CN106370528A - 便携式岩体结构面直剪试验仪 - Google Patents
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Abstract
一种便携式岩体结构面直剪试验仪，有效解决仪器笨重、试验耗时长，费用大、工期长、操作困难等不足，同时本发明采用杠杆原理避免了采用液压装置并且本发明的仪器主要试验对象为岩石。不但可以实现对岩体结构面直剪试验，且简单易行、操作方便、试验周期短、费用低。包括如下部分：平台、加载速率保护装置、剪切速率加载、传感器固定架、法向位移传感器、线路、法向位移传感器线路、剪切应变传感器、荷载传感器线路、加压横梁、传力板、剪切盒、剪切盒上盘、剪切盒下盘、岩样、岩样上盘、岩样下盘、结构面、滚轮、荷载传感器、后顶头座、杠杆调动轴、平衡锤、杠杆部件、砝码、挂钩、支架、剪切位移传感器、传力架、采集系统、采集装置、插销孔。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式岩体结构面直剪试验仪及其测试方法，适用于在岩石力学试验中获取结构面抗剪强度参数及变形参数的一种新型便携式结构面直剪仪，属岩石力学试验领域。
背景技术
软弱层带是岩体中物理力学性质相对围岩较弱的呈带状分布的岩层，包含了软弱夹层、断层破碎带、层内错动带等，而结构面属于软弱层带中，故其对岩体的强度影响较大。因此，结构面是国内外学者研究的一个重要的课题。
目前国内外对于岩体结构面的研究主要采用直剪试验，通过直剪试验得到结构面的抗剪强度。当前，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。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，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，南京土壤仪器有限公司的NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪。目前市场上大多数直剪仪的试验对象为土，并且大多直剪仪加载系统选用液压式；机架主要包括箱形梁整体框架式、立柱箱形梁复合式等；测量系统主要有机械式、传感器数显式、计算机自动测量采集等。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。
申请号为CN2014101201243的专利申请公开了一种粗粒土现场大型直剪试验设备。该发明涉及一种粗粒土现场大型直剪试验设备。该现场大剪试验设备包括反力装置、竖向加载系统、水平加载系统、测试系统、剪切盒。采用机器开挖与人工开挖、修整相结合的方式，制备未受扰动的所需尺寸的楔形土墩子(土台)，通过围岩自承力来提供反力，并且采用球头平推法进行现场粗粒土天然含水状态下的应力式快剪试验。然而，该发明属于大型剪切试验设备，设备笨重、携带不方便，试验成本较高，对工作场地要求也较高，不便于大量开展现场原位试验。且所需反力较大，所需围岩自承力较高，反力梁不易安装。
以上方法存在的主要问题有:
(1)岩体结构面强度参数的室内与现场测试，通常采用的试验设备为大型剪切试验装置，其对试验场地条件要求较高，此外，准确性低、仪器笨重、试验耗时长，费用大、工期长、操作困难。
(2)结构面直剪试验仪在施加水平力的作用会引起上部结构的运动，使千斤顶也发生相对滑动，因此会有额外的力矩产生，会造成对试验结果的影响。
(3)结构面取样后，会由于人为因素(如搬运等)造成的结构面样品的扰动，对结构面的强度测试结果会产生较大的影响。
发明内容
为了解决岩体结构面仪器笨重、试验耗时长，费用大、工期长、操作困难等不足，本发明提供的一种便携式岩体结构面直剪试验仪及其测试方法，有效的解决了仪器笨重、试验耗时长，费用大、工期长、操作困难等不足，同时本发明采用杠杆原理避免了采用液压装置并且本发明的仪器主要试验对象为岩石。本仪器不但可以实现对岩体结构面直剪试验，而且简单易行、操作方便、试验周期短、费用低。另外，本仪器采用杠杆原理能够用较小的砝码重量达到对试块施加较大法向应力的效果。
本发明用于测定土体在不同的法向压力下以恒定剪切速率进行剪切试验，测量土样破坏时的剪应力。本发明直剪仪的速率可无级变速，计算机控制直剪试验的整个过程，试验中能够实时采集数据，实时显示剪切过程竖向应力—竖向位移、剪切应力—剪切位移、竖向—剪切位移变化曲线，并且试验数据可以以Excel文件格式输出。
本发明的技术构思为：岩体结构面在不同法向应力作用下直剪试验，法向应力大小通过调节砝码的重量来施加，两者之间采用杠杆原理，即法向应力的大小与所加砝码重量之间存在着杠杆比，保证所施加法向应力的大小区间较大，实现全法向应力下，岩体结构面的直剪试验。试验水平方向剪切采用位移加载，并且位移速率变化范围较大，能够较大范围的调整剪切加载速度。本仪器包括剪切荷载、剪切位移和竖向位移传感器组成的数据采集仪，数据采集软件具有可以根据剪切变形间隔或时间间隔采集试验数据、传感器标定功能、试验数据图表的实时显示、电机速率控制等功能，并能绘制出剪切应力与剪切位移、剪切应力与竖向位移之间的关系曲线。
本发明技术方案：
一种便携式岩体结构面直剪试验仪，包括如下部分：平台1、加载速率保护装置2、剪切速率加载3、传感器固定架4、法向位移传感器5、线路6、法向位移传感器线路61、剪切应变传感器62、荷载传感器线路63、加压横梁7、传力板8、剪切盒9、剪切盒上盘91、剪切盒下盘92、岩样10、岩样上盘101、岩样下盘102、结构面11、滚轮12、荷载传感器13、后顶头座14、杠杆调动轴15、平衡锤16、杠杆部件17、砝码18、挂钩19、支架20、剪切位移传感器21、传力架22、采集系统23、采集装置24、插销孔25。
所述的平台1下部与支架20相连，直剪试验在平台1上进行。
所述的加载速率保护装置2位于剪切速率加载装置3中，包括左加载速率保护装置201和右加载速率保护装置202。设置加载速率保护装置2，保证在剪切过程在一定的范围内，计算机软件设置快速退回和快速前进的功能，保证在试验时调整位置。右加载速率保护装置202位于剪切速率加载装置的右半部分，当剪切位移加载到极限位移的90％时，右加载速率保护装置202会与剪切速率加载装置3中的板接触，系统会自动发出报警；左加载速率保护装置201位于剪切速率加载装置3的左半部分，当做完剪切试验后，应把剪切速率加载装置3向后退，当左加载速率保护装置201与剪切速率加载装置3中的板接触时，系统会自动发出报警。所述的剪切速率加载装置3为剪切试验水平方向的速率加载，其值可通过计算机来设置。试验时，通过采集装置24将剪切速率加载装置3的前部与剪切盒9接触。
所述的传感器固定架4形状为L形，下部与平台1连接，另一端通过螺栓与法向位移传感器5相连，传感器固定架4主要用来固定法向位移传感器5，其下部可转动，以方便装试样。
所述的法向位移传感器5用来测量岩样法向应变的变化，主要通过传感器固定架4固定，其一端与法向位移传感器线路61连接，另一端与加压横梁7连接。
所述的线路6包括法向位移传感器线路61、剪切应变传感器线路62和荷载传感器线路63。法向位移传感器线路61一端与法向位移传感器5连接，另一端与采集装置24连接；剪切应变传感器线路62一端与剪切应变传感器21连接，另一端与采集装置24连接；荷载传感器线路63一端与荷载传感器13连接，另一端与采集装置24连接。
所述的加压横梁7两端与传力架22连接，其表面直接与传力板8接触，将力传递给传力板8，对岩样10进行法向应力加载。
所述的传力板8上部与加压横梁7接触，接受加压横梁7传来的力，下部与岩样10接触，将力传递给岩样10。
所述的剪切盒9分为剪切盒上盘91与剪切盒下盘92。剪切盒上盘91右侧与荷载传感器13连接，其位置受到约束保持不变；剪切盒下盘92左侧与剪切速率加载装置3连接，下部与滚轮12接触，在试验的过程中剪切盒下盘92在加载速率作用下移动。剪切试验开始前，剪切盒上盘91与剪切盒下盘92之间通过插销孔25中的插销连接。
所述的岩样10包括岩样上盘101与岩样下盘102。岩样10上、下盘应与剪切盒上、下盘对应放置。
所述的结构面11为岩样10上、下盘存在的软弱夹层。根据研究可得，结构面分为软弱结构面与硬性接触结构面，本发明都可模拟。
所述的滚轮12下部与平台1连接，上部与剪切盒9连接，剪切盒9可在滚轮12上自由滑动。
所述的荷载传感器13左侧与剪切盒上盘91连接，用来监测试验时的剪应力，右侧与后顶头座14连接。
所述的后顶头座14左侧与荷载传感器13连接，下部与平台1连接。
所述的杠杆调动器15与杠杆部件17连接，用来调节杠杆，使杠杆保持在水平居中的位置。
所述的平衡锤16位于杠杆部件17左侧，当杠杆部件17加砝码18时，平衡锤16有平衡的作用，防止杠杆部件17向一侧倾斜。
所述的杠杆部件17位于杠杆调动轴下部，为了使法向压力有较大的调节范围，杠杆部件17采用的是杠杆原理，在杠杆部件17右侧加砝码18时，试验时的法向应力会随着杠杆比不同产生较大的变化。杠杆部件17左侧与平衡锤16连接，右侧与砝码18连接，前后两侧与传力架22连接。
当加砝码18时，砝码18的力通过杠杆传递给传力架22，传力架22将力传递给加压横梁7，加压横梁7将力传递给传力板8，即试验时的法向应力。
所述的砝码18挂在挂钩19上，通过挂钩19给岩样10施加法向应力。
所述的挂钩19与杠杆部件17连接，其上放置一系列砝码18，通过砝码18的重量给岩样10施加法向应力。
所述的支架20放置在地面上，上部托起平台1，为整个试验的进行奠定基础。
所述的剪切应变传感器21左侧与剪切盒9接触，用来监测试验时的剪应变。右侧通过剪切应变传感器线路62与采集装置24连接。
所述的传力架22下部两端与杠杆部件17连接，上部两端与加压横梁7连接，形成一个矩形的支架。
所述的数据采集系统23包括法向位移传感器5、荷载传感器13、剪切应变传感器21、线路6、采集装置24以及检测计算机。数据采集系统具有可以根据剪切变形间隔或时间间隔采集试验数据、传感器标定功能、试验数据图表的实时显示、电机速率控制等功能，试验结束后可以将试验数据以Excel格式输出。
所述的采集装置24可控制剪切速率加载装置3，而且可将传感器得出的数据转变为计算机可识别的数据，并将其输出。采集装置24上有显示灯与设定按钮，显示灯分为电源、F1、F2、F3组成，F1、F2、F3分别代表剪切速率加载装置3的前进、后退与启动。设定按钮用来控制显示灯，如当操作按钮F1时，显示灯F1亮，以此来控制剪切速率加载装置3的工作情况。
所述的插销孔25位于剪切盒上盘91与剪切盒下盘92的四周，在剪切试验开始前，可将插销孔25的内部插入插销来连接剪切盒上盘91和剪切下盘92，以便保持剪切盒上盘91与剪切盒下盘92在同一垂直面内，但在剪切试验开始时，必须将插销拔出。
本发明实现对岩体结构面快速直剪试验，而且简单易行、准确性高、便捷性好、操作方便、工期短。另外，本发明法向应力加载系统采用杠杆原理，能够使用较小的重量实现对试样较大法向应力的加载。
一种便携式岩体结构面直剪试验仪及其测试方法，所述直剪仪实现方法应包括以下步骤(以硬性接触面为例)：
1)装样：剪切盒下盘102对准，在下盘内放岩样下盘102，保持岩样下盘102的上表面与剪切盒下盘92的上表面水平。
2)将剪切盒上盘91放在剪切盒下盘92上，保持对齐，并插入螺丝插销(注意导轨应对对应于左端)施紧，然后将岩样上盘101放入剪切盒上盘91中，再将传力板8放入岩样10的上部。
3)将加压框上的加压横梁7压头对准传力板8，调整压头位置，使杠杆部件17微上台，杠杆部件17向后倾时，传力架22能自由平行转动。
4)转动传力架22，向前推动剪切载荷传感器13，使传力架22处于垂直状态(此时杠杆目测应处于水平位置)。
5)装样等步骤完成后，调整法向位移传感器5、荷载传感器13、剪切应变传感器21位置，在计算机上，点击法向载荷、剪切载荷、剪切位移清零，输入法向力和应变速率，改变试验终止条件及参数，然后开始试验，进入数据采集过程。
6)加载法向应力，通过增加砝码18来施加法向应力，一旦法向载荷施加后，固结开始，计算机按固结时间序列自动采集数据，显示图表。
7)固结结束后，拧出螺丝插销，准备剪切。拔出插销后，点击开始剪切，进入剪切试验，显示剪切力与剪切位移的关系曲线。
8)剪切完成后，点击结束试验，直剪仪的电机停止工作，采集数据停止。
9)待试验结束后，可以将当前的试验数据转换为Excel的格式的文件格式，保存数据。
10)卸法向载荷、卸样，然后清理仪器。
本发明的有益效果主要表现在：本发明给出了一种便携式岩体结构面直剪试验仪及其测试方法，实现对岩体结构面快速准确直剪试验。该配套装置主要有如下的优点：
1、本发明装置能实现不同区间法向应力下，室内模型或室外原岩结构面直剪试验。
2、本发明装置能够快速、准确的检测出直剪试验的抗剪强度参数，准确度较高。
3、本发明装置操作简单，准确性高，便捷性好，操作方便，可以加快剪切周期，缩短试验时间，并且造价低。
4、本发明法向应力加载系统采用杠杆原理，能够使用较小的重量实现对试样较大法向应力的加载，避免采用液压系统加载，大大减小了仪器的重量，使仪器携带较方便。
5、本装置施工方法简便，试验人员不需进行专业训练，一般人即可完成，试验效率与质量高。
附图说明
图1为本发明直剪仪总图；
图2为本发明剪切盒剖面图；
图3为杠杆部件俯视图；
图4为直剪仪俯视图；
图5为采集装置三维图；
图6为采集系统原理图；
其中：1为平台、2为加载速率保护装置、3为剪切速率加载、4为传感器固定架、5为法向位移传感器、6为线路、61为法向位移传感器线路、62为剪切应变传感器、63为荷载传感器线路、7为加压横梁、8为传力板、9为剪切盒、91为剪切盒上盘、92为剪切盒下盘、10为岩样、101为岩样上盘、102为岩样下盘、11为结构面、12为滚轮、13为荷载传感器、14为后顶头座、15为杠杆调动轴、16为平衡锤、17为杠杆部件、18为砝码、19为挂钩、20为支架、21为剪切位移传感器、22为传力架、23为采集系统、24为采集装置、25为插销孔。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚，以下结合附图，对本发明进一步详细的说明。
一种便携式岩体结构面直剪试验仪，包括平台1、加载速率保护装置2、剪切速率加载3、传感器固定架4、法向位移传感器5、线路6、法向位移传感器线路61、剪切应变传感器62、荷载传感器线路63、加压横梁7、传力板8、剪切盒9、剪切盒上盘91、剪切盒下盘92、滚轮12、荷载传感器13、后顶头座14、杠杆调动轴15、平衡锤16、杠杆部件17、砝码18、挂钩19、支架20、剪切位移传感器21、传力架22、插销孔25。该仪器的总图详见附图1。
参照图1、图4、图5和图6，一种便携式岩体结构面直剪试验仪，所述测试方法包括以下步骤：
1)装样：剪切盒下盘102对准，在下盘内放岩样下盘102，保持岩样下盘102的上表面与剪切盒下盘92的上表面水平。
2)将剪切盒上盘91放在剪切盒下盘92上，保持对齐，并在插销孔25中插入螺丝插销施紧，此时，剪切盒9应位于滚轮12的最左端，然后将岩样上盘101放入剪切盒上盘91中，再将传力板8放入岩样10的上部。
3)将加压框上的加压横梁7压头对准传力板8，调整压头位置，使杠杆部件17微上台，杠杆部件17向后倾时，传力架22能自由平行转动。
4)转动传力架22，向前推动剪切载荷传感器13，使传力架22处于垂直状态(此时杠杆目测应处于水平位置)。
5)装样等步骤完成后，调整法向位移传感器5、荷载传感器13、剪切应变传感器21位置，在计算机上，点击法向载荷、剪切载荷、剪切位移清零，输入法向力和应变速率，改变试验终止条件及参数，然后开始试验，进入数据采集过程。
6)加载法向应力，通过增加砝码18来施加法向应力，一旦法向载荷施加后，固结开始，计算机设备将按固结时间序列自动采集数据，显示图表。
7)固结结束后，拧出插销孔25中的螺丝插销，准备剪切试验。拔出插销后，点击开始剪切，进入剪切试验，显示剪切力与剪切位移的关系曲线。
8)剪切完成后，点击结束试验，直剪仪的电机停止工作，采集数据停止。
9)待试验结束后，可以将当前的试验数据转换为Excel的格式的文件格式，保存数据。
10)卸法向载荷、卸样，然后清理仪器。
Claims (1)
1.一种便携式岩体结构面直剪试验仪，其特征在于，包括平台(1)、加载速率保护装置(2)、剪切速率加载(3)、传感器固定架(4)、法向位移传感器(5)、线路(6)、法向位移传感器线路(61)、剪切应变传感器(62)、荷载传感器线路(63)、加压横梁(7)、传力板(8)、剪切盒(9)、剪切盒上盘(91)、剪切盒下盘(92)、岩样(10)、岩样上盘(101)、岩样下盘(102)、结构面(11)、滚轮(12)、荷载传感器(13)、后顶头座(14)、杠杆调动轴(15)、平衡锤(16)、杠杆部件(17)、砝码(18)、挂钩(19)、支架(20)、剪切位移传感器(21)、传力架(22)、采集系统(23)、采集装置(24)、插销孔(25)；
所述的平台(1)下部与支架(20)相连，直剪试验在平台(1)上进行；
所述的加载速率保护装置(2)位于剪切速率加载装置(3)中，包括左加载速率保护装置(201)和右加载速率保护装置(202)；设置加载速率保护装置(2)，保证在剪切过程在一定的范围内，计算机软件设置快速退回和快速前进的功能，保证在试验时调整位置；右加载速率保护装置(202)位于剪切速率加载装置的右半部分，当剪切位移加载到极限位移的90％时，右加载速率保护装置(202)会与剪切速率加载装置(3)中的板接触，系统会自动发出报警；左加载速率保护装置(201)位于剪切速率加载装置(3)的左半部分，当做完剪切试验后，应把剪切速率加载装置(3)向后退，当左加载速率保护装置(201)与剪切速率加载装置(3)中的板接触时，系统会自动发出报警；所述的剪切速率加载装置(3)为剪切试验水平方向的速率加载，其值可通过计算机来设置；试验时，通过采集装置(24)将剪切速率加载装置(3)的前部与剪切盒(9)接触；
所述的传感器固定架(4)形状为L形，下部与平台(1)连接，另一端通过螺栓与法向位移传感器(5)相连，传感器固定架(4)主要用来固定法向位移传感器(5)；
所述的法向位移传感器(5)用来测量岩样法向应变的变化，主要通过传感器固定架(4)固定，其一端与法向位移传感器线路(61)连接，另一端与加压横梁(7)连接；
所述的线路(6)包括法向位移传感器线路(61)、剪切应变传感器线路(62)和荷载传感器线路(63)；法向位移传感器线路(61)一端与法向位移传感器(5)连接，另一端与采集装置(24)连接；剪切应变传感器线路(62)一端与剪切应变传感器(21)连接，另一端与采集装置(24)连接；荷载传感器线路(63)一端与荷载传感器(13)连接，另一端与采集装置(24)连接；
所述的加压横梁(7)两端与传力架(22)连接，其表面直接与传力板(8)接触，将力传递给传力板(8)，对岩样(10)进行法向应力加载；
所述的传力板(8)上部与加压横梁(7)接触，接受加压横梁(7)传来的力，下部与岩样(10)接触，将力传递给岩样(10)；
所述的剪切盒(9)分为剪切盒上盘(91)与剪切盒下盘(92)；剪切盒上盘(91)右侧与荷载传感器(13)连接，其位置受到约束保持不变；剪切盒下盘(92)左侧与剪切速率加载装置(3)连接，下部与滚轮(12)接触，在试验的过程中剪切盒下盘(92)在加载速率作用下移动；剪切试验开始前，剪切盒上盘(91)与剪切盒下盘(92)之间通过插销孔(25)中的插销连接；
所述的岩样(10)包括岩样上盘(101)与岩样下盘(102)；岩样(10)上、下盘应与剪切盒上、下盘对应放置；
所述的结构面(11)为岩样(10)上、下盘存在的软弱夹层；
所述的滚轮(12)下部与平台(1)连接，上部与剪切盒(9)连接，剪切盒(9)可在滚轮(12)上自由滑动；
所述的荷载传感器(13)左侧与剪切盒上盘(91)连接，用来监测试验时的剪应力，右侧与后顶头座(14)连接；
所述的后顶头座(14)左侧与荷载传感器(13)连接，下部与平台(1)连接；
所述的杠杆调动器(15)与杠杆部件(17)连接，用来调节杠杆，使杠杆保持在水平居中的位置；
所述的平衡锤(16)位于杠杆部件(17)左侧，当杠杆部件(17)加砝码(18)时，平衡锤(16)有平衡的作用，防止杠杆部件(17)向一侧倾斜；
所述的杠杆部件(17)位于杠杆调动轴下部，为了使法向压力有较大的调节范围，杠杆部件(17)采用的是杠杆原理，在杠杆部件(17)右侧加砝码(18)时，试验时的法向应力会随着杠杆比不同产生较大的变化；杠杆部件(17)左侧与平衡锤(16)连接，右侧与砝码(18)连接，前后两侧与传力架(22)连接；
当加砝码(18)时，砝码(18)的力通过杠杆传递给传力架(22)，传力架(22)将力传递给加压横梁(7)，加压横梁(7)将力传递给传力板(8)，即试验时的法向应力；
所述的砝码(18)挂在挂钩(19)上，通过挂钩(19)给岩样(10)施加法向应力；
所述的挂钩(19)与杠杆部件(17)连接，其上放置一系列砝码(18)，通过砝码(18)的重量给岩样(10)施加法向应力；
所述的支架(20)放置在地面上，上部托起平台(1)；
所述的剪切应变传感器(21)左侧与剪切盒(9)接触，用来监测试验时的剪应变；右侧通过剪切应变传感器线路(62)与采集装置(24)连接；
所述的传力架(22)下部两端与杠杆部件(17)连接，上部两端与加压横梁(7)连接，形成一个矩形的支架；
所述的数据采集系统(23)包括法向位移传感器(5)、荷载传感器(13)、剪切应变传感器(21)、线路(6)、采集装置(24)以及检测计算机；数据采集系统具有可以根据剪切变形间隔或时间间隔采集试验数据、传感器标定功能、试验数据图表的实时显示、电机速率控制等功能，试验结束后可以将试验数据以Excel格式输出；
所述的采集装置(24)可控制剪切速率加载装置(3)，而且可将传感器得出的数据转变为计算机可识别的数据，并将其输出；
所述的插销孔(25)位于剪切盒上盘(91)与剪切盒下盘(92)的四周，在剪切试验开始前，可将插销孔(25)的内部插入插销来连接剪切盒上盘(91)和剪切下盘(92)，以便保持剪切盒上盘(91)与剪切盒下盘(92)在同一垂直面内，但在剪切试验开始时，必须将插销拔出。
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