[发明专利]一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机及试验方法

说明书

本发明提供了一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机及试验方法，涉及岩石力学技术领域，包括刚度调节装置、试验加载装置、监测系统和控制系统，刚度调节装置包括外框架顶梁、外立柱、刚度调节油缸和底座，试验加载装置的加载油缸加载带动内顶梁上升，从而使内立柱拉伸变形，高压弹簧压缩变形；同一试件在设定的加载载荷值条件下，刚度调节油缸加载载荷增大，内顶梁的位移和内立柱的变形减小，加载刚度变大；试验时，根据位移传感器的监测数据，通过控制系统控制刚度调节油缸的载荷，实现内顶梁位移的实时控制，保证试验全程中的加载刚度满足设计值且恒定不变，解决了岩石力学试验机加载刚度不能定量调节的技术问题，还具有操作简便等优点。

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，和该装置加载刚度调节的方法，以及利用该装置进行岩石力学试验的方法。

背景技术

岩石力学试验是岩土工程、矿山开采、隧道建设等地下工程地层性状参数获取的主要技术手段。1970年，沙拉蒙首先全面论述了由于试验机刚度不同对岩石变形特性的影响，提出了用刚度较大的试验机来减少作用于岩石的附加能量，进而可求得峰值应力后的应力-应变曲线。这一观点后被从事岩石力学的研究人员和工程技术人员在岩石的力学试验中得到证实，从而获得了岩石的全应力应变曲线，该方法亦可用于分析峰后失稳破坏过程。通过对岩石的全应力应变曲线进行分析，可以计算得到岩石的变形模量、峰值强度、残余强度及冲击能量等力学参数，为岩石工程开挖方案设计及稳定性分析提供依据。

在工程实际地层中岩性结构呈现多样性，岩层之间的组合情况常常发生变化，由此可见岩层刚度是一个非定常数。室内试验表明，对于同一种岩石，当选用不同刚度试验机进行加载时，岩石变形破坏特征表现出明显的差异性，尤其是峰后的变形破坏行为。通过上述研究可知，为了更加准确的研究地下工程环境中岩石的真实力学响应特性，针对不同岩性顶板的岩石力学性能测试，需选用与顶板刚度相匹配的岩石力学试验机进行试验，因此需要提供一种加载刚度可定量调节与控制的岩石力学试验机，但是现有的岩石力学试验机加载刚度一般为恒定值。为解决该问题需要对现有的岩石力学试验机做进一步的改进，从而实现加载刚度可调节，实现符合岩石工程特征的力学相关参数测试。

发明内容

为解决岩石力学试验中加载刚度不能定量调节的技术问题，本发明提供了一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机及试验方法，具体技术方案如下：

一种内外框架组合式变刚度岩石力学试验机，包括刚度调节装置、试验加载装置、监测系统和控制系统，刚度调节装置包括外框架顶梁、外立柱、刚度调节油缸和底座，外框架顶梁和底座之间设置有外立柱，刚度调节油缸设置在外框架顶梁上；试验加载装置包括内顶梁、内立柱、加载油缸、承压柱和高压弹簧，内顶梁设置在刚度调节油缸的下方，内顶梁和底座之间设置有内立柱，加载油缸设置在底座上，承压柱设置在内顶梁下方。

优选的是，内顶梁的刚度大于内立柱的刚度，内立柱上端穿过内顶梁，内立柱上端套设有高压弹簧。在载荷作用下，该装置的内立柱会产生较大的拉伸变形，高压弹簧为柔性材料，在外荷载作用下的变形量大于小刚度内立柱的变形量，高压弹簧变形量与小刚度内立柱变形量叠加，进一步增大了内部试验加载装置的弹性变形量上限及弹性能存储量，从而进一步降低了试验机加载刚度的低值下限。

优选的是，外立柱设置有4根，外立柱的刚度大于内立柱的刚度；内立柱设置有4根，内立柱上端的截面呈T形。

优选的是，监测系统包括第一压力传感器和第二压力传感器，第一压力传感器设置在刚度调节油缸和内顶梁之间，第二压力传感器设置在内顶梁和承压柱之间。

优选的是，监测系统还包括位移传感器、竖直导杆和水平导杆，竖直导杆固定在外框架顶梁和底座上；水平导杆的一端沿竖直导杆滑动，另一端和内顶梁相连；水平导杆下方的竖直导杆上还固定设置有短支架，短支架上设置有位移传感器。

优选的是，控制系统控制刚度调节油缸和加载油缸加载，控制系统接收并记录监测系统的监测数据。