一种用于直接拉伸试验的岩块试件的制作方法

1.本发明属于岩石力学性能测试领域，特别涉及用于各向异性材料的直接拉伸试验岩块。


背景技术：

2.拉伸强度作为岩土工程最为关键的基础参数之一，工程建设中难以避免该参数的准确获取。而获取拉伸强度常常使用直接测试法和间接测试法，间接测试法主要包括巴西劈裂、水压测试法。巴西劈裂因为试件构型简单，对测试仪器要求低，故而是目前最常用的岩石拉伸强度测试方法。巴西劈裂测试时试件内部应力场并不均一，一般认为巴西圆盘中心点应力状态达到材料的拉伸强度即发生破坏，从而可求得材料的拉伸强度；也即是说利用该方法测试时试件必须从圆盘中心发生破坏，但大量的实践表明，巴西劈裂试验其破坏面很多时候并不经过圆盘中心点，因此，巴西劈裂测试法并不能准确的获得岩石的拉伸强度。而水压法对设备要求较高，而且尺寸效应明显，也很难准确获得岩石的拉伸强度。
3.直接测试法仍是获得岩石拉伸强度最为准确的方法，当前直接测试法主要包含粘接法和夹持法。粘接法是将圆柱型试件的两端与拉伸头紧密的粘接在一起，但为了保证粘接的可靠性，要求对岩石断面进行细致处理，并保持较长时间的晾干，以使粘接处的强度足够大；因此，该方法需要大量的拉伸头，以缩短试验的时间；当岩石的拉伸强度大于粘接强度后，该方法也无法应用；此外，该方法要求拉伸过程中上下端的中轴线在一条直线上，这也使得制样的难度大大增加。夹持法是将试件加工成“狗骨头”的形状，用夹持器夹住试件两端，然后通过张拉夹持器使试件发生拉伸破坏。夹持法中的试件加工难度大，且在夹持部位易产生应力集中，从而使得脆性材料易在夹持部位发生破坏或者断裂。此外，前人设计了较多的压
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拉转换结构，即通过设备对转换结构施加压缩荷载，由于结构的特点作用在试样上的荷载即变成了拉伸荷载，但这类结构所开展的试验也逃脱不了上述的粘接法和夹持法试件形式；为了方便、准确获得岩石的拉伸强度，前人以圆柱型或正四棱柱型为本体，利用钻心机在本体上钻取不同直径的同心圆，从而利用试样结构将压缩荷载变为拉伸荷载，从而测得岩石的拉伸强度。但此类试件形式的受拉区被本体遮住，很难测量受拉区的变形等力学信息；此外，这类试件是一种轴对称结构，因此只能用于各向同性材料的拉伸强度测试，而对于各向异性材料却无能为力。
4.综上所述，如何准确、高效的测试岩石的拉伸强度仍然是准脆性材料直接拉伸测试的难题，尤其是非均质材料的拉伸强度获取更为困难。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是如何准确高效测试准脆性材料的抗拉强度，目的在于提供一种用于直接拉伸试验的岩块试件，在直接拉伸试验方法中使用，在常规岩石力学试验机上完成岩石等准脆性材料的抗拉强度测试，尤其是各向异性材料的抗拉强度测试。
6.本实用新型通过下述技术方案实现：
7.一种用于直接拉伸试验的岩块试件，包括岩块试件本体，所述岩块试件本体为长方体形，所述岩块试件本体的上端面与下端面平行，所述岩块试件本体的上端面设置有沿岩块试件本体高度方向相互平行的第一上部凹槽和第二上部凹槽，岩块试件本体的下端面设置有与第一上部凹槽平行的第一下部凹槽和第二下部凹槽，第一上部凹槽与第二上部凹槽关于岩块试件本体高度方向轴对称，第一下部凹槽与第二下部凹槽关于岩块试件本体高度方向轴对称；第一上部凹槽和第二上部凹槽离岩块试件本体高度方向的中心线的距离小于第一下部凹槽和第二下部凹槽离岩块试件本体高度方向的中心线的距离；且上部凹槽与下部凹槽部分交错，所述第一上部凹槽和第二上部凹槽将岩块试件的一部分分割成位于第一上部凹槽右侧和第二上部凹槽左侧在岩块试件本体中心部位的第一中心平台和位于第一上部凹槽左侧的上左侧平台与位于第二上部凹槽右侧的上右侧平台，所述第一下部凹槽和第二下部凹槽将岩块试件的一部分分割成位于第一下部凹槽右侧和第二下部凹槽左侧在岩块试件本体中心部位的第二中心平台和位于第一下部凹槽左侧的下左侧平台与位于第二下部凹槽右侧的下右侧平台，第一中心平台的长小于第二中心平台的长度，上左侧平台与上右侧平台的端面位于同一平面，下左侧和下右侧平台的端面位于同一平面。所述第一中心平台的端面和下左侧平台、下右侧平台的端面为施加边界条件处。
8.现有的岩块试件本体为圆柱型或正四棱柱型，其测试用的凹槽为一系列同心圆结构，这会导致2个问题：一方面由于同心圆是一种轴对称结构，故而无法处理非轴对称的情况，导致没法开展各向异性测试；另一方面圆环形凹槽结构直接受拉的部位在试件中部，所测得的拉伸变形本质上是宏观试件的整体变形，无法直接测得直接拉伸部位的变形情况，因而没法探讨各向异性问题。而本方案中试件上下端面均设置有两条独立的凹槽，上下端面的各两条凹槽分别关于本体高度方向轴对称，直接受拉部位为长方体结构，且结构面裸露在外，可以通过与应变片或全场应变(如dic)等手段相结合，测得拉伸部位不同方向的变形情况，进而处理各向异性问题。
9.进一步地，第一中心平台的端面与上左侧平台和上右侧平台的端面位于同一平面，第二中心平台的端面与下左侧平台和下右侧平台的端面位于同一平面。第一中心平台的端面和下左侧平台、下右侧平台的端面为施加边界条件处。
10.进一步地，所述第一中心平台的长小于第二中心平台的长度，第一中心平台的端面高于上左侧平台和上右侧平台的端面，第一中心平台的端面高于下左侧平台和下右侧平台的端面，第一中心平台的端面和下左侧平台、下右侧平台的端面为施加边界条件处。
11.进一步地，长方体形岩块试件本体的宽度为长方体形岩块试件本体长度的1/10～1/3，长方体形岩块试件本体的高度为长方体形岩块试件本体长度的1/3～1。
12.进一步地，所述第一中心平台的长度为第一上部凹槽与第二上部凹槽之间的距离是长方体形岩块试件本体长度的1/4～1/3，第二中心平台长度是第一中心平台长度的1.5～1.8倍。
13.进一步地，所述第一上部凹槽和第二上部凹槽的宽度相等，第一下部凹槽和第二下部凹槽的宽度相等，所述第一上部凹槽的宽度w1与第一下部凹槽的宽度w2相同或不相同，第一上部凹槽的宽度w1为0.5～4mm，第一下部凹槽的宽度w2为0.5～4mm，第一上部凹槽与第二上部凹槽的深度相同，上部凹槽的深度h1为长方体形岩块试件本体高度的2/3～4/5，第
一下部凹槽与第二下部凹槽的深度相同，下部凹槽的深度h2为长方体形岩块试件本体高度的2/3～4/5。
14.进一步地，在上述方案中第一上部凹槽的宽度优选w1为1mm～3mm，第一下部凹槽的宽度w2优选为1mm～3mm，第一上部凹槽的深度h1优选为本体高度的2/3～3/4，第一下部凹槽的深度h2优选本体高度的2/3～3/4。
15.本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
16.本实用新型一种用于直接拉伸试验的岩块试件，由于岩块试件的特殊结构形式，通过对第一中心平台和左下侧平台、右下侧平台施加压力，即可利用岩块的特殊结构形式对试件施加拉伸合作，故而对岩石力学试验机要求较低，且可应用于各向异性材料，其对岩石性质无特殊要求，应用范围大大增强；
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
18.图1为本实用新型直接拉伸试验的岩块试件结构示意图；
19.图2为直接拉伸试验的岩块试件的正视图；
20.图3为直接拉伸试验的岩块试件的俯视图；
21.图4为直接拉伸试验的岩块试件的左视图；
22.图5为用于直接拉伸试验的岩块试件在岩石力学试验机的试验台上的安装示意图和加载图。
23.附图中标记及对应的零部件名称：
[0024]1‑
岩块试件本体，2
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上右侧平台，3
‑
第一中心平台，41
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第一上部凹槽，42
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第二上部凹槽，5
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上左侧平台，6
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下左侧平台，71
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第一下部凹槽，72
‑
第二下部凹槽，8
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第二中心平台，9
‑
下右侧平台，10
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下长方体垫块，11
‑
上长方体垫块，l
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岩块试件本体长度，h
‑
岩块试件本体高度，b
‑
岩块试件本体宽度，l1‑
第一中心平台长度，l2‑
第二中心平台长度，h1‑
上部凹槽深度，h2‑
下部凹槽深度，w1‑
上部凹槽宽度，w2‑
下部凹槽宽度。
具体实施方式
[0025]
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
[0026]
在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
[0027]
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理
解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0028]
在本实用新型的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
[0029]
实施例1
[0030]
如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型一种用于直接拉伸试验的岩块试件，包括岩块试件本体1，所述岩块试件本体1为长方体形，所述岩块试件本体1的上端面与下端面平行，所述岩块试件本体1的上端面设置有沿岩块试件本体1高度方向相互平行的第一上部凹槽41和第二上部凹槽42，岩块试件本体1的下端面设置有与第一上部凹槽41平行的第一下部凹槽71和第二下部凹槽72，第一上部凹槽41与第二上部凹槽42关于岩块试件本体1高度方向轴对称，第一下部凹槽71与第二下部凹槽72关于岩块试件本体1高度方向轴对称；第一上部凹槽41和第二上部凹槽42离岩块试件本体1高度方向的中心线的距离小于第一下部凹槽71和第二下部凹槽72离岩块试件本体1高度方向的中心线的距离；且上部凹槽与下部凹槽部分交错，所述第一上部凹槽41和第二上部凹槽42将岩块试件的一部分分割成位于第一上部凹槽41右侧和第二上部凹槽42左侧在岩块试件本体1中心部位的第一中心平台3和位于第一上部凹槽41左侧的上左侧平台5与位于第二上部凹槽42右侧的上右侧平台2，所述第一下部凹槽71和第二下部凹槽72将岩块试件的一部分分割成位于第一下部凹槽71右侧和第二下部凹槽72左侧在岩块试件本体1中心部位的第二中心平台8和位于第一下部凹槽71左侧的下左侧平台6与位于第二下部凹槽72右侧的下右侧平台9，第一中心平台3的长小于第二中心平台8的长度，第一中心平台3的端面与上左侧平台5、上右侧平台2的端面位于同一平面，第二中心平台8的端面与下左侧、下右侧平台9的端面位于同一平面。所述第一中心平台3的端面和下左侧平台6、下右侧平台9的端面为施加边界条件处，岩块试件各部分尺寸如下：
[0031]
岩块试件本体1的长度为l＝150mm，高度h＝50mm，宽度b＝25mm，第一中心平台3长度l1＝40mm，第二中心平台8长度l2＝40mm，上部凹槽深度h1＝40mm，下部凹槽深度h2＝40mm，上部凹槽宽度w1＝2mm，下部凹槽宽度w2＝2mm。
[0032]
如图5所示，当使用上述试件进行直接拉伸试验操作如下：
[0033]
1)在岩石力学试验机的试验台上放置两块下长方体垫块10，所述下长方体垫块10位于试件的下左侧平台6和下右侧平台9下方，所述下长方体垫块长度为40mm，宽度为25mm，高度为10mm；
[0034]
2)将岩块试件放置在下长方体垫块10上，使岩块试件的中心线与岩石力学试验机试验台的中心线重合，下左侧平台6和下右侧平台9与下长方体垫块10的端面接触；
[0035]
3)在岩块试件中的第一中心平台3端面上放置长方体垫块11，所述长方体垫块尺寸与下长方体垫块10一致，使得上长方体垫块11的中心线与岩块试件的中心线、试验台的中心线重合；
[0036]
4)操作岩石力学试验机，通过下长方体垫块10和上长方形垫块11对岩块试件施加压力，加载速率0.5mm/min。
[0037]
被测岩石的拉伸强度的计算方法如下：
[0038][0039]
实施例2
[0040]
本实施例与实施例1的区别在于，第一中心平台3的端面高于上左侧、上右侧平台2的端面，第一中心平台3的端面高于下左侧、下右侧平台9的端面。第一中心平台3的端面和下左侧平台6、下右侧平台9的端面为施加边界条件处。其他的均与实施例1相同。
[0041]
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。