CN109030242B - 一种电磁动力岩石直剪仪及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁动力岩石直剪仪及操作方法，它包括反力框架，所述反力框架固定安装在支架的顶部，所述反力框架的两侧固定安装有导轨，所述反力框架上部滑动配合安装有移动顶板，所述移动顶板中间位置的下表面设有千斤顶；所述支架的顶部支撑安装有钢板平台，所述反力框架左、右侧面的内壁上一下、一上各设有电磁动力装置，左侧的电磁动力装置固定在钢板平台上；右侧电磁动力装置固定在支座上，所述支座滑动配合安装在导轨上；所述千斤顶下端设有垂直推力顶头，在垂直推力顶头下端设有竖向传感器。在剪力框的左右两侧各设有一个电磁动力装置，实现了高频加力和卸力，由此可以较好地模拟岩爆过程中岩爆对岩石的影响。

Description

一种电磁动力岩石直剪仪及操作方法

技术领域

本发明涉及岩石剪切领域，具体涉及一种电磁动力岩石直剪仪及操作方法。

背景技术

固体颗粒体系的抗剪切强度是固体颗粒抵抗剪切破坏的极限能力，是固体力学中重要的指标之一。直剪试验是测量试样抗剪切强度的主要试验手段，由于操作简单、适用范围广，已广泛用于国内外工程设计施工及其他领域中的固体颗粒体系抗剪切强度的测试。由此得到的内摩擦角和凝聚力的值的真实性较差。

目前的直剪仪只是针对土体或冻土而设计的，在直剪试验时，均有一套剪切夹具，也通称剪切盒，包括储水盒、下剪切盒和上剪切盒，而储水盒和下剪切盒可通过机械加工联固为一体。在进行试验时，是由仪器机械推动器在机械作用下给下剪切盒在法向压力下，推动器给下剪切盒平行推力，使上剪切盒和下剪切盒平行移动，使土样剪坏。

在隧洞开挖过程中，由于部分岩石被悬空，其所受的各种应力都可分解为正应力和剪应力。剪应力的存在使得隧洞在开挖时常发生岩爆和断裂，由此研究各种岩石的抗剪强度就显得尤为重要。

由于岩石的强度远大于土体，并且岩爆在极短时间内发生，就不能用上述现有的直剪仪采用千斤顶进行试验。因此有必要设计一种高精度，高频率，高强度的直剪仪。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电磁动力岩石直剪仪，在剪力框的左右两侧各设有一个电磁动力装置，实现了高频加力和卸力，由此可以较好地模拟岩爆过程中岩爆对岩石的影响。它能够最大限度的满足岩石在直剪实验中所需要的各类要求，最大程度的模拟岩爆过程中岩石的力学性能。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种电磁动力岩石直剪仪，它包括反力框架，所述反力框架固定安装在支架的顶部，所述反力框架的两侧固定安装有导轨，所述反力框架上部滑动配合安装有移动顶板，所述移动顶板中间位置的下表面设有千斤顶；所述支架的顶部支撑安装有钢板平台，所述反力框架左、右侧面的内壁上一下、一上各设有电磁动力装置，左侧的电磁动力装置固定在钢板平台上；右侧电磁动力装置固定在支座上，所述支座滑动配合安装在导轨上；所述千斤顶下端设有垂直推力顶头，在垂直推力顶头下端设有竖向传感器。

所述移动顶板与导轨构成滑动配合，并通过制动螺母锁紧固定在反力框架上。

所述电磁动力装置的水平剪力施力端设有水平剪力加载头，在水平剪力加载头处设有水平传感器。

所述钢板平台的顶部中心位置设置有下剪切框卡槽，所述下剪切框卡槽中心位置正对千斤顶的垂直推力顶头。

试验岩石的四周贴有应变片，所述应变片与应变采集系统连接，竖向传感器和电磁动力装置上的水平传感器均与压力采集系统连接。

所述移动顶板的下端面固定安装有用于监视整个装置的监测摄像仪。

所述电磁动力装置的包括电磁铁、磁铁和变频交流电源；所述变频交流电源与电磁铁之间通过开关相连，所述磁铁安装在水平剪力加载头上。

所述电磁动力装置共有两组，分别设置在试验岩石的下部侧壁上和上部侧壁上。

任意一项所述电磁动力岩石直剪仪的操作方法，其特征在于它包括以下步骤：

Step1：选料，选择尺寸为立方体结构的试验岩石块；

Step2：贴应变片，在试验岩石的四周贴上应变片；

Step3：上料，将所选试验岩石块放在所述钢板平台的正中央，将其固定安装在下剪切框卡槽内；

Step4：固定，调节所述制动螺母，使千斤顶接触侧向滑板上表面，再由制动螺母固定，启动千斤顶，使竖向传感器压力值达到一定值；

Step5：开电磁动力装置，打开变频交流电源，使得电磁铁和磁铁产生磁力，对试验岩石施加水平剪切力和卸力，模拟岩爆过程中岩爆对岩石的影响；

Step6：剪断，试验岩石在高频交替荷载下，被剪断；

Step7：停机，关闭变频交流电源，使电磁动力装置停止工作；

Step8：记录，记录应变片和水平传感器的数据；

Step9：计算，由应变片所得的剪应变，通过切变模量可计算剪应力，即：τ=G×γ；

其中τ为剪应力，G为切变模量，对于特定的岩石为特定的已知值，γ为剪应变；

Step10：绘图，绘制出剪应力与法向应力的关系曲线，从而可以得到岩体在特定破坏面上的抗剪强度参数即内摩擦角和粘聚力。

本发明有如下有益效果：

1、电磁动力装置通过调节电流的大小和电流的方向，能够实现高频加力和卸力。

2、岩石在高频加荷卸荷过程中，可以较好地模拟岩爆过程中岩爆对岩石的影响，避免常规直剪仪加荷、卸荷缓慢的不足。

4、可测定岩体特定剪切面上的抗剪强度指标，绘制出剪应力与法向应力的关系曲线，从而可以得到岩体在特定破坏面上的抗剪强度参数即内摩擦角和粘聚力。

5、可进行多种剪切试验：抗剪断试验，抗剪试验，抗切试验等，操作简易，成本低，测得数据精准度更高，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

6、电脑和监测摄像仪使剪切过程可视化，可绘制出剪应力与法向应力的关系曲线，从而可以得到岩体在特定破坏面上的抗剪强度参数即内摩擦角和粘聚力。

7、本装置制作材料易得，组装方法便捷，且自动化程度高，易于操作，成本低，测得数据精准度更高，适用范围极广，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明所涉及装置整体示意图。

图2为本发明所涉及电磁动力装置内部线路示意图。

图3为本发明所涉及反力框架详图。

图中：反力框架1、应变采集系统2、支架3、移动顶板4、千斤顶5、导轨6、制动螺母7、钢板平台8、电磁动力装置9、支座10、侧向滑板11、下剪切框卡槽12、垂直推力顶头13、水平剪力加载头14、竖向传感器15、水平传感器16、监测摄像仪17、应变片18、电磁铁19、磁铁20、变频交流电源21。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

请参阅图1-3，一种电磁动力岩石直剪仪，它包括反力框架1，所述反力框架1固定安装在支架3的顶部，所述反力框架1的两侧固定安装有导轨6，所述反力框架1上部滑动配合安装有移动顶板4，所述移动顶板4中间位置的下表面设有千斤顶5；所述支架3的顶部支撑安装有钢板平台8，所述反力框架1左、右侧面的内壁上一下、一上各设有电磁动力装置9，左侧的电磁动力装置9固定在钢板平台8上；右侧电磁动力装置9固定在支座10上，所述支座10滑动配合安装在导轨6上；所述千斤顶5下端设有垂直推力顶头13，在垂直推力顶头13下端设有竖向传感器15。通过采用上述结构的岩石直剪仪在剪力框的左右两边个设有一个电磁动力装置，实现了高频加力和卸力，由此可以较好地模拟岩爆过程中岩爆对岩石的影响。它能够最大限度的满足岩石在直剪实验中所需要的各类要求，最大程度的模拟岩爆过程中岩石的力学性能。可测定岩体特定剪切面上的抗剪强度指标，绘制出剪应力与法向应力的关系曲线，从而可以得到岩体在特定破坏面上的抗剪强度参数即内摩擦角和粘聚力。可进行多种剪切试验：抗剪断试验，摩擦试验，抗切试验等，操作简易，成本低，测得数据精准度更高，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

进一步的，所述移动顶板4与导轨6构成滑动配合，并通过制动螺母7锁紧固定在反力框架1上。通过制动螺母7能够将移动顶板4锁定在导轨6的任意位置。

进一步的，所述电磁动力装置9的水平剪力施力端设有水平剪力加载头14，在水平剪力加载头14处设有水平传感器16。通过水平传感器16能够采集水平剪切力。

进一步的，所述钢板平台8的顶部中心位置设置有下剪切框卡槽12，所述下剪切框卡槽12中心位置正对千斤顶5的垂直推力顶头13。通过采用上述安装方式保证了受力的稳定性。

进一步的，试验岩石的四周贴有应变片18，所述应变片18与应变采集系统2连接，竖向传感器15和电磁动力装置9上的水平传感器16均与压力采集系统2连接。通过上述结构的应变片18、竖向传感器15和水平传感器16能够方便的与应变采集系统2进行数据交换。

进一步的，所述移动顶板4的下端面固定安装有用于监视整个装置的监测摄像仪17。通过采用45度斜对剪切盒前侧面俯拍整个装置，通过检测摄像仪可以动态观测岩石受剪切变形的整个过程。

进一步的，所述电磁动力装置9的包括电磁铁19、磁铁20和变频交流电源21；所述变频交流电源21与电磁铁19之间通过开关相连，所述磁铁20安装在水平剪力加载头14上。改变电流方向可以快速实现卸荷；快速改变电流大小可以模拟岩爆对岩石各项力学性能的影响。

进一步的，所述电磁动力装置9共有两组，分别设置在试验岩石的下部侧壁上和上部侧壁上。通过采用多组分别布置，能够实现多种不同的岩石力学试验，包括抗剪断试验，抗剪试验摩擦试验，抗切试验等。

实施例2：

任意一项所述电磁动力岩石直剪仪的操作方法，其特征在于它包括以下步骤：

Step1：选料，选择尺寸为立方体结构的试验岩石块；

Step2：贴应变片，在试验岩石的四周贴上应变片18；

Step3：上料，将所选试验岩石块放在所述钢板平台8的正中央，将其固定安装在下剪切框卡槽12内；

Step4：固定，调节所述制动螺母7，使千斤顶5接触侧向滑板上表面，再由制动螺母固定，启动千斤顶5，使竖向传感器15压力值达到一定值；

Step5：开电磁动力装置9，打开变频交流电源21，使得电磁铁19和磁铁20产生磁力，对试验岩石施加水平剪切力和卸力，模拟岩爆过程中岩爆对岩石的影响；

Step6：剪断，试验岩石在高频交替荷载下，被剪断；

Step7：停机，关闭变频交流电源21，使电磁动力装置停止工作；

Step8：记录，记录应变片和水平传感器的数据；

Step9：计算，由应变片所得的剪应变，通过切变模量可计算剪应力，即：τ=G×γ；

其中τ为剪应力，G为切变模量，对于特定的岩石为特定的已知值，γ为剪应变；

Step10：绘图，绘制出剪应力与法向应力的关系曲线，从而可以得到岩体在特定破坏面上的抗剪强度参数即内摩擦角和粘聚力。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电磁动力岩石直剪仪，其特征在于：它包括反力框架（1），所述反力框架（1）固定安装在支架（3）的顶部，所述反力框架（1）的两侧固定安装有导轨（6），所述反力框架（1）上部滑动配合安装有移动顶板（4），所述移动顶板（4）中间位置的下表面设有千斤顶（5）；所述支架（3）的顶部支撑安装有钢板平台（8），所述反力框架（1）左、右侧面的内壁上一下、一上各设有电磁动力装置（9），左侧的电磁动力装置（9）固定在钢板平台（8）上；右侧电磁动力装置（9）固定在支座（10）上，所述支座（10）滑动配合安装在导轨（6）上；所述千斤顶（5）下端设有垂直推力顶头（13），在垂直推力顶头（13）下端设有竖向传感器（15）；

所述移动顶板（4）与导轨（6）构成滑动配合，并通过制动螺母（7）锁紧固定在反力框架（1）上；

所述电磁动力装置（9）的水平剪力施力端设有水平剪力加载头（14），在水平剪力加载头（14）处设有水平传感器（16）；

所述钢板平台（8）的顶部中心位置设置有下剪切框卡槽（12），所述下剪切框卡槽（12）中心位置正对千斤顶（5）的垂直推力顶头（13）；

试验岩石块的四周贴有应变片（18），所述应变片（18）与采集系统（2）连接，竖向传感器（15）和电磁动力装置（9）上的水平传感器（16）均与采集系统（2）连接；

所述电磁动力装置（9）包括电磁铁（19）、磁铁（20）和变频交流电源（21）；所述变频交流电源（21）与电磁铁（19）之间通过开关相连，所述磁铁（20）安装在水平剪力加载头（14）上。

2.根据权利要求1所述的一种电磁动力岩石直剪仪，其特征在于：所述移动顶板（4）的下端面固定安装有用于监视电磁动力岩石直剪仪的监测摄像仪（17）。

3.根据权利要求1所述的一种电磁动力岩石直剪仪，其特征在于：所述电磁动力装置（9）共有两组，分别设置在试验岩石块的下部侧壁上和上部侧壁上。

4.采用权利要求1-3任意一项所述电磁动力岩石直剪仪的操作方法，其特征在于包括以下步骤：

Step1：选料，选择尺寸为立方体结构的试验岩石块；

Step2：贴应变片，在试验岩石块的四周贴上应变片（18）；

Step3：上料，将所选试验岩石块放在所述钢板平台（8）的正中央，将其固定安装在下剪切框卡槽（12）内；

Step4：固定，调节所述制动螺母（7），使千斤顶（5）接触试验岩石块上表面，再由制动螺母固定，启动千斤顶（5），使竖向传感器（15）压力值达到一定值；

Step5：开启电磁动力装置（9），打开变频交流电源（21），使得电磁铁（19）和磁铁（20）产生磁力，对试验岩石块施加水平剪切力和卸力，模拟岩爆过程中岩爆对岩石的影响；

Step6：剪断，试验岩石块在高频交替荷载下，被剪断；

Step7：停机，关闭变频交流电源（21），使电磁动力装置停止工作；

Step8：记录，记录应变片和水平传感器的数据；

Step9：计算，由应变片所得的剪应变，通过切变模量计算剪应力，即：τ=G×γ；

其中τ为剪应力，G为切变模量，对于特定的岩石为特定的已知值，γ为剪应变；

Step10：绘图，绘制出剪应力与法向应力的关系曲线，从而可以得到岩体在特定破坏面上的抗剪强度参数，即内摩擦角和粘聚力。

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