CN106596295B - 一种变角度负温岩石直剪仪及试验操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩石力学试验设备技术领域，涉及一种变角度负温岩石直剪仪及试验操作方法，包括主机框架、垂直加载机构、垂直荷载支撑机构、水平加载机构、水平荷载支撑机构、剪切盒、温度控制系统、测控系统和计算机系统；所述剪切盒置于温度控制系统中保温箱内，实现负温试验环境，所述剪切盒包括剪切盒体、弧形滑轨、旋转构件、翼形卡块、半圆形导槽板、中隔板、转体定位机构和前后端盖，通过简易操作能够实现剪切盒体形状不变而内部结构不断改变，达到剪切岩石试样不同角度裂隙的目的。本发明提供了一种有效解决负温、变角度剪切的岩石直剪仪和操作方法，其整体结构原理简单，操作方便，可视化程度高，功能多变，适用性强。

Description

一种变角度负温岩石直剪仪及试验操作方法

技术领域：

本发明属于岩石力学试验设备技术领域，涉及一种变角度负温岩石直剪仪及试验操作方法。

背景技术：

随着新世纪地下工程的兴起，人类开始广泛地接触和改造岩石或岩体，例如隧道或井巷的挖掘、煤炭(深部)开采、油气开采、放射性废物贮藏、坝基修建、地热资源的开发利用等。涉及到的工程岩体不同于完整岩石，其力学行为除了岩石本身强度，还取决于岩体中节理裂隙的发育情况，而裂隙中可能赋存水、气、冰等多相介质，存在温度、应力、渗流等多场耦合的复杂问题。其中，在寒冷地区或者人工冻结施工区域处于冻结状态的含冰裂隙岩体强度对工程的安全、稳定至关重要，这种含冰裂隙岩体的力学行为目前处于探索阶段，而裂隙强度又是整个岩体最薄弱的地方，其强度不能简单认为是冰的强度与岩石强度的叠加，故研究其压剪作用下含冰裂隙的力学性能就显得尤为必要。

目前，国内外研究工作者对含裂隙岩石或者含有结构面岩石试件做了大量试验研究，得到了一些研究成果，但试验都普遍存在以下不足：1.试件通过预制的方法得到规则、平整的裂隙，这与实际工程中取样得到的裂隙差别巨大，对试样的直剪试验不能反映实际工程中存在裂隙的力学特性；2.现有的岩石直剪试验都在常温环境下进行，对于负温岩石直剪试验目前还没有报道，尤其是含冰裂隙岩石的直剪试验的研究还属空白；3.现有的岩石直剪装置均要求岩石试样节理面与试件底端平行，或者将测试岩样用高强速凝材料浇筑与上下剪切盒中，采用平推法实现对预定裂隙的直接剪切，不能对任意角度裂隙岩样进行剪切；4.实际工程中取样得到的岩石试件含有不同角度裂隙，现有设备不能对试样直接进行剪切，均需进行复杂的切割修整，这对试样本身损伤极大；5.通过现有的仪器可以得到不同倾角、数量裂隙岩石的单轴压缩强度，但不能获得岩石不同角度裂隙的强度，从而无法评估该裂隙对岩石试件整体强度的影响，也无法找到裂隙强度与岩体整体强度的对应关系。

发明内容：

为了解决上述难题，本发明提供了一种变角度负温岩石直剪仪及试验操作方法，包括以工程岩体中的裂隙为研究对象，通过对工程岩体切割取样，制作出带有不同角度、迹长的单裂隙长方体试件，可实现试件不同环境温度条件下饱冰裂隙的直剪试验。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种变角度负温岩石直剪仪，包括主机框架、垂直加载机构、垂直荷载支撑机构、水平加载机构、水平荷载支撑机构、上剪切盒、下剪切盒、温度控制系统、测控系统和计算机系统。

所述框架由上梁、左右立柱和基座组成，并通过螺栓和焊接连接，刚度高、工作平稳可靠。所述垂直加载机构与基座连接，所述垂直荷载支撑机构与上梁连接，所述水平加载机构与左立柱连接，所述水平荷载支撑机构与右立柱连接。

所述垂直加载机构主要由上压板、垂直承压辊子、下压板、传力柱构件、法向作动器、法向位移传感器组成。所述作动器安装在主机框架基座上，通过传力构件与下压板连接，所述下压板与上压板通过垂直承压辊子连接。所述垂直荷载支撑机构主要由刚性垫块、法向力传感器、连接件、上承压板、垂直承压辊子和下承压板组成。所述法向力传感器一端固定在刚性垫块上，另一端通过连接件与下压板连接，所述垂直承压辊子位于所述上承压板与下承压板之间，用于降低上剪切盒水平移动时的摩擦系数，同时及时调整法向力作用线，保证法向力作用方向过剪切面中心。

所述水平加载机构包括水平作动器，水平推力部件，水平压力传感器、水平推力连接件和水平推力顶头组成，水平作动器设置在右立柱中部外侧，并通过水平推力部件与所述框架内测压力传感器固定，所述水平压力传感器通过水平推力连接件与水平推力顶头连接。所述的水平荷载支撑机构由水平荷载支撑部件基座、水平荷载支撑连接杆、水平荷载支撑顶头、水平荷载承压辊子和槽形承压板组成。所述水平荷载支撑部件基座通过螺栓固定于所述主机框架右柱中部，所述水平荷载支撑连接杆安装在所述水平荷载支撑部件基座左侧，所述水平荷载支撑顶头固定在所述水平荷载支撑连接杆左端，所述水平承压辊子位于槽形承压板和水平荷载支撑顶头之间，所述下剪切盒可以在槽形承压板约束范围内上下滑动，水平位移传感器安装在水平载荷支撑机构左端。

所述上、下剪切盒均包括剪切盒体、弧形滑轨、旋转构件、一对翼形卡块、一对半圆形导槽板、中隔板、转体定位机构、前后端盖。所述剪切盒体内侧连接旋转构件，旋转构件顶部装有弧形滑轨，嵌入所述剪切盒体内侧使得旋转构件灵活转动，所述旋转构件两侧各固定有一对带螺纹销钉，用于转动和固定旋转构件。所述一对翼形卡块，与所述旋转构件连接，其特征在于：翼形卡块采用高刚度金属材料制作，每个翼形卡块上焊接有前后两个销钉，所述销钉可在导槽板的“眉”形导槽内滑动，进一步，所述翼形卡块还可以在所述旋转构件内部自由伸缩，将两种运动组合后使得所述翼形卡块具有转动和伸缩的复合运动，更进一步，所述旋转构件上带螺纹销钉穿过所述导槽板、中隔板、转体定位机构固定板内的弧形导槽，所述带螺纹销钉可在所述弧形导槽内滑动，并可配合螺母将旋转构件锁死，当旋转构件在盒体内转动时，促使所述复合运动不断进行，此时所述前、后端盖与所述翼形卡块组合成不同角度的“剪切模具”，共同实现剪切盒框架形状不变但与试样接触的内部结构不断改变，使得方形试件可以随意旋转，且裂隙始终处于上下剪切盒之间，达到剪切不同角度裂隙的目的。

所述“眉”形导槽是由计算机在模拟所述“剪切模具”不断变化过程中将所述翼形卡块上销钉的运动轨迹捕捉绘制，后通过数控加工形成的。

所述温度控制系统由保温箱、温控器、压缩机、温度传感器组成。所述保温箱由可拆卸部件组装而成，内部设有4处温度监测点，通过所述压缩机对保温箱进行降温，达到预定温度后，利用所述温控器进行控温，实现不同温度控制下的剪切试验。

所述测控系统具有多个测控通道，可以独立进行荷载和位移两种闭环控制，也可以与计算机通讯，由计算机进行程控工作。

所述计算机系统通过软件对试验全过程进行控制，同时自动采集存储试验数据，实时显示试验状态，能够计算试验结果并打印试验报告，界面友好。

由于采用了以上技术方案，本发明可进行岩石试样旋转不同角度后在负温条件下的直剪试验。上剪切盒和下剪切盒组装式的设计可以方便的进行岩样的安装和拆卸，水平和垂直加载方向上设置的承压辊子可以使剪切盒自由移动，同时保证试样剪切过程中监测数据真实可靠。本发明改变了目前只能对岩石试样进行常温下常规直剪试验的现状，可提供一种在负温条件下裂隙岩石变角度直接剪切试验，得到含冰裂隙岩石不同角度裂隙的强度参数，有效的克服了目前直剪仪所存在的不足，对填充物为冰的裂隙岩石力学特性研究具有重要的理论和实际意义。

附图说明

图1为本发明的试验机总结构立面图。

图2为本发明的试验机总结构左视图。

图3为本发明的垂直加载机构立面图。

图4为本发明的垂直加载机构左视图。

图5为本发明的导轨框架俯视图。

图6为本发明的垂直荷载支撑机构立面图。

图7为本发明的水平加载机构立面图。

图8为本发明的水平支撑机构立面图。

图9为本发明的剪切盒轴测示意图。

图10为本发明的剪切盒分解轴测示意图。

图11为本发明的旋转构件分解轴测结构示意图。

图12为本发明的旋转构件轴测结构示意图。

图13为本发明的旋转构件主视图。

图14为本发明的旋转构件左视图。

图15为本发明的旋转构件俯视图。

图16为本发明的翼形卡块主视图。

图17为本发明的翼形卡块侧视图。

图18为本发明的翼形卡块俯视图。

图19为本发明的导槽板轴测结构示意图。

图20为本发明的中隔板轴测结构示意图。

图21为本发明的前端盖和转体定位机构轴测结构示意图。

图22为本发明的上剪切盒前端盖三视图。

图23为本发明的下剪切盒前端盖三视图。

图24为本发明的后端盖三视图。

图25为本发明的转体定位机构图。

图26为本发明的剪切盒结构立面图。

图27为本发明的剪切盒结构1-1剖面图。

图28为本发明的剪切盒旋转15°立面图。

图29为本发明的剪切盒旋转15°2-2剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图29，一种变角度负温岩石直剪仪，可测量一定尺寸、一定法向加载范围下裂隙岩石试样旋转不同角度后的负温剪切强度，所述变角度负温岩石直剪仪主要由主机框架1、垂直加载机构2、垂直荷载支撑机构3、水平加载机构4、水平载荷支撑机构5、变角度剪切盒6、温度控制系统7、小车8、测控系统和计算机系统。所述的主机框架1由基座、左柱、右柱和上梁组成，各构件之间可通过螺栓和焊接固定。

所述垂直加载机构2主要由导轨框架2-1、上压板2-2、垂直承压辊子2-3、下压板2-4、传力柱构件2-5、法向作动器2-6和2根侧柱2-7、法向位移传感器2-10组成。所述侧柱2-7位于主机框架1基座上，所述导轨框架2-1通过螺栓与所述侧柱2-7连接，所述导轨框架2-1用于安放剪切盒6，所述垂直承压辊子2-3位于上压板2-2与下压板2-4之间，并通过传力柱构件2-5固定在所述法向作动器2-6上，法向作动器2-6通过传力构件2-5将力传给上压板2-2，最终给剪切盒6施加竖直向上的力。所述导轨框架2-1由2纵梁2-8与2横梁2-9两两焊接而成，俯视图如图所示。所述法向位移传感器2-10固定于右侧纵梁2-8上。所述剪切盒6水平限位块2-11位于左侧纵梁2-8中部，用于限制下剪切盒6-2水平位移。

所述垂直荷载支撑机构3由刚性垫块3-1、法向力传感器3-2、连接件3-3、上承压板3-4、垂直承压辊子3-5、下承压板3-6组成。所述法向力传感器3-2用于测量垂直加载机构2向剪切盒6加载时，试样剪切面上所受到的法向力。所述垂直承压辊子3-5用于降低上剪切盒水平移动时的摩擦系数，同时及时调整法向力作用线，保证法向力作用方向过剪切面中心。所述刚性垫块3-1上面焊接在主机框架1上横梁中部。

所述水平加载机构4包括水平作动器4-1、水平推力部件4-2、水平压力传感器4-3、水平推力连接件4-4和水平推力顶头4-5。水平推力顶头4-5位于上剪切盒6-1左侧并垂直固接在其侧面上，水平推力连接件4-4指向上剪切盒6-1，并于水平压力传感器连接整体位于主机框架1框架内，水平作动器通过螺栓固定于主机框架1左柱中部。

所述的水平荷载支撑机构5由水平荷载支撑部件基座5-1、水平荷载支撑连接杆5-2、水平荷载支撑顶头5-3、水平荷载承压辊子5-4和槽形承压板5-5组成。所述水平荷载支撑部件基座通过螺栓固定于所述主机框架1右柱中部，为下剪切盒6-2水平推力提供反力；所述水平荷载支撑连接杆5-2安装在所述水平荷载支撑部件基座5-1左侧，所述水平荷载支撑顶头5-3位于所述水平荷载支撑连接杆5-2左端，通过所述水平承压辊子5-4与所述槽形承压板5-5接触，充分保证所述槽形承压板5-5开口处不与所述水平荷载支撑顶头5-3侧壁接触。所述水平承压辊子5-4使得所述槽形承压板5-5可以在一定范围内上下滑动，充分降低了下剪切盒6-2在垂直方向移动的阻力，提高试验机的精度。水平位移传感器20安装在水平载荷支撑机构5左端(图1)。

如图9所示，所述剪切盒6由上剪切盒6-1和下剪切盒6-2组成。所述上剪切盒6-1左端固定于所述水平推力顶头4-5上，所述下剪切盒6-2下部装有4个滑轮9，所述滑轮9位于所述导轨框架2-1的横梁2-9上，上下剪切盒之间留有5mm的缝隙(如图26所示)，以免法向位移过大导致上下剪切盒接触，导致实验失败。从图10中可以看出，所述剪切盒由2个盒体10、2个弧形滑轨11、2个旋转构件12、4个翼形卡块13、4个导槽板14、2个中隔板15、2个前端盖16、2个后端盖17、2个转体定位机构18组成。以上剪切盒6-1为例，所述盒体10为外方内圆形，是所述上剪切盒6-1主体结构，圆弧内部凹陷成滑槽供所述弧形滑轨11旋转滑动。

所述旋转构件12由旋转体12-1、前盖板12-2、后盖板12-3、4个销钉12-4和4个调节螺母12-5组成。所述旋转体12-1固定于所述弧形滑轨11下方，如图11～15所示，其内部由旋转体12-1、前盖板12-2和后盖板12-3组成直筒型导槽可供所述翼形卡块13直线伸缩。所述4个销钉12-4分别焊接于所述前盖板12-2和后盖板12-3上，其特征在于，所述销钉12-4端部带有螺纹。所述翼形卡块13两侧分别焊接有销钉13-1，其三视图如图16～18所示。

如图19所示，所述导槽板14其特征是：所述导槽板上刻有两种导槽，第一种为“眉”形导槽14-1，使所述翼形卡块13上销钉13-1在所述“眉”形导槽14-1上滑动的同时所述翼形卡块13还在所述旋转构件12内配合直线伸缩，整体上呈平面复合运动，即平移和转动的复合；第二种弧形弧形导槽14-2为圆弧形，与所述旋转构件12外弧为同心圆弧，试样位于所述旋转构件12、翼形卡块13之间，并随着销钉12-4在所述第二种弧形弧形导槽14-2上滑动而发生转动，从而实现变角度剪切。此外，所述导槽板14中部开一圆形口，其作用在于，使得所述前端盖16、所述后端盖17与试样接触，产生侧限剪切效果，且在试样旋转的过程中所述均能无死角的夹紧试样。

如图20、21所示，所述中隔板15位于所述导槽板14和所述前端盖16之间(图12)，其特征在于上部刻有导槽15-2与所述弧形导槽14-2作用相同，并将所述导槽板14“眉”形导槽14-1覆盖，旨在加强所述盒体10刚度；所述中隔板3中部也开一圆形口，其作用与所述导槽板圆形开口相同。此外，所述中隔板15下部固定有两个凸台15-1，用于固定所述前端盖16。所述前端盖16由四个螺栓16-1固定于所述盒体10上，所述后端盖17位于导槽板14后方，其特征在于，板内刻有导槽17-1，其作用与所述14-2作用相同，并将所述导槽板14“眉”形导槽14-1覆盖，旨在加强所述盒体10刚度，所述后端盖17凸起部分与试样接触，提供侧限。对比所述上剪切盒6-1前端盖16(如图22所示)与下剪切盒6-2前端盖21(如图23所示)，所述下剪切盒6-2前端盖与所述前端盖16凸起部分位置不同，作用相同，均用于给试样提供侧向约束。

所述剪切盒6内导槽板14通过焊接固定在剪切盒体10上，所述旋转构件12只通过销钉12-4与所述导槽板14连接，导槽板14与中隔板15可整体浇筑而成，也可通过无缝焊接实现连接；所述后端盖17采用高强螺栓固定于导槽板14上，其弧形边缘焊接在剪切盒体10上。

所述转体定位机构18由固定板18-2和刻度盘18-3组成，如图21、25所示，所述固定板18-2分别通过四个螺栓18-1固定于中隔板15前方和导槽板14后方，其特征在于，所述固定板18-2上刻有与所述弧形导槽14-2、所述导槽15-2、所述导槽17-2相同的导槽，且与所述刻度盘重叠；所述刻度盘18-3的指针固定于旋转构件12上，所述旋转构件12上带螺纹销钉穿过所述导槽板14、中隔板15、转体定位机构18的固定板18-2内的弧形导槽，并在所述弧形导槽内滑动，此时所述销钉12-4在刻度盘18-3对应导槽内随之滑动，显示出旋转构件12旋转角度，其旋转范围为-45°～45°，当旋转构件12在盒体10内转动时，促使所述平面复合运动不断进行，此时所述前端盖16、后端盖17与所述翼形卡块13组合成不同角度的“剪切模具”，共同实现剪切盒框架形状不变但与试样接触的内部结构不断改变，使得方形试件可以随意旋转，且裂隙始终处于上下剪切盒之间，达到剪切不同角度裂隙的目的。水平剪切面采用所述螺母12-5将旋转构件12锁死固定。

所述温度控制系统7由压缩机7-1、温控器7-2、保温箱7-3、温度传感器组成。采集数据可通过计算机系统9接收记录，便于温度实时监控。所述压缩机7-1用于给保温箱7-3提供低温环境，所述温控器7-2用于控制保温箱7-3内温度，以达到试验使用的恒定温度。所述保温箱7-3置于小车7上，采用全密封式保温，与外部连接处均采用O形密封圈密封，前方带有玻璃门19，便于观侧试样剪切过程，箱体内部各个角、剪切盒6上均装有温度传感器，用于采集环境温度。所述保温箱7-3特征是：箱体可拆卸，方便内部清理、构件更换。

所述测控系统具有多个测控通道，可以独立进行荷载和位移两种闭环控制，也可以与计算机通讯，由计算机进行程控工作。

所述计算机系统通过软件对试验全过程进行控制，同时自动采集存储试验数据，实时显示试验状态，能够计算试验结果并打印试验报告，界面友好。

所述垂直加载机构2施加的法向力方向过所述水平剪切面的中心，所述水平加载机构4施加给试样剪切力与所述水平剪切面平行，使得所述测控系统、计算机系统采集记录数据与所述水平剪切面上实际位移、力相同。

本实施例的工作过程如下：以温度-10℃、裂隙岩石试样尺寸为100mm×100mm×100mm，裂隙在试样中部且角度15°为例，确认剪切盒旋转角度后拨动销钉12-4使得旋转构件12转动，当指针指向刻度盘18-3刻度15°时利用螺母12-5将旋转构件12锁死(如图28～29所示)。检查保温箱19密封状态是否良好，确认玻璃门19关闭后开启压缩机17-1和温控器17-2，对保温箱19、剪切盒6进行预冷，观测计算机软件上温度读数，当保温箱内温度降到指定温度-15℃且保持恒定30min后，打开玻璃门19，卸下前端盖16，对准角度将低温裂隙试样快速放入剪切盒中，安装前端盖16，并关闭玻璃门19。温度稳定后开始试验，垂直加载机构2上升使得上压板2-1与下剪切盒6-2底部接触并加载到某一压力值，水平加载机构4工作使得推杆推动上试样移动做剪切运动，计算机系统记录水平加载机构4压力传感器4-3读数、水平荷载支撑机构5左端的水平位移传感器20实时位移值、垂直荷载支撑机构3中压力传感器3-2载荷值以及垂直加载机构2中法向位移传感器2-10位移值。剪切位移达到一定值后，开始卸载垂直加载机构2的作动器，使得上压板2-2脱离下剪切盒6-1底部，此时下剪切盒6-1与导轨框架2-1的横梁2-11接触，随后由水平加载机构4的作动器将上剪切盒6-1拉回，当上剪切盒到达水平限位块2-11时作动器4-1自动停止工作，即达到剪切初始位置。接着可以继续做剪切运动。

进一步，如果需要观测试验剪切全过程，需对卸下的前端盖16不进行安装，直接将试样放入剪切盒6，关闭玻璃门19，利用成像系统置于玻璃门附近实时记录试样剪切位移增大时发生的破坏过程。如所述旋转定位机构18旋转角度为0°时，本发明同样可以具备常规直剪试验试验机的功能，同时还能达到恒温控制效果。

所述前、后端盖与所述翼形卡块可组合成不同角度的“剪切模具”，根据实际试样大小、形状制作不同类型的刚性垫块，将所述垫块放入所述“剪切模具”内可实现多种尺寸、不同形状试样的变角度剪切试验。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种变角度负温岩石直剪仪，其特征在于：包括主机框架、垂直加载机构、垂直荷载支撑机构、水平加载机构、水平荷载支撑机构、剪切盒、温度控制系统、测控系统和计算机系统；所述框架由上梁、左右立柱和基座组成，并通过螺栓和焊接连接；所述垂直加载机构与基座连接，所述垂直荷载支撑机构与上梁连接，所述水平加载机构与左立柱连接，所述水平荷载支撑机构与右立柱连接；所述垂直加载机构由上压板、垂直承压辊子、下压板、传力柱构件、法向作动器、法向位移传感器组成；所述作动器安装在主机框架基座上，通过传力构件与下压板连接，所述下压板与上压板通过垂直承压辊子连接；所述垂直荷载支撑机构由刚性垫块、法向力传感器、连接件、上承压板、垂直承压辊子和下承压板组成；所述法向力传感器一端固定在刚性垫块上，另一端通过连接件与下压板连接，所述垂直承压辊子位于所述上承压板与下承压板之间；所述水平加载机构包括水平作动器，水平推力部件，水平压力传感器、水平推力连接件和水平推力顶头组成，水平作动器设置在右立柱中部外侧，并通过水平推力部件与所述框架内测压力传感器固定，所述水平压力传感器通过水平推力连接件与水平推力顶头连接；所述的水平荷载支撑机构由水平荷载支撑部件基座、水平荷载支撑连接杆、水平荷载支撑顶头、水平荷载承压辊子和槽形承压板组成；所述水平荷载支撑部件基座通过螺栓固定于所述主机框架右柱中部，所述水平荷载支撑连接杆安装在所述水平荷载支撑部件基座左侧，所述水平荷载支撑顶头固定在所述水平荷载支撑连接杆左端，所述水平承压辊子位于槽形承压板和水平荷载支撑顶头之间，水平位移传感器安装在水平载荷支撑机构左端；所述温度控制系统由保温箱、温控器、压缩机、温度传感器组成；所述保温箱由可拆卸部件组装而成，内部设有4处温度监测点，通过所述压缩机对保温箱进行降温，4监测点平均温度达到指定温度后，利用所述温控器进行控温，使温度保持恒定；所述剪切盒置于所述保温箱内，由上剪切盒和下剪切盒组成，所述上、下剪切盒均包括剪切盒体、弧形滑轨、旋转构件、一对翼形卡块、一对半圆形导槽板、中隔板、一对转体定位机构、前后端盖；所述测控系统具有多个测控通道，可以独立进行荷载和位移两种闭环控制，也可以与计算机通讯，由计算机进行程控工作；所述计算机系统通过软件对试验全过程进行控制，同时自动采集存储试验数据，实时显示试验状态，能够计算试验结果并打印试验报告，界面友好。

2.如权利要求1所述的变角度负温岩石直剪仪，其特征在于：所述剪切盒体内侧连接旋转构件，旋转构件顶部装有弧形滑轨，嵌入所述剪切盒体内侧使得旋转构件灵活转动，所述旋转构件两侧各固定有一对带螺纹销钉，用于转动和固定旋转构件；所述一对翼形卡块，与所述旋转构件连接，翼形卡块采用高刚度金属材料制作，每个翼形卡块上焊接有前后两个销钉，所述销钉可在导槽板的“眉”形导槽内滑动，所述翼形卡块还可以在所述旋转构件内部自由伸缩，将所述两种运动组合后使得所述翼形卡块具有转动和伸缩的复合运动；所述旋转构件上带螺纹销钉穿过所述导槽板、中隔板、转体定位机构固定板内的弧形导槽，所述带螺纹销钉可在所述弧形导槽内滑动，并可配合螺母将旋转构件锁死，当旋转构件在盒体内转动时，促使所述复合运动不断进行，此时所述前后端盖与所述翼形卡块组合成不同角度的剪切模具，共同实现剪切盒框架形状不变但与试样接触的内部结构不断改变，使得方形试件可以随意旋转，且裂隙始终可旋转至水平，即产生水平剪切面，所述水平剪切面位于上下剪切盒之间，达到剪切不同角度裂隙的目的；所述剪切盒内导槽板通过焊接固定在剪切盒体上，所述旋转构件只通过销钉与所述导槽板连接，导槽板与中隔板为整体浇筑而成，之间无缝隙；所述后端盖采用高强螺栓固定于导槽板上，其弧形边缘焊接在剪切盒体上；所述“眉”形导槽是由计算机在模拟所述“剪切模具”不断变化过程中将所述翼形卡块上销钉的运动轨迹捕捉绘制，并通过数控加工形成。

3.一种利用如权利要求1所述的变角度负温岩石直剪仪进行试验操作的方法，其特征在于：所述垂直加载机构施加的法向力方向过所述水平剪切面的中心，所述水平加载机构施加给试样剪切力与所述水平剪切面平行，使得所述测控系统、计算机系统采集记录数据与所述水平剪切面上实际位移、力相同；

所述前后端盖与所述翼形卡块可组合成不同角度的剪切模具，根据实际试样大小、形状制作不同类型的刚性垫块，将所述垫块放入所述剪切模具内可实现多种尺寸、不同形状试样的变角度剪切试验；

所述剪切盒可将含冰裂隙岩石试样旋转不同角度后固定，使得试样原生裂隙位于剪切面上；所述温控系统可为剪切盒、含冰裂隙岩石试样提供恒定负温环境；剪切试验后能获得岩石不同角度含冰裂隙的强度，从而可评估所述含冰裂隙对负温岩石试件整体强度的影响，为建立含冰裂隙强度与岩石整体强度的对应关系提供参数。