[发明专利]测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置及方法

权利要求书

1.一种测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于包括圆筒状薄壁、上环形浮动板、下环形浮动板、约束环、环形底座、环形顶板、上柱塞和下柱塞；多个螺杆从上到下依次穿过环形顶板、约束环和环形底座的圆孔，并且每个螺杆的上端设有螺母，下端穿过环形底座的圆孔，螺杆头固定在底座内，螺母位于环形顶板的上表面；约束环内壁设有至少三个凸台，每个凸台的顶面均与圆筒状薄壁的外表面相配合；圆筒状薄壁的上下两端分别套在上环形浮动板和下环形浮动板外；环形顶板和上环形浮动板之间设有上部载荷传感器，环形底座和下环形浮动板之间设有下部载荷传感器；环形顶板和上环形浮动板套在上柱塞外，环形底座和下环形浮动板套在下柱塞外；圆筒状薄壁外表面粘贴有应变片；应变片以及上部载荷传感器和下部载荷传感器均与多通道静态应变仪装配在一起；所述的约束环的外壁上设有凹槽，凹槽内插有锁紧块，锁紧块的位置与凸台的位置相对应；约束环的数量至少一个；所述的多通道静态应变仪的输出端与计算机连接，下柱塞和环形底座放置在试验机的加载平台上，上柱塞与试验机的压头相对应；上环形浮动板与压头之间设有位移传感器，位移传感器与多通道静态应变仪装配在一起。

2.根据权利要求1所述的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于所述的圆筒状薄壁由三个形状相同的弧形板围成，弧形板的材质为65Mn钢。

3.根据权利要求1所述的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于所述的上环形浮动板、下环形浮动板和圆筒状薄壁内的空间，以及上柱塞和下柱塞外部的空间用于放置碎石散体；上柱塞和下柱塞之间的空间用于放置岩石试样。

4.根据权利要求1所述的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于所述的上部载荷传感器和下部载荷传感器分别固定在环形顶板和环形底座上，分别用于测量岩石试样破裂扩容导致碎石散体挤压膨胀时的上向膨胀力和下向膨胀力。

5.一种测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的方法，其特征在于采用权利要求1所述的装置，按以下步骤进行：

（1）将与上柱塞相同直径的圆柱体岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间；

（2）在圆筒状薄壁内的空间放置碎石散体，碎石散体包裹在圆柱体岩石试样、上柱塞和下柱塞外；

（3）通过锁紧块将约束环锁紧，使凸台与圆筒状薄壁紧密接触；

（4）通过螺母调节螺杆，使上环形浮动板和下环形浮动板对碎石散体预加载荷，通过上部载荷传感器和下部载荷传感器将预加载荷的信号传输给多通道静态应变仪；

（5）将底座放置在试验机的加载平台上，调整试验机的压头使其与上柱塞完全接触，将位移传感器、上部载荷传感器和下部载荷传感器调零；

（6）通过试验机的压头对上柱塞加压，直至岩石试样碎裂；此时圆筒状薄壁受压变形，圆筒状薄壁在约束环的相邻两个凸台之间的空隙内产生挠度变形，应变片测量碎石散体受挤压时水平的环向膨胀变形，并将信号传输给多通道静态应变仪；通过位移传感器测量位移；通过上部载荷传感器和下部载荷传感器将载荷信号传输给多通道静态应变仪；对测量获得的数据的记录和储存，研究被动侧限条件下岩石试样的变形强度特征，以及碎石散体特征对岩石试样力学性能的影响。

6.根据权利要求5所述的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的方法，其特征在于步骤（5）完成后，圆筒状薄壁处于的弯曲度作为正常弯曲度；步骤（6）完成后，圆筒状薄壁处于的弯曲度作为受载后趋直弯曲度，此时圆筒状薄壁与约束环之间有间隙，该间隙称为预留变形空间。