CN205483850U - 一体式岩体结构面直剪仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型供一种一体式岩体结构面直剪仪，包括框架***、竖向加载***、水平加载***和剪切***，竖向加载***和水平加载***均固定在框架***上，剪切***安装在框架***内，剪切***用于对结构面试样进行制样并固定，竖向加载***能够对剪切***施加法向应力，水平加载***能够对剪切***施加剪切应力。本实用新型有效减少了结构面试样的人为扰动；避免了过量沉降和不均匀沉降带来的制样误差。
Description
技术领域
本实用新型属于岩体力学性能试验技术领域。
背景技术
岩体结构面的抗剪强度和变形参数是岩体力学的重要基础数据，一般通过原位剪切试验或室内直剪试验获取岩体结构面的这些参数，其中室内直剪试验是获取岩体结构面的抗剪强度和变形参数最为常用的方法，但传统的室内直剪试验存在如下缺点：1、制样时，试验规程要求结构面试样的受剪面高出模具边框4~5mm且保持水平，但初凝前的水泥砂浆具有流塑性，在重力作用下结构面试样往往发生过量沉降和不均匀沉降。过量沉降导致结构面试样的受剪面无法保证高出模具边框4~5mm，有时甚至出现受剪面沉入水泥砂浆中的废样情况；不均匀沉降导致结构面试样的受剪面倾斜不水平，使得施加于剪切面上的法向荷载无法与剪切方向垂直。2、制样后，对结构面试样进行拆模，经数周浇水养护后才能开展试验，增加了试验的周期，且拆模过程和养护过程对结构面试样的扰动较大。3、试验时，由于结构面试样受剪面的起伏粗糙，传统方法很难保证剪切过程中剪切方向保持不变，剪切方向发生变化必然影响试验结果的准确性。4、试验时，传统方法采用千斤顶和钢绳施加法向荷载和剪切荷载，很难达到试验规程中“法向荷载和剪切荷载的合力作用点位于受剪面的中心，法向荷载中心线垂直于受剪面并通过其中心”的要求；且施加法向荷载的千斤顶固定于上剪切盒，剪切过程中法向荷载的中心线随上剪切盒的剪切位移发生变化，形成偏心力矩影响试验结果。5、试验结束后，传统方法需要重复装卸千斤顶，使得试验的可操作性和安全性较差。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种一体式岩体结构面直剪仪，能够解决传统室内直剪试验在制样及试验过程中的各种缺陷，提高试验过程的可操作性和试验结果的准确性。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：一体式岩体结构面直剪仪，包括框架***、竖向加载***、水平加载***和剪切***，所述竖向加载***和所述水平加载***均固定在所述框架***上，所述剪切***安装在所述框架***内，所述剪切***用于对结构面试样进行制样并固定，所述竖向加载***能够对所述剪切***施加法向应力，所述水平加载***能够对所述剪切***施加剪切应力。
在采用上述技术方案的同时，本实用新型还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：
所述框架***包括仪器底座、仪器框架柱、仪器顶板和限位板，所述仪器框架柱的底部固连在仪器底座上，所述仪器框架柱的顶端通过框架柱螺栓可拆卸地连接在仪器顶板的四角，所述仪器底座、仪器框架柱以及仪器顶板形成了整个仪器的框架结构，为竖向加载***、水平加载***和剪切***提供操作空间；所述限位板固定在仪器框架柱上；所述竖向加载***中的扁千斤顶固定安装在所述仪器顶板上；所述仪器底座沿剪切方向上设有导向滑轨槽。
所述仪器底座上设有滑动助力装置，所述滑动助力装置包括均匀且成行开设在仪器底座表面的滚动钢珠圆孔及配套的滚动钢珠，所述水平加载***中的剪切盒底座的底面能与所述滚动钢珠接触，从而使得剪切盒底座能够在水平加载***推动下发生剪切位移。
所述竖向加载***包括扁千斤顶和刚性垫板，所述扁千斤顶通过扁千斤顶固定螺栓连接在所述框架***中的仪器顶板上，所述扁千斤顶上设有扁千斤顶进油嘴，所述扁千斤顶进油嘴穿过所述框架***的仪器顶板并伸出于其上表面，活动地设置在所述扁千斤顶下方，从而对扁千斤顶提供的法向荷载起到均布和稳定作用。
所述水平加载***包括水平千斤顶和水平位移传感器卡槽，所述水平千斤顶通过水平千斤顶固定螺栓连接在水平千斤顶底座上，所述水平千斤顶底座固定安装在所述框架***的一侧，并与所述框架***连为一体，所述水平千斤顶能够推动所述剪切***中的剪切盒底座发生剪切位移，所述水平位移传感器卡槽固定设置在所述水平千斤顶底座上，用于测量剪切***水平位移的水平位移传感器固定安装在所述水平位移传感器卡槽内，所述水平千斤顶的水平千斤顶进油嘴设置在所述水平千斤顶底座的外侧。
所述剪切***包括上剪切盒、下剪切盒和剪切盒底座，所述上剪切盒被所述限位板限位，所述下剪切盒能够被装入所述剪切盒底座内，所述剪切盒底座的底部设有与所述导向滑轨槽配套的导向滑轨，使得所述剪切盒底座能沿所述仪器底座发生位移，所述上剪切盒的顶部和所述下剪切盒的底部均设有剪切盒注浆孔。
所述上剪切盒和所述下剪切盒的四面均设有紧固螺栓孔，所述紧固螺栓孔内配套设有试样紧固螺栓，所述试样紧固螺栓伸入所述剪切盒内的一端可拆卸地套设紧固橡胶垫片。
所述上剪切盒上设有用于记录上剪切盒在竖直方向上位移的竖向位移传感器。
本实用新型的有益效果是：
1、剪切盒即为制样模具，不需要拆模养护等步骤，有效减少了结构面试样的人为扰动；通过试样紧固螺栓与紧固橡胶垫片固定结构面试样后再进行制样，避免了过量沉降和不均匀沉降带来的制样误差。
2、通过框架***将竖向加载***、水平加载***和剪切***连为整体，试验过程不需要反复拆卸千斤顶，千斤顶出力稳定、方向准确，提高了试验过程的可操作性和试验结果的准确性。
3、采用扁千斤顶和刚性垫板施加法向荷载，确保法向荷载中心线垂直于受剪面并通过其中心，避免产生偏心力矩，克服了传统方法的技术缺陷。
4、采用滚动钢珠和导向滑轨保证剪切盒底座只能沿剪切方向自由滑动，防止剪切过程中出现侧向位移，进一步提高试验结果的准确性和可靠性。
5、采用数字液压表测量记录竖直压力和水平压力，采用位移传感器测量记录竖直位移和水平位移，实现试验数据的数字化同步采集。
附图说明
图 1 是一体式岩体结构面直剪仪的正视图。
图 2 是一体式岩体结构面直剪仪的右视图。
图 3 是一体式岩体结构面直剪仪的俯视图。
图 4 是图3的A-A’剖面图。
图 5 是图3的B-B’剖面图。
图 6 是一体式岩体结构面直剪仪的立体图。
图 7 是剪切盒的俯视图。
图 8 是图7的C-C’剖面图。
图 9 是剪切盒的立体图。
图中标号：1：框架柱螺栓；2：扁千斤顶固定螺栓；3：扁千斤顶进油嘴；4：仪器顶板；5：扁千斤顶；6：刚性垫板；7：限位板；8：上剪切盒；9：紧固螺栓孔；10：下剪切盒；11：仪器框架柱；12：水平千斤顶底座；13：水平千斤顶固定螺栓；14：水平千斤顶；15：水平千斤顶进油嘴；16：位移传感器卡槽；17：剪切盒底座；18：导向滑轨；19：滚动钢珠；20：仪器底座；21：结构面试样；22：剪切盒注浆孔；23：试样紧固螺栓；24：紧固橡胶垫片。
具体实施方式
参照附图。
本实用新型的一体式岩体结构面直剪仪，包括框架***、竖向加载***、水平加载***和剪切***，所述竖向加载***和所述水平加载***均固定在所述框架***上，所述剪切***安装在所述框架***内，所述剪切***用于对结构面试样进行制样并固定，所述竖向加载***能够对所述剪切***施加法向应力，所述水平加载***能够对所述剪切***施加剪切应力。
所述框架***包括仪器底座20、仪器框架柱11、仪器顶板4和限位板7，所述仪器框架柱11的底部固连在仪器底座20上，所述仪器框架柱11的顶端通过框架柱螺栓1可拆卸地连接在仪器顶板4的四角，所述仪器底座20、仪器框架柱11以及仪器顶板4形成了整个仪器的框架结构，为竖向加载***、水平加载***和剪切***提供操作空间，为竖向加载***和水平加载***的施力提供反力支撑。所述限位板7固定在仪器框架柱11上；所述仪器底座20沿剪切方向上设有导向滑轨槽。
所述仪器底座20上设有滑动助力装置，所述滑动助力装置包括均匀且成行开设在仪器底座20表面的滚动钢珠圆孔及配套的滚动钢珠19，本实施例中，滚动钢珠19及其配套的圆孔采用7列×10排布置，剪切盒底座17的底面与滚动钢珠19接触，从而使得剪切盒底座17能够在水平加载***推动下发生剪切位移。
所述竖向加载***包括扁千斤顶5和刚性垫板6，所述扁千斤顶5通过扁千斤顶固定螺栓2连接在仪器顶板4上，所述扁千斤顶5上设有扁千斤顶进油嘴3，所述扁千斤顶进油嘴3穿过所述仪器顶板4并伸出于其上表面，用于连接油泵，所述刚性垫板6设置在所述扁千斤顶5下方，并能够在扁千斤顶5作用下在限位板7上方所在区域内活动，从而对扁千斤顶5提供的法向荷载起到均布和稳定作用，扁千斤顶5能够以仪器顶板4作为反力支撑，对岩体结构面试样21施加法向应力。
所述水平加载***包括水平千斤顶14和水平位移传感器卡槽16，所述水平千斤顶14通过水平千斤顶固定螺栓13连接在水平千斤顶底座12上，所述水平千斤顶底座12固定安装在所述框架***的一侧，并与所述框架***连为一体，所述水平千斤顶14能够推动所述剪切盒底座17发生剪切位移，所述水平位移传感器卡槽16固定设置在所述水平千斤顶底座12上，水平位移传感器卡槽16内可安装水平位移传感器，测量并记录试验过程中剪切盒底座17在剪切方向的位移。所述水平千斤顶14的水平千斤顶进油嘴15设置在所述水平千斤顶底座12的外侧，用于连接油泵。
所述剪切***包括上剪切盒8、下剪切盒10和剪切盒底座17，所述上剪切盒8被所述限位板7竖向限位，所述下剪切盒10能够被装入所述剪切盒底座17内，所述上剪切盒8的开口朝下，所述下剪切盒10的开口朝上，所述上剪切盒8和所述下剪切盒10能够组合成直剪仪的剪切盒，剪切盒内形成岩体结构面试样装样的有效空间，并且上剪切盒8为被动剪切盒，下剪切盒10为主动剪切盒，所述剪切盒底座17的底部设有与所述导向滑轨槽配套的导向滑轨18，使得所述剪切盒底座17能沿所述仪器底座20发生位移。
剪切盒即为制样模具，制样完成后不需要拆模等过程，直接将制样完成后的结构面试样连同剪切盒一起推入剪切盒底座17上即可开展试验，有效减少了拆模过程对结构面试样的人为扰动；带导向滑轨18的剪切盒底座17保证剪切过程中剪切盒底座只能沿着剪切方向位移，防止试验过程中由于结构面的不平整导致剪切方向发生变化。
所述上剪切盒8和所述下剪切盒10的四面均设有紧固螺栓孔9，所述紧固螺栓孔9内配套设有试样紧固螺栓23，所述试样紧固螺栓23伸入所述剪切盒内的一端可拆卸地套设有紧固橡胶垫片24，在制样过程中采用试样紧固螺栓23和紧固橡胶垫片24夹紧固定结构面试样21，避免结构面试样的过量沉降和不均匀沉降等制样误差，制样过程完成后，将试样紧固螺栓23旋出，紧固橡胶垫片24留在剪切盒内。
所述上剪切盒8的顶部和所述下剪切盒10的底部均设有剪切盒注浆孔22，用以注入高强建筑石膏浆体制备结构面试样，避免常规方法制备试样时对试样的扰动以及填充物质无法填实等制样缺陷，且试验结束时可通过剪切盒注浆孔22快速拆卸结构面试样。
在试验过程中上剪切盒8的紧固螺栓孔9可用于固定竖直位移传感器，测量并记录试验过程中上剪切盒8的竖直方向位移。
采用本实用新型进行岩体结构面直剪试验的具体步骤是：
（1）放样：根据组合后的剪切盒的有效空间选取岩体结构面试样的尺寸，在剪切盒内均匀涂刷一层脱模油，将岩体结构面试样放入直剪仪的剪切盒内，注意应使试样保持原状，使剪切方向与剪切盒长边方向一致。
（2）调样：调整岩体结构面试样的位置，使其受剪面高出剪切盒边框5mm左右，调平受剪面，并采用剪切盒内的试样紧固螺栓和紧固橡胶垫片固定岩体结构面试样。
（3）制样：从剪切盒底部的注浆孔内注入高强建筑石膏浆体，捣实抹平，待高强建筑石膏浆体终凝后，连同剪切盒翻转试样，重复上述步骤完成另一半试样的制样；制样完成后，将试样紧固螺栓全部旋出，并剪断试样的捆绑钢丝，捆绑钢丝是结构面试样自带的，在初步切样的时候，为了防止错动，对结构面试样进行捆绑。
（4）装样：将完成制样的试样连同剪切盒正面推入直剪仪的剪切盒底座内，确保主动剪切盒在下，被动剪切盒在上。
（5）仪表连接：在直剪仪的水平位移传感器卡槽中安装水平位移传感器；在上剪切盒的紧固螺栓孔中安装竖向位移传感器；将1号手动油压泵与直剪仪的扁千斤顶进油嘴连接并安装数字液压表；将2号手动油压泵与直剪仪的水平千斤顶进油嘴连接并安装数字液压表；将上述传感器和液压表与微机连接并数据归零。
（6）施加法向应力：利用1号手动油压泵通过竖向加载***施加法向应力，达到规定数值后保持正压力恒定。
（7）施加剪切应力：将正应力保持恒定，利用2号手动油压泵通过水平加载***逐级施加剪应力，每隔30s加一级，直至试样剪断；
剪断标志：水平千斤顶的数字液压表读数不再上升，甚至下降，或者剪切位移持续增大。
（8）剪切面积量测与描述：试验结束后，测量岩体结构面试样上半部分连同上剪切盒的重量；记述剪切面的破坏情况；采用透明纸覆于剪切面上勾画出剪切面周围的轮廓线，进而采用坐标纸求算剪切面积。
（9）重复试验：调整不同等级法向应力，重复步骤（2）~（5），对其余试样进行试验，建议一组试验的试样个数为4~5个。
（10）按照式1计算法向应力和剪切应力：
式1
其中，为法向应力（MPa）；为剪切应力（MPa）；为上剪切盒、刚性垫板和上半个试样的总重量（N）；为1号油压泵数字液压表读数（MPa）；为2号油压泵数字液压表读数（MPa）；为剪切面实测面积（mm2）；为水平向千斤顶活塞面积（mm2）；为扁扁千斤顶面积（mm2）；
以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标绘制剪应力-剪切位移的关系曲线，选取曲线上的峰值或稳定值作为抗剪强度值；以抗剪强度为纵坐标，法向应力为横坐标绘制抗剪强度-法向应力关系曲线，然后根据库仑定律：，采用图解法拟合最佳直线，求得结构面的抗剪强度参数：内摩擦角和内聚力。
（11）法向刚度是指在法向应力作用下，节理面产生单位法向变形所需要的应力，其数值等于竖直向应力与竖直位移ΔVj关系曲线上任一点的切线斜率；剪切刚度是指在剪切应力作用下，节理面产生单位剪切变形所需要的应力，其数值等于峰值前剪切应力与水平位移关系曲线上任一点的切线斜率；数字液压表和位移传感器同步采集了结构面试样的竖直压力、水平压力、竖直位移和水平位移，按照式2计算结构面试样的法向刚度和剪切刚度：
式2。
Claims (8)
1.一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：包括框架***、竖向加载***、水平加载***和剪切***，所述竖向加载***和所述水平加载***均固定在所述框架***上，所述剪切***安装在所述框架***内，所述剪切***用于对结构面试样进行制样并固定，所述竖向加载***能够对所述剪切***施加法向应力，所述水平加载***能够对所述剪切***施加剪切应力。
2.如权利要求1所述的一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：所述框架***包括仪器底座、仪器框架柱、仪器顶板和限位板，所述仪器框架柱的底部固连在仪器底座上，所述仪器框架柱的顶端通过框架柱螺栓可拆卸地连接在仪器顶板的四角，所述仪器底座、仪器框架柱以及仪器顶板形成了整个仪器的框架结构，为竖向加载***、水平加载***和剪切***提供操作空间；所述限位板固定在仪器框架柱上；所述竖向加载***中的扁千斤顶固定安装在所述仪器顶板上；所述仪器底座沿剪切方向上设有导向滑轨槽。
3.如权利要求2所述的一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：所述仪器底座上设有滑动助力装置，所述滑动助力装置包括均匀且成行开设在仪器底座表面的滚动钢珠圆孔及配套的滚动钢珠，所述水平加载***中的剪切盒底座的底面能与所述滚动钢珠接触，从而使得剪切盒底座能够在水平加载***推动下发生剪切位移。
4.如权利要求1所述的一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：所述竖向加载***包括扁千斤顶和刚性垫板，所述扁千斤顶通过扁千斤顶固定螺栓连接在所述框架***中的仪器顶板上，所述扁千斤顶上设有扁千斤顶进油嘴，所述扁千斤顶进油嘴穿过所述框架***的仪器顶板并伸出于其上表面，所述刚性垫板活动地设置在所述扁千斤顶下方，从而对扁千斤顶提供的法向荷载起到均布和稳定作用。
5.如权利要求1所述的一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：所述水平加载***包括水平千斤顶和水平位移传感器卡槽，所述水平千斤顶通过水平千斤顶固定螺栓连接在水平千斤顶底座上，所述水平千斤顶底座固定安装在所述框架***的一侧，并与所述框架***连为一体，所述水平千斤顶能够推动所述剪切***中的剪切盒底座发生剪切位移，所述水平位移传感器卡槽固定设置在所述水平千斤顶底座上，用于测量剪切***水平位移的水平位移传感器固定安装在所述水平位移传感器卡槽内，所述水平千斤顶的水平千斤顶进油嘴设置在所述水平千斤顶底座的外侧。
6.如权利要求2所述的一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：所述剪切***包括上剪切盒、下剪切盒和剪切盒底座，所述上剪切盒被所述限位板限位，所述下剪切盒能够被装入所述剪切盒底座内，所述上剪切盒和所述下剪切盒能组合形成所述直剪仪的剪切盒，所述剪切盒底座的底部设有与所述导向滑轨槽配套的导向滑轨，使得所述剪切盒底座能沿所述仪器底座发生位移，所述上剪切盒的顶部和所述下剪切盒的底部均设有剪切盒注浆孔。
7.如权利要求6所述的一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：所述上剪切盒和所述下剪切盒的四面均设有紧固螺栓孔，所述紧固螺栓孔内配套设有试样紧固螺栓，所述试样紧固螺栓伸入所述剪切盒内的一端可拆卸地套设紧固橡胶垫片。
8.如权利要求6所述的一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：所述上剪切盒上设有用于记录上剪切盒在竖直方向上位移的竖向位移传感器。
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