巖石拉伸-剪切試驗系統的製作方法

2023-11-03 20:29:52 2

專利名稱：巖石拉伸-剪切試驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於巖石拉伸-剪切測試的試驗系統，屬於巖土工程技術領域。
背景技術：
在壓縮條件下巖石的剪斷試驗，是獲得在不同法向壓力下巖石峰值抗剪斷強度和殘餘強度的基本方法，也是獲取巖石的抗剪強度參數c、W的一種重要手段，因此在巖土工程中獲得了廣泛的應用，並開發了不同的壓剪試驗設備，包括應用於室內試驗的大型直剪儀和應用於現場原位試驗的小型可攜式直剪儀。而對於拉伸條件下，巖石的剪斷試驗，在國內外文獻中均鮮有報導，也很少見到能進行巖石拉-剪試驗的儀器設備，主要原因是巖石的拉剪破壞沒有引起人們的足夠重視，另外就是進行拉剪試驗的設備較為複雜，其中包括巖石試件的粘接、法向拉力的加載方式、粘接可能對側向變形的限制、偏心對巖石拉伸強度的影響等，與應用廣泛的RMT單軸壓縮實驗、壓剪實驗和MTS常規三軸實驗相比，巖石的拉剪實驗操作起來困難許多。在深埋、高應力地下巖石工程中，隧洞邊牆部位，由於開挖卸荷作用法向應力為O，切向應力集中達最大，部分圍巖在豎直切應力作用下會產生法向的拉應力，當圍巖底部有一定空間時，巖體會在豎向的切應力和法向的拉應力作用下發生拉剪破壞；對於傳統的摩爾庫倫強度準則，為方便應用一般會簡化為線性表達式，即巖石的抗剪強度是法向壓應力的線性函數，而法向應力變為拉應力(即應力位於橫軸的負半軸)時，通常做法是將正半軸上擬合的直線延伸交與負半軸，作為巖石在拉應力下的強度準則，而這一點是缺乏實驗數據支撐的。並且實驗證明在不同的法向壓力下，巖石的抗剪強度包絡線並不完全是線性的，包絡線上每個實驗點對應的切線斜率逐漸減小，而對於負半軸上在不同拉應力作用下的強度包絡線到底是怎樣的也沒有統一的說法，主要原因就是缺乏實驗數據的支撐。因此本發明在於開發一種能進行不同法向拉力作用下的巖石直剪儀，為完善巖體本構模型、建立相應強度準則提供實驗數據。發明內容
針對上述存在問題，本發明的目的在於提供一套能進行巖石拉伸-剪切試驗的系統，為建立更為精確、完善的巖體力學模型、建立相應的強度準側，提供試驗數據。
為了實現上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的:
巖石拉伸-剪切試驗系統，包括反力裝置，垂直加載系統，水平加載系統，上剪切盒，下剪切盒，測量系統，液壓控制系統及基座，所述的反力裝置由四根鋼梁，螺帽和承載板連接組成，承載板通過螺帽固定連接在四根鋼梁的上端，四根鋼梁的下端固定連接在基座中。
所述的垂直加載系統由空心液壓千斤頂，拉力柱，鎖緊螺帽，拉力板組成，空心液壓千斤頂位於承載板上方，拉力柱活動貫通承載板，拉力柱上端貫通空心液壓千斤頂，並通過鎖緊螺帽固定，拉力柱下端與拉力板上端面螺紋連接，拉力柱的軸線與上剪切盒、下剪切盒及拉力板的中心在同一條豎直線上。
所述水平加載系統由水平千斤頂，傳力柱構件，滾軸排和承壓板組成，傳力柱構件設置在水平千斤頂前方，傳力柱構件與水平千斤頂的活塞頭的接觸面形狀相同且面積相等，承壓板設置在傳力柱構件前方，滾軸排位於承壓板和傳力柱構件之間。所述的拉力板前後兩端對稱設置有導向槽，導向槽位於拉力板的下端面且平行於水平千斤頂的軸線，導向槽內設有滾珠。所述上剪切盒、下剪切盒均由五塊鋼板經螺栓組接而成，上剪切盒的頂部鋼板前後兩端有相互對稱的外沿。所述的測量系統中的垂直位移計設置在拉力板的上端面上，所述的測量系統中的水平位移計設置在上剪切盒的左端外壁面上。由於採用了以上技術方案，本發明可進行巖石試樣在不同法向拉力作用下的直剪試驗。上剪切盒和下剪切盒組裝式的設計可以方便的進行巖樣的粘接和拆卸，拉力板和上剪切盒的設計方式可以保證巖石在水平推力下水平方向的自由變形，水平方向設置的滾軸排可以保證在拉力作用下水平加載系統的穩定。本發明改變了目前只能對巖石試樣採用壓剪的實驗方式研究巖石的強度準則的現狀，可提供巖石在不同法向拉力作用下的強度參數，對改進和完善巖石在拉剪應力作用巖石的本構關係和強度準則，具有重要的理論意義和實際意義。


圖1為本發明的結構示意2為圖1的俯視3為本發明剪切盒與拉力板的結構示意圖
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。見附圖巖石拉伸-剪切試驗系統，試驗系統由反力裝置I，垂直加載系統，水平加載系統，上剪切盒13，下剪切盒14，測量系統，液壓控制系統及基座18組成，所述的反力裝置I由四根鋼梁2，螺帽3和承載板4連接組成，承載板4通過螺帽3固定連接在四根鋼梁2的上端，四根鋼梁2的下端固定連接在基座18中；所述的垂直加載系統由空心液壓千斤頂5，拉力柱6，鎖緊螺帽7，拉力板8組成，空心液壓千斤頂5位於承載板4上方，拉力柱6活動貫通承載板4，拉力柱6上端貫通空心液壓千斤頂5，並通過鎖緊螺帽7固定，拉力柱6下端與拉力板8上端面螺紋連接，拉力柱6的軸線與上剪切盒13、下剪切盒14及拉力板8的中心在同一條豎直線上；
所述水平加載系統由水平千斤頂9，傳力柱構件10，滾軸排11和承壓板12組成，傳力柱構件10設置在水平千斤頂9前方，傳力柱構件10與水平千斤頂9的活塞頭的接觸面形狀相同且面積相等，承壓板12設置在傳力柱構件10前方，滾軸排11位於承壓板12和傳力柱構件10之間。水平剪應力經由承壓板12傳遞到上剪切盒13上，當上剪切盒13受拉時承壓板12可隨上剪切盒13 —起運動，避免水平千斤頂9直接作用在上剪切盒13上可能造成的巖石被拉斷時將水平千斤頂9拉起，造成水平加載系統的不穩定。
空心液壓千斤頂5和水平千斤頂9均與液壓控制系統連接，測量系統中的垂直位移計16和水平位移計17均與數據採集系統相連。所述的拉力板8前後兩端對稱設置有導向槽，導向槽位於拉力板8的下端面且平行於水平千斤頂9的軸線，導向槽內設有滾珠19。所述上剪切盒13、下剪切盒14均由五塊鋼板經螺栓組接而成，上剪切盒13的頂部鋼板前後兩端有相互對稱的外沿。上剪切盒13的頂部鋼板左右方向的寬度與下部鋼板寬度相同，前後方向的長度小於拉力板8下端面兩條對稱槽間的淨空長度，頂部鋼板的厚度小於對稱槽的淨空高度，上剪切盒13的頂部鋼板兩端對稱的外沿通過滾珠19與拉力板8下端的導向槽接觸，上剪切盒13可以在水平方向自由滑動，保證在水平剪應力作用下巖石自由變形。所述的測量系統中的垂直位移計16設置在拉力板8的上端面上，所述的測量系統中的水平位移計17設置在上剪切盒13的左端外壁面上。試驗前先將標準巖樣15粘貼在下剪切盒14中，將巖樣15底面的全部、側面高度的1/6與下剪切盒14的底面和四個側面粘接，然後將下剪切盒14置於底座18內固定，將巖樣15的整個上面及側面高度的1/6與上剪切盒13的底面和四個側面粘接，這種粘接方式既可避免只在巖樣15上下兩面粘貼容易從粘貼面處拉斷這一現象，又可最大限度降低巖樣15四個側面與剪切盒粘貼對拉伸變形的限制作用。粘結完成後，先將拉力板8推入上剪切盒13的兩個外沿並保證拉力板8的形心與上剪切盒13的形心重合，將拉力柱6底部與拉力板8上端螺紋連接，最後將鎖緊螺帽7與拉力柱6的頂部固定好，加載前必須保證下剪切盒14、巖樣15、上剪切盒13、拉力板8和拉力柱6的形心在一條豎直直線上。試驗時先通過垂直加載系統施加一定法向拉力，穩定後通過水平加載系統按照一定速率施加水平推力，直至巖樣15破壞,得到巖樣15破壞峰值前的應力變形曲線。由於拉剪試驗中巖石剪斷瞬間上剪切盒就會被提起，試驗停止，而巖石剪斷前的水平位移非常小，小於2mm，而試件尺寸通常為100mm，因此由於豎直拉力作用點和方向保持不變可能導致的偏心影響可忽略不計。本發明巖石的拉伸-剪切實驗系統對獲得更為精確、完善的巖體本構模型、建立相應的強度準側，具有重要意義。
權利要求
1.巖石拉伸剪切試驗系統，包括反力裝置(I)，垂直加載系統，水平加載系統，上剪切盒(13)，下剪切盒(14)，測量系統，液壓控制系統及基座(18)，其特徵在於:所述的反力裝置(1)由四根鋼梁(2)，螺帽(3)和承載板(4)連接組成，承載板(4)通過螺帽(3)固定連接在四根鋼梁(2)的上端，四根鋼梁(2)的下端固定連接在基座(18)中； 所述的垂直加載系統由空心液壓千斤頂(5)，拉力柱￠)，鎖緊螺帽(7)，拉力板(8)組成，空心液壓千斤頂(5)位於承載板⑷上方，拉力柱(6)活動貫通承載板(4)，拉力柱(6)上端貫通空心液壓千斤頂(5)，並通過鎖緊螺帽(7)固定，拉力柱(6)下端與拉力板(8)上端面螺紋連接，拉力柱(6)的軸線與上剪切盒(13)、下剪切盒(14)及拉力板(8)的中心在同一條豎直線上； 所述水平加載系統由水平千斤頂(9)，傳力柱構件(10)，滾軸排(11)和承壓板(12)組成，傳力柱構件(10)設置在水平千斤頂(9)前方，傳力柱構件(10)與水平千斤頂(9)的活塞頭的接觸面形狀相同且面積相等，承壓板(12)設置在傳力柱構件(10)前方，滾軸排(11)位於承壓板(12)和傳力柱構件(10)之間。
2.如權利要求1所述的巖石拉伸-剪切實驗系統，其特徵在於:所述的拉力板(8)前後兩端對稱設置有導向槽，導向槽位於拉力板(8)的下端面且平行於水平千斤頂(9)的軸線，導向槽內設有滾珠(19)。
3.如權利要求1所述的巖石拉伸-剪切實驗系統，其特徵在於:所述上剪切盒(13)、下剪切盒(14)均由五塊鋼板經螺栓組接而成，上剪切盒(13)的頂部鋼板前後兩端有相互對稱的外沿。
4.如權利要求1所述的巖石拉伸-剪切實驗系統，其特徵在於:所述的測量系統中的垂直位移計(16)設置在拉力板(8)的上端面上，所述的測量系統中的水平位移計(17)設置在上剪切盒(13)的左端外壁面上。
全文摘要
本發明涉及一種用於巖石力學實驗的拉伸-剪切實驗系統，屬於巖土工程技術領域。本實驗系統包括反力裝置，垂直加載系統，水平加載系統，上下剪切盒，測量系統及基座等。所述的垂直加載系統與上剪切盒通過下端含有兩條導向槽的拉力板相連。本發明可進行巖石不同拉力下的直剪試驗，上下剪切盒組裝式的設計可以方便的進行巖樣的粘接和拆卸，拉力板和上剪切盒的設計方式可保證巖石在水平推力下水平方向的自由變形，水平加載方向設置的滾軸排可以保證拉力作用下水平加載系統的穩定。本發明改變了目前只能對巖石採用壓剪的實驗方式研究巖石的強度準則的現狀，可提供巖石在不同法向拉力作用下的強度參數，改進和完善巖石在拉剪應力作用巖石的本構關係。
文檔編號G01N3/24GK103175738SQ20131004099
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月4日 優先權日2013年2月4日
發明者周輝, 孟凡震, 張傳慶, 胡善超, 劉繼光, 渠成堃 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所