CN109269918B - 一种连续变化剪切方向的岩石力学试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及室内岩石力学试验装置，更具体涉及可连续变化剪切方向的岩石力学试验机，属于岩土工程技术领域。该试验机由承台、第一齿轮、电机、第二齿轮、轴承、轴承端盖、支柱、剪切盒、加力装置组成，本发明的可连续变化剪切方向的岩石力学试验机解决了传统剪切试验不能变化剪切方向的难题，可独立或混合地控制法向应力的施加、剪切应力的施加、剪切面旋转，连续变化剪切方向的岩石力学试验机结构简单，实用性强，服务于岩石力学理论与试验，可普遍用于工程中岩体破裂过程和破裂机制的精确描述。

Description

一种连续变化剪切方向的岩石力学试验机

技术领域

本发明涉及室内岩石力学试验装置，更具体涉及可连续变化剪切方向的岩石力学试验机，属于岩土工程技术领域。

背景技术

岩土工程中，岩土体破坏表现为压剪破坏、拉剪破坏等形式。其中，对于有围压作用或已支护的岩土体，压剪破坏较为常见。因为压剪的加载措施容易实施，所以压剪试验研究较早，并在岩土工程试验领域被普遍采用。采用传统的压剪试验进行剪切试验时，对试样先施加竖向的法向荷载，然后保持法向荷载不变，施加平行于剪切面的剪切荷载，在整个试验过程中，法向荷载和剪切荷载的方向垂直且不变。但是，在实际工程中，岩土体破裂面的方向并非固定的。例如，受车辆荷载移动变化的作用，若路基中某位置存在损伤，该位置微裂隙的方向逐渐变化；深埋隧道开挖时，随开挖进尺增加，围岩中一点的应力单元体逐渐旋转，相应的，剪切破裂面逐渐变化；地震作用时，在动荷载影响下，岩体破裂面连续变化。可见，受到工程中复杂荷载作用的影响，岩体破裂方向逐渐变化。

因此，传统的压剪试验仪器只能完成法向荷载和剪切荷载方向固定的剪切试验，然而工程中岩体破裂面方向并非固定不变，传统的压剪试验仪器无法实现岩体破裂面方向变化的试验研究，亟需研发一种可连续变化剪切方向的岩石力学试验机，实现工程中岩体破裂过程和破裂机制的精确描述。

发明内容

本发明的目的是在于提供结构简单、实用性强、服务于岩石力学理论与试验、可连续变化剪切方向的岩石力学试验机。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

该试验机由承台、第一齿轮、电机、第二齿轮、轴承、轴承端盖、支柱、剪切盒、加力装置组成，承台呈外径变化的三级空心圆柱凸台状，承台的上部凸台沿正交方向对称开有螺纹孔，承台的中部凸台开有键槽，齿轮销放置于承台的中部凸台的键槽中，第二齿轮通过齿轮销配合安装在承台的中部凸台的外部，轴承配合安装在承台的下部凸台的外部，承台的中部凸台、齿轮销、第二齿轮放置于轴承的内圈上，轴承的外圈固定在轴承端盖上，支柱呈圆柱状，支柱放置于轴承端盖上，第一齿轮安装于电机上，第一齿轮与第二齿轮配合安装，试样呈圆柱状，试样放置于支柱上，上压板放置于试样上，剪切盒由后盒、前盒、第一传力块、第二传力块、球铰座构成，后盒和前盒呈长方拱状，后盒和前盒的下表面沿圆弧方向均匀开有凹槽，承台的上表面开有圆环形凹槽，滚珠放置于承台的凹槽内，后盒和前盒放置于滚珠上，后盒和前盒的凹槽与滚珠配合接触，试样放置于后盒的圆弧状的前表面与前盒的圆弧状的后表面之间，第一传力块和第二传力块呈“L”形，前盒的右端固定连接第一传力块，后盒的左端固定连接第二传力块，球铰座固定于第二传力块的左端，试样与后盒、前盒的高度相等，后盒、前盒的下表面与试样的下表面共面，支柱与试样的半径相等，加力装置由竖向千斤顶、第一滚珠板、第一连接杆、第一挡板、第一水平千斤顶、第二挡板、第二水平千斤顶、第二滚珠板、第三挡板、第二连接杆、第四挡板构成，竖向千斤顶位于试样的上方，竖向千斤顶的上部固定于外部框架，竖向千斤顶的下部固定连接第一滚珠板，竖向千斤顶、试样、支柱、轴承端盖的中轴线共线，第一连接杆的左端与第一传力块的右端接触，第一连接杆的右端固定于第一挡板的左端，第一水平千斤顶位于第二传力块的左方，第一水平千斤顶的左端固定于第二挡板的右端，第一连接杆与第一水平千斤顶、球铰座的中轴线共线，第二水平千斤顶位于后盒的后方，第二水平千斤顶的前端固定连接第二滚珠板，第二水平千斤顶的后端固定于第三挡板的前端，第二连接杆的后端固定于前盒的前端，第二连接杆的前端固定于第四挡板的后端，第二水平千斤顶与第二连接杆共线，第一连接杆与第二水平千斤顶正交于试样的中心，第一挡板、第二挡板、第三挡板、第四挡板分别通过螺栓与螺母固定在承台上。

所述的试样与后盒、前盒的接触面进行减摩处理。

由于采用了以上技术方案，该连续变化剪切方向的岩石力学试验机有以下优点：

1该试验机通过电机做功，依次带动第一齿轮、第二齿轮、承台转动，固定于承台的第一挡板、第二挡板、第三挡板、第四挡板跟随转动，由于前盒与第二连接杆、第四挡板组成固定***，所以前盒跟随转动，由于第二滚珠板与第二水平千斤顶、第三挡板组成固定***，所以第二滚珠板跟随转动，第二滚珠板对后盒具有限位作用，后盒也跟随转动，因此，前盒与后盒同步转动且转动角度相同，可以实现剪切方向连续变化。

2第二水平千斤顶对试样施加法向应力，第一水平千斤顶对试样施加剪切应力，无论剪切面如何旋转，第二水平千斤顶和第一水平千斤顶输出力的大小直接决定法向应力和剪切应力的大小，而不用通过力的分解或合成的运算，因此，试验机对力的输出结构简单，后期试验结果处理过程便捷。

3试样与后盒、前盒的接触面进行减摩处理，极大地降低了法向应力和剪切应力的施加与前盒和后盒旋转之间的相互影响，可以实现外力施加时剪切面的连续旋转。

4通过第二滚珠板、球铰座，极大降低了法向应力和剪切应力施加时剪切盒上的附加摩擦力，削弱了法向应力和剪切应力的相互影响。

5通过第一传力块和第二传力块的“L”型设计，第一水平千斤顶和第二水平千斤顶的作用力通过试样的形心，极大地避免了附加弯矩的产生，减小剪切试验误差。

6该试验机可以实现传统剪切试验的应力路径和传统剪切试验无法完成的应力路径(法向应力和剪切应力不变时剪切面旋转的应力路径、法向应力和剪切应力改变时剪切面旋转的应力路径等)，试验功能丰富，扩展了传统剪切试验的应力路径，可模拟剪切面旋转的岩石破裂过程，模拟结果更接近工程情况，实用性强。

本发明的连续变化剪切方向的岩石力学试验机解决了传统剪切试验不能变化剪切方向的难题，可独立或混合地控制法向应力的施加、剪切应力的施加、剪切面旋转，连续变化剪切方向的岩石力学试验机结构简单，实用性强，服务于岩石力学理论与试验，可普遍用于工程中岩体破裂过程和破裂机制的精确描述。

附图说明

图1为本发明的连续变化剪切方向的岩石力学试验机结构示意图；

图2为本发明的剪切盒和加力装置的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，见附图。

一种连续变化剪切方向的岩石力学试验机，该试验机由承台10、第一齿轮12、电机13、第二齿轮20、轴承21、轴承端盖22、支柱23、剪切盒、加力装置组成。

承台10呈外径变化的三级空心圆柱凸台状，承台10的上部凸台沿正交方向对称开有螺纹孔，承台10的中部凸台开有键槽，齿轮销19放置于承台10的中部凸台的键槽中，第二齿轮20通过齿轮销19配合安装在承台10的中部凸台的外部，轴承21配合安装在承台10的下部凸台的外部，承台10的中部凸台、齿轮销19、第二齿轮20放置于轴承21的内圈上，轴承21的外圈固定在轴承端盖22上，轴承21具有支撑承台10、第二齿轮20和阻止承台10的旋转运动传递到轴承端盖22的作用，支柱23呈圆柱状，支柱23放置于轴承端盖22上，第一齿轮12安装于电机13上，第一齿轮12与第二齿轮20配合安装，第一齿轮12将旋转运动传递给第二齿轮20、承台10。试样18呈圆柱状，试样18放置于支柱23上，上压板3放置于试样18上。

剪切盒由后盒4、前盒27、第一传力块5、第二传力块17、球铰座16构成，后盒4和前盒27呈长方拱状，后盒4和前盒27的下表面沿圆弧方向均匀开有凹槽，承台10的上表面开有圆环形凹槽，滚珠6放置于承台10的凹槽内，后盒4和前盒27放置于滚珠6上，后盒4和前盒27的凹槽与滚珠6配合接触，滚珠6具有支撑后盒4、前盒27和减摩的作用，试样18放置于后盒4的圆弧状的前表面与前盒27的圆弧状的后表面之间，试样18与后盒4、前盒27的接触面进行减摩处理，试样18与后盒4、前盒27的接触面可采用涂抹特氟龙涂层等措施减小外力施加与剪切盒旋转的相互影响，第一传力块5和第二传力块17呈“L”形，前盒27的右端固定连接第一传力块5，后盒4的左端固定连接第二传力块17，球铰座16固定于第二传力块17的左端。试样18与后盒4、前盒27的高度相等，后盒4、前盒27的下表面与试样18的下表面共面，支柱23与试样18的半径相等。

加力装置由竖向千斤顶1、第一滚珠板2、第一连接杆7、第一挡板8、第一水平千斤顶15、第二挡板14、第二水平千斤顶25、第二滚珠板26、第三挡板24、第二连接杆28、第四挡板29构成，竖向千斤顶1位于试样18的上方，竖向千斤顶1的上部固定于外部框架，竖向千斤顶1的下部固定连接第一滚珠板2，竖向千斤顶1、试样18、支柱23、轴承端盖22的中轴线共线，第一连接杆7的左端与第一传力块5的右端接触，第一连接杆7的右端固定于第一挡板8的左端，第一水平千斤顶15位于第二传力块17的左方，第一水平千斤顶15的左端固定于第二挡板14的右端，第一连接杆7与第一水平千斤顶15、球铰座16的中轴线共线，第二水平千斤顶25位于后盒4的后方，第二水平千斤顶25的前端固定连接第二滚珠板26，第二水平千斤顶25的后端固定于第三挡板24的前端，第二连接杆28的后端固定于前盒27的前端，第二连接杆28的前端固定于第四挡板29的后端，第二水平千斤顶25与第二连接杆28共线，第一连接杆7与第二水平千斤顶25正交于试样18的中心，第一挡板8、第二挡板14、第三挡板24、第四挡板29分别通过螺栓9与螺母11固定在承台10上。

本发明的工作原理为：

(1)调节竖向千斤顶1、第一水平千斤顶15、第二水平千斤顶25的压头呈收缩状态，将试样18放置于后盒4的圆弧状的前表面与前盒27的圆弧状的后表面之间。

(2)调节竖向千斤顶1的压头至第一滚珠板2与上压板3刚接触，调节第一水平千斤顶15的压头使其与球铰座16刚接触，调节第二水平千斤顶25的压头至第二滚珠板26与后盒4刚接触。

(3)安装测量试验过程中试样18变形的位移传感器。

(4)竖向千斤顶1施加预应力，当试样18的水平旋转的自由度为零时，保持竖向千斤顶1的预应力值。

(5)按试验要求需对试样18施加法向应力时，调节第二水平千斤顶25的压力值至法向应力满足试验要求。

(6)按试验要求需对试样18施加剪切应力时，调节第一水平千斤顶15的压力值至剪切应力满足试验要求。

(7)按试验要求需改变试样18的剪切方向时，启动电机13，改变后盒4和前盒27的旋转角度至剪切方向满足试验要求，关闭电机13。

(8)完成试验后，调节竖向千斤顶1、第一水平千斤顶15、第二水平千斤顶25的压头呈收缩状态，取出试样18，记录试样破裂形态，整理试验数据。

Claims (2)

1.一种连续变化剪切方向的岩石力学试验机，其特征在于：该试验机由承台(10)、第一齿轮(12)、电机(13)、第二齿轮(20)、轴承(21)、轴承端盖(22)、支柱(23)、剪切盒、加力装置组成，承台(10)呈外径变化的三级空心圆柱凸台状，承台(10)的上部凸台沿正交方向对称开有螺纹孔，承台(10)的中部凸台开有键槽，齿轮销(19)放置于承台(10)的中部凸台的键槽中，第二齿轮(20)通过齿轮销(19)配合安装在承台(10)的中部凸台的外部，轴承(21)配合安装在承台(10)的下部凸台的外部，承台(10)的中部凸台、齿轮销(19)、第二齿轮(20)放置于轴承(21)的内圈上，轴承(21)的外圈固定在轴承端盖(22)上，支柱(23)呈圆柱状，支柱(23)放置于轴承端盖(22)上，第一齿轮(12)安装于电机(13)上，第一齿轮(12)与第二齿轮(20)配合安装，试样(18)呈圆柱状，试样(18)放置于支柱(23)上，上压板(3)放置于试样(18)上，剪切盒由后盒(4)、前盒(27)、第一传力块(5)、第二传力块(17)、球铰座(16)构成，后盒(4)和前盒(27)呈长方拱状，后盒(4)和前盒(27)的下表面沿圆弧方向均匀开有凹槽，承台(10)的上表面开有圆环形凹槽，滚珠(6)放置于承台(10)的凹槽内，后盒(4)和前盒(27)放置于滚珠(6)上，后盒(4)和前盒(27)的凹槽与滚珠(6)配合接触，试样(18)放置于后盒(4)的圆弧状的前表面与前盒(27)的圆弧状的后表面之间，第一传力块(5)和第二传力块(17)呈“L”形，前盒(27)的右端固定连接第一传力块(5)，后盒(4)的左端固定连接第二传力块(17)，球铰座(16)固定于第二传力块(17)的左端，试样(18)与后盒(4)、前盒(27)的高度相等，后盒(4)、前盒(27)的下表面与试样(18)的下表面共面，支柱(23)与试样(18)的半径相等，加力装置由竖向千斤顶(1)、第一滚珠板(2)、第一连接杆(7)、第一挡板(8)、第一水平千斤顶(15)、第二挡板(14)、第二水平千斤顶(25)、第二滚珠板(26)、第三挡板(24)、第二连接杆(28)、第四挡板(29)构成，竖向千斤顶(1)位于试样(18)的上方，竖向千斤顶(1)的上部固定于外部框架，竖向千斤顶(1)的下部固定连接第一滚珠板(2)，竖向千斤顶(1)、试样(18)、支柱(23)、轴承端盖(22)的中轴线共线，第一连接杆(7)的左端与第一传力块(5)的右端接触，第一连接杆(7)的右端固定于第一挡板(8)的左端，第一水平千斤顶(15)位于第二传力块(17)的左方，第一水平千斤顶(15)的左端固定于第二挡板(14)的右端，第一连接杆(7)与第一水平千斤顶(15)、球铰座(16)的中轴线共线，第二水平千斤顶(25)位于后盒(4)的后方，第二水平千斤顶(25)的前端固定连接第二滚珠板(26)，第二水平千斤顶(25)的后端固定于第三挡板(24)的前端，第二连接杆(28)的后端固定于前盒(27)的前端，第二连接杆(28)的前端固定于第四挡板(29)的后端，第二水平千斤顶(25)与第二连接杆(28)共线，第一连接杆(7)与第二水平千斤顶(25)正交于试样(18)的中心，第一挡板(8)、第二挡板(14)、第三挡板(24)、第四挡板(29)分别通过螺栓(9)与螺母(11)固定在承台(10)上。

2.根据权利要求1所述的一种连续变化剪切方向的岩石力学试验机，其特征在于：所述的试样(18)与后盒(4)、前盒(27)的接触面进行减摩处理。