一種巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗裝置及方法與流程
2023-11-03 20:41:22 1
本發明涉及巖土工程技術領域，特別涉及一種巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗裝置及方法。
背景技術：
諸如大型水利水電工程的建造、深埋隧洞的開挖，各種礦產資源的開採，城市地下空間的開發，人類越來越多的建設活動離不開巖體的開挖，開挖伴隨著巖體的變形破壞，其力學特性發生改變，因此研究巖體破壞的力學特性和變形特徵是巖石力學主要研究方向之一。
巖石破壞的主要形式包括：剪切破壞試驗；不同應力條件下巖石的剪切破壞表現出不同的力學特性和變形特徵；常見的剪切形式有：壓縮剪切破壞、拉伸剪切破壞、扭剪破壞、三軸壓縮剪切破壞、變角度剪切破壞等單面破壞；但是在實際工程操作中，巖石剪切的破壞形式，受力形式是多種多樣的，單面破壞往往不能完整反映巖石內部破壞的機制，使得巖石剪切破壞的力學特性和變形特徵研究的可靠性存疑，影響工程的可靠性和穩定性。
技術實現要素：
本發明提供一種巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗裝置，解決現有技術中巖石內部破壞機制研究片面，形式單一，可靠性低的技術問題。
為解決上述技術問題，本發明提供了一種巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗裝置，包括：
基座以及固定在其上的框架；
第一剪切盒以及與之相對設置的第二剪切盒，所述第一剪切盒和所述第二剪切盒設置在所述基座上；
水平加載結構，分別與所述第一剪切盒和所述第二剪切盒相連，驅動所述第一剪切盒所述第二剪切盒執行對巖石試樣的拉伸或者壓縮操作；
垂直加載系統，與所述框架相連，用於執行對所述巖石試樣的剪切操作，向所述巖石試樣施加剪力。
進一步地，所述第一剪切盒和所述第二剪切盒具備相同的結構；包括：
試樣槽，用於裝載巖石試樣；
蓋板，設置在所述試樣槽上，從試樣頂部提供固定位，從試樣寬度方向提供固定位，用於將巖石試樣從厚度方向，寬度方向壓緊在所述試樣槽內。
進一步地，所述蓋板包括：頂板以及相連的側板；
所述頂板固定在所述試樣槽上，用於從試樣厚度方向提供壓緊力；
所述側板固定在所述試樣槽上，用於從試樣寬度方向提供壓緊力。
進一步地，所述試樣槽還包括：活動壓板；
所述活動壓板與所述試樣槽活動相連，可沿試樣寬度方向靠近以及遠離所述側板，用於將巖石試樣壓緊在所述側板上或者自所述側板上釋放。
進一步地，所述側板和/或所述活動壓板用於接觸巖石試樣的內側面設置成粗糙面。
進一步地，所述蓋板還包括：頂側活動壓板；
所述頂側活動壓板設置在開設於所述頂板內的凹槽內，與所述頂板活動相連，可沿實驗厚度方向靠近以及遠離所述試樣槽的槽底，用於將巖石試樣壓緊在所述試樣槽的槽底或者自所述試樣槽的槽底釋放。
進一步地，所述水平加載系統包括：
定位支架；
與所述第一剪切盒相連的第一水平施力組件，與所述第二剪切盒相連的第二施力組件；所述第一水平施力組件和所述第二施力組件分別固定在所述定位支架上，以其作為施力支點；
水平滑軌以及與之匹配的第一滑塊和第二滑塊；
所述第一剪切盒固定在所述第一滑塊上，所述第二剪切盒固定在所述第二滑塊上。
進一步地，所述垂直加載結構包括：垂直施力組件；
所述垂直施力組件固定在所述框架上，用於垂直於所述巖石試樣施加剪力。
進一步地，定位支架包括：第一定位板、第二定位板以及兩者間的導向杆；
所述第一定位板與所述第一水平施力組件固定相連，所述第二定位板與所述第二水平施力組件固定相連；
所述導向杆通過滑動軸套與所述框架活動相連，可沿水平方向滑動，用於調整所述第一剪切盒以及所述第二剪切盒的水平位置。
一種基於所述的巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗裝置的巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗方法，包括：
試樣準備步驟，將巖石試樣壓緊在所述第一剪切盒以及所述第二剪切盒內；調整水平加載結構，使巖石試樣到達水平預定位置，且施力點位於巖石試樣的水平中軸線上；調整垂直加載結構，使其底端抵靠在巖石試樣頂部中心位置；
拉伸雙面剪切步驟，通過水平加載結構施加水平拉力至預訂值，而後通過垂直加載結構施加垂直剪力直至所述巖石試樣破壞；
更換巖石試樣，並按照上述試樣準備步驟完成巖石試樣固定以及裝置設置；
壓縮雙面剪切步驟，通過水平加載結構施加水平壓力至預訂值，而後通過垂直加載結構施加垂直剪力直至所述巖石試樣破壞。
本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：
本申請實施例中提供的巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗裝置，通過水平加載結構以及第一、第二剪切盒實現了巖石試樣的壓縮和拉伸狀態設定，使得巖石剪切實驗，能夠實現雙面壓縮和雙面拉伸，特別是雙面拉伸能夠充分還原巖石的受力狀態，使得剪切實驗能夠開展不同拉應力和壓應力作用下的雙面剪切試驗，獲得巖石剪切力學參數和變形特徵，為改進和完善巖石在拉剪/壓剪應力作用下的本構關係和強度準則，具有重要的理論意義和實際意義，提升了巖石內部破壞機制研究的完整性和可靠性。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗裝置的結構示意圖；
圖2為圖1的俯視圖；
圖3為本發明實施例提供的剪切盒的結構示意圖；
圖4為本發明實施例提供的蓋板結構示意圖；
圖5為圖4的左視圖；
圖6為本發明實施例提供的試樣槽的結構示意圖。
具體實施方式
本申請實施例通過提供一種巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗裝置，解決現有技術中巖石內部破壞機制研究片面，形式單一，可靠性低的技術問題；達到了提升巖石破壞機制研究的科學性，完整性和可靠性的技術效果。
為解決上述技術問題，本申請實施例提供技術方案的總體思路如下：
通過針對巖石試樣在兩面設置施力結構，實現拉伸和壓縮的力學狀態還原，從而充分提升了研究的可靠性和科學性；從而獲得完整可靠的的巖石剪切力學參數和變形特徵，為進和完善巖石在拉剪/壓剪應力作用下的本構關係和強度準則，具有重要的理論意義和實際意義。
為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術方案進行詳細說明，應當理解本發明實施例以及實施例中的具體特徵是對本申請技術方案的詳細的說明，而不是對本申請技術方案的限定，在不衝突的情況下，本申請實施例以及實施例中的技術特徵可以相互組合。
參見圖1，本發明實施例提供的一種巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗裝置，包括：
基座1以及固定在其上的框架2。
第一剪切盒14以及與之相對設置的第二剪切盒15，所述第一剪切盒14和所述第二剪切盒15設置在所述基座1上。
水平加載結構，分別與所述第一剪切盒14和所述第二剪切盒15相連，驅動所述第一剪切盒14所述第二剪切盒15執行對巖石試樣11的拉伸或者壓縮操作。從而實現了從結構上的雙面拉伸和雙面壓縮，完整了破壞機理的研究過程。
垂直加載系統，與所述框架2相連，用於執行對所述巖石試樣11的剪切操作，向所述巖石試樣11施加剪力。
具體來說，所述第一剪切盒14和所述第二剪切盒15具備相同的結構。
參見圖3～6，以第一剪切盒為例說明，包括：
試樣槽141，用於裝載巖石試樣。
蓋板142，設置在所述試樣槽141上，從試樣頂部提供固定位，從試樣寬度方向提供固定位，用於將巖石試樣從厚度方向，寬度方向壓緊在所述試樣槽141內。
具體來說，所述蓋板142包括：頂板1421以及相連的側板1422；
所述頂板1421固定在所述試樣槽141上，用於從試樣厚度方向提供壓緊力；即由巖石試樣11頂部向下壓。
所述側板1422固定在所述試樣槽141上，用於從試樣寬度方向提供壓緊力。
具體來說，在寬度方向上提供兩個相對的力，使得巖石試樣11在寬度方向上穩定。
進一步地，所述試樣槽還包括：活動壓板145。
所述活動壓板145與所述試樣槽141活動相連，具體來說，活動壓板145與第二試樣槽壁1414活動連接，可沿試樣寬度方向靠近以及遠離所述側板1422，用於將巖石試樣11壓緊在所述側板1422上或者自所述側板1422上釋放。
具體來說，所述側板1422嵌於所述試樣槽141內，抵靠在第一試樣槽壁1413上，從而使得第一試樣槽壁1413成為定位基點，確切地說，巖石試樣11抵靠在第一試樣槽壁1413，使得巖石試樣在兩個剪切盒的施力位於同一軸線上，保證了水平施力的可靠性。
進一步地，所述側板1422和/或所述活動壓板145用於接觸巖石試樣的內側面設置成粗糙面。通過增加摩擦力，提升剪切盒對巖石試樣11的施力效果。
進一步地，所述蓋板還包括：頂側活動壓板144。
所述頂側活動壓板144設置在開設於所述頂板1421內的凹槽1424內，與所述頂板1421活動相連，可沿實驗厚度方向靠近以及遠離所述試樣槽的槽底，用於將巖石試樣壓緊在所述試樣槽的槽底或者自所述試樣槽的槽底釋放。即從試樣頂部施加向下的壓力。
在所述頂板1421設置調節螺母8頂在頂側活動壓板144上，作為下壓量的調節結構。相類似的，所述145採用類似的伸縮量調節結構。
優選的，還可以在頂側活動壓板144與試樣的接觸面設置成粗糙面，從而能夠施加長度方向的靜摩擦力，輔助實現拉伸和壓縮操作。
具體來說，粗糙面可以設置成鋸齒面，以提升摩擦係數。進一步地，在試樣槽141內設置一墊塊143，抵靠在第三試樣槽壁1411上，使試樣受力更均勻，確保固定可靠性。
進一步地，在第三試樣槽壁1411頂部設置固定凸起1412，在頂板1421上設置相匹配的凹槽1424，從而使的頂板能夠具備良好的寬度方向和長度方向的固定性能，從而使得側板1422能夠形成兩個固定支點，從而提升寬度方向定位固定的可靠性；另一方面，能夠配合頂側活動板輔助實現拉伸和壓縮操作，同時具備良好的可靠性。
參見圖2，所述水平加載系統包括：
定位支架；
與所述第一剪切盒14相連的第一水平施力組件5，與所述第二剪切盒15相連的第二施力組件6；所述第一水平施力組件5和所述第二施力組件6分別固定在所述定位支架(4、7、8)上，以其作為施力支點。
具體來說，第一施力組5可件採用施力千斤頂，第二施力組件6採用旋轉推拉裝置。
水平滑軌12以及與之匹配的第一滑塊和第二滑塊(13)。
所述第一剪切盒14固定在所述第一滑塊上，所述第二剪切盒15固定在所述第二滑塊上。從而可實現基於巖石試樣11中線的拉伸或者壓縮操作，在長度方向上，兩剪切盒產生相對位移。
所述垂直加載結構包括：垂直施力組件9；
所述垂直施力組件固定在所述框架上，用於垂直於所述巖石試樣施加剪力。可選用，施力千斤頂。
優選的，在其前端通過球形絞座連接一壓塊10，抵靠在巖石試樣11中部，保證施力均勻。
進一步地，定位支架包括：第一、第二定位板7以及兩者間的導向杆4。
所述第一定位板與所述第一水平施力組件5固定相連，所述第二定位板與所述第二水平施力組件6固定相連。
所述導向杆4通過滑動軸套3與所述框架2活動相連，可沿水平方向滑動，用於調整所述第一剪切盒14以及所述第二剪切盒15的水平位置。
本實施例還提供了基於上述裝置的試驗方法。
一種基於所述的巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗裝置的巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗方法，包括：
試樣準備步驟，將巖石試樣壓緊在所述第一剪切盒以及所述第二剪切盒內；調整水平加載結構，使巖石試樣到達水平預定位置，且施力點位於巖石試樣的水平中軸線上；調整垂直加載結構，使其底端抵靠在巖石試樣頂部中心位置；
拉伸雙面剪切步驟，通過水平加載結構施加水平拉力至預訂值，而後通過垂直加載結構施加垂直剪力直至所述巖石試樣破壞；
更換巖石試樣，並按照上述試樣準備步驟完成巖石試樣固定以及裝置設置；
壓縮雙面剪切步驟，通過水平加載結構施加水平壓力至預訂值，而後通過垂直加載結構施加垂直剪力直至所述巖石試樣破壞。
下面將分別通過兩個具體的實施方案介紹所述裝置及其試驗方法。
利用上述巖石雙面剪切試驗裝置開展拉伸雙面剪切試驗的方法，包括以下步驟：
步驟1：將試樣11放在第一剪切盒14、第二剪切盒15的呈L形試樣槽141(151)上，並調整設備位置，保證試樣11中軸線位於第一水平施力組件5中軸線上。試樣11中間預留50mm的距離，調整第一、第二剪切盒14、15和試樣11至預定位置。
步驟2：啟動第一水平施力組件5，第二水平施力組件6並通過導向杆4微調水平加載系統，保證試樣11中心通過垂直千斤頂9中軸線，將壓塊10放置在試樣11中間預留處。
步驟3：運行水平千斤頂5，施加水平拉應力至預定值，再運行垂直千斤頂9，施加垂直剪應力至試樣11破壞。
步驟4：試驗完成後，拆卸左、右剪切盒14、15並取出試樣11，整理試驗儀器，依據試驗結果進行數據分析。
實施例2：巖石壓縮雙面剪切試驗
步驟1：將試樣11放在第一剪切盒14、第二剪切盒15的呈L形試樣槽141(151)上，並調整設備位置，保證試樣11中軸線位於第一水平施力組件5中軸線上。試樣11中間預留50mm的距離，調整第一、第二剪切盒14、15和試樣11至預定位置。
步驟2：啟動第一水平施力組件5，第二水平施力組件6並通過導向杆4微調水平加載系統，保證試樣11中心通過垂直千斤頂9中軸線，將壓塊10放置在試樣11中間預留處。
步驟3：運行水平千斤頂5，施加水平壓應力至預定值，再運行垂直千斤頂9，施加垂直剪應力至試樣11破壞。
步驟4：試驗完成後，拆卸左、右剪切盒14、15並取出試樣11，整理試驗儀器，依據試驗結果進行數據分析。
本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：
本申請實施例中提供的巖石拉伸及壓縮雙面剪切試驗裝置，通過水平加載結構以及第一、第二剪切盒實現了巖石試樣的壓縮和拉伸狀態設定，使得巖石剪切實驗，能夠實現雙面壓縮和雙面拉伸，特別是雙面拉伸能夠充分還原巖石的受力狀態，使得剪切實驗能夠開展不同拉應力和壓應力作用下的雙面剪切試驗，獲得巖石剪切力學參數和變形特徵，為改進和完善巖石在拉剪/壓剪應力作用下的本構關係和強度準則，具有重要的理論意義和實際意義，提升了巖石內部破壞機制研究的完整性和可靠性。
最後所應說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照實例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。