软岩大变形三轴蠕变试验横向应变测量引伸计及方法

1.一种软岩三轴蠕变试验横向应变测量的引伸计，其特征在于所述引伸计包括滑环(1)、支架(2)、引伸臂(3)、敏感元件(6)和弹簧(9)；
滑环(1)为一个，滑环内径大于上压头与下压头最大变形后的外径；支架(2)为两付，对称安装在滑环(1)的外环面两侧并与滑环固连；引伸臂(3)为两条，一引伸臂的一端与一支架铰接，另一引伸臂的一端与另一支架铰接，两引伸臂的另一端均安装有触头(4)和弹簧挂钩(5)，所述触头(4)垂直于引伸臂安装；敏感元件(6)为两件，一敏感元件的一端固定在一支架上，另一敏感元件的一端固定在另一支架上，两敏感元件的另一端固定在与相应支架(2)铰接的引伸臂(3)的铰接端端部；弹簧(9)为两根，每根弹簧一端与一引伸臂上的弹簧挂钩(5)连接，另一端与另一引伸臂上的弹簧挂钩(5)连接；两支架(2)上和两引伸臂(3)的铰接端均设置有引伸臂定位孔(10)并配备有定位销(7)。
2.根据权利要求1所述的软岩三轴蠕变试验横向应变测量的引伸计，其特征在于滑环(1)内径比上压头与下压头最大变形后的外径大0.1mm～1mm。
3.根据权利要求1或2所述的软岩三轴蠕变试验横向应变测量的引伸计，其特征在于敏感元件(6)由弹性体(11)和贴在弹性体上的电阻应变片(12)构成，弹性体(11)的两端分别与支架(2)和引伸臂(3)的铰接端端部固连。
4.根据权利要求3所述的软岩三轴蠕变试验横向应变测量的引伸计，其特征在于弹性体(11)为弧形体或平直状体。
5.一种软岩大变形三轴蠕变试验横向应变测量方法，其特征在于使用权利要求1至4所述的任一引伸计进行测量，引伸计的数量与软岩试件待测断面的数量相同，操作步骤如下：
(1)将软岩试件(15)置于试验机的上压头(13)与下压头(18)之间并套上密封套；
(2)将引伸计的滑环(1)套装在上压头(13)或下压头(18)上；
(3)拔出引伸计上的定位销(7)，使引伸计的引伸臂(3)处于可转动状态；
(4)将两引伸臂(3)端部的触头(4)调整至软岩试件(15)的待测断面处，使两弹簧(9)形成的弹性环套在软岩试件(15)上；
(5)操作试验机，使上压头(13)与下压头(18)对软岩试件(15)施压，软岩试件轴向压缩，横向膨胀，致使引伸臂(3)绕与支架的铰接处转动，导致敏感元件的弹性体(11)变形并引起敏感元件的电阻应变片(12)阻值发生变化，然后采用电阻应变测量法得到软岩试件的横向应变值。

软岩大变形三轴蠕变试验横向应变测量引伸计及方法
技术领域
[0001] 本发明属于试件的横向应变测量仪器与方法，特别涉及一种用于软岩试件横向应变测量的仪器及方法。
背景技术
[0002] 软岩是一种变形较大的岩石，由于至今还没有能够测量20％以上应变的应变计和引伸计，因此，在常围压三轴试验中，对于软岩横向大变形的测量，一般采用以下两种方法：
(1)间接测量方法，通过测量岩样的体积变化(即测量压力室内油液的排出量)和轴向变形量，计算出软岩的横向变形量。(2)试验完成后测量试样的最终横向变形。上述这两种方法存在的问题是：前者测量到的是软岩的平均横向变形，与一般试验测到的横向应变有一定差别；后者则不能测到试验过程中每个阶段试样的横向应变。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于软岩三轴蠕变试验横向大变形测量的引伸计及横向应变测量方法，以准确地测量试验过程中每个阶段软岩试样的横向应变。
[0004] 本发明所述引伸计包括滑环、支架、引伸臂、敏感元件和弹簧；滑环为一个，其内径大于上压头与下压头最大变形后的外径(上下压头的最大径向变形依据其弹性常数和试验机的最大荷载计算或实测确定)，以保证滑环在测量过程中沿上压头和/或下压头的轴向自由滑动，其轴向高度和壁厚无严格要求；支架为两付，对称安装在滑环的外环面两侧并与滑环固连；引伸臂为两条，两引伸臂的一端分别与一付支架铰接，两引伸臂的另一端均安装有触头和弹簧挂钩，所述触头垂直于引伸臂安装(引伸臂的长度根据试件尺寸、纵向变形范围、测量断面的位置综合考虑，可设计不同长度的引伸臂，以满足测量的需要)；敏感元件为两件，两敏感元件的一端分别固定在两支架上，两敏感元件的另一端固定在与所述支架铰接的引伸臂的铰接端端部；弹簧为两根，两弹簧的两端分别与安装在两条引伸臂上的弹簧挂钩连接；两支架上和两引伸臂的铰接端均设置有引伸臂定位孔并配备有定位销。
[0005] 实验表明，滑环内径的优选方案是：滑环内径比上压头与下压头最大变形后的外径大0.1mm～1mm。
[0006] 上述引伸计中的敏感元件由弹性体和贴在弹性体上的电阻应变片构成，组装时，弹性体的两端分别与支架和引伸臂的铰接端端部固连。所述弹性体为弧形体或平直状体。
[0007] 上述引伸计中的引伸臂为矩形杆状体或圆形杆状体。
[0008] 本发明所述软岩大变形三轴蠕变试验横向应变测量方法，必须使用本发明所述的引伸计进行测量，引伸计的数量与软岩试件待测断面的数量相同，操作步骤如下：
[0009] (1)将软岩试件置于试验机的上压头与下压头之间并套上密封套；
[0010] (2)将引伸计的滑环套装在上压头或/和下压头上；
[0011] (3)拔出引伸计上的定位销，使引伸计的引伸臂处于可转动状态；
[0012] (4)将两引伸臂端部的触头调整至软岩试件的待测断面处，使两弹簧形成的弹性环套在软岩试件上；
[0013] (5)操作试验机，使上压头与下压头对软岩试件施压，软岩试件轴向压缩，横向膨胀，致使引伸臂绕与支架的铰接处转动，导致敏感元件的弹性体变形并引起敏感元件的电阻应变片阻值发生变化，然后采用电阻应变测量法(见《岩体测试与探测》第3章，程久龙等编著，地震出版社，2000年)得到软岩试件的横向应变值。
[0014] 本发明具有以下有益效果：
[0015] 1、本发明所述引伸计测量量程大，保证了软岩发生大变形时横向应变的测量，并且可准确地测量试验过程中每个阶段软岩试样的横向应变。
[0016] 2、使用多个引伸臂长度不同的引伸计，可同时测量一个试件上多个断面的横向应变。
[0017] 3、本发明所述引伸计结构简单，易于制作，本发明所述方法操作简便，易于掌握。
[0018] 4、本发明填补了软岩大变形三轴蠕变试验横向应变电子自动测量的空白。
附图说明
[0019] 图1是本发明所述引伸计的一种结构示意图；
[0020] 图2是图1的A-A剖视图；
[0021] 图3是图1的B-B剖视图；
[0022] 图4是本发明所述引伸计的又一种结构示意图；
[0023] 图5是敏感元件的一种结构示意图；
[0024] 图6是图5的俯视图；
[0025] 图7是敏感元件的又一种结构示意图；
[0026] 图8是图7的俯视图；
[0027] 图9是软岩三轴蠕变试验横向应变测量时，试件与引伸计的安装方式图。
[0028] 图中，1-滑环、2-支架、3-引伸臂、4-触头、5-弹簧挂钩、6-敏感元件、7-定位销、
8-铰轴、9-弹簧、10-引伸臂定位孔、11-弹性体、12-电阻应变片、13-上压头、14-引伸计I、15-软岩试件、16-引伸计II、17-引伸计III、18-下压头。
具体实施方式
[0029] 实施例1
[0030] 本实施例中，引伸计的结构如图1、图2、图3所示，包括滑环1、支架2、引伸臂3、触头4、弹簧挂钩5、敏感元件6、定位销7、铰轴8和弹簧9。滑环1为一个，其内径比上压头与下压头最大变形后的外径大1mm(根据上下压头的弹性常数和试验机的最大荷载计算，上下压头的径向最大变形为0.5mm)、轴向高度10mm、壁厚2mm，制作材料为铝合金或钛合金；
支架2为两付，结构为矩形管式结构，制作材料为铝合金或钛合金，其上安装有铰轴8并设置有引伸臂定位孔10，两支架相隔180°对称安装在滑环1的外环面两侧并与滑环固连；引伸臂3为两条，形状为矩形杆状体，制作材料为铝合金或钛合金，两引伸臂的一端分别与一付支架的铰轴8铰接(即一条引伸臂与一付支架的铰轴铰接)，两引伸臂的另一端均安装有触头4和弹簧挂钩5，所述触头4垂直于引伸臂安装，两引伸臂的铰接端设置有与支架2上的定位孔10相对应和匹配的定位孔；弹簧9为两根，两弹簧的两端分别与安装在两条引伸臂上的弹簧挂钩5连接，形成弹性环，如图3所示；敏感元件6由弹性体11和贴在弹性体上的电阻应变片12构成，弹性体11为弧形片状体，所述弧形片状体的两个弧面上各贴一个电阻应变片，如图5、图6所示；敏感元件6为两件，一条引伸臂配置一件，安装时，弹性体11的一端固定在支架2的内侧壁，弹性体11的另一端固定在与所述支架铰接的引伸臂3的铰接端端部侧面，如图1所示；定位销7为两根，一条引伸臂配置一根，当引伸计处于非工作状态时，将两定位销7分别插入两引伸臂和两支架的定位孔中，则可使引伸臂固定，不发生转动，当引伸计处于工作状态时，取出两定位销，则可使引伸臂在试样的作用下发生转动，导致弹性体11变形。
[0031] 本实施例中，根据需要设计了长度不同的系列引伸臂。
[0032] 实施例2
[0033] 本实施例中，引伸计的结构如图4所示，与实施例1不同之处是：(1)滑环1的内径比上压头与下压头最大变形后的外径大0.5mm、轴向高度5mm；(2)两条引伸臂3的形状为圆形杆状体；(3)构成敏感元件6的弹性体11为平直片状体，如图7、图8所示，安装时，弹性体11的一端固定在支架2的下部垫板，弹性体11的另一端固定在与所述支架铰接的引伸臂3的铰接端端部，如图4所示。
[0034] 实施例3
[0035] 本实施例中，使用三套实施例1所述的引伸臂长度不同的引伸计同时测量软岩三个断面的横向应变，安装方式如图9所示；在正式试验前，用应变仪和标准位移计对引伸计进行标定，得出应变与位移的关系。
[0036] 测试操作步骤如下：
[0037] (1)将软岩试件15置于试验机的上压头13与下压头18之间并套上密封套；
[0038] (2)将各套引伸计的滑环1套装在上压头13或下压头18上；
[0039] (3)拔出各套引伸计上的定位销7，使各套引伸计的引伸臂3处于可转动状态；
[0040] (4)将各套引伸计的两引伸臂端部的触头4调整至软岩试件15的待测断面处，使两弹簧9形成的弹性环套在软岩试件上；
[0041] (5)操作试验机，使上压头13与下压头18对软岩试件15施压，软岩试件15轴向压缩，横向膨胀，致使各套引伸计的引伸臂3绕铰轴8转动，导致敏感元件的弹性体11变形并引起敏感元件的电阻应变片12的阻值发生变化，然后采用电阻应变测量法得到软岩试件15的三个断面的横向应变值。