CN109085071A - 岩石旋转剪切试验机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及室内岩石力学试验装置，更具体涉及可实现剪切面旋转和主应力方向变化的岩石旋转剪切试验机，属于岩土工程技术领域。该试验机由支撑柱、反力板、连接板、方槽底座、第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶、旋转剪切盒组成，本发明的岩石旋转剪切试验机解决了岩石室内试验应力路径单一的难题，通过上杠杆和下杠杆扭转，带动上内盒和下内盒旋转，并操作三个千斤顶对试样施加压力，完成试样在外荷载作用下剪切面连续旋转，模拟应力主轴旋转和主应力大小变化，岩石旋转剪切试验机操作简单，易于普及，加载系统功能丰富，可普遍用于岩石复杂应力路径的室内试验。

Description

岩石旋转剪切试验机
技术领域
本发明涉及室内岩石力学试验装置，更具体涉及可实现剪切面旋转和主应力方向变化的岩石旋转剪切试验机，属于岩土工程技术领域。
背景技术
煤炭采深逐渐增加，水利水电隧洞埋深增大，在此条件下，高地压、岩爆、突涌水、软岩大变形等灾害风险增大。上述工程灾害发生的最根本的科学问题在于围岩应力状态的改变。通常，岩石应力状态的变化可以用应力路径表示，即应力大小和方向变化。在主应力空间中，应力路径表现为主应力大小变化和主应力旋转。但是，现有的岩石力学试验仪器的功能集中于实现主应力大小的变化，如：岩石单轴试验机、常规三轴试验机、真三轴试验机、压剪仪、拉剪仪等，而实现主应力旋转的岩石力学试验仪器罕见报道。
已有数值研究结果表明，主应力旋转会影响岩石裂隙的产生和扩展方向。岩石裂隙面的演化，类似于岩石剪切试验中剪切面的破裂过程。但是，传统的岩石剪切试验的剪切方向固定，试验中岩石沿固定的剪切面发生剪切破坏。在剪切面角度变化方面，变角度剪切方面的研究不多，而且剪切面角度变化过程中试验外荷载必须卸除，无法进行在加荷条件下剪切面的连续旋转研究。
值得注意的是，岩石空心圆柱扭剪仪的成功研制，标志着第一台可以实现岩石主应力方向变化的试验仪器诞生。岩石空心圆柱扭剪仪中的试样承受四个外荷载，通过控制外荷载的不同组合可以描述代表性单元体的应力状态改变，因此，岩石空心圆柱扭剪仪对应力路径的模拟具有先天性优势。但是，岩石空心圆柱扭剪仪属于非常规试验仪器，普及起来较为困难，设备较为高端，制造复杂，试验操作精细，试验操作人员需经特殊培训才能掌握。
因此，目前揭示主应力方向变化诱导剪切面旋转破坏机理的岩石力学试验仪器种类有限，亟需研发一种易于普及的、可以实现剪切面旋转和主应力方向变化的岩石力学试验仪器，为解决岩石力学中复杂应力路径下的岩石渐进破坏的理论和工程问题奠定试验基础。
发明内容
本发明的目的是在于提供易于普及的、加载系统功能丰富、可以实现剪切面旋转和主应力方向变化的岩石旋转剪切试验机。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
该试验机由支撑柱、反力板、连接板、方槽底座、第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶、旋转剪切盒组成，支撑柱呈圆柱状，表面有螺纹，反力板呈长方体状，四个边角处开有圆柱形通孔，支撑柱穿过反力板的通孔，通过位于反力板上、下方的第一螺母将反力板固定于支撑柱的上部，连接板呈长方体状，四个边角处开有圆柱形通孔，中部开有通孔，支撑柱穿过连接板边角处的通孔，通过位于连接板上、下方的第二螺母将连接板固定于支撑柱的中部，方槽底座呈方槽状，四个边角处开有圆柱形通孔，中部位置开有长方形通孔，支撑柱穿过方槽底座边角处的通孔，通过位于方槽底座的底板上、下方的第三螺母将方槽底座固定于支撑柱的下部，移动轮固定连接在方槽底座下方的四个边角位置，第一千斤顶固定于反力板的中心下部，第一千斤顶的下方连接第一连接杆，第一连接杆的下方连接第一压头，竖直基座的一侧固定在方槽底座的左侧内壁，竖直基座的另一侧连接第二连接杆的一端，第二连接杆的另一端连接承压板，第二千斤顶的一端固定于方槽底座的右侧内壁，第二千斤顶的另一端连接第三连接杆的一端，第三连接杆的另一端连接第二压头，第三千斤顶位于第二连接杆和第三连接杆连线的正交方向，第三千斤顶固定于方槽底座的前侧内壁，方槽底座的后侧内壁连接反力装置，垫块放置于方槽底座的底板中心上方，辊子滑板放置于垫块上，旋转剪切盒由上外盒、上内盒、下外盒、下内盒、上齿轮盘、下齿轮盘、上杠杆、下杠杆、上角度背板、下角度背板构成，下外盒呈长方拱形状，下外盒放置于辊子滑板上，下外盒的中心上部开有半圆形通槽，下内盒呈空心半圆柱状，下内盒放置于下外盒的通槽上，试样呈圆柱形，试样放置于下内盒上，上内盒呈空心半圆柱状，上内盒放置于试样上，上外盒呈长方拱形状，上外盒的中心下部开有半圆形通槽，上内盒放置于上外盒的通槽下方，下齿轮盘连接于下外盒上，下齿轮盘和下杠杆的一端通过下齿轮销钉连接，下角度背板呈半圆板状，下角度背板固定于下外盒上，下角度背板沿半圆弧方向上均匀开有销钉孔，下杠杆的另一端开有销钉孔，下定角度销钉穿过下角度背板的销钉孔和下杠杆另一端的销钉孔，上齿轮盘连接于上外盒上，上齿轮盘和上杠杆的一端通过上齿轮销钉连接，上角度背板呈半圆板状，上角度背板固定于上外盒上，上角度背板沿半圆弧方向上均匀开有销钉孔，上杠杆的另一端开有销钉孔，上定角度销钉穿过上角度背板的销钉孔和上杠杆另一端的销钉孔，第一传力杆和第二传力杆呈“L”形，第一传力杆固定于上外盒右侧的底部，第二传力杆固定于下外盒左侧的上部。
所述的试样的中心位于第一千斤顶、第一连接杆、第二连接杆、第二千斤顶、第三连接杆、第三千斤顶的中心线上，第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶的中心线两两正交。
所述的试样与上内盒、下内盒的接触面进行减摩处理，上内盒和上外盒、下内盒和下外盒的接触面分别进行减摩处理。
所述的上内盒和下内盒伸出试样的一端开有轮齿，并与上齿轮盘和下齿轮盘的轮齿分别啮合。
由于采用了以上技术方案，该岩石旋转剪切试验机有以下优点：
1在试验荷载施加时，传统的剪切试验机难以完成剪切破裂面的旋转；该岩石旋转试验机在剪切过程中可以控制上杠杆和下杠杆转动，分别对上齿轮盘和下齿轮盘施加扭矩，带动上内盒和下内盒转动，试样的剪切滑动自由度方向改变，即试样的破裂面发生旋转。
2垂直于试样端面方向，第三千斤顶对试样施加压力，可完成在不同预设压力条件下岩石的剪切破坏，常规的剪切试验机不具有垂直于试样端面的荷载加载功能。
3旋转剪切盒的第一传力杆和第二传力杆呈“L”形，对旋转剪切盒施加的水平方向的力通过试样的中心，不会对试样产生附加的扭矩。
4上角度背板可用按试验要求开有不同角度间隔的销钉孔，一方面，可以精准定位试样的旋转角度，另一方面，通过上定角度销钉和下定角度销钉，在试样剪切路径下限制试样旋转的自由度，实现定角度剪切。
5通过岩石力学理论，可以通过试样剪切破坏方向分析得到试样的主应力方向，所以该岩石旋转剪切试验机在外荷载下连续旋转剪切，可完成应力主轴旋转和主应力大小变化的应力路径，这是常规试验机不具备的特点。
6试验机的外框架具有三个正交方向的加载功能，所以通过将旋转剪切盒变换为不同的加载模具，该岩石旋转剪切试验机可以实现三向加载、双向加载、单轴加载、双轴劈裂、巴西劈裂等功能，所以该试验机具有多功能性的特点。
7试验机的所有构件均为外置构件，不同于传统的三轴围压室，试验过程可观察试样破坏程度，试验易于操作，设备便于普及。
本发明的岩石旋转剪切试验机解决了岩石室内试验应力路径单一的难题，通过上杠杆和下杠杆扭转，带动上内盒和下内盒旋转，并操作三个千斤顶对试样施加压力，完成试样在外荷载作用下剪切面连续旋转，模拟应力主轴旋转和主应力大小变化，岩石旋转剪切试验机操作简单，易于普及，加载系统功能丰富，可普遍用于岩石复杂应力路径的室内试验。
附图说明
图1为本发明的岩石旋转剪切试验机的结构示意图；
图2为本发明的旋转剪切盒的结构示意图；
图3为本发明的旋转剪切盒的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明，见附图。
岩石旋转剪切试验机，该试验机由支撑柱1、反力板2、连接板7、方槽底座9、第一千斤顶4、第二千斤顶19、第三千斤顶15、旋转剪切盒组成。
支撑柱1呈圆柱状，表面有螺纹，反力板2呈长方体状，四个边角处开有圆柱形通孔，支撑柱1穿过反力板2的通孔，通过位于反力板2上、下方的第一螺母3将反力板2固定于支撑柱1的上部。连接板7呈长方体状，四个边角处开有圆柱形通孔，中部开有通孔，中部的通孔用于给设备的加载分配空间。支撑柱1 穿过连接板7边角处的通孔，通过位于连接板7上、下方的第二螺母8将连接板 7固定于支撑柱1的中部。方槽底座9呈方槽状，四个边角处开有圆柱形通孔，中部位置开有长方形通孔，中部的长方形通孔用于给下角度背板37分配空间。支撑柱1穿过方槽底座9边角处的通孔，通过位于方槽底座9的底板上、下方的第三螺母12将方槽底座9固定于支撑柱1的下部。移动轮14固定连接在方槽底座9下方的四个边角位置。
第一千斤顶4固定于反力板2的中心下部，第一千斤顶4的下方连接第一连接杆5，第一连接杆5的下方连接第一压头6。竖直基座13的一侧固定在方槽底座9的左侧内壁，竖直基座13的另一侧连接第二连接杆10的一端，第二连接杆 10的另一端连接承压板11。第二千斤顶19的一端固定于方槽底座9的右侧内壁，第二千斤顶19的另一端连接第三连接杆18的一端，第三连接杆18的另一端连接第二压头17。第三千斤顶15位于第二连接杆10和第三连接杆18连线的正交方向，第三千斤顶15固定于方槽底座9的前侧内壁，方槽底座9的后侧内壁连接反力装置。垫块20放置于方槽底座9的底板中心上方，辊子滑板16放置于垫块20上。
旋转剪切盒由上外盒24、上内盒27、下外盒34、下内盒31、上齿轮盘26、下齿轮盘32、上杠杆23、下杠杆35、上角度背板22、下角度背板37构成。下外盒34呈长方拱形状，下外盒34放置于辊子滑板16上，下外盒34的中心上部开有半圆形通槽，下内盒31呈空心半圆柱状，下内盒31放置于下外盒34的通槽上，试样30呈圆柱形，试样30放置于下内盒31上。试样30的中心位于第一千斤顶4、第一连接杆5、第二连接杆10、第二千斤顶19、第三连接杆18、第三千斤顶15的中心线上，第一千斤顶4、第二千斤顶19、第三千斤顶15的中心线两两正交，为了确保试验荷载通过试样30的中心，避免产生附加的弯矩。上内盒27呈空心半圆柱状，上内盒27放置于试样30上，上外盒24呈长方拱形状，上外盒24的中心下部开有半圆形通槽，上内盒27放置于上外盒24的通槽下方。试样30与上内盒27、下内盒31的接触面进行减摩处理，上内盒27和上外盒24、下内盒31和下外盒34的接触面分别进行减摩处理，上内盒27和下内盒31可做成滑动轴承，表面涂抹黄油用于降低摩擦阻力。下齿轮盘32连接于下外盒34 上，下齿轮盘32和下杠杆35的一端通过下齿轮销钉33连接。下角度背板37 呈半圆板状，下角度背板37固定于下外盒34上，下角度背板37沿半圆弧方向上均匀开有销钉孔，下杠杆35的另一端开有销钉孔，下定角度销钉36穿过下角度背板37的销钉孔和下杠杆35另一端的销钉孔，为了避免定向剪切试验时剪切面角度改变。上齿轮盘26连接于上外盒24上，上齿轮盘26和上杠杆23的一端通过上齿轮销钉25连接。上角度背板22呈半圆板状，上角度背板22固定于上外盒24上，上角度背板22沿半圆弧方向上均匀开有销钉孔，上杠杆23的另一端开有销钉孔，上定角度销钉21穿过上角度背板22的销钉孔和上杠杆23另一端的销钉孔，为了避免定向剪切试验时剪切面角度改变。上内盒27和下内盒31 伸出试样30的一端开有轮齿，并与上齿轮盘26和下齿轮盘32的轮齿分别啮合，用于通过上杠杆23和下杠杆35的扭转带动上内盒27和下内盒31的旋转。第一传力杆28和第二传力杆29呈“L”形，第一传力杆28固定于上外盒24右侧的底部，第二传力杆29固定于下外盒34左侧的上部，用于水平方向试验荷载通过试样30的中心。
本发明的工作原理为：
(1)垫块20放置于方槽底座9的底板中心上方，辊子滑板16放置于垫块 20上，下外盒34放置于辊子滑板16上，下内盒31放置于下外盒34的通槽上，下内盒31和下外盒34之间放置树脂基材料或涂抹黄油。
(2)制备圆柱形的试样30，试样30放置于下内盒31上，试样30与下内盒31之间放置树脂基材料或涂抹黄油，上内盒27放置于试样30上，试样30 与上内盒27之间放置树脂基材料或涂抹黄油，上外盒24放置于上内盒27上，上内盒27和上外盒24之间放置树脂基材料或涂抹黄油。
(3)保持上杠杆23和下杠杆35处于平行方向，可使上杠杆23指向左方，下杠杆35指向右方，通过上齿轮销钉25连接上杠杆23、上齿轮盘26和上外盒 24，通过下齿轮销钉33连接下杠杆35、下齿轮盘32和下外盒34。
(4)安装上定角度销钉21和下定角度销钉36，第一千斤顶4、第二千斤顶 19、第三千斤顶15分别施加压力至设定值。
(5)保持第一千斤顶4、第二千斤顶19、第三千斤顶15的压力值，卸除上定角度销钉21和下定角度销钉36，同时顺时针旋转上杠杆23和下杠杆35至设定角度，安装上定角度销钉21和下定角度销钉36，改变第一千斤顶4、第二千斤顶19、第三千斤顶15压力至设定值。
(6)重复步骤(4)和(5)，至试样30按设定应力路径发生破坏，卸除第一千斤顶4、第二千斤顶19、第三千斤顶15的压力值，依次卸除上定角度销钉 21、上杠杆23、下定角度销钉36、下杠杆35、上外盒24、上内盒27，取出试样30。

Claims (4)

1.岩石旋转剪切试验机，其特征在于：该试验机由支撑柱(1)、反力板(2)、连接板(7)、方槽底座(9)、第一千斤顶(4)、第二千斤顶(19)、第三千斤顶(15)、旋转剪切盒组成，支撑柱(1)呈圆柱状，表面有螺纹，反力板(2)呈长方体状，四个边角处开有圆柱形通孔，支撑柱(1)穿过反力板(2)的通孔，通过位于反力板(2)上、下方的第一螺母(3)将反力板(2)固定于支撑柱(1)的上部，连接板(7)呈长方体状，四个边角处开有圆柱形通孔，中部开有通孔，支撑柱(1)穿过连接板(7)边角处的通孔，通过位于连接板(7)上、下方的第二螺母(8)将连接板(7)固定于支撑柱(1)的中部，方槽底座(9)呈方槽状，四个边角处开有圆柱形通孔，中部位置开有长方形通孔，支撑柱(1)穿过方槽底座(9)边角处的通孔，通过位于方槽底座(9)的底板上、下方的第三螺母(12)将方槽底座(9)固定于支撑柱(1)的下部，移动轮(14)固定连接在方槽底座(9)下方的四个边角位置，第一千斤顶(4)固定于反力板(2)的中心下部，第一千斤顶(4)的下方连接第一连接杆(5)，第一连接杆(5)的下方连接第一压头(6)，竖直基座(13)的一侧固定在方槽底座(9)的左侧内壁，竖直基座(13)的另一侧连接第二连接杆(10)的一端，第二连接杆(10)的另一端连接承压板(11)，第二千斤顶(19)的一端固定于方槽底座(9)的右侧内壁，第二千斤顶(19)的另一端连接第三连接杆(18)的一端，第三连接杆(18)的另一端连接第二压头(17)，第三千斤顶(15)位于第二连接杆(10)和第三连接杆(18)连线的正交方向，第三千斤顶(15)固定于方槽底座(9)的前侧内壁，方槽底座(9)的后侧内壁连接反力装置，垫块(20)放置于方槽底座(9)的底板中心上方，辊子滑板(16)放置于垫块(20)上，旋转剪切盒由上外盒(24)、上内盒(27)、下外盒(34)、下内盒(31)、上齿轮盘(26)、下齿轮盘(32)、上杠杆(23)、下杠杆(35)、上角度背板(22)、下角度背板(37)构成，下外盒(34)呈长方拱形状，下外盒(34)放置于辊子滑板(16)上，下外盒(34)的中心上部开有半圆形通槽，下内盒(31)呈空心半圆柱状，下内盒(31)放置于下外盒(34)的通槽上，试样(30)呈圆柱形，试样(30)放置于下内盒(31)上，上内盒(27)呈空心半圆柱状，上内盒(27)放置于试样(30)上，上外盒(24)呈长方拱形状，上外盒(24)的中心下部开有半圆形通槽，上内盒(27)放置于上外盒(24)的通槽下方，下齿轮盘(32)连接于下外盒(34)上，下齿轮盘(32)和下杠杆(35)的一端通过下齿轮销钉(33)连接，下角度背板(37)呈半圆板状，下角度背板(37)固定于下外盒(34)上，下角度背板(37)沿半圆弧方向上均匀开有销钉孔，下杠杆(35)的另一端开有销钉孔，下定角度销钉(36)穿过下角度背板(37)的销钉孔和下杠杆(35)另一端的销钉孔，上齿轮盘(26)连接于上外盒(24)上，上齿轮盘(26)和上杠杆(23)的一端通过上齿轮销钉(25)连接，上角度背板(22)呈半圆板状，上角度背板(22)固定于上外盒(24)上，上角度背板(22)沿半圆弧方向上均匀开有销钉孔，上杠杆(23)的另一端开有销钉孔，上定角度销钉(21)穿过上角度背板(22)的销钉孔和上杠杆(23)另一端的销钉孔，第一传力杆(28)和第二传力杆(29)呈“L”形，第一传力杆(28)固定于上外盒(24)右侧的底部，第二传力杆(29)固定于下外盒(34)左侧的上部。
2.根据权利要求1所述的岩石旋转剪切试验机，其特征在于：所述的试样(30)的中心位于第一千斤顶(4)、第一连接杆(5)、第二连接杆(10)、第二千斤顶(19)、第三连接杆(18)、第三千斤顶(15)的中心线上，第一千斤顶(4)、第二千斤顶(19)、第三千斤顶(15)的中心线两两正交。
3.根据权利要求1所述的岩石旋转剪切试验机，其特征在于：所述的试样(30)与上内盒(27)、下内盒(31)的接触面进行减摩处理，上内盒(27)和上外盒(24)、下内盒(31)和下外盒(34)的接触面分别进行减摩处理。
4.根据权利要求1所述的岩石旋转剪切试验机，其特征在于：所述的上内盒(27)和下内盒(31)伸出试样(30)的一端开有轮齿，并与上齿轮盘(26)和下齿轮盘(32)的轮齿分别啮合。
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