動桿8頂頭接觸的平面為光滑平面，且與水平方向成45°傾斜角，起到將水平徑向位移轉(zhuǎn)化為豎直方向位移的作用。

本實施例中，所述垂直傳動桿8與45°擋板6接觸的頂頭為光滑的圓球面，減小摩擦，可在擋板斜面上自由滑動，垂直傳動桿8底部設置的兩直徑相同的平行圓盤8a，置于豎直約束套筒9中，直徑與約束套筒內(nèi)徑相等，接觸面光滑，垂直傳動桿8軸線垂直于水平約束環(huán)4平面，且只做軸向運動。

本實施例中，所述豎直約束套筒9軸心與垂直傳動桿8重合，在其下端中心設置圓形通孔，孔徑與垂直傳動桿8的桿徑相等。

本實施例中，所述豎直約束套筒9側(cè)面等間隔開孔9a，孔間距小于垂直傳動桿8兩圓盤間距，保持豎直約束套筒9的內(nèi)外壓相等。

本實施例中，所述豎直約束套筒9側(cè)面設置固定螺絲，可將第二位移傳感器14固定在豎直約束套筒9內(nèi)。

本實施例中，所述第二固定模塊11端部軸向設置第三通孔11a，孔徑與固定桿12直徑相等，側(cè)面設置固定螺絲，可將第二固定模塊11固定在桿上。

本實施例中，所述第一固定模塊10兩端軸向分別設置第一通孔10a、第二通孔10b，第一通孔10a孔徑與固定桿12直徑相等，第二通孔10b孔徑與第一位移傳感器13直徑相等，通孔側(cè)面分別設置固定螺絲。

本實施例中，所述第二位移傳感器14直徑與豎直約束套筒9內(nèi)徑相等，第二位移傳感器14頂頭與垂直傳動桿8底端圓盤8a接觸。

本實施例中，所述固定桿12下端部設置螺紋，可旋入載物臺17上對稱設置的螺孔內(nèi)，固定桿12軸心垂直于載物臺17上端面。

本實施例中，所述彈簧16的勁度系數(shù)滿足：裝置安裝到試樣上后，彈簧16處于預緊狀態(tài)，使支承板2與試樣側(cè)面的摩擦力大于第二位移傳感器14探頭的壓力與垂直傳動桿8自重之和，防止裝置脫落。

該裝置的基本工作原理為：根據(jù)裝置支承板2和傳動裝置的特征，試樣側(cè)向變形產(chǎn)生的徑向位移傳遞到支承板2，通過傳動裝置將徑向位移、軸向誤差位移均轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向傳遞到第二位移傳感器14輸出，通過第一位移傳感器13輸出值測得軸向誤差位移，從而得到徑向位移。

本實施例中，以標準圓柱形巖石試樣1φ50×100的單軸壓縮試驗為例，試驗在常規(guī)三軸壓縮儀上進行，將本裝置結合儀器使用實現(xiàn)對試樣圧縮過程中的徑向位移的測量，其使用方法如下：

1將支承板、水平傳動桿、擋板和水平約束環(huán)組裝在一起；

2將固定桿12旋入載物臺17固定，選擇一根固定桿12安裝第一固定模塊10，要求第一固定模塊10上端面高度低于預估試樣中部高度，即低于下壓頭18高度與試樣一半高度之和，為第一位移傳感器13留出工作空間，將第二位移傳感器14裝入第二通孔10b，用固定螺絲固定。

3拉開支承板2，將水平約束環(huán)4套入試樣，在試樣中部位置松開支承板2，使得支承板2與試樣側(cè)面完全貼合，此時水平約束環(huán)4處于水平狀態(tài)，彈簧16處于預緊狀態(tài)，將裝置固定在試樣側(cè)面中部，隨試樣運動。

4將試樣整體安裝到載物臺17上，試樣下端面與下壓頭18接觸，調(diào)整擋板6位置，使得處于軸對稱的兩擋板6中心連線與固定桿12軸線相交，保證垂直傳動桿8的頂頭可落在擋板上并可以在一定范圍內(nèi)滑動，此時第一位移傳感器13與水平約束環(huán)4接觸，記錄初始值d10。

5將第二固定模塊11套入固定桿12，使得垂直傳動桿8一端與擋板接觸并頂上一段距離后，旋緊螺絲固定位置，將第二位移傳感器14裝入豎直約束套筒9，第二位移傳感器14的探頭與垂直傳動桿8接觸，并記錄初值d20。

6試樣發(fā)生變形，記錄第一位移傳感器的終值d11和第二位移傳感器的終值d21，并計算得出試樣的徑向位移。

7試驗結束，按順序拆卸第二位移傳感器14、第二固定模塊11；從載物臺17上取下試樣，拉動支承板2，使得裝置與試樣分離；拆卸第一位移傳感器13、第一固定模塊10，最終旋下固定桿12，完成裝置拆卸。

上述步驟5中的計算方法為δd＝((d21-d20)-(d11-d10))/tanθ，該公式中的d10為第一位移傳感器的初值，d11為第一位移傳感器的終值，d20為第二位移傳感器的初值，d21為第二位移傳感器的終值，θ為傾斜擋板與水平方向的夾角，該公式的推導過程如下：如圖11所示，水平傳動桿產(chǎn)生的位移可分解為試樣在變形過程中發(fā)生的軸向誤差位移d1和徑向位移δd，由位移關系可得垂直傳動桿的位移

d2：d2＝δdtanθ-(-d1)＝δdtanθ+d1

δd＝(d2-d1)/tanθ

d1＝d11-d10；d2＝d21-d20

故δd＝((d21-d20)-(d11-d10))/tanθ。

若傾斜擋板與水平方向的夾角為45°，則：δd＝(d21-d20)-(d11-d10)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。