本实用新型专利技术涉及岩石单轴压缩实验辅助装置领域，公开了一种单轴压缩实验装置，其包括依加压方向顺序布置的顶盖、装置压头和装置底座，顶盖与装置压头固定连接，所述顶盖用于与试验机压头连接，装置压头的外形为同轴的空心圆柱和单调变径实心回转体的组合，空心圆柱的侧壁上开有线槽，装置底座的外形为同轴的单调变径实心回转体和空心圆柱的组合，装置底座的空心圆柱的侧壁上也开有线槽，两单调变径实心回转体的直径较小端面为所述的工作面，装置底座的空心圆柱内侧设置用于与试验机底座连接的装置底座限位结构。其能够在探头不承压的情况下完成测量，能实时分析试件在不同应力水平下的轴向及横向波速变化，提高了试验结果的可靠性。
Uniaxial compression test device
【技术实现步骤摘要】
单轴压缩实验装置
本技术涉及一种岩石试验领域的单轴压缩实验装置，尤其是一种能够用于超声波损伤检测的实验装置。
技术介绍
岩石作为一种天然材料，无论多么致密，其内部始终含有不同程度的初始缺陷，如微裂纹、空隙等。当岩石开始承受外力作用时，其内部的微缺陷被压密闭合，结构更加致密，相应的介质波速有所上升，这也可以解释为什么在某些工程岩体中会出现岩样波速小于原位岩体波速的现象；随着外力的逐渐升高，介质波速升高达到峰值，岩石内部的微裂隙开始萌发、扩展，在某一时刻贯通形成宏观裂纹并最终导致岩石的失稳破坏，其在波速上的变化则体现为随着裂纹的逐渐扩展波速加速下降，由此可见，岩石内部损伤状态与其中的介质波速存在密切的联系。因此开展不同载荷与应力水平下的岩石超声波检测试验，并通过波速、波形的变化来评价、描述岩石材料的损伤累积过程对于工程稳定性控制和安全性预测具有重要的意义。由于超声波传感器本身不具备承压能力，所以传统的岩石超声波检测试验多是针对天然状态下岩石的无损检测，即探头与岩石直接接触且探头两端无附加载荷。即便想探究不同应力条件下岩石内部的波速变化特征，超声波探头也多置于岩样的侧面，无法直接对轴向的波速变化进行讨论。2004年6月于《地球物理学进展》第19卷第2期发表的作者为杨宏峰等的文章《轴向压力下砂岩波速的实验研究》一文中公开了一种单轴压缩试验装置，它包括根据换能器的尺寸大小所设计的一对换能器保护环，并在换能器与试件之间加垫钢垫块作为换能器的替代承压装置，从而达到直接测量轴向波速的目的。该方案所采用的主体承压部分为换能器保护环，该环实为一钢环，为了使应力分布更加均匀，在所述钢环与实验样品之设置有钢垫块,根据材料力学受力分析可知，该方案荷载主要集中于试件的外圆周部分，越往试件中心应力缺失越明显，可见该装置并未仔细考虑岩石受压过程中力的传递效率，从而导致试件的破坏形态与正常单轴压缩条件下不相一致且该装置无法测量岩样的横向波速。由此看来，开发一种既不影响应力传递又可替代换能器承压的装置，满足能实时分析不同应力水平下的轴向及横向波速变化，进而探讨其随应力变化的内部损伤规律与波速变化之间的耦合关系，已经成为开展相关实验研究的关键问题与迫切需要。
技术实现思路
基于对上述装置的结构和试验要求的深入分析，本技术所要解决的技术问题是提供一种基本不影响应力传递效率且能配合换能器直接测量岩石各向波速的单轴压缩实验装置，本技术目的主要是借助于模拟计算和实验验证的方式，通过优化装置的结构形式实现的，从而保证应力传导效率，提高试验结果的可靠性。本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：单轴压缩实验装置，包括依加压方向顺序布置的顶盖、装置压头和装置底座，顶盖与装置压头固定连接，装置压头和装置底座的工作面相对，两工作面之间为试件安装位，所述顶盖用于与试验机压头连接，装置压头的外形为同轴的空心圆柱和单调变径实心回转体的组合，空心圆柱的侧壁上开有线槽，装置底座的外形为同轴的单调变径实心回转体和空心圆柱的组合，装置底座的空心圆柱的侧壁上也开有线槽，两单调变径实心回转体的直径较小端面为所述的工作面，装置底座的空心圆柱内侧设置用于与试验机底座连接的装置底座限位结构。上述装置的组成部件中，以顶盖和装置底座限位结构保证装置压头和装置底座的同心度，并借助该两部件将上述装置安装在试验机上，装置压头和装置底座内部的空心圆柱分别作为上、下轴向探头的安装位置，而空心圆柱的侧壁上均开设线槽以容纳探头的馈线通过；装置压头和装置底座的实体部分，从形状上来说，是同轴的单调变径实心回转体和空心圆柱的组合，为一体式的结构，该部分用于压力的传导，从本技术后文的分析可见，这样的形状能够基本拟合常单轴压缩条件下力的传递效果，从而为实现本技术目的起到关键作用。相对于现有的试验装置而言，其装配过程简单，试件的非承压表面裸露，能够同时对试件的轴向和横向波速进行测量，也能安装其它的应变片，方便在单轴压缩实验中进行各种参数的收集，且力的传导效率与不使用该实验装置而直接安装试件时保持了较好的一致性。从专利技术人的模拟计算来看，所述的单调变径实心回转体最优的形状是球缺，为兼顾拟合效果和加工方便，折衷选择所述装置压头的单调变径实心回转体及装置底座的单调变径实心回转体均为圆台。与前面的叙述一致：所述两圆台均以直径较小的底面为所述的工作面。就此种情况下装置压头和装置底座的形状而言，所述两圆台直径较大的底面，可以与所述空心圆柱内部的圆孔的底面重合，以减轻装置压头和装置底座的重量，也可以与所述空心圆柱内部的圆孔的底面还有一定的距离，即所述空心圆柱的圆孔底面与所述圆台之间还有一部分实心圆柱体，这对于力的传导效率略有好处，但会增加装置压头和装置底座的重量。为将本装置用于单轴压缩条件下更准确的进行超声波损伤检测，为了保证声波沿轴线传播，所述压头的圆孔的底面及其工作面的加工平整度均≤0.01mm，所述底座的圆孔的底面及其工作面的加工平整度均≤0.01mm。为方便装拆轴向探头，在底座的空心圆柱内侧设置一定位板作为所述的装置底座限位结构，因要与空心圆柱部分相配合，定位板为圆形板，为便于装配同时保证同心度，定位板和底座之间宜为间隙配合；在定位板的中心处，一面设置有定位销孔，可通过匹配的定位销与试验机的底座定位连接，而另一面设置有弹簧，弹簧力可将下轴向探头可靠的固定在装置底座的圆孔的底面与定位板之间。为方便横向探头的固定和定位，在所述装置底座的空心圆柱外侧设置有横向探头安装结构，设计所述横向探头安装结构包括一设有中心孔的支板，支板的中心孔与所述底座的外圆间隙配合，中心孔的四周布置有呈十字对称分布的四个立柱，各立柱上均连接有与支板相平行且高度一致的托板，所述托板用于连接横向探头，任两个相对的立柱的托板上可安装一对横向探头，所述结构可基本保证对中精度。为方便装拆探头及根据试件尺寸调节探头位置，所述托板与一螺杆固定连接，所述螺杆与立柱上端的安装孔滑动连接并通过螺母限位，托板上开设有探头安装孔，当探头一端抵靠在试件上时，另一端依靠螺母进行限位，实现探头的径向固定。考虑到多数试验机压头的现有结构，设计所述顶盖通过中心螺纹孔及匹配的螺栓与试验机压头连接。此外，顶盖与装置压头之间也需要固定连接，所述顶盖通过呈三角分布的三颗螺钉与装置压头连接，装置压头上设置有相对应的螺钉孔，方便定位安装和拆卸试验装置。本技术的有益效果是：设计专用的装置压头和装置底座用以安装轴向超声波探头，能够在探头不承压的情况下，直接测量轴向波速，同时该结构可保证轴向探头的准确对心，也可测量横向波速，因受压过程中应力的传递效率有保障，应用本技术的实验装置可基本拟合正常单轴压缩条件，从而应用本技术的实验装置时试件的破坏形态可视为正常单轴压缩条件下试件的破坏形态，亦能实时分析试件在不同应力水平下的轴向及横向波速变化，提高了试验结果的可靠性。附图说明图1是本技术的实验装置的组装示意图。图2是图1中顶盖的示意图。图3是图1中本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.单轴压缩实验装置，其特征是：包括依加压方向顺序布置的顶盖、装置压头和装置底座，顶盖与装置压头固定连接，装置压头和装置底座的工作面相对，两工作面之间为试件安装位，所述顶盖用于与试验机压头连接，装置压头的外形为同轴的空心圆柱和单调变径实心回转体的组合，空心圆柱的侧壁上开有线槽，装置底座的外形为同轴的单调变径实心回转体和空心圆柱的组合，装置底座的空心圆柱的侧壁上也开有线槽，两单调变径实心回转体的直径较小端面为所述的工作面，装置底座的空心圆柱内侧设置用于与试验机底座连接的装置底座限位结构。/n
【技术特征摘要】
1.单轴压缩实验装置，其特征是：包括依加压方向顺序布置的顶盖、装置压头和装置底座，顶盖与装置压头固定连接，装置压头和装置底座的工作面相对，两工作面之间为试件安装位，所述顶盖用于与试验机压头连接，装置压头的外形为同轴的空心圆柱和单调变径实心回转体的组合，空心圆柱的侧壁上开有线槽，装置底座的外形为同轴的单调变径实心回转体和空心圆柱的组合，装置底座的空心圆柱的侧壁上也开有线槽，两单调变径实心回转体的直径较小端面为所述的工作面，装置底座的空心圆柱内侧设置用于与试验机底座连接的装置底座限位结构。
2.如权利要求1所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述装置压头的单调变径实心回转体及装置底座的单调变径实心回转体均为圆台。
3.如权利要求2所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述圆台直径较大的底面分别与所述空心圆柱内部的圆孔的底面重合。
4.如权利要求1所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述装置压头的单调变径实心回转体及装置底座的单调变径实心回转体均为球缺。
5.如权利要求1所述的单轴压缩实验装置，其特征是：所述装置压头的圆孔的底面及其工作面的加工平整度均≤0.0...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓建辉，杨爽，陈菲，何治良，余志球，张广泽，冯涛，冯君，王栋，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：新型
国别省市：四川;51
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