CN107014671B - 一种剪切试验预紧力加载装置及加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种剪切试验预紧力加载装置及加载方法，装置包括用以对岩石试样施加剪切荷载的主动剪切压头，和在加载端面与相应的所述主动剪切压头错开的用以对岩石试样施加预紧力的从动加载压头，所述主动剪切压头和从动加载压头在试件的两侧交叉布置；所述从动加载压头包括加载段和在横截面上凸出于所述加载段的加载辅助段，所述加载辅助段的前端面与所述主动剪切压头的后端面的至少部分面积相对应，以从后端对所述主动剪切压头施压预紧力。

Description

一种剪切试验预紧力加载装置及加载方法

技术领域

本发明涉及实验测量仪器技术领域，具体涉及一种剪切试验预紧力加载装置及加载方法。

背景技术

在矿山开采、核废料处置、水利水电、隧道、边坡等地下工程中，裂隙岩体是经常遇到的一类复杂岩体，它的强度、变形等特征，直接关系工程设计、施工和运营稳定性，而且这些特性具有显著的时间相关性。裂隙岩体剪切流变常常是造成岩体滑坡、围岩塌落、地下工程失稳等岩石工程事故的主要因素。因此开展对岩石裂隙剪切流变特性的试验研究，对于整个岩体工程的长期稳定性具有重要的指导价值。

在进行岩石剪切试验前，应当对岩石试件施加横向的预紧力，以保证渗流时的密封性和加载的稳定性。现有的剪切试验装置中，都是直接对试件进行剪切试验，进行剪切加载的初始阶段时可能会出现加载端面与岩样侧面存在间隙的情况，这样可能会出现载荷突然施加的情况，将导致加载不稳定，使试样突然破坏。以往的剪切装置仅用上下错开的剪切加载压头直接对试件进行剪切试验，所以存在剪切加载中上下两部分容易产生扭曲、加载不稳定、对于需要渗流剪切的试验其渗流密封性不好等缺点。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种剪切试验预紧力加载装置及加载方法。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种剪切试验预紧力加载装置，包括用以对岩石试样施加剪切荷载的主动剪切压头，和在加载端面与相应的所述主动剪切压头错开的用以对岩石试样施加预紧力的从动加载压头，所述主动剪切压头和从动加载压头在试件的两侧交叉布置；所述从动加载压头包括加载段和在横截面上凸出于所述加载段的加载辅助段，所述加载辅助段的前端面与所述主动剪切压头的后端面的至少部分面积相对应，以从后端对所述主动剪切压头施压预紧力；

与所述主动传动轴和从动传动轴连接的活塞室设于剪切盒的内部，液压系统的油路管道穿过所述剪切盒与所述活塞室密封连通；

所述主动传动轴和/或从动传动轴沿轴向设有用以作为渗流通道的渗流孔；所述加载辅助段与所述主动传动轴滑动连接。

从动加载端通过加载辅助段施加预紧力，并带动主动加载端贴近岩石试样侧面，实现加载端和岩石试样的紧密贴合。加载辅助段和试样的紧密贴合保证了加载的精确性，加载辅助段与所述主动传动轴滑动连接保证了渗流过程中良好的密封性。

在剪切盒内直接通过主动剪切压头和从动加载压头来施加剪切力，一方面避免了通过剪切盒的盒体来施加剪切力，可以大大提高最大剪切力的设计值；另一方面避免了分体式剪切盒上下密封的难题，使得密封效果得以大幅度改善，进而可以在将完整的岩石试样剪切破坏的同时，实现渗流压力的施加。

所述主动传动轴包括具有第一直径的第一主动轴部，所述第一主动轴部的侧壁与剪切盒的第一主动内壁滑动连接，并在所述第一主动轴部的后端形成密闭的用以施加剪切力的第一主动活塞腔，所述第一主动活塞腔与主动加载泵通过油路管道密封连接，所述第一主动轴部作为活塞在轴向方向上往复运动；

所述从动传动轴包括具有第三直径的第一从动轴部，所述第一从动轴部的侧壁与剪切盒的第一从动内壁滑动连接，并在所述第一从动轴部的后端形成用以施加辅助剪切力的第一从动活塞腔，所述第一从动活塞腔与第一从动加载泵通过油路管道密封连接，所述第一从动轴部作为活塞在轴向方向上往复运动。通过第一主动活塞腔和第一从动活塞腔的设置，可以实现活塞室和剪切盒的集成设计，提高了试验结构的整体稳定性，进而可以提高最大剪切加载力。

所述从动传动轴的长度大于所述主动传动轴的长度，所述主动传动轴上设有用以所述从动传动轴穿过的过孔。主动传动轴的长度较短，可以起到更好的传力效果，可以获得更大的最大剪切加载力。主动传动轴中的过孔对从动传动轴具有约束限制作用，可以保证从动传动轴的传力效果。

所述主动传动轴还包括位于所述第一主动轴部前方的具有第二直径的第二主动轴部，所述第二直径小于所述第一直径，所述第二主动轴部与剪切盒的第二主动内壁滑动连接，所述第二主动轴部的侧壁和剪切盒内壁与第一主动轴部的前端面形成用以卸载剪切力的第二主动活塞腔，所述第二主动活塞腔与所述主动加载泵通过油路管道密封连接。第二主动活塞腔的设计，可以实现剪切力的自动卸载。

所述从动轴还包括位于所述第一从动轴部前方的具有第四直径的第二从动轴部，所述第四直径小于所述第三直径，所述第四主动轴部与剪切盒的第二从动内壁滑动连接，所述第二从动轴部的侧壁和剪切盒内壁及第一从动轴部的前端面形成用以卸载辅助剪切力的第二从动活塞腔，所述第二从动活塞腔与第二从动加载泵通过油路管道密封连接。第二从动活塞腔的设计，可以实现预紧力的自动卸载。

一种剪切试验预紧力加载装置，包括用以对岩石试样施加剪切荷载的主动剪切压头，和在加载端面与相应的所述主动剪切压头错开的用以对岩石试样施加预紧力的从动加载压头，所述主动剪切压头和从动加载压头在试件的两侧交叉布置；所述从动加载压头包括加载段和在横截面上凸出于所述加载段的加载辅助段，所述加载辅助段的前端面与所述主动剪切压头的后端面的至少部分面积相对应，以从后端对所述主动剪切压头施压预紧力。

使从动辅助加载端带动主动加载端贴近岩石试样表面，实现剪切端面与岩石侧面的紧密贴合，从而保证剪切荷载的平稳施加、保证加载的精确，如果没有施加预紧力这一步，则刚开始剪切加载时可能会出现加载端面与岩样侧面存在间隙的情况，这样可能会出现载荷突然施加的情况，将导致加载不稳定，导致试样突然破坏。剪切加载中控制岩石试样上下两部分不发生错动、扭曲，保证剪切过程顺利进行。

所述主动剪切压头和从动加载压头均通过连接件分别与主动传动轴和从动传动轴固定连接。采用连接件连接，拆卸方便，便于操作。

所述加载辅助段覆盖所述主动剪切压头的整个后端面，所述加载辅助段上设有用以所述主动剪切压头的传动轴穿过的主动预留孔，这种设计结构能充分保证从动加载压头对主动剪切压头预紧力的有效施加。

与所述主动传动轴和/或从动传动轴连接的活塞室相对于剪切盒是外置式的，结构简单，技术成熟，安装方便。

一种剪切试验预紧力加载方法，包括以下步骤：

由从动加载压头带动主动剪切压头施加预紧力；当所述预紧力达到设定值后，所述从动加载压头的施力值不变，由所述主动剪切压头施加剪切力。

仅仅通过从动加载压头就可以实现整个岩石试件侧面的预紧力的施加，既能提高预紧力的精确施加，又能节约能耗，具有显著的有益效果。

有益效果：

1、使从动辅助加载端带动主动加载端贴近岩石试样表面，实现剪切端面与岩石侧面的紧密贴合，从而保证渗流时的密封性。

2、保证剪切荷载的平稳施加、保证加载的精确，如果没有施加预紧力这一步，则刚开始剪切加载时可能会出现加载端面与岩样侧面存在间隙的情况，这样可能会出现载荷突然施加的情况，将导致加载不稳定，导致试样突然破坏。

3、剪切加载中控制岩石试样上下两部分不发生错动、扭曲，保证剪切过程顺利进行，也保证了岩石试样中渗流通道(即裂隙)的正常渗流。

附图说明

图1为实施例一A型加载装置的截面示意图；

图2为实施例二B型加载装置的截面示意图。

图中：

200、剪切盒，205、第一主动内壁，206、第二主动内壁，207、第一从动内壁，208、第二从动内壁，209、端部预留孔；

401、主动剪切压头，403、从动加载压头，404、从动液压系统，405、主动液压系统，408、加载段，409、加载辅助段，411、从动传动轴，412、主动传动轴，413、第一主动轴部，414、第一主动活塞腔，416、第二主动轴部，417、第二主动活塞腔，419、第一从动轴部，420、第一从动活塞腔，421、第二从动轴部，422、第二从动活塞腔，424、第三从动轴部，425、加载系统。

500、渗透压力加载系统，501、渗流孔。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

如图1所示，一种A型剪切试验预紧力加载装置，包括用以对岩石试样施加剪切荷载的主动剪切压头401，和在加载端面与相应的主动剪切压头401错开的用以对岩石试样施加预紧力的从动加载压头403，主动剪切压头401和从动加载压头403在试件的两侧交叉布置；从动加载压头403包括加载段408和在横截面上凸出于加载段408的加载辅助段409，加载辅助段409的前端面与主动剪切压头401的后端面的至少部分面积相对应，以从后端对主动剪切压头401施压预紧力；

与主动传动轴412和从动传动轴411连接的活塞室设于剪切盒200的内部，液压系统的油路管道穿过剪切盒200与活塞室密封连通；

主动传动轴412和/或从动传动轴411沿轴向设有用以作为渗流通道的渗流孔501；加载辅助段409与主动传动轴412滑动连接。

从动加载端通过加载辅助段409施加预紧力，并带动主动加载端贴近岩石试样侧面，实现加载端和岩石试样的紧密贴合。加载辅助段409和试样的紧密贴合保证了加载的精确性，加载辅助段409与主动传动轴412滑动连接保证了渗流过程中良好的密封性。

在剪切盒200内直接通过主动剪切压头401和从动加载压头403来施加剪切力，一方面避免了通过剪切盒200的盒体来施加剪切力，可以大大提高最大剪切力的设计值；另一方面避免了分体式剪切盒200上下密封的难题，使得密封效果得以大幅度改善，进而可以在将完整的岩石试样剪切破坏的同时，实现渗流压力的施加。

渗透压力加载系统500，包括沿剪切加载轴设置的连通至岩石试件端面的渗流孔501，渗透压力泵通过渗流孔501向岩石试件施加渗透压力。

主动传动轴412包括具有第一直径的第一主动轴部413，第一主动轴部413的侧壁与剪切盒200的第一主动内壁205滑动连接，并在第一主动轴部413的后端形成密闭的用以施加剪切力的第一主动活塞腔414，第一主动活塞腔414与主动加载泵通过油路管道密封连接，第一主动轴部413作为活塞在轴向方向上往复运动；

从动传动轴411包括具有第三直径的第一从动轴部419，第一从动轴部419的侧壁与剪切盒200的第一从动内壁207滑动连接，并在第一从动轴部419的后端形成用以施加辅助剪切力的第一从动活塞腔420，第一从动活塞腔420与从动液压系统404的从动加载泵通过油路管道密封连接，第一从动轴部419作为活塞在轴向方向上往复运动。通过第一主动活塞腔414和第一从动活塞腔420的设置，可以实现活塞室和剪切盒200的集成设计，提高了试验结构的整体稳定性，进而可以提高最大剪切加载力。

从动传动轴411的长度大于主动传动轴412的长度，主动传动轴412上设有用以从动传动轴411穿过的过孔。主动传动轴412的长度较短，可以起到更好的传力效果，可以获得更大的最大剪切加载力。主动传动轴412中的过孔对从动传动轴411具有约束限制作用，可以保证从动传动轴411的传力效果。

主动传动轴412还包括位于第一主动轴部413前方的具有第二直径的第二主动轴部416，第二直径小于第一直径，第二主动轴部416与剪切盒200的第二主动内壁206滑动连接，第二主动轴部416的侧壁和剪切盒200内壁与第一主动轴部413的前端面形成用以卸载剪切力的第二主动活塞腔417，第二主动活塞腔417与主动液压系统405的主动加载泵通过油路管道密封连接。第二主动活塞腔417的设计，可以实现剪切力的自动卸载。

从动传动轴411还包括位于第一从动轴部419前方的具有第四直径的第二从动轴部421，第四直径小于第三直径，第四主动轴部与剪切盒200的第二从动内壁208滑动连接，第二从动轴部421的侧壁和剪切盒200内壁及第一从动轴部419的前端面形成用以卸载辅助剪切力的第二从动活塞腔422，第二从动活塞腔422与第二从动加载泵通过油路管道密封连接。第二从动活塞腔422的设计，可以实现预紧力的自动卸载。

从动传动轴411的末端为第三从动轴部424，第三从动轴部424从剪切盒200外侧的端部预留孔209中伸出，并与端部预留孔209的侧壁滑动连接。

一种剪切试验预紧力加载方法，包括以下步骤：

由从动加载压头403带动主动剪切压头401施加预紧力；当预紧力达到设定值后，从动加载压头403的施力值不变，由主动剪切压头401施加剪切力。

实施例二

一种B型剪切试验预紧力加载装置，包括剪切盒200和用以对岩石试样施加剪切荷载的主动剪切压头401，和在加载端面与相应的主动剪切压头401错开的用以对岩石试样施加预紧力的从动加载压头403，主动剪切压头401和从动加载压头403在试件的两侧交叉布置；从动加载压头403包括加载段408和在横截面上凸出于加载段408的加载辅助段409，加载辅助段409的前端面与主动剪切压头401的后端面的至少部分面积相对应，以从后端对主动剪切压头401施压预紧力。

使从动辅助加载端带动主动加载端贴近岩石试样表面，实现剪切端面与岩石侧面的紧密贴合，从而保证剪切荷载的平稳施加、保证加载的精确，如果没有施加预紧力这一步，则刚开始剪切加载时可能会出现加载端面与岩样侧面存在间隙的情况，这样可能会出现载荷突然施加的情况，将导致加载不稳定，导致试样突然破坏。剪切加载中控制岩石试样上下两部分不发生错动、扭曲，保证剪切过程顺利进行。

主动剪切压头401和从动加载压头403均通过连接件分别与主动传动轴412和从动传动轴411固定连接。采用连接件连接，拆卸方便，便于操作。

加载辅助段409覆盖主动剪切压头401的整个后端面，加载辅助段409上设有用以主动剪切压头401的传动轴穿过的主动预留孔，这种设计结构能充分保证从动加载压头403对主动剪切压头401预紧力的有效施加。

与主动传动轴412和/或从动传动轴411连接的活塞室相对于剪切盒200是外置式的，主动传动轴412和从动传动轴411通过传动轴与加载系统425连接。结构简单，技术成熟，安装方便。

一种剪切试验预紧力加载方法，包括以下步骤：

由从动加载压头403带动主动剪切压头401施加预紧力；当预紧力达到设定值后，从动加载压头403的施力值不变，由主动剪切压头401施加剪切力。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种剪切试验预紧力加载装置，其特征在于：包括一对用以对岩石试样的两侧施加剪切荷载的主动剪切压头，和一对在加载端面与相应的所述主动剪切压头错开的用以对岩石试样施加预紧力的从动加载压头，所述主动剪切压头和从动加载压头在试件的两侧交叉布置；所述从动加载压头包括加载段和在横截面上凸出于所述加载段的加载辅助段，所述加载辅助段的前端面与所述主动剪切压头的后端面的至少部分面积相对应，以从后端对所述主动剪切压头施压预紧力；

设有主动传动轴的主动活塞室和设有从动传动轴的从动活塞室均设于剪切盒的内部，液压系统的油路管道穿过所述剪切盒分别与所述主动活塞室和所述从动活塞室密封连通；

所述主动传动轴和/或从动传动轴沿轴向设有用以作为渗流通道的渗流孔；

所述加载辅助段与所述主动传动轴滑动连接。

2.根据权利要求1所述的一种剪切试验预紧力加载装置，其特征在于：所述主动传动轴包括具有第一直径的第一主动轴部，所述第一主动轴部的侧壁与剪切盒的第一主动内壁滑动连接，并在所述第一主动轴部的后端形成密闭的用以施加剪切力的第一主动活塞腔，所述第一主动活塞腔与主动加载泵通过油路管道密封连接，所述第一主动轴部作为活塞在轴向方向上往复运动；

所述从动传动轴包括具有第三直径的第一从动轴部，所述第一从动轴部的侧壁与剪切盒的第一从动内壁滑动连接，并在所述第一从动轴部的后端形成用以施加辅助剪切力的第一从动活塞腔，所述第一从动活塞腔与第一从动加载泵通过油路管道密封连接，所述第一从动轴部作为活塞在轴向方向上往复运动。

3.根据权利要求1所述的一种剪切试验预紧力加载装置，其特征在于：所述从动传动轴的长度大于所述主动传动轴的长度，所述主动传动轴上沿轴向设有用以所述从动传动轴穿过的过孔。

4.根据权利要求2所述的一种剪切试验预紧力加载装置，其特征在于：所述主动传动轴还包括位于所述第一主动轴部前方的具有第二直径的第二主动轴部，所述第二直径小于所述第一直径，所述第二主动轴部与剪切盒的第二主动内壁滑动连接，所述第二主动轴部的侧壁和剪切盒内壁与第一主动轴部的前端面形成用以卸载剪切力的第二主动活塞腔，所述第二主动活塞腔与所述主动加载泵通过油路管道密封连接。

5.一种剪切试验预紧力加载装置，其特征在于：包括一对用以对岩石试样的两侧施加剪切荷载的主动剪切压头，和一对在加载端面与相应的所述主动剪切压头错开的用以对岩石试样施加预紧力的从动加载压头，所述主动剪切压头和从动加载压头在试件的两侧交叉布置；所述从动加载压头包括加载段和在横截面上凸出于所述加载段的加载辅助段，所述加载辅助段的前端面与所述主动剪切压头的后端面的至少部分面积相对应，以从后端对所述主动剪切压头施压预紧力。

6.根据权利要求5所述的一种剪切试验预紧力加载装置，其特征在于：所述主动剪切压头和从动加载压头均通过连接件分别与主动传动轴和从动传动轴固定连接。

7.根据权利要求5所述的一种剪切试验预紧力加载装置，其特征在于：所述加载辅助段覆盖所述主动剪切压头的整个后端面，所述加载辅助段上设有用以所述主动剪切压头的传动轴穿过的主动预留孔。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种剪切试验预紧力加载装置的加载方法，包括以下步骤：

由从动加载压头带动主动剪切压头施加预紧力；当所述预紧力达到设定值后，所述从动加载压头的施力值不变，由所述主动剪切压头施加剪切力。