CN104062189A - 结构面抗剪强度尺寸效应试验机 - Google Patents

Abstract

一种结构面抗剪强度尺寸效应试验机，包括垂直加载机构、垂直移动机构、上试样水平支撑机构、剪切加载机构、下试样移动机构和框架；所述垂直加载机构安装在所述垂直移动机构上，垂直移动机构上下移动地安装在框架上；用以安装上部试样的上剪切盒固定在垂直加载机构下端，用以安装下部试样的下剪切盒固定在所述的下试样移动机构上，下试样移动机构安装在框架的工作平台上，所述上剪切盒两端安装在上试样水平支撑机构上，所述下剪切盒两端安装在剪切加载机构上，所述上试样水平支撑机构、剪切加载机构分别安装在框架的两侧。本发明提供了一种有效满足大跨度载荷和试样尺寸的测试、可靠性良好的结构面抗剪强度尺寸效应试验机。

Description

结构面抗剪强度尺寸效应试验机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种结构面抗剪强度尺寸效应试验机。

背景技术

[0002] 目前国内外岩体结构面抗剪强度的确定方法主要有直剪试验法、室内模型试验法 和经验估算方法等。通过直剪试验，结合工程地质勘测资料综合求取结构面抗剪强度的 方法为国内岩体力学工作者所常用。从资料的检索看，国内外的直剪仪设备很多：如美国 Durham Geo公司生产的LG-140大型高性能接触面直剪仪，英国ELE公司生产的大型直剪 仪，美国GCTS公司生产的伺服控制直剪测试系统，清华大学研制的TH-20t大型土与结构接 触面循环加载剪切仪，长江科学研究院土工研究所的室内DHJ60型叠环式剪切试验机，四 川大学水电学院研制的粗粒土直剪仪，南京土壤仪器有限公司的NHRI-4000型高性能大接 触面直剪仪。这些直剪仪都没考虑多尺度试样问题，即无法满足大跨度载荷和试样尺寸的 测试。专利号为CN200910155107. 2的大型岩体结构面直剪试验仪的多尺度转换系统无法 消除横向载荷对法向液压缸的影响，人为因素影响剪切摩擦力值较大，无法实现试样定向 移动和往复剪切，整体设备操作自动化低等缺点。解决现有直剪试验仪器只能测定单一试 样的岩体结构面抗剪强度的缺点，但是受到设备的制约，小型系列试样在小型设备中进行 测试，中型系列试样在中型设备中测试，大型系列试样在大型设备中测试。导致的后果是各 设备的测试结果无法有效衔接。主要原因在于设备的制造精度不一，甚至加载方式不一，这 必然影响到结果的可靠性。

发明内容

[0003] 为了克服已有直剪仪的无法满足大跨度载荷和试样尺寸的测试、可靠性较差的不 足，本发明提供了一种有效满足大跨度载荷和试样尺寸的测试、可靠性良好的结构面抗剪 强度尺寸效应试验机。

[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0005] -种结构面抗剪强度尺寸效应试验机，包括垂直加载机构、垂直移动机构、上试样 水平支撑机构、剪切加载机构、下试样移动机构和框架；所述垂直加载机构安装在所述垂 直移动机构上，垂直移动机构上下移动地安装在框架上；用以安装上部试样的上剪切盒固 定在垂直加载机构下端，用以安装下部试样的下剪切盒固定在所述的下试样移动机构上， 下试样移动机构安装在框架的工作平台上，所述上剪切盒两端安装在上试样水平支撑机构 上，所述下剪切盒两端安装在剪切加载机构上，所述上试样水平支撑机构、剪切加载机构分 别安装在框架的两侧。

[0006] 所述的垂直加载系统包括导向杆、导向轴承座、连接座、第一力传感器、第一作动 器和承载板，所述第一作动器固定在垂直移动机构的中间位置，第一作动器的活塞杆与第 一力传感器通过连接座连接并且相互间在平面方向有较小的转动自由度。第一力传感器与 承载板固定，承载板两端各安装导向杆，导向杆可沿着固定在垂直移动机构的导向轴承座 上下移动。

[0007] 所述的垂直移动机构包括第一升降液压缸、固定销和移动架。第一升降液压缸安 装在框架上梁的两端，移动架两端的上部与第一升降液压缸活塞杆固定。移动架两端的侧 边设置导向槽并可沿着安装在框架左立柱和框架右立柱的导轨上下移动。移动架两端的侧 边设置销孔，可与垂直方向的框架左立柱和框架右立柱的某个销孔对中，并可安装销。

[0008] 所述的剪切加载机构包括支撑块、第二力传感器、第一移动座、第二作动器、第二 升降液压缸。支撑块与第二力传感器固定，第一移动座与第二作动器的缸体固定，第二升降 液压缸与第一移动座固定并可带动它上下移动，第一移动座两侧设置导向槽并与框架的右 立柱上导轨配合安装并沿着它上下移动。第二力传感器另一端与第二作动器的活塞杆固 定。

[0009] 所述的上试样水平支撑机构包括支撑缸、第二移动座、滚轮块和第三升降液压缸 组成，支撑缸的缸体与第二移动座固定，第三升降液压缸的活塞杆与移动座固定。滚轮块可 安装滚柱或滚珠，它与支撑缸活塞杆固定。

[0010] 所述的下试样移动机构包括导轨、下试样安装台和限位板组成。多根（2到10根） 导轨平行安装在框架的工作台上，下试样安装台与导轨的移动块连接并可使其沿着导轨移 动，安装下试样的下试样剪切盒可通过下试样安装台的刻线定位并用螺栓等形式固定。右 支撑板可与下试样剪切盒右上端连接，剪切加载机构的支撑块通过右支撑板34将力传递 给下试样剪切盒，不同尺寸的试样可配置不同长度和宽度的下试样剪切盒和右支撑板以减 少剪切加载机构中作动器的行程。限位板固定在框架的工作台上使得下试样安装台的初始 位置位于垂向结构的中心和方便复位后的定位。

[0011] 所述的下试样安装台和承载板上设置了螺纹孔和刻线。根据尺度试样的要求进行 刻线定位，并且每种试样安放时设置了螺纹孔用于固定下试样剪切盒或上试样剪切盒。

[0012] 所述的剪切盒包括上试样剪切盒、下试样剪切盒、右支撑板和左支撑板。上试样上 安放上试样剪切盒，上试样剪切盒左侧安装左支撑板，左支撑板与滚轮块接触并可相对滚 动运动。上试样剪切盒可通过承载板的刻线定位并用螺栓等形式固定。

[0013] 所述的框架包括上梁、右立柱、左立柱和工作台。左立柱、右立柱底部位于工作台 的两端，左立柱、右立柱顶部位于上梁的两端。左立柱、右立柱在垂直方向设置导轨和一排 销孔。右立柱、左立柱设置刻线，用于确定上试样水平支撑机构的支撑高度和剪切加载机构 的剪切高度。

[0014] 本发明的技术构思：常规的岩体结构面直剪仪由于试验的结构面尺寸有限且无法 进行多尺度的结构面直剪试验，因此不能分析岩体结构面抗剪强度尺寸效应的变化规律， 也就不能得到稳定的抗剪强度力学参数，基于此提出了一种多尺度岩石直剪仪，它可测量 大范围载荷和大范围尺寸试样。垂直加载机构和剪切加载机构满足一定精度要求内的载荷 加载，垂直加载机构通过垂直移动机构可上下垂直移动和自锁减少作动器的工作行程，垂 直加载机构中的导向杆可防止加载时上试样在水平方向和垂直方向的转动，抵消剪切力对 作动器寿命的影响。左支撑板和右支撑板的安装可减少剪切加载机构的作动器的工作行程 和加载头的重量，从而提高其寿命和精度。水平支撑机构和剪切加载机构的高度可调，可使 得剪切力和支撑力在同一个高度上，从而防止剪切产生的弯矩对框架的影响，另外在下试 样复位时剪切加载机构可以作为支撑力抵住上试样剪切盒，水平支撑机构将下试样剪切盒 返回到初始位置而实现在测试。下试样移动机构可实现下试样的定向移动并且通过多根导 轨减少摩擦力。

[0015] 本发明具有的有益效果：1、有效满足大跨度载荷和试样尺寸的测试、可靠性良好； 2、本多尺度直剪仪的剪切机理更加符合试验要求并在测试大小试样时有效保护作动器和 传感器的寿命和精度；3.本多尺度直剪仪具有适应性强，功能多样、自动化程度高等特点， 适合试样尺寸比较大的情况。

附图说明

[0016] 图1为结构面抗剪强度尺寸效应试验机的主视图。

[0017] 图2为结构面抗剪强度尺寸效应试验机的左视图。

[0018] 图3为垂直加载机构和垂直移动机构主视图。

[0019] 图4为剪切加载机构主视图。

[0020] 图5为上试样水平支撑机构主视图。

[0021] 图6为下试样移动机构俯视图。

[0022] 图7为下试样安装台俯视图和承载板的仰视图。

[0023] 图8为上试样剪切盒仰视图。

[0024] 图9为框架主视图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图对本发明作进一步描述。

[0026] 参照图1〜图9, 一种结构面抗剪强度尺寸效应试验机，包括垂直加载机构1、垂直 移动机构2、剪切盒3、上试样水平支撑机构5、剪切加载机构6、下试样移动机构7和框架8 ; 所述垂直加载机构1安装在所述垂直移动机构2上，垂直移动机构2可以沿着框架8上下 移动并固定位置。上部试样和下部试样分别安装在上剪切盒8和下剪切盒8中，上剪切盒 8可固定在垂直加载机构1下端并使其位于居中位置。下剪切盒8可固定在所述的下试样 移动机构7上，并使得上下剪切盒中心线一致。下试样移动机构7安装在框架8的工作平 台上。上下剪切盒两端分别安装所述的剪切加载机构6和上试样水平支撑机构5。剪切加 载机构6和上试样水平支撑机构5根据试样尺寸可以调节高度。本发明提供了一种有效满 足大跨度载荷和试样尺寸的测试、可靠性良好的多尺度岩石直剪仪。

[0027] 所述的垂直加载系统1包括导向杆13、导向轴承座14、连接座15、第一力传感器 16、第一作动器17和承载板18,所述第一作动器17固定在垂直移动机构2的中间位置，第 一作动器17的活塞杆与第一力传感器16通过连接座15连接并且相互间在平面方向有较 小的转动自由度。第一力传感器16与承载板18固定，承载板18两端各安装导向杆13,导 向杆13可沿着固定在垂直移动机构2的导向轴承座14上下移动。

[0028] 所述的垂直移动机构2包括第一升降液压缸10、固定销11和移动架12。第一升 降液压缸10安装在框架上梁40的两端，移动架12两端的上部与第一升降液压缸10活塞 杆固定。移动架12两端的侧边设置导向槽并可沿着安装在框架左立柱41和框架右立柱42 的导轨上下移动。移动架12两端的侧边设置销孔，可与垂直方向的框架左立柱41和框架 右立柱42的某个销孔对中，并可安装销11。

[0029] 所述的剪切加载机构6包括支撑块20、第二力传感器21、第一移动座22、第二作动 器23、第二升降液压缸24。支撑块20与第二力传感器21固定，第一移动座22与第二作动 器23缸体固定，第二升降液压缸24与第一移动座22固定并可带动它上下移动，第一移动 座22两侧设置导向槽并与框架8的右立柱41上导轨配合安装并沿着它上下移动。第二力 传感器21另一端与第二作动器23的活塞杆固定。

[0030] 所述的上试样水平支撑机构5包括支撑缸25、第二移动座26、滚轮块27和第三升 降液压缸28组成，支撑缸25的缸体与第二移动座26固定，第三升降液压缸28的活塞杆与 移动座26固定。滚轮块27可安装滚柱或滚珠，它与支撑缸25活塞杆固定。

[0031] 所述的下试样移动机构7包括导轨30、下试样安装台31和限位板35组成。多根 (2到10根)导轨30平行安装在框架8的工作台43上，下试样安装台31与导轨30的移动 块连接并可使其沿着导轨移动，安装下试样33的下试样剪切盒32可通过下试样安装台31 的刻线定位并用螺栓等形式固定。右支撑板34可与下试样剪切盒34右上端连接，剪切加 载机构6的支撑块20通过右支撑板34将力传递给下试样剪切盒32,不同尺寸的试样可配 置不同长度和宽度的下试样剪切盒32和右支撑板34以减少剪切加载机构6中作动器23 的行程。限位板35固定在框架8的工作台43上使得下试样安装台31的初始位置位于垂 向结构的中心和方便复位后的定位。

[0032] 所述的下试样安装台31和承载板18上设置了螺纹孔36和刻线37。根据尺度试 样的要求进行刻线定位，并且每种试样安放时设置了螺纹孔用于固定下试样剪切盒32或 上试样剪切盒51。

[0033] 所述的剪切盒3包括上试样剪切盒51、下试样剪切盒32、右支撑板34和左支撑板 50。上试样52上安放上试样剪切盒51，上试样剪切盒51左侧安装左支撑板50,左支撑板 50与滚轮块27接触并可相对滚动运动。上试样剪切盒51可通过承载板18的刻线定位并 用螺栓等形式固定。

[0034] 所述的框架8包括上梁40、右立柱41、左立柱42和工作台43。左立柱41、右立柱 42底部位于工作台43的两端，左立柱41、右立柱42顶部位于上梁40的两端。左立柱41、 右立柱42在垂直方向设置导轨和一排销孔。右立柱41、左立柱42设置刻线38,用于确定 上试样水平支撑机构5的支撑高度和剪切加载机构6的剪切高度。

[0035] 本实施例的工作过程如下：当下试样33和上试样52分别安放在下试样剪切盒32 和上试样剪切盒51里面并机理面重叠安装后，由外界小车或其它动力装置将它们输送到 下试样移动机构7的下试样安装台31上，根据试样尺寸大小调整其位置后将下试样剪切盒 32固定在下试样安装台31上，下试样安装台31紧靠在限位板35上以保证处于居中位置。 垂直加载系统1中的作动器17工作将承载板18预压到上试样剪切盒51上并将它固定在 承载板18上，在两个剪切盒上分别安装右支撑板34和左支撑板52。调整上试样水平支撑 机构5的支撑高度和剪切加载机构6的剪切高度，使得水平支撑机构5中支撑缸25的中心 线和作动器23的加载中心线高度一致，同时它们通过上下试样之间机理面的平均高度面 上。垂直加载系统1施加载荷并保压在某一设定值上，上试样水平支撑机构5的支撑缸25 支撑在左支撑板52上并通过电磁阀锁住其水平位置，剪切加载机构6根据一定方式加载， 最后使得下试样剪切盒32和上试样剪切盒51产生相对移动到一定距离，测试完毕。垂直 加载系统1卸载、上试样水平支撑机构5的支撑缸25和剪切加载机构6的作动器23缩回。 右支撑板34安装到下试样剪切盒32的左边，左支撑板50安装到上试样剪切盒51的右边。 调整上试样水平支撑机构5的支撑缸25和剪切加载机构6的作动器23的高度，使得剪切 加载机构6的支撑块20支撑左支撑板52,同时上试样水平支撑机构5的支撑缸25可推动 下试样剪切盒32返回到限位板35，此时完成试样的复位并可进行第二次测试。试样测试完 毕后可将下试样剪切盒32和上试样剪切盒51解除固定，并有外力将其推出试验机。

Claims (9)

1. 一种结构面抗剪强度尺寸效应试验机，其特征在于：包括垂直加载机构、垂直移动 机构、上试样水平支撑机构、剪切加载机构、下试样移动机构和框架；所述垂直加载机构安 装在所述垂直移动机构上，垂直移动机构上下移动地安装在框架上；用以安装上部试样的 上剪切盒固定在垂直加载机构下端，用以安装下部试样的下剪切盒固定在所述的下试样移 动机构上，下试样移动机构安装在框架的工作平台上，所述上剪切盒两端安装在上试样水 平支撑机构上，所述下剪切盒两端安装在剪切加载机构上，所述上试样水平支撑机构、剪切 加载机构分别安装在框架的两侧。

2. 如权利要求1所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验机，其特征在于：所述的垂直加 载机构包括导向杆、导向轴承座、连接座、第一力传感器、第一作动器和承载板，所述作动器 固定在垂直移动机构的中间位置，作动器的活塞杆与第一力传感器通过连接座连接，第一 力传感器与承载板固定，承载板两端各安装导向杆，导向杆可沿着固定在垂直移动机构的 导向轴承座上下移动。

3. 如权利要求1或2所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验机，其特征在于：所述的垂 直移动机构包括第一升降液压缸、固定销和移动架，第一升降液压缸安装在框架上梁的两 端，移动架两端的上部与第一升降液压缸活塞杆固定，移动架两端的侧边设置导向槽并可 沿着安装在框架左立柱和框架右立柱的导轨上下移动。

4. 如权利要求1或2所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验机，其特征在于：所述的剪 切加载机构包括支撑块、第二力传感器、第一移动座、第二作动器、第二升降液压缸，支撑 块与第二力传感器固定，第一移动座与第二作动器的缸体固定，第二升降液压缸与移动座 固定，第一移动座两侧设置导向槽并与框架的右立柱上导轨配合安装并沿着它上下移动， 第二力传感器另一端与作动器的活塞杆固定。

5. 如权利要求1或2所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验机，其特征在于：所述的上 试样水平支撑机构包括支撑缸、第二移动座、滚轮块和第三升降液压缸组成，支撑缸的缸体 与第二移动座固定，第三升降液压缸的活塞杆与移动座固定，滚轮块上安装滚柱或滚珠，所 述滚轮块与支撑缸活塞杆固定。

6. 如权利要求5所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验机，其特征在于：所述的下试样 移动机构包括导轨、下试样安装台和限位板，所述导轨平行安装在框架的工作台上，下试样 安装台与导轨的移动块滑动式连接，右支撑板与下试样剪切盒右上端连接，剪切加载机构 的支撑块与右支撑板连接，限位板固定在框架的工作台上。

7. 如权利要求6所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验机，其特征在于：所述的下试样 安装台和承载板上设置了螺纹孔和刻线。

8. 如权利要求1或2所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验机，其特征在于：所述上试 样剪切盒左侧安装左支撑板，左支撑板与滚轮块接触并可相对滚动运动，承载板设有刻线。

9. 如权利要求1或2所述的结构面抗剪强度尺寸效应试验机，其特征在于：所述的框 架包括上梁、右立柱、左立柱和工作台。左立柱、右立柱底部位于工作台的两端，左立柱、右 立柱顶部位于上梁的两端，左立柱、右立柱在垂直方向设置导轨和一排销孔，右立柱、左立 柱设置用于确定上试样水平支撑机构的支撑高度和剪切加载机构的剪切高度的刻线。