CN103308398B - 环形剪切装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是环形剪切装置，这种环形剪切装置包括基座、旋转台、旋转驱动机构、上部固定环、下部固定环、垂直加载机构，旋转台安装在基座上，旋转驱动机构连接旋转台，旋转台上面安装有环状底盘，有机玻璃水槽与环状底盘固定连接为一体，下部固定环设置在有机玻璃水槽底部，下部固定环底部有多孔陶瓷环；上部固定环通过垂直加载机构设置于下部固定环上，岩土样品置于所述的多孔陶瓷环上，环状加载板压在岩土样品上面的多孔陶瓷环上，环状加载板与垂直加载机构连接；垂直加载机构由载荷力臂、中心主轴、载荷支架、扭矩臂组成，扭矩臂横置于载荷支架中，扭矩臂的两端安装有切向负载测力环，切向负载测力环附着于载荷支架上。本发明测量岩土运动剪切强度参数准确，易于检测，价格低，维护费用低。

Description

环形剪切装置

一、     技术领域：

本发明涉及的是岩土工程领域中对岩土运动剪切强度进行测定的实验装置，具体涉及的是环形剪切装置。

二、背景技术：  

环形剪切装置是基础地质学室内实验装置，主要用于地下环境下泥岩涂抹形成过程的模拟与岩石力学参数的测定。环形剪切装置可以测定泥岩涂抹形成前后对应的岩石抗剪强度随位移增长的变化规律，同时能够满足对不同断距下泥岩涂抹的渗透率测量。

环剪实验是将岩石样品装入样品环中，通过上部加压板对试样施加垂直压力，在此基础上给土样施加一定的扭转剪力使其发生破坏的过程。双环式环形剪切装置设有上下分离的两个环形剪切盒，进行环剪实验时，对岩石样品沿上下环形盒接触的预设面进行剪切。

目前国际上研制的环形剪切装置主要针对岩土运动剪切强度参数的测定，无法满足地质过程模拟的施加压力与装置强度要求，同时无法测定剪切带渗透率，且价格昂贵，维护费用高。

三、发明内容：

本发明的一个目的是提供环形剪切装置，它用于模拟构造运动过程中断层形成过程，以及形成后期断层渗透性变化特征的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种环形剪切装置包括基座、旋转台、旋转驱动机构、上部固定环、下部固定环、垂直加载机构、环状加载板、测力环、切向负载测力环，旋转台安装在基座上，旋转驱动机构连接旋转台，旋转台上面安装有环状底盘，有机玻璃水槽与环状底盘固定连接为一体，下部固定环设置在有机玻璃水槽底部，下部固定环底部有多孔陶瓷环；上部固定环通过垂直加载机构设置于下部固定环之上，上部固定环与下部固定环之间具有0.1mm缝隙，该缝隙由差动螺丝调节，岩土样品置于所述的多孔陶瓷环上，岩土样品上也放置多孔陶瓷环，岩土样品上面的多孔陶瓷环位于上部固定环中，环状加载板压在岩土样品上面的多孔陶瓷环上，环状加载板与垂直加载机构连接；垂直加载机构由载荷力臂、中心主轴、载荷支架、扭矩臂组成，中心主轴为垂向的，中心主轴的下端连接载荷力臂，中心主轴穿过扭矩臂，扭矩臂横置于载荷支架中，扭矩臂的两端安装有切向负载测力环，切向负载测力环附着于载荷支架上，中心主轴外侧设置有调节直线或旋转运动的球形套管，载荷支架上端安装上述差动螺丝；上部固定环中的多孔陶瓷环与岩土样品之间设置卡刀，下部固定环中的多孔陶瓷环与岩土样品之间也设置卡刀。

上述方案中旋转驱动机构由马达、变速箱、蜗轮依次连接构成，由蜗轮驱动旋转台旋转。

上述方案中基座为底部开放的箱体，基座的顶部有通孔，基座上表面带有垂向的圆筒，圆筒围绕在通孔周围；旋转台的中心有垂向的中心筒，中心筒插入到基座的圆筒中，主轴从中心筒及基座中心孔穿过，中心筒与主轴之间设置有调节直线或旋转运动的球形套管，基座的圆筒与旋转台之间有直线推进轴承。

上述方案中载荷力臂设置在基座内，中心主轴的下端连接负载固定装置，负载固定装置连接载荷力臂，载荷力臂的端部连接加吊钩，吊钩的下端安装加载盘，加载盘上放置加载重物。

上述方案中环状底盘上设置样品环，样品环与环状底盘连接为一体，样品环通过主轴与校正环连接，校正环可以记录样品与样品环之间的摩擦力。

上述方案中载荷支架上部安装有摩擦力测量仪表；基座上部的蜗轮外壳上安装有仪表架，样品重量表、上、下固定环缝隙测量表设置在仪表架上；扭矩臂与载荷支架连接处设置有剪切转矩测量表。

有益效果：

1.本发明测量岩土运动剪切强度参数准确，易于检测，可通过重物的正向负载实现最大剪切应力为40Mpa，价格低，维护费用低。

2. 本发明在整个实验过程中下部固定环相对于上部固定环发生环向剪切，保证了剪切面的面积始终不变。

3. 本发明各部件均采用机械连接，可以方便地进行零部件的更换，检查维护容易。

四、附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中心主轴、载荷支架、扭矩臂之间连接结构示意图；

图3是本发明中心主轴、固定环、旋转台、涡轮外壳连接结构示意图；

图4是本发明中上、下部固定环的连接结构示意图。

1基座   2旋转台   3旋转驱动机构   4上部固定环  5下部固定环  6环状加载板   7测力环   8载荷力臂   9环状底盘   10有机玻璃水槽   11差动螺丝  12多孔陶瓷环  13蜗轮   14蜗轮外壳   15圆筒   16中心筒   17直线推进轴承   18岩土样品   19主轴   20载荷支架   21扭矩臂   22切向负载测力环   23支柱   24负载固定装置   25滚动轴承   26加载重物  27水平矫正臂   28平衡物调整旋钮   29水平矫正旋钮  30摩擦力测量仪表  31固定环缝隙测量表  32样品重量表   33动力装置  34校正环  35微距测量游标。

五、具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

结合图1、图4所示，这种环形剪切装置包括基座1、旋转台2、旋转驱动机构3、上部固定环4、下部固定环5、垂直加载机构、环状加载板6、测力环7、切向负载测力环22，旋转台2安装在基座1上，旋转驱动机构3连接旋转台2，旋转台2上面安装有环状底盘9，有机玻璃水槽10与环状底盘9固定连接为一体，下部固定环5设置在有机玻璃水槽10底部，下部固定环5底部有多孔陶瓷环12；上部固定环4通过垂直加载机构设置于下部固定环5之上，上部固定环4与下部固定环5之间具有0.1mm缝隙，该缝隙由差动螺丝11调节，用以避免金属与金属的直接接触；岩土样品18置于所述的多孔陶瓷环12上，岩土样品18上也放置多孔陶瓷环12，岩土样品18上面的多孔陶瓷环12位于上部固定环4中，环状加载板6压在岩土样品上面的多孔陶瓷环12上，环状加载板6与垂直加载机构连接。

上部固定环4中的多孔陶瓷环12与岩土样品18之间设置卡刀，这些卡刀在受到上部垂直压力的作用下，嵌入岩土试样中，在给岩土试样施加垂直压力的同时，增加了上部多孔陶瓷环12与岩土样品18的摩擦力，从而保证了上部固定环4中的岩土样品18保持稳定，不随下部固定环5中岩土样品18发生转动；下部固定环中的多孔陶瓷环12与岩土样品18之间也设置卡刀，这些卡刀在受到上部垂直压力的作用下，也嵌入岩土试样中，使得下部多孔陶瓷环12在转动的同时带动下部固定环5中的岩土样品18发生转动，并最终实现岩土试样的环形剪切破坏。

本发明中环状底盘上设置样品环，样品环与环状底盘连接为一体，样品环通过主轴与校正环34连接，校正环可以记录样品与样品环之间的摩擦力；有机玻璃水槽10外还安装有微距测量游标35，用于测量微距范围。

结合图3，旋转驱动机构由马达、变速箱、蜗轮13依次连接构成，由蜗轮13驱动旋转台2旋转，旋转驱动机构3驱动旋转台2及环状底盘围绕主轴19转动，环状底盘转动时带动下部固定环5转动，使下部岩土样品18旋转，而上部岩土样品18通过扭矩臂21保持固定。蜗轮13安装在蜗轮外壳14中，蜗轮外壳14位于基座1上。

基座1为底部开放的箱体，结合图2，基座1的顶部有通孔，基座1上表面带有垂向的圆筒15，圆筒15围绕在通孔周围；旋转台2的中心有垂向的中心筒16，中心筒16插入到基座的圆筒15中，主轴19从中心筒16及基座中心孔穿过，中心筒16与主轴19之间设置有调节直线或旋转运动的球形套管，基座的圆筒15与旋转台2之间有直线推进轴承17，该直线推动轴承为放射状深槽式轴承。旋转驱动机构的动力装置33也安装在基座1内。

垂直加载机构由载荷力臂8、中心主轴19、载荷支架20、扭矩臂21组成，中心主轴19为垂向的，中心主轴19的下端连接载荷力臂8，中心主轴19穿过扭矩臂21，扭矩臂21横置于载荷支架20中，扭矩臂21的两端安装有切向负载测力环22，扭矩臂21和切向负载测力环22附着于载荷支架的两个高强度支柱23上，中心主轴19外侧设置有调节直线或旋转运动的球形套管，载荷支架20上端安装上述差动螺丝11，测力环7安装在中心主轴19的上端。

载荷力臂8设置在基座1内，中心主轴19的下端连接负载固定装置24，负载固定装置24下端安装有自动调整式滚动轴承25，负载固定装置24连接载荷力臂8，载荷力臂8的端部连接加吊钩，吊钩的下端安装加载盘，加载盘上放置加载重物26，载荷力臂8为杠杆加载臂；负载固定装置24还与平衡物通过水平矫正臂27连接，基座1外侧设置有平衡物调整旋钮28和水平仪，基座1顶设置有杠杆加载臂的水平矫正旋钮29，用于调整是否水平。岩土样品18可以通过加载重物加载轴向应力，该负载应力是通过由载荷力臂8、中心主轴19、载荷支架20构成的垂直加载机构加载于岩土样品18上的。

载荷支架20上部安装有摩擦力测量仪表30；基座1上部的蜗轮外壳14上安装有仪表架，样品重量表32、上、下固定环缝隙测量表31设置在仪表架上；扭矩臂21与载荷支架20连接处设置有剪切转矩测量表。

Claims (6)

1.一种环形剪切装置，这种环形剪切装置包括基座（1）、旋转台（2）、旋转驱动机构（3）、垂直加载机构、测力环（7）、切向负载测力环（22），旋转台（2）安装在基座（1）上，旋转驱动机构（3）连接旋转台（2）；

其特征在于，这种环形剪切装置还包括上部固定环（4）、下部固定环（5）和环状加载板（6），旋转台（2）上面安装有环状底盘，有机玻璃水槽（10）与环状底盘固定连接为一体，下部固定环（5）设置在有机玻璃水槽（10）底部，下部固定环（5）底部有多孔陶瓷环（12）；上部固定环（4）通过垂直加载机构设置于下部固定环（5）之上，上部固定环（4）与下部固定环（5）之间具有0.1mm缝隙，该缝隙由差动螺丝（11）调节，岩土样品（18）置于所述的多孔陶瓷环（12）上，岩土样品（18）上也放置多孔陶瓷环（12），岩土样品上面的多孔陶瓷环（12）位于上部固定环（4）中，环状加载板（6）压在岩土样品上面的多孔陶瓷环（12）上，环状加载板（6）与垂直加载机构连接；垂直加载机构由载荷力臂（8）、中心主轴（19）、载荷支架（20）、扭矩臂（21）组成，中心主轴（19）为垂向的，中心主轴（19）的下端连接载荷力臂（8），中心主轴（19）穿过扭矩臂（21），扭矩臂（21）横置于载荷支架（20）中，扭矩臂（21）的两端安装有切向负载测力环（22），切向负载测力环（22）附着于载荷支架（20）上，中心主轴（19）外侧设置有调节直线或旋转运动的球形套管，载荷支架（20）上端安装上述差动螺丝（11）；上部固定环中的多孔陶瓷环（12）与岩土样品（18）之间设置卡刀，下部固定环中的多孔陶瓷环（12）与岩土样品（18）之间也设置卡刀。

2.根据权利要求1所述的环形剪切装置，其特征在于：所述的旋转驱动机构由马达、变速箱、蜗轮（13）依次连接构成，由蜗轮（13）驱动旋转台（2）旋转。

3.根据权利要求2所述的环形剪切装置，其特征在于：所述的基座（1）为底部开放的箱体，基座（1）的顶部有通孔，基座（1）上表面带有垂向的圆筒（15），圆筒（15）围绕在通孔周围；旋转台（2）的中心有垂向的中心筒（16），中心筒（16）插入到基座的圆筒（15）中，主轴（19）从中心筒（16）及基座中心孔穿过，中心筒（16）与主轴（19）之间设置有调节直线或旋转运动的球形套管，基座的圆筒（15）与旋转台（2）之间有直线推进轴承。

4.根据权利要求3所述的环形剪切装置，其特征在于：所述的载荷力臂（8）设置在基座（1）内，中心主轴（19）的下端连接负载固定装置（24），负载固定装置（24）连接载荷力臂（8），载荷力臂（8）的端部连接加吊钩，吊钩的下端安装加载盘，加载盘上放置加载重物（26）。

5.根据权利要求4所述的环形剪切装置，其特征在于：所述的环状底盘上设置样品环，样品环与环状底盘连接为一体，样品环通过主轴与校正环连接，校正环可以记录样品与样品环之间的摩擦力。

6.根据权利要求5所述的环形剪切装置，其特征在于：所述的载荷支架（20）上部安装有摩擦力测量仪表（30）；基座上部的蜗轮外壳（14）上安装有仪表架，样品重量表（32）、上、下固定环缝隙测量表设置在仪表架上；扭矩臂（21）与载荷支架（20）连接处设置有剪切转矩测量表。

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