CN104155175A - 岩石空心圆柱扭剪仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及室内岩石力学试验装置，更具体涉及可实现复杂应力路径的岩石空心圆柱扭剪仪，属于岩土工程技术领域。该扭剪仪由底座、套筒、下压头、上压头、活塞、上座、顶盖、连接杆、扭转装置组成，本发明的岩石空心圆柱扭剪仪解决了岩石室内试验装置应力路径单一的难题，可独立或混合地对岩样加载轴向力、内围压、***压、扭矩，且克服了四种外力加载时相互干扰的缺陷，可模拟主应力大小变化或应力主轴旋转的应力路径，岩石空心圆柱扭剪仪结构合理，易于制造，操作简单，测量***精确，自动化程度高，可普遍用于岩石复杂加载路径的室内试验。

Description

岩石空心圆柱扭剪仪

技术领域

本发明涉及室内岩石力学试验装置，更具体涉及可实现复杂应力路径的岩石空心圆柱扭剪仪，属于岩土工程技术领域。

背景技术

工程岩体现场开挖过程中岩体内部的应力状态极为复杂，表现为：应力主轴方向不变情况下主应力大小变化、主应力大小不变情况下应力主轴旋转、应力主轴方向旋转及主应力大小变化。从宏观角度考虑，上述应力状态的改变会导致岩体产生塑性变形，弹性参数和强度参数发生改变；从微观角度考虑，岩体内部有微裂隙产生、贯通和扩展。因此，开展室内试验并研究复杂应力作用下岩石的强度、变形和破坏形态，这对于认识和治理岩体开挖扰动诱发的工程灾害具有重要意义。

目前，可以模拟应力路径的岩石室内试验装置主要有单轴压缩仪、常规三轴压缩仪、直剪仪、真三轴压缩仪等。单轴压缩仪可实现岩石在一个主应力作用方向加载的压缩破坏，可测定岩石单轴抗压强度，不能实现其他应力路径；常规三轴压缩仪可实现岩石在有围压情况下加载偏压的压缩破坏，不能实现三个大小不同的主应力作用条件的应力路径；直剪仪可实现岩石在给定剪切面的剪切破坏，但剪切力的输出方向与破坏面不在同一平面上，不能真实地反映岩石的剪切破坏；真三轴压缩仪可实现岩石在三个大小不同的主应力作用下的压缩破坏，但经常存在加压刚性板相互影响、端面摩擦等问题，且不能实现应力主轴旋转的应力路径。

依据空心圆柱的受力特点，岩土工程技术领域已开发出适用于土样的空心圆柱扭剪仪。但是，土与岩石是两种不同的工程材料，现有的作用于土样的空心圆柱扭剪仪不适用于岩石材料，主要表现为：1）土样黏聚力较低，并可用常规工具进行任意形状的切削重塑。因此，制作端面具有环状分布凹槽的土样较为方便，易于实现加载端面的扭矩传递。但是，岩石的黏聚力较高，无法制作重塑岩样，加工端面具有环状分布凹槽的岩样较为困难。因此，需要采用其他方法实现岩样扭矩的施加。2）相对岩石而言，土的强度极小，因此适用于土样的空心圆柱扭剪仪可输出的外力较小，并常用水压实现围压的加载，而岩样的围压加载常使用油压实现。另一方面，岩石破坏所需应力水平较高，这决定了适用于岩石试验的试验设备必须具有较高的应力承受能力。3）相对土而言，岩石的变形极小，需采用不同于土样的空心圆柱扭剪仪的变形测量装置和方法。4）现有的适用于土样的空心圆柱扭剪仪的轴向加载与扭矩加载结构存在相互影响的问题，比如轴向加载引起的摩擦效应。但由于施加于土样的外力水平相对较小，这种相互影响对于土样可忽略不计。当岩石的破坏必须施加较高应力水平时，轴向力的加载可产生较大的阻碍扭转运动的摩擦力，这种相互影响对于岩石而言较为突出。

综上所述，现有的岩石室内试验装置不可以实现应力主轴旋转等复杂的应力路径，试验功能较为单一；另一方面，适用于土样的空心圆柱扭剪仪无法应用于岩石试验，并且由于岩石和土的性质的不同，无法进行改造以应用于岩石试验。

发明内容

本发明的目的是在于提供自动化程度高、荷载输出***可靠、测量***准确、具有复杂加载路径能力的岩石空心圆柱扭剪仪。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

该扭剪仪由底座、套筒、下压头、上压头、活塞、上座、顶盖、连接杆、扭转装置组成，底座呈凸台状，底座上端面中心开有圆柱形凹槽，底座内部开有第五通道、第八通道、第十通道，各通道的两端口分别位于底座的外壁与凸台顶部，底座中心处开有第九通道，第九通道的两端口分别位于凸台凹槽底部和底座的外壁，下压头放置于底座中，下压头和底座之间通过螺栓连接，下压头中心处开有贯通的第六通道，第六通道与第九通道在同一条中心线上，下压头内部开有第七通道，第七通道的两端口分别位于下压头的顶部与外壁，空心圆柱形套筒放置于底座上，空心圆柱形套筒底部通过销钉连接底座，空心圆柱形套筒上方设置有上座，上座通过均匀分布的连接杆与底座连接，上座上方设置有顶盖，顶盖通过螺栓与上座连接，上座和顶盖内部形成十字形油腔，活塞呈十字形，活塞活动地置于十字形油腔中，活塞的上端从顶盖的上方伸出，活塞的下端从上座的下方伸出，活塞的下端设有上压头，上压头的上端与活塞的下端相互咬合，上压头内部开有第四通道，第四通道的两端分别位于上压头的底部和外壁，第四通道通过排气管与第五通道连接，上座中开有平行的第一通道和第三通道，第一通道的一端口位于十字形油腔的顶部，第三通道的一端口位于十字形油腔的底部，两个通道的另一端口位于上座的外壁，上座中还开有第二通道，第二通道的两端口分别位于上座的外壁和底部，扭转装置由扭矩传力杆、千斤顶、关节轴承、扭矩反力座构成，扭矩传力杆的一端固定在活塞顶部，扭矩传力杆的另一端通过关节轴承与千斤顶的活塞头连接，千斤顶的另一端与扭矩反力座一端铰接，扭矩反力座的另一端通过连接杆固定在上座上方，第一通道、第三通道、第八通道、第九通道、千斤顶分别连接液压伺服泵，底座与套筒、底座与下压头、上座与套筒、上座与顶盖、上座与活塞、顶盖与活塞接触面分别设有密封圈。

所述的底座、下压头、上压头和活塞的上下表面水平平行。

所述的扭矩传力杆和千斤顶相互平行，并垂直于活塞。

所述的上压头的下端呈凸台状，下压头的上端呈凸台状，两个凸台同径且在同一条中心线上。

由于采用了以上技术方案，该岩石空心圆柱扭剪仪有以下优点：

1本试验装置可独立或混合地加载轴向力、内围压、***压和扭矩，对空心圆柱中部一点的应力状态进行分析可知，轴向力、内围压和***压的施加等效于对单元体施加轴向、环向和径向的三个主应力，可模拟应力主轴不旋转、只改变主应力大小的应力路径，而扭矩的加载可引起轴向和环向的主应力在垂直于径向的平面内发生偏转，可模拟应力主轴旋转的应力路径。

2上压头、下压头和岩样通过强力胶粘结成一体，上压头、下压头和岩样的接触面开有凸台，增加了岩样与上压头、下压头的接触面积，减小了扭矩加载时接触面脱离的风险。

3上座和顶盖内部形成十字形油腔，活塞活动地置于十字形油腔中，活塞将十字形油腔分为上下两部分，液压伺服泵通过第一通道向十字形油腔上部输送液压油并对活塞加载轴向力，因此，不同于传统的采用千斤顶与刚性杆接触的刚性加载方式，在该申请中轴向力的加载采用液压油与活塞接触的柔性加载方式，避免了千斤顶与刚性杆接触产生的端面摩擦效应，有效地消除了当轴向力和扭矩共同加载时的相互干扰。

4上压头和活塞的接触面通过硅胶密封，套筒内的液压油不会进入活塞与上压头的接触面，可实现轴向力和***压加载的分离，使轴向力的加载方式更为灵活。

5液压伺服泵通过第三通道向十字形油腔下部输送液压油，可对活塞施加竖直向上的轴向力，方便地用于试验后稳定提升活塞，避免了人力提升活塞对岩样的扰动。

6扭转装置固定于顶盖和活塞上，当扭矩加载时，对岩石空心圆柱扭剪仪整体进行受力分析可知，该三轴仪底部不存在转动趋势，因此，不需要另外配置固定平台，节省了资金和试验空间。

7岩石空心圆柱扭剪仪的岩样破坏发生在岩样中部位置，应力和应变等的分析也针对岩样中部的单元体，应变测量采用在岩样中部贴应变片采集数据的方式，可精确获得试样中部单元体的实时应变值，避免了测量岩样整体应变带来的误差，外力的施加采用高精度液压伺服泵，可实现恒压和流量控制，保证了试验的可靠性。

本发明的岩石空心圆柱扭剪仪解决了岩石室内试验装置应力路径单一的难题，可独立或混合地对岩样加载轴向力、内围压、***压、扭矩，且克服了四种外力加载时相互干扰的缺陷，可模拟主应力大小变化或应力主轴旋转的应力路径，岩石空心圆柱扭剪仪结构合理，易于制造，操作简单，测量***精确，自动化程度高，可普遍用于岩石复杂加载路径的室内试验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的外形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，见附图。

岩石空心圆柱扭剪仪，该扭剪仪由底座12、套筒10、下压头20、上压头17、活塞1、上座8、顶盖6、连接杆11、扭转装置组成。

下压头20顶部呈凸台状，下压头20中心处开有贯通的第六通道21，第六通道21用于输油，下压头20内部开有第七通道22，第七通道22的两端口分别位于下压头20外壁与凸台顶部，第七通道22用于传输试验数据，下压头20顶部连接岩样。上压头17底部呈凸台状，上压头17的凸台和下压头20的凸台同径且在同一条中心线上，上压头17顶部开有方形凹槽，上压头17内部开有第四通道18，第四通道18的两端分别位于上压头17的底部和外壁，第四通道18用于排气，上压头17底部连接岩样，上压头17、岩样、下压头20形成的空间用于施加内围压。

底座12呈凸台状，底座12内部开有第五通道23、第八通道15、第十通道13，各通道的两端口分别位于底座12的外壁与凸台顶部，第五通道23通过排气管19与第四通道18连接并用于排气，第八通道15用于输油，第十通道13和第七通道22作为数据线的引入通道，底座12中心处开有第九通道14，第九通道14的两端口分别位于凸台凹槽底部和底座12的外壁，第九通道14用于输油，底座12上端面中心开有圆柱形凹槽，下压头20放置于底座12中，下压头20和底座12之间通过螺栓连接，并保证第九通道14与第六通道21在同一条中心线上。空心圆柱形套筒10放置于底座12上，空心圆柱形套筒10底部通过销钉连接底座12，空心圆柱形套筒10内部空间用于施加***压。

上座8放置于空心圆柱形套筒10上，上座8通过均匀分布的连接杆11与底座12连接，上座8上方设置有顶盖6，顶盖6通过螺栓与上座8连接，上座8和顶盖6内部形成十字形油腔，活塞1呈十字形，活塞1活动地置于十字形油腔中，活塞1的上端从顶盖6的上方伸出，活塞1的下端从上座8的下方伸出，活塞1的下表面和底座12、下压头20、上压头17的上下表面水平平行，活塞1的下端开有方形凸台，活塞1下端的方形凸台外侧涂抹硅胶，活塞1下端的方形凸台与上压头17上端的方形凹槽相互咬合并通过硅胶密封，上座8中开有平行的第一通道7和第三通道9，第一通道7的一端口位于十字形油腔的顶部，第三通道9的一端口位于十字形油腔的底部，两个通道的另一端口位于上座8的外壁，第一通道7和第三通道9用于输油，上座8中还开有第二通道16，第二通道16的两端口分别位于上座8的外壁和底部，第二通道16用于排气。

扭转装置由扭矩传力杆2、千斤顶3、关节轴承4、扭矩反力座5构成，扭矩传力杆2的一端固定在活塞1顶部，扭矩传力杆2的另一端通过关节轴承4与千斤顶3的活塞头连接，千斤顶3的另一端与扭矩反力座5一端铰接，扭矩反力座5的另一端通过两个连接杆11固定在上座8上方，扭矩传力杆2、千斤顶3水平平行，并与活塞1垂直。

第一通道7、第三通道9、第八通道15、第九通道14、千斤顶3分别连接液压伺服泵，液压伺服泵可选用高精度液压伺服泵并保证加载***的准确性和稳定性，通过第一通道7可向十字形油腔上部油腔输油并加载轴向力，通过第三通道9可向十字形油腔下部油腔输油以便于试验结束时活塞1提升，通过第八通道15可向套筒10内部输油并加载***压，通过第九通道14可向岩样内部输油并加载内围压，通过向千斤顶3输油可加载扭矩，第二通道16用于加载***压时排气，第四通道18和第五通道23用于加载内围压时排气。第十通道13位于底座12外壁的一端口与数据控制及采集***连接，可实时传输试验数据。

底座12与套筒10、底座12与下压头20、上座8与套筒10、上座8与顶盖6、上座8与活塞1、顶盖6与活塞1接触面分别设有密封圈，用于保证该扭剪仪内部油腔的密封性及加载的可靠性。

本发明的工作原理为：

（1）第七通道22内引入数据线连接第七通道22的两端口，第十通道13内引入数据线连接第十通道13的两端口，第十通道13位于底座12外壁的一端口与数据控制及采集***连接。同时，分别密封第七通道22和第十通道13的两端口。

（2）制备空心圆柱岩样，并在岩样内壁和外壁的中部位置粘贴应变片，岩样内壁的应变片数据线与第七通道22位于下压头20凸台顶部的数据线端口连接，下压头20凸台外壁和下压头20顶部凸台外侧涂抹强力胶，岩样通过强力胶粘结在下压头20上方。

（3）上压头17凸台外壁和上压头17凸台外侧涂抹强力胶，上压头17通过强力胶粘结在岩样上方，并保证下压头20、岩样、上压头17在同一条中心线上，岩样外壁包裹橡胶套，并通过硅胶密封橡胶套上下边缘，岩样和上压头17、下压头20连接为一个整体。

（4）下压头20放置于底座12中，下压头20和底座12之间通过螺栓连接，并保证第六通道21与第九通道14在同一条中心线上，第四通道18通过排气管19与第五通道23连接，第七通道22通过数据线24与第十通道13连接。

（5）空心圆柱形套筒10放置于底座12上，空心圆柱形套筒10底部通过销钉连接底座12，上座8放置于空心圆柱形套筒10上，活塞1下端的方形凸台外侧涂抹硅胶，放置活塞1于十字形油腔中，活塞1的下端从上座8的下方伸出，并保证活塞1的下表面和底座12、下压头20、上压头17的上下表面水平平行，活塞1下端的方形凸台与上压头17上端的方形凹槽相互咬合并通过硅胶密封，顶盖6套入活塞1并放置于上座8上，顶盖6通过螺栓与上座8连接。

（6）扭矩传力杆2的一端固定在活塞1顶部，扭矩传力杆2的另一端通过关节轴承4与千斤顶3的活塞头连接，千斤顶3的另一端与扭矩反力座5一端铰接，保证扭矩传力杆2和千斤顶3水平平行并与活塞1垂直，两个连接杆11分别穿过扭矩反力座5另一端的两个螺纹孔，并将扭矩反力座5、上座8、底座12固定，通过连接杆11穿过上座8和底座12的剩余螺纹孔并将上座8和底座12固定。

（7）第一通道7、第三通道9、第八通道15、第九通道14、千斤顶3分别连接液压伺服泵，试验开始前关闭第二通道16、第五通道23、第十通道13。

（8）当加载***压时，打开第二通道16，通过液压伺服泵向第八通道15输油，第二通道16有液压油流出时关闭第二通道16，继续加载***压至设定值，试验结束并需卸载***压时，打开第二通道16。

（9）当加载内围压时，打开第五通道23，通过液压伺服泵向第九通道14输油，第五通道23有液压油流出时关闭第五通道23，继续加载内围压至设定值，试验结束并需卸载内围压时，打开第五通道23。

（9）当加载轴向力时，通过液压伺服泵向第一通道7输油至设定值，试验结束时卸载液压伺服泵的油压。

（10）当加载扭矩时，通过液压伺服泵向千斤顶3输油至设定值，试验结束时卸载千斤顶3的油压。

（11）试验结束并需取出岩样时，依次取下连接杆11、扭转装置、顶盖6，通过液压伺服泵向第三通道9输油并提升活塞1，当活塞1与岩样无扰动时停止输油，取下活塞1并卸载液压伺服泵的油压，依次取下上座8、套筒10、下压头20与底座12连接的螺栓，卸除上压头17和下压头20并取得岩样。

Claims (4)

1.岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于：该扭剪仪由底座（12）、套筒（10）、下压头（20）、上压头（17）、活塞（1）、上座（8）、顶盖（6）、连接杆（11）、扭转装置组成，底座（12）呈凸台状，底座（12）上端面中心开有圆柱形凹槽，底座（12）内部开有第五通道（23）、第八通道（15）、第十通道（13），各通道的两端口分别位于底座（12）的外壁与凸台顶部，底座（12）中心处开有第九通道（14），第九通道（14）的两端口分别位于凸台凹槽底部和底座（12）的外壁，下压头（20）放置于底座（12）中，下压头（20）和底座（12）之间通过螺栓连接，下压头（20）中心处开有贯通的第六通道（21），第六通道（21）与第九通道（14）在同一条中心线上，下压头（20）内部开有第七通道（22），第七通道（22）的两端口分别位于下压头（20）的顶部与外壁，空心圆柱形套筒（10）放置于底座（12）上，空心圆柱形套筒（10）底部通过销钉连接底座（12），空心圆柱形套筒（10）上方设置有上座（8），上座（8）通过均匀分布的连接杆（11）与底座（12）连接，上座（8）上方设置有顶盖（6），顶盖（6）通过螺栓与上座（8）连接，上座（8）和顶盖（6）内部形成十字形油腔，活塞（1）呈十字形，活塞（1）活动地置于十字形油腔中，活塞（1）的上端从顶盖（6）的上方伸出，活塞（1）的下端从上座（8）的下方伸出，活塞（1）的下端设有上压头（17），上压头（17）的上端与活塞（1）的下端相互咬合，上压头（17）内部开有第四通道（18），第四通道（18）的两端分别位于上压头（17）的底部和外壁，第四通道（18）通过排气管（19）与第五通道（23）连接，上座（8）中开有平行的第一通道（7）和第三通道（9），第一通道（7）的一端口位于十字形油腔的顶部，第三通道（9）的一端口位于十字形油腔的底部，两个通道的另一端口位于上座（8）的外壁，上座（8）中还开有第二通道（16），第二通道（16）的两端口分别位于上座（8）的外壁和底部，扭转装置由扭矩传力杆（2）、千斤顶（3）、关节轴承（4）、扭矩反力座（5）构成，扭矩传力杆（2）的一端固定在活塞（1）顶部，扭矩传力杆（2）的另一端通过关节轴承（4）与千斤顶（3）的活塞头连接，千斤顶（3）的另一端与扭矩反力座（5）一端铰接，扭矩反力座（5）的另一端通过连接杆（11）固定在上座（8）上方，第一通道（7）、第三通道（9）、第八通道（15）、第九通道（14）、千斤顶（3）分别连接液压伺服泵，底座（12）与套筒（10）、底座（12）与下压头（20）、上座（8）与套筒（10）、上座（8）与顶盖（6）、上座（8）与活塞（1）、顶盖（6）与活塞（1）接触面分别设有密封圈。

2.根据权利要求1所述的岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于：所述的底座（12）、下压头（20）、上压头（17）和活塞（1）的上下表面水平平行。

3.根据权利要求1所述的岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于：所述的扭矩传力杆（2）和千斤顶（3）相互平行，并垂直于活塞（1）。

4.根据权利要求1所述的岩石空心圆柱扭剪仪，其特征在于：所述的上压头（17）的下端呈凸台状，下压头（20）的上端呈凸台状，两个凸台同径且在同一条中心线上。