CN109374438A - 岩石剪切试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石力学测试设备领域，旨在解决现有技术无法获知剪切破坏过程中岩石内部的变形机制与结构演进的问题。为此，本发明提供了一种岩石剪切试验系统，该试验系统包括：加载装置，其包括加载舱，加载舱设置成能够向岩石试件施加剪切力；驱动装置，其与加载舱连接，用于驱动加载舱带动岩石试件旋转。本发明的岩石剪切试验系统，实现了岩石剪切试验机的功能的同时，还能借助无损CT扫描获知剪切破坏过程中岩石内部的变形机制与结构演进，动态观测岩石剪切破坏过程，为解决水利、土木等建设工程中的岩石工程问题提供参考依据。

Description

岩石剪切试验系统

技术领域

本发明涉及岩石力学测试设备领域，具体涉及一种岩石剪切试验系统。

背景技术

岩石力学的研究目的在于解决水利、土木等建设工程中的岩石工程问题。为了获得岩石在剪切破坏下的应力-应变数据，以及进一步地了解岩石的内部结构，一些学者开始借助工业CT(ComputedTomography，电子计算机断层扫描)技术对岩石进行研究。

现有技术中，探测岩石的内部结构需要将岩石置于CT系统中的转台上，通过高能射线扫描岩石，此种方法仅能获得完整的岩石试件的内部结构，若想了解剪切状态下的岩石结构，需要预先通过岩石剪切试验机进行压剪试验，获得断裂的岩石，然后将断裂的岩石按照原状态拼好后置于转台上进行断层扫描，而此种方法也仅能获得剪断后的岩石的内部结构，而法获知剪切破坏过程中岩石内部的变形机制与结构演进，并且这一检测的操作过程还繁琐复杂。

相应地，本领域需要一种新的岩石剪切试验系统来解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术无法获知剪切破坏过程中岩石内部的变形机制与结构演进的问题，本发明提供了一种岩石剪切试验系统，该岩石剪切试验系统包括：加载装置，其包括加载舱，所述加载舱设置成能够向岩石试件施加剪切力；驱动装置，其与所述加载舱连接，用于驱动所述加载舱带动所述岩石试件旋转。

在上述岩石剪切试验系统的优选技术方案中，所述加载舱具有试件容置腔，所述试件容置腔的围壁包括第一壁面和第二壁面，所述第一壁面和所述第二壁面彼此相对地错位设置，以便向所述岩石试件施加剪切力。

在上述岩石剪切试验系统的优选技术方案中，所述加载舱包括第一加载部件，所述第一加载部件安装到所述第一壁面上，所述第一加载部件能够抵接到所述岩石试件，并且借助能够和所述岩石试件抵接的所述第二壁面共同向所述岩石试件施加剪切力。

在上述岩石剪切试验系统的优选技术方案中，所述加载舱还包括第二加载部件，所述第二加载部件的施力方向与所述第一加载部件的施力方向彼此垂直。

在上述岩石剪切试验系统的优选技术方案中，所述加载舱还包括减摩构件，所述减摩构件设置在与所述第一壁面相邻并且垂直的第三壁面上，以便减小所述岩石试件与所述第三壁面之间的摩擦力。

在上述岩石剪切试验系统的优选技术方案中，所述加载装置还包括基座和轴承构件，所述轴承构件设置在所述加载舱与所述基座之间，以支撑所述加载舱。

在上述岩石剪切试验系统的优选技术方案中，所述加载装置还包括试件盒，所述试件盒包括对扣的第一盒体和第二盒体，所述岩石试件夹设在所述第一盒体和所述第二盒体之间。

在上述岩石剪切试验系统的优选技术方案中，其特征在于，所述驱动装置包括电机和连接构件，所述电机借助所述连接构件与所述加载舱连接，以驱动所述加载舱旋转。

在上述岩石剪切试验系统的优选技术方案中，所述连接构件上还连接有传感器，所述传感器用于检测所述岩石试件的转速和/或位置。

在上述岩石剪切试验系统的优选技术方案中，所述岩石剪切试验系统还包括送样装置，所述送样装置与所述加载舱的入口连接，用于向所述加载舱内输送所述岩石试件。

本发明的岩石剪切试验系统中，通过将加载装置设置成能够向岩石试件施加剪切力，实现了岩石剪切试验机的功能；通过将加载舱设置成可旋转的形式，将加载舱置于CT扫描系统后，可旋转的加载舱同时发挥了剪切试验机和转台的作用，实现了岩石剪切试验机的功能的同时，还能借助无损CT扫描获知剪切破坏过程中岩石内部的变形机制与结构演进，动态观测岩石剪切破坏过程，为解决水利、土木等建设工程中的岩石工程问题提供参考依据。

在本发明的优选技术方案中，通过将试件容置腔的围壁中的第一壁面和第二壁面彼此相对地错位设置，以使施加在岩石试件上的作用力为剪切力；此外，在向岩石试件施加剪切力的过程中，仅需要在其中一个壁面上设置加载部件，另一个壁面作为对岩石试件的支撑面存在，从而减少加载部件的配置数量，节约成本。

在本发明的优选技术方案中，通过在加载舱中设置第二加载部件，方便了岩石试件的放置，同时还能适应不同尺寸的岩石试件的试验。

在本发明的优选技术方案中，通过在第三壁面上设置减摩构件，能够将剪切过程中岩石试件与第三壁面之间的滑动摩擦变换为滚动摩擦，从而大幅降低岩石试件变形过程中受到的阻力，减小施加剪切力时所需的驱动力。

在本发明的优选技术方案中，通过在加载舱下方设置基座和圆弧形的轴承，既不会在CT检测过程中对高能射线形成阻挡，又能对加载舱形成有效支撑，从而降低驱动装置的支撑负荷，还能提高加载装置的稳定性。

在本发明的优选技术方案中，通过将试件放置在分体式的试件盒中，使得加载舱施加到岩石试件上的作用力更均匀，并且岩石试件在剪断后不会散落，同时还能保持岩石断面齐整，方便扫描后的结构重建和观测。

在本发明的优选技术方案中，电机借助盘状的连接构件与加载舱连接，并在连接构件上设置传感器，即实现了对加载舱的驱动，还能监控加载舱的旋转速度和旋转位置，从而获得岩石试件的旋转速度和位置，进一步通过控制器使加载舱高精度旋转，提高CT检测的准确度。

在本发明的优选技术方案中，通过配置送样装置，能提高剪切试验的自动化程度，减少人工操作的步骤，降低操作人员的劳动强度。

附图说明

下面参照附图来描述本发明的岩石剪切试验系统。附图中：

图1为本发明的岩石剪切试验系统的爆炸结构示意图；

图2为图1的装配结构示意图；

图3为本发明的岩石剪切试验系统中加载装置的结构示意图；

图4为图3中的加载舱的结构示意图；

图5为图4中去掉加载部件后的结构示意图；

图6为图5中去掉减摩构件后的结构示意图；

图7为图6的正视示意图；

图8为加载舱中减摩构件的结构示意图；

图9为本发明中的试件盒的结构示意图；

图10为本发明中的加载舱装入岩石试件后的结构示意图；

图11为本发明中的驱动装置的结构示意图；

图12为图11的爆炸示意图；

图13为图11中的轨道的结构示意图；

图14为本发明的岩石剪切试验系统中送样装置的结构示意图；

图15为图14中A处的局部放大示意图；

图16为本发明中岩石样品检测系统的工作示意图；

附图标记列表:

1、送样装置；10、支架；11、侧板；12、辊轮；13、托板；14、电机；15、皮带；2、岩石试件；3、加载装置；30、基座；31、轴承构件；32、加载舱；320、样品容置腔；321、第三壁面；322、第一壁面；323、第四壁面；324、第二壁面；325、定位孔；33、第一加载部件；34、第二加载部件；35、减摩构件；350、边框；351、圆柱滚子；36、试件盒；360、第一盒体；361、第二盒体；4、驱动装置；40、轨道；400、地板；401、滑轨；402、滑块；41、底座；410、电机安装位；42、连接构件；420、定位柱；421、电机安装轴；43、光栅传感器；44、电机；5、射线源；6、探测器。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1-图16，图1为本发明的岩石剪切试验系统的爆炸结构示意图；图2为图1的装配结构示意图；图3为本发明的岩石剪切试验系统中加载装置的结构示意图；图4为图3中的加载舱的结构示意图；图5为图4中去掉加载部件后的结构示意图；图6为图5中去掉减摩构件后的结构示意图；图7为图6的正视示意图；图8为加载舱中减摩构件的结构示意图；图9为本发明中的试件盒的结构示意图；图10为本发明中的加载舱装入岩石试件后的结构示意图；图11为本发明中的驱动装置的结构示意图；图12为图11的爆炸示意图；图13为图11中的轨道的结构示意图；图14为本发明的岩石剪切试验系统中送样装置的结构示意图；图15为图14中A处的局部放大示意图；图16为本发明中岩石样品检测系统的工作示意图。

参照图1和图2，本发明实施例提供的岩石剪切试验系统包括：

加载装置3。加载装置3用于给岩石试件2提供剪切力，使岩石试件2在静力状态下逐渐发生剪切形变，从而获得剪切过程中的应力-应变数据。

驱动装置4。其与加载装置3中的加载舱32连接，用于驱动加载舱32带动岩石试件2旋转。

具体地，参照图3和图4，加载装置3包括加载舱32、轴承构件31和基座30。轴承构件31设置在加载舱32与基座30之间，以支撑加载舱32。为了防止传统的圆形轴承遮挡CT射线，本实施例中的轴承构件31设置为圆弧形轴承，由圆弧形轴承中的圆柱形滚子直接支撑加载舱32的本体。加载舱32具有圆柱形外周面，安装过程中直接置于轴承构件31上，外周面与圆柱形滚子直接接触。基座30固定在地面上，基座30的上表面设置成圆弧形，以配合轴承构件31的安装。

以图3中的方位作为本实施例中方案描述的基准方位。

参照图4和图5，加载舱32设置成能够向岩石试件2施加剪切力。具体地，加载舱32具有试件容置腔320，试件容置腔320用于盛放岩石试件2。试件容置腔320分为上腔(未标示)和下腔(未标示)，剪切岩石试件2的过程中，剪断的岩石试件2的下半部分位于下腔中，并会在下腔中发生微位移，剪断的岩石试件2的上半部分留在上腔中，也可能会发生微位移。试件容置腔320的围壁包括第一壁面322和第二壁面324，本实施例中，第一壁面322为下腔的右侧面，第二壁面324为上腔的左侧面，第一壁面322和第二壁面324彼此相对地错位设置，以便向岩石试件2施加剪切力。此外，上腔的右侧面和下腔的左侧面设计成弧形面，方便人工操作拿放岩石试件2。

加载舱32中设置有第一加载部件33，用于给岩石试件2提供剪切力。参照图10，第一加载部件33安装到第一壁面322上(图10中的左侧)。本实施例中，第一加载部件33采用液压油缸，包括油缸本体、活塞和端盖(未图示)，第一壁面322上设置油缸安装位，油缸本体固定安装到油缸安装位上，活塞能够伸出油缸本体并抵接到岩石试件2的右侧面(图10中的左侧)。岩石试件2的左侧面(图10中的右侧)抵接到加载舱32的第二壁面324，在第一加载部件33抵接到岩石试件2上以后，借助第二壁面324对岩石试件2的支撑作用，共同向岩石试件2施加剪切力。

进一步地，本实施例中的加载舱32还可以设置第二加载部件34。参照图4，第二加载部件34也采用液压油缸，其施力方向与第一加载部件33的施力方向彼此垂直。第二加载部件34设置在试件容置腔320的上腔中，安装到试件容置腔320的第四壁面323上。第二加载部件34能对岩石试件2施加竖直方向的作用力，用于配合试件容置腔320的第四壁面323夹紧岩石试件2。

更进一步地，加载舱32中还设置有减摩构件35。参照图8，减摩构件35包括边框350、在边框350中均匀排布的圆柱滚子351。参照图5、图6和图8，第三壁面321与第一壁面322相邻并且垂直，第三壁面321下凹形成用于安装减摩构件35的安装位，减摩构件35设置在在安装位上，岩石试件2放置在减摩构件35上。剪切过程中，第一加载部件33向岩石试件2施加水平的剪切力后，岩石试件2的下半部分在剪切力作用下与上半部分逐渐断裂开来，发生微位移，在此过程中，由于设置了减摩构件35，使得岩石试件2与第三壁面321之间发生微位移的过程中，摩擦形式由滑动摩擦转变为滚动摩擦，减小了岩石试件2与第三壁面321之间的摩擦力，使得第一加载部件33仅需提供较小的加载力即可剪断岩石试件2。

又进一步地，为了使施加到岩石试件2上的作用力更均匀，并且岩石试件2在剪断后不会散落，加载装置3配置有试件盒36。参照图9，试件盒36包括对扣的第一盒体360和第二盒体361，试件盒36设置为正方体结构，岩石试件2夹设在第一盒体360和第二盒体361之间，也切制为正方体。参照图10，剪切过程中，岩石试件2在第一加载部件33和试件盒36的作用下，会从第一盒体360和第二盒体361的接缝处断裂，断裂后的岩石试件2分别保持在第一盒体360和第二盒体361中而不会散落。

参照图11-图13，本实施例中的驱动装置4包括电机44、连接构件42和底座41。电机44借助连接构件42与加载舱32连接，以驱动加载舱32旋转。具体地，参照图12，电机44采用空心轴式直驱电机，并通过紧固件固定连接到底座41的电机安装位410上。连接构件42设置成盘状结构，其一侧设置有多个定位柱420，另一侧设置有用于连接电机44的电机安装轴421，电机安装轴421的端部还设置有用于安装传感器的小轴，传感器采用圆形光栅传感器43，当然也可以采用其他类型的传感器，用于检测岩石试件2的转速和/或位置。传感器同时把速度信号反馈给电机44的控制器，电机44的控制器根据圆形光栅传感器43反馈的速度信号，调整加载舱32的转速，以使岩石试件2高精度旋转。连接构件42上的定位柱420与加载舱32背面设置的定位孔325配合，连接构件42连接到加载舱32上以后，电机44即可驱动加载舱32旋转，从而带动岩石试件2旋转。参照图13，底座41安装到轨道40上，轨道40包括滑轨401和滑块402，滑轨401固定到地板400上，滑块402与底座41固定连接，使得底座41可沿着滑轨401移动。

进一步地，本发明中的岩石剪切试验系统还包括送样装置1。参照图2、图14和图15，送样装置1与加载舱32的入口连接，用于向加载舱32内输送岩石试件2。参照图15，送样装置1包括起支撑作用的支架10，支架10上通过侧板11搭建出框架结构，在框架结构中设置辊轮12，每根辊轮12的同一端连接有皮带轮。支架10上还固定有托板13，托板13上固定安装有电机14，电机14的输出轴连接有皮带轮，通过皮带15将动力传递到辊轮12，进而能将岩石试件2输送到加载舱32内。

高能CT的穿透性强，是获得剪切试验过程中岩石内部的变形机制与结构演进的最有效手段。配置有前述岩石剪切试验系统的CT检测系统的工作过程参照图16：首先将岩石试件2放置在试件盒36中，并将试件盒36放置在送样装置1上，试件盒36通过送样装置1被输送至加载舱32内；启动第一加载部件33和第二加载部件34，向试件盒36施剪切力和加压力；与此同时，启动驱动装置4带动加载舱32高精度转动；CT检测系统中的高能射线源5发出高能射线，高能射线穿透岩石试件2后，被探测器6接收，探测器6将接收的光信号转换成电信号，计算机接收电信号后根据电信号重构出岩石试件2的内部结构，从而获得岩石内部的变形机制与结构演进。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩石剪切试验系统，其特征在于，所述岩石剪切试验系统包括：

加载装置，其包括加载舱，所述加载舱设置成能够向岩石试件施加剪切力；

驱动装置，其与所述加载舱连接，用于驱动所述加载舱带动所述岩石试件旋转。

2.根据权利要求1所述的岩石剪切试验系统，其特征在于，所述加载舱具有试件容置腔，所述试件容置腔的围壁包括第一壁面和第二壁面，所述第一壁面和所述第二壁面彼此相对地错位设置，以便向所述岩石试件施加剪切力。

3.根据权利要求2所述的岩石剪切试验系统，其特征在于，所述加载舱包括第一加载部件，所述第一加载部件安装到所述第一壁面上，所述第一加载部件能够抵接到所述岩石试件，并且借助能够和所述岩石试件抵接的所述第二壁面共同向所述岩石试件施加剪切力。

4.根据权利要求3所述的岩石剪切试验系统，其特征在于，所述加载舱还包括第二加载部件，所述第二加载部件的施力方向与所述第一加载部件的施力方向彼此垂直。

5.根据权利要求3所述的岩石剪切试验系统，其特征在于，所述加载舱还包括减摩构件，所述减摩构件设置在与所述第一壁面相邻并且垂直的第三壁面上，以便减小所述岩石试件与所述第三壁面之间的摩擦力。

6.根据权利要求1所述的岩石剪切试验系统，其特征在于，所述加载装置还包括基座和轴承构件，所述轴承构件设置在所述加载舱与所述基座之间，以支撑所述加载舱。

7.根据权利要求1所述的岩石剪切试验系统，其特征在于，所述加载装置还包括试件盒，所述试件盒包括对扣的第一盒体和第二盒体，所述岩石试件夹设在所述第一盒体和所述第二盒体之间。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的岩石剪切试验系统，其特征在于，所述驱动装置包括电机和连接构件，所述电机借助所述连接构件与所述加载舱连接，以驱动所述加载舱旋转。

9.根据权利要求8所述的岩石剪切试验系统，其特征在于，所述连接构件上还连接有传感器，所述传感器用于检测所述岩石试件的转速和/或位置。

10.根据权利要求9所述的岩石剪切试验系统，其特征在于，所述岩石剪切试验系统还包括送样装置，所述送样装置与所述加载舱的入口连接，用于向所述加载舱内输送所述岩石试件。