CN105699215A - 一种新型软岩剪切流变仪 - Google Patents

Abstract

一种新型软岩剪切流变仪，左剪切盒上端设有CCD芯片支架、支架，CCD芯片支架、支架之间连接挡光片，挡光片连接右剪切盒，右剪切盒上方通过杠杆经过杠杆系统支点与杠杆系统支架相连接，杠杆前端通过可移动滑套连接砝码，右剪切盒一面通过小滑轮连接金属隔板，金属隔板连接千斤顶，向测试岩样施加水平向轴向力、竖直方向上剪切力，试样发生剪切变形，挡光片将相对于左剪切盒的可见光源和CCD作相对运动，从而改变了通过方形孔光线照射在CCD上的位置，通过信号采集电路，获得CCD输出信号，可测量岩样的剪切变形量的大小，具有结构简单、造价低廉、剪切力稳定、变形测量精度高且易于自动检测与记录等特点；适用于软岩、软弱夹层或土的剪切流变试验。

Description

一种新型软岩剪切流变仪

技术领域

本发明涉及软岩的剪切流变试验装置，具体涉及一种新型软岩剪切流变仪。

背景技术

俗语说“万物皆流”，随着材料力学、损伤力学的发展，各种材料随时间变化的变形特征引起人们越来越多的重视。在岩土工程领域，岩体流变特性对于一些重大工程的长期安全性和稳定性有着重大影响。软岩、软弱夹层等由于其本身的结构特征，流变效应明显，对含软弱夹层的高陡矿山边坡、水库大坝、库岸边坡、隧道等工程的稳定性起着决定性的作用。因此对软岩或软弱夹层开展剪切流变试验显得尤为重要，这也促进了剪切流变仪器发展。

对岩石开展剪切流变基本步骤是：1）将岩石加工厂标准试样，置于剪切盒中；2）对剪切盒施加一定的轴向应力；3）分等级施加剪应力，并读取剪应力施加的瞬时变形值及在一定时间间隔内测读剪切蠕变值。

剪切流变仪种类虽较多，但其工作方式绝大部分为在竖直方向施加一定的轴向载荷，然后在水平方向施加剪应力，且变形量的读取方式多为采用千分尺或采用在岩样表明贴位移应变片的方式。采用千分尺读数主观因素影响太大，且不能进行自动化采集，不适用于蠕变时间较长的场合；而采用位移应变片的方式，则测试结果受干扰因素太多，如应变片的位置、分布方式等，且受岩样本身的缺陷影响比较大。另外，对于剪切蠕变实验来讲，所施加的分级剪应力在长时间内蠕变变形过程中的稳定性尤为重要，现有仪器多采用伺服加载方式或采用储能器的方式进行应力补偿，这些方式虽精度较高，但是结构复杂，成本很高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种新型软岩剪切流变仪，通过千斤顶向金属垫板施加水平向轴向力于测试岩样上，右剪切盒上方固定于一杠杆系统左端，杠杆系统右端则悬挂一定质量的砝码，对剪切盒施加竖直方向上的剪切力，在左剪切盒上安装可见光源发射管和CCD芯片，并使光源和CCD芯片支架相对放置，在右剪切盒上固定左侧竖直部分开有方形孔的挡光片，使其位置在光源发射管与CCD之间，当右剪切盒由于竖直向上的剪应力的作用下，由于试样发生剪切变形，挡光片将相对于左剪切盒的可见光源和CCD作相对运动，从而改变了通过方形孔光线照射在CCD上的位置，然后通过信号采集电路，获得CCD的输出信号，即可测量岩样的剪切变形量的大小，具有结构新颖、便于拆卸、易于稳定应力水平、变形测量精度较高且易于数据自动化采集的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种新型软岩剪切流变仪，包括金属底板、小滑轮、金属隔板、千斤顶、砝码、可移动滑套，左剪切盒上端设有CCD芯片支架、支架，CCD芯片支架、支架之间连接挡光片，挡光片连接右剪切盒，右剪切盒上方通过杠杆经过杠杆系统支点与杠杆系统支架相连接，杠杆前端通过可移动滑套连接砝码，右剪切盒一面通过小滑轮连接金属隔板，金属隔板连接千斤顶，所述的左剪切盒、右剪切盒、金属隔板、杠杆系统支架同时置于金属底板上方；

所述的左剪切盒、右剪切盒、置于轨道内的相互连接的四个小滑轮、金属垫板、可施加轴向压力的千斤顶组成竖直方向的剪切结构；

所述的CCD芯片支架、挡光片、支架组成剪切变形自动测试系统；

所述的砝码、可移动滑套、杠杆、杠杆系统支点、支架组成杠杆传递系统。

所述的采用杠杆定律，右剪切盒可在竖直方向上自由运动，剪切力可通过改变砝码、可移动滑套、杠杆系统支点的位置改变剪切力的大小。

所述的小滑轮采用4个。

所述的右剪切盒、金属隔板分别设有双滑轨道。

所述的挡光片设有方形槽。

所述的杠杆设有刻度。

所述的支架设有光源发射管。

所述的左剪切盒通过螺钉固定于金属底板。

所述的一种新型软岩剪切流变仪的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将放置岩样的剪切盒竖直置于金属板平台上，左剪切盒通过螺丝固定于金属板上，而右剪切盒自由放置；

2）千斤顶通过金属垫板施加水平向轴向力于测试岩样上，右剪切盒只有水平方向的约束，而在竖直方向上可以自由移动；

3）右剪切盒上方固定于一杠杆系统左端，杠杆系统右端则悬挂一定质量的砝码，对剪切盒施加竖直方向上的剪切力；

4）在左剪切盒上安装可见光源发射管和CCD芯片，并使光源和CCD芯片支架相对放置，在右剪切盒上固定左侧竖直部分开有方形孔的挡光片，使其位置在光源发射管与CCD之间，试验过程中，当右剪切盒由于竖直向上的剪应力的作用下，由于试样发生剪切变形，挡光片将相对于左剪切盒的可见光源和CCD作相对运动，从而改变了通过方形孔光线照射在CCD上的位置，引起CCD输出信号的变化；

5）然后通过信号采集电路，获得CCD的输出信号，通过计算机或微处理器进行运算显示，即可测量岩样的剪切变形量的大小。

本发明的有益效果是：

1）采用了CCD芯片进行剪切变形的测量，具有测试精度高、响应快且易于实现实验数据自动化采集存储。

2）采用杠杆原理在竖直方向上施加剪应力，所施加的剪应力具有精度高、易于调节且稳定程度好的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的传感器内部结构示意图。

图3为本发明的CCD变形监测部分示意图。

图中：1为左剪切盒；2为右剪切盒；3为金属底板；4为小滑轮；5为金属隔板；6为千斤顶；7为杠杆系统支架；8为砝码；9为可移动滑套；10为带刻度的杠杆；11为杠杆系统支点；12为挡光片；13支架；14为CCD芯片支架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步叙述。

如图1、2、3所示，一种新型软岩剪切流变仪，包括金属底板3、小滑轮4、金属隔板5、千斤顶6、砝码8、可移动滑套9，其特征在于，左剪切盒1上端设有CCD芯片支架14、支架13，CCD芯片支架14、支架13之间连接挡光片12，挡光片12连接右剪切盒2，右剪切盒2上方通过杠杆10经过杠杆系统支点11与杠杆系统支架7相连接，杠杆10前端通过可移动滑套9连接砝码8，右剪切盒2一面通过小滑轮4连接金属隔板5，金属隔板5连接千斤顶6，所述的左剪切盒1、右剪切盒2、金属隔板5、杠杆系统支架7同时置于金属底板3上方；

所述的左剪切盒1、右剪切盒2、置于轨道内的相互连接的四个小滑轮4、金属垫板5、可施加轴向压力的千斤顶6组成竖直方向的剪切结构；

所述的CCD芯片支架14、挡光片12、支架13组成剪切变形自动测试系统；

所述的砝码8、可移动滑套9、杠杆10、杠杆系统支点11、支架13组成杠杆传递系统。

所述的采用杠杆定律，右剪切盒2可在竖直方向上自由运动，剪切力可通过改变砝码8、可移动滑套9、杠杆系统支点11的位置改变剪切力的大小。

所述的小滑轮4采用4个。

所述的右剪切盒2、金属隔板5分别设有双滑轨道。

所述的挡光片12设有方形槽。

所述的杠杆10设有刻度。

所述的支架13设有光源发射管。

所述的左剪切盒1通过螺钉固定于金属底板3。

本发明的工作原理是：

将放置岩样的剪切盒竖直置于金属板平台上，左剪切盒通过螺丝固定于金属板上，而右剪切盒自由放置。右剪切盒的右侧加工有光滑的轨道凹槽，并通过四个小轮与右侧的具有同样轨道的金属垫板相连，千斤顶通过金属垫板施加水平向轴向力于测试岩样上。右剪切盒只有水平方向的约束，而在竖直方向上可以自由移动。右剪切盒上方固定于一杠杆系统左端，杠杆系统右端则悬挂一定质量的砝码，对剪切盒施加竖直方向上的剪切力。另外，在左剪切盒上安装可见光源发射管和CCD芯片，并使光源和CCD芯片支架相对放置。在右剪切盒上固定左侧竖直部分开有方形孔的挡光片，使其位置在光源发射管与CCD之间。如此，当右剪切盒由于竖直向上的剪应力的作用下，由于试样发生剪切变形，挡光片将相对于左剪切盒的可见光源和CCD作相对运动，从而改变了通过方形孔光线照射在CCD上的位置，然后通过信号采集电路，获得CCD的输出信号，即可测量岩样的剪切变形量的大小。

杠杆系统右侧通过可左右移动的滑块与砝码相连接，且杠杆本身具有刻度线，基于杠杆原理通过改变小滑套的位置或者砝码的数量来改变剪应力的大小，由于岩样的剪切变形较小，因此通过杠杆方式施加于岩样的剪切力比较稳定。另外，杠杆系统支点的位置也可移动，选取理想位置后，支点通过螺丝固定于金属板上。

由于采用了可调节杠杆系统进行剪应力的施加且采用了光电器件CCD进行软岩的剪切变形测量，该剪切流变仪具有良好的剪切力稳定性和较高的变形测量精度。

Claims (9)

1.一种新型软岩剪切流变仪，包括金属底板（3）、小滑轮（4）、金属隔板（5）、千斤顶（6）、砝码（8）、可移动滑套（9），其特征在于，左剪切盒（1）上端设有CCD芯片支架（14）、支架（13），CCD芯片支架（14）、支架（13）之间连接挡光片（12），挡光片（12）连接右剪切盒（2），右剪切盒（2）上方通过杠杆（10）经过杠杆系统支点（11）与杠杆系统支架（7）相连接，杠杆（10）前端通过可移动滑套（9）连接砝码（8），右剪切盒（2）一面通过小滑轮（4）连接金属隔板（5），金属隔板（5）连接千斤顶（6），所述的左剪切盒（1）、右剪切盒（2）、金属隔板（5）、杠杆系统支架（7）同时置于金属底板（3）上方；

所述的左剪切盒（1）、右剪切盒（2）、置于轨道内的相互连接的四个小滑轮（4）、金属垫板（5）、可施加轴向压力的千斤顶（6）组成竖直方向的剪切结构；

所述的CCD芯片支架（14）、挡光片（12）、支架（13）组成剪切变形自动测试系统；

所述的砝码（8）、可移动滑套（9）、杠杆（10）、杠杆系统支点（11）、支架（13）组成杠杆传递系统。

2.根据权利要求1所述的一种新型软岩剪切流变仪，其特征在于，所述的右剪切盒（2）可在竖直方向上自由运动，剪切力可通过改变砝码（8）、可移动滑套（9）、杠杆系统支点（11）的位置改变剪切力的大小。

3.根据权利要求1所述的一种新型软岩剪切流变仪，其特征在于，所述的小滑轮（4）采用4个。

4.根据权利要求1所述的一种新型软岩剪切流变仪，其特征在于，所述的右剪切盒（2）、金属隔板（5）分别设有双滑轨道。

5.根据权利要求1所述的一种新型软岩剪切流变仪，其特征在于，所述的挡光片（12）设有方形槽。

6.根据权利要求1所述的一种新型软岩剪切流变仪，其特征在于，所述的杠杆（10）设有刻度。

7.根据权利要求1所述的一种新型软岩剪切流变仪，其特征在于，所述的支架（13）设有光源发射管。

8.根据权利要求1所述的一种新型软岩剪切流变仪，其特征在于，所述的左剪切盒（1）通过螺钉固定于金属底板（3）。

9.根据权利要求1所述的一种新型软岩剪切流变仪的应用方法，其特征在于:

1)将放置岩样的剪切盒竖直置于金属板平台上，左剪切盒通过螺丝固定于金属板上，而右剪切盒自由放置；

2）千斤顶通过金属垫板施加水平向轴向力于测试岩样上，右剪切盒只有水平方向的约束，而在竖直方向上可以自由移动；

3）右剪切盒上方固定于一杠杆系统左端，杠杆系统右端则悬挂一定质量的砝码，对剪切盒施加竖直方向上的剪切力；

4）在左剪切盒上安装可见光源发射管和CCD芯片，并使光源和CCD芯片支架相对放置，在右剪切盒上固定左侧竖直部分开有方形孔的挡光片，使其位置在光源发射管与CCD之间，试验过程中，当右剪切盒由于竖直向上的剪应力的作用下，由于试样发生剪切变形，挡光片将相对于左剪切盒的可见光源和CCD作相对运动，从而改变了通过方形孔光线照射在CCD上的位置，引起CCD输出信号的变化；

5）然后通过信号采集电路，获得CCD的输出信号，通过计算机或微处理器进行运算显示，即可测量岩样的剪切变形量的大小。