CN105606466B - 一种用于相似材料结构面直剪试验的多功能剪切盒 - Google Patents

一种用于相似材料结构面直剪试验的多功能剪切盒 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于相似材料结构面直剪试验的多功能剪切盒，针对地质力学模型试验中广泛存在的结构面问题，设计了一种适用于试块成型、不同厚度结构面生成以及结构面直剪试验的装置。该多功能剪切盒包括下盒、侧向挡板、剪切环、凸块、把手、上盒和承压板；下盒固定于万能试验机，在试块成型过程中，侧向挡板可以防止试块沿四开模连接处产生竖向不平整条带，也易于拆模。剪切环有多个厚度，材质为有机玻璃。上盒是试块的保护套，承压板用以传递荷载。该剪切盒同时解决了试件成型和结构面直剪试验等过程，既可快速生成符合要求的试块，又可以研究不同厚度下黏结材料的力学行为，有助于模型试验中黏结材料的选取。

Description

一种用于相似材料结构面直剪试验的多功能剪切盒
技术领域
本发明涉及地质力学模型试验和岩石力学常规试验，主要用于制作存在结构面的相似材料标准试件并测定其内部结构面(黏结材料)的抗剪强度指标和制作相似材料标准试件并测定该材料的抗剪强度指标。
背景技术
地质力学模型试验作为各类地质灾害机理研究以及岩土工程设计分析的重要手段，通过构建原型和模型之间的相似关系，以实现原型的表观现象和内在机理在模型试验中近似真实的反映。相似材料是否能够近似模拟真实岩体的物理力学特性，对模型试验的设计实施起着至关重要的作用。鉴于岩体介质中普遍存在的剪切破坏模式可能产生于完整岩石或者不连续结构面之上，因此开展地质力学模型试验相似设计时需要同时考虑模拟完整岩石的材料和模拟结构面的黏结材料是否能够发生剪切破坏。而判断上述主要相似要求是否满足最直接的方法便是通过直接剪切试验测定模拟完整岩石以及模拟结构面的相似材料的抗剪强度指标，分析其取值是否同原型指标之间满足相似系数关系。此外，考虑到岩体介质中发生的剪切破坏通常会沿其内部软弱结构面或夹层形成滑动带，因此在开展模型试验设计之前亦有必要采用室内试验手段研究具有一定层厚黏结材料的剪切特性。目前，地质力学模型试验研究中相似材料的制备与试验通常是两个相对独立的过程，其中相似材料的制备采用压实成型，抗剪强度指标的测定则借鉴岩石力学常规试验方法，且使用过程中未能考虑黏结材料层厚对其剪切特性的影响。
发明内容
相似材料结构面剪切过程涉及了相似材料试块压制、结构面制作、结构面直剪等过程，而已有的模型试验中并没有一套完整的装置可以集中解决这一系列问题。因此，相似材料结构面制作过程复杂，直剪试验效率很低。针对存在的问题，本发明提供了一种能够同时满足岩体相似材料结构面直剪试验试件制备以及试验实施的剪切盒。
本发明的技术方案：
一种用于相似材料结构面直剪试验的多功能剪切盒，包括下盒、侧向挡板、剪切环、凸块、把手、上盒和承压板；
下盒为四开模具，通过螺栓将四开模具固定，下盒在试件压制和试件剪切过程中被固定在万能试验机的底盘上，下盒内部四周放置侧向挡板，方便试块压制完成后的拆模过程；在试件压制过程中，下盒和下盒均设有与凸块相配合的凹槽；
上盒与下盒的形状相同，其顶部放置承压板，用以传递压力机施加的竖向荷载；上盒两侧设置把手，方便拆模操作；在试件压制过程中，上盒通过凸块与下盒的凹槽咬合接触；
剪切环由有机玻璃制作而成，其上设有把手，剪切环置于上盒和下盒之间，用于相似材料结构面直剪试验；通过控制剪切环的厚度，调整结构面厚度，测定不同厚度结构面的力学指标。
本发明的有益效果：该多用盒可以同时实现岩体相似材料直接剪切试验的试样制备和试验实施，且能研究不同层厚黏结材料的剪切特性，这些优势是现有的岩体相似材料试验设备所不具有的。利用四开模具可以快速装卸的特点，提高了试块成型的效率；侧向挡板的布置，确保了试件表面的平整光滑，亦便于脱模；剪切环采用有机玻璃，实现了黏结材料剪切变形过程的可视化。
附图说明
图1是本发明所述用于岩体相似材料试块成型的正面示意图。
图2是本发明所述用于完整相似材料试块成型的正面示意图。
图3是本发明所述用于相似材料结构面直剪试验的正面示意图。
图4是本发明所述用于完整相似材料试块直剪试验的正面示意图。
图中：1下盒；2剪切环；3上盒；4把手；5侧向挡板；6承压板；7凸块；8底部螺帽；9四开模螺帽；10散粒体相似材料；11试块；12黏结材料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至4所示，该一种用于相似材料结构面直剪试验的多功能剪切盒，包括下盒1，所述下盒1设置了放置侧向挡板5和连接凸起7的凹槽，下盒1为四开模，由螺栓固定为一个整体，材质为镀锌铁板。剪切环2，有多个厚度，可控制结构面厚度，由有机玻璃制成，透明可视。上盒3，设置有连接凸起7的凹槽。上盒3上有承压板6，传递竖向荷载。
(1)图1图示了含结构面的岩体相似材料试块成型过程：首先将侧向挡板5安置在四开模具的凹槽上，然后将四开模具由螺丝牢牢固定，再将下盒在试件压制和试件剪切过程中被固定在万能试验机的底盘上；利用凸板7和凹槽之间的咬合关系，固定上盒和下盒，放置已配制好的散粒体相似材料10，安上承压板6；控制压力机下行至承压板6底部，使其和下盒1顶部位于同一水平线上，这样高度为5cm的试件压制完成。
试块脱模过程：控制压力机卸载，利用把手4卸去上盒3，松开下盒1四开部件的连接螺栓，将下盒1取下。用小锤轻轻敲打和试块有一定接触的侧向挡板5，挡板5可顺着试件表面滑出，完全分离四块侧向挡板5，即可得到表面光滑、尺寸为5cm的试件。
取两个已压制好的5cm标准试件，将其中一个放于下盒1中，然后安置剪切环2，在剪切环2内放置黏结材料。扣上上盒3，放置另一块试件，静置一定的时间后，含结构面的岩体相似材料试块的制备完成。
(2)图2图示了完整岩体相似材料试块成型过程：将侧向挡板5安置在下盒1的凹槽上，然后将四开的下盒1由螺丝牢牢固定，再将下盒1固定于压力机底板上；利用凸块7和凹槽之间的咬合关系，固定住上盒3和下盒1；再将另一个上盒3放上，倒入已配置好的散粒体相似材料10，安上承压板6，控制压力机下行至承压板6底部，与下盒1接触的上盒3的顶部位于同一水平线上，这样高度为10cm的完整岩体相似材料试件压制完成。
(3)图3图示了岩体相似材料结构面直剪试验的过程：取(1)所述已制备好的含结构面的相似材料试块置于剪切盒中，将整个装置放在压力机底板上，固定下盒1，通过压力机先施加一定的竖向力，再施加侧向力，同时，位移传感器和力传感器对侧向力和侧向位移时程数据进行采集；变动竖向力大小，可获取不同压力下结构面剪切荷载大小，由此可计算出岩体相似材料结构面物理力学参数。剪切环2由有机玻璃组成，在整个剪切过程中，结构面的形态变化特征可以观察到，这有助于我们对结构面力学性质的理解。剪切环有多个厚度，变动剪切环厚度可以分析不同厚度结构面的强度特性。
(4)图4图示了完整岩体相似材料直剪的过程：取(2)所述已制备好的高为10cm的完整试块，放置于下盒1中，固定下盒1于压力机底板，安放一定厚度的剪切环2，再放上上盒3，其余步骤同(3)所述过程。

Claims (1)

1.一种用于相似材料结构面直剪试验的多功能剪切盒，其特征在于，该多功能剪切盒包括下盒、侧向挡板、剪切环、凸块、把手、上盒和承压板；
下盒为四开模具，通过螺栓将四开模具固定，下盒在试件压制和试件剪切过程中被固定在万能试验机的底盘上，下盒内部四周放置侧向挡板，方便试件压制完成后的拆模过程；在试件压制过程中，下盒设有与上盒的凸块相配合的凹槽；
上盒与下盒的形状相同，其顶部放置承压板，用以传递压力机施加的竖向荷载；上盒两侧设置把手，方便拆模操作；在试件压制过程中，上盒设有凸块，在成型过程中，上盒通过凸块与下盒的凹槽咬合接触；
剪切环由有机玻璃制作而成，其上设有把手，剪切环置于上盒和下盒之间，用于相似材料结构面直剪试验；通过控制剪切环的厚度，调整结构面厚度，测定不同厚度结构面的力学指标。
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