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Abstract

本发明提供了一种岩石压剪试验装置及试验方法，涉及岩石力学技术领域，该装置包括上盒体、下盒体、连杆、曲柄、轴承、曲轴和十字卡环阶梯轮，上盒体与下盒体的两侧通过连杆相连，连杆的下端与曲柄通过销钉连接，曲柄与曲轴相连，曲轴固定在基座上方的轴承上，曲轴的两端设置有十字卡环阶梯轮。利用该装置进行试验时，将岩石试件放入下盒体后盖上上盒体，连杆固定上盒体和下盒体固定岩石试件，控制液压机缓慢增加液压油施加剪切力，测得岩石试件的受力并保存试验数据，缓慢施加剪力直至岩石试件断裂，然后更换岩石试件重复试验。该试验装置及方法解决了剪切试验角度调节不方便，以及装置重心易偏离的技术问题，另外还具有操作方便等优点。

Description

一种岩石压剪试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是一种岩石压剪用试验装置，以及利用该装置进行岩石压剪试验的方法。
背景技术
常用的测定岩石抗剪断强度室内试验的方法有:直剪试验、变角剪切试验以及三轴压缩试验。变角剪切试验是其中一种压剪试验，该方法步骤简便，另外还具有设备简单、操作便捷、费用低等优点。变角剪切试验利用压力试验机施加垂直荷载，通过特制的夹具使岩块试样沿一个剪切面剪断，改变剪切面的倾斜角度可以获得一系列岩块剪切破坏时的正应力和剪应力组合，通过绘制两种应力之间的关系曲线(即强度包络线)，可以求得岩石的内摩擦角和内聚力等力学参数。
现有的试验设备包括变角板楔形剪切仪，此类剪切仪通过更换不同角度的垫板来调节角度，存在角度不能连续调节、装置整体性差的缺点。还有角模压剪试验装置，这种装置角度的调节是通过更换不同角度的楔形板来实现的，也存在不能连续调节角度、装置整体性差的缺点，同时会引起试样和夹具的中心随角度的改变而改变，致使装置重心偏离中心线，容易造成装置倾倒。还有一种变角板夹具，初步解决了角度不能连续调节和重心偏离的问题，但是存在如何使得变角板在实验过程中保持相应角度不变、增加夹具稳定性的主要问题。另外还有一种通过改变半圆弧的不同组合来改变剪切角度的变角剪切仪，虽然经过验证取得了好的试验效果，但是存在着仪器关键部位容易磨损的缺点，会导致装置使用寿命的缩短。因此为解决现有的试验设备存在的剪切试验角度调节不方便，装置重心易偏离不稳定的技术问题需要对现有的试验设备做进一步的改进。
发明内容
为解决现有的试验设备存在的剪切试验角度调节不方便，装置重心易偏离不稳定的技术问题，本发明提供了一种岩石压剪试验装置及试验方法，具体技术方案如下。
一种岩石压剪试验装置，设置有液压机和基座，还包括上盒体、下盒体、连杆、曲柄、轴承、曲轴和十字卡环阶梯轮，所述上盒体与下盒体的两侧通过连杆相连，所述连杆的下端与曲柄通过销钉连接，所述曲柄与曲轴相连，所述曲轴固定在基座上方的轴承上，曲轴的两端设置有十字卡环阶梯轮，液压机通过传动杆和十字卡环阶梯轮相连。
优选的是，十字卡环阶梯轮的外侧设置有多个尖角，内圈上设置有多个卡槽，所述传动杆和外侧的尖角相连，卡槽和曲轴的两端相互配合。
优选的是，连杆沿基座的中轴线对称布置，曲轴和连杆带动上盒体和下盒体运动，基座上设置有两处凸起，轴承设置在凸起处与曲轴连接。
优选的是，下盒体和曲轴之间还设置垫片，增加垫片调整下盒体的角度，或者更换连杆调整下盒体的角度。
优选的是，上盒体和下盒体之间设置有矩形槽，矩形槽内设置有应力传感器；下盒体的下表面设置有柱状凸起，下盒体上的凸起与基座上的凹槽相互配合。
一种岩石压剪试验方法，利用上述的一种岩石压剪试验装置进行试验，步骤包括：
A.将基座调平，调整下盒体的角度，将待测岩石试件放至矩形槽内，安放上盒体；
B.安装连杆，通过液压机、传动杆和十字卡环阶梯轮施加预紧力，将待测岩石试件固定；
C.缓慢施加剪切力，使待测岩石试件受到上盒体施加的剪切力，传感器记录待测岩石试件的受力；
D.继续缓慢加载至待测岩石试件断裂；
E.变化下盒体的角度，重复步骤A至步骤D，完成试验。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明提供了一种岩石压剪试验装置，通过对上盒体和下盒体的结构进行设计，克服了角度不能连续调节的问题。另外可以通过更换不同长度的连杆或增加垫片的方式调整试验角度，并且可以实现一定角度范围内的连续调节，调节简单方便。
(2)由于装置整体设置在基座上，整个装置具有相对较大的接触地面的面积，且将装置主体部分与基座固定连接，装置重心在下半部分，增大了稳定性，从而能够克服了重心易偏离的问题。
(3)装置通过液压机提供动力，依靠传动杆传动，将直线运动转化为转动，从而能够对待测岩石试件缓慢、稳定、持续施加应力；试验过程中，通过设置不同的试验角度，缓慢施加剪切力，最终可以得到岩石试件的强度包络线。
附图说明
图1是岩石压剪试验装置结构示意图；
图2是岩石压剪试验装置主视图；
图3是岩石压剪试验装置侧视图；
图4是岩石压剪试验装置俯视图；
图5是十字卡环阶梯轮的主视图(A)和侧视图(B)；
图6是曲轴的主视图；
图中：1-基座；2-上盒体；3-下盒体；4-连杆；5-曲柄；6-轴承；7-曲轴；8-十字卡环阶梯轮。
具体实施方式
结合图1至图6所示，本发明提供的一种岩石压剪试验装置及试验方法的具体实施方式如下。
一种岩石压剪试验装置，设置有液压机和基座1，还包括上盒体2、下盒体3、连杆4、曲柄5、轴承6、曲轴7和十字卡环阶梯轮8。上盒体2和下盒体3相互配合，中部留设有岩石试件放置槽，通过连杆4将上盒体和下盒体固定，轴承6固定曲轴7，曲轴7在端部十字卡环阶梯轮8的带动下转动，从而带动连杆4运动，连杆4上端拉动下盒体3与上盒体2发生错动，从而实现剪切加压。由于装置整体设置在基座上，整个装置具有相对较大的接触地面的面积，且将装置主体部分与基座固定连接，装置重心在下半部分，增大了稳定性，从而能够克服了重心易偏离的问题。
上盒体2与下盒体3的两侧通过连杆相连，连杆4的下端与曲柄通过销钉连接，从而方便拆装更换连杆4。曲柄5与曲轴7相连，曲轴7固定在基座上方的轴承6上，曲轴7的两端设置有十字卡环阶梯轮8，液压机通过传动杆和十字卡环阶梯轮8相连，通过尖角处的连接将直线运动转化为转动。上盒体2和下盒体3相对布置两侧对称布置，一侧接触另一侧开口，中部的矩形槽倾斜布置，两侧设置有外边，外侧边缘设置有连杆孔。
十字卡环阶梯轮8的外侧设置有多个尖角，内圈上设置有多个卡槽，可以设置4个卡槽呈十字布置，传动杆和外侧的尖角相连，卡槽和曲轴的两端相互配合，通过十字卡环阶梯轮8的设置，可以将液压机的直线运动，精确缓慢的转化为十字卡环阶梯轮8转动，十字卡环阶梯轮8直接带动曲轴7转动。
连杆4沿基座1的中轴线对称布置，从而保证装置的重心稳定，曲轴7和连杆带动上盒体2和下盒体3运动，从而可以施加剪切力。基座1上设置有两处凸起，轴承6设置在凸起处与曲轴7连接。另外，在下盒体3的下表面设置有柱状凸起，下盒体3上的凸起与基座上的凹槽相互配合，从而可以紧密的连接固定下盒体3，保证在特定角度下试验的准确性。
下盒体3和曲轴7之间还设置垫片，增加垫片调整下盒体的角度，通过增加垫片的数量可以缓慢的调整下盒体3的转动角度，从而实现不同角度的变换。另外还可以通过更换连杆4调整下盒体的角度。通过对上盒体2和下盒体3的结构进行设计，克服了角度不能连续调节的问题。另外可以通过更换不同长度的连杆4或增加垫片的方式调整试验角度，并且可以实现一定角度范围内的连续调节，调节简单方便。上盒体2和下盒体3之间设置有矩形槽，矩形槽内部设置有应力传感器，应力传感器能够监测并记录试验过程中施加的剪切力。
一种岩石压剪试验方法，利用上述的一种岩石压剪试验装置进行试验，步骤包括：
A.将基座调平，调整下盒体的角度，将待测岩石试件放至矩形槽内，安放上盒体；
B.安装连杆，通过液压机、传动杆和十字卡环阶梯轮施加预紧力，将待测岩石试件固定；
C.缓慢施加剪切力，使待测岩石试件受到上盒体施加的剪切力，传感器记录待测岩石试件的受力；
D.当施加到理论值的极限值附近时，继续缓慢加载至待测岩石试件断裂；
E.变化下盒体的角度，重复步骤A至步骤D，完成试验。通过试验开始前更换连杆或增加垫片进而改变上下盒体的角度，并在一定角度范围内进行多组试验。
试验过程中，通过设置不同的试验角度，缓慢施加剪切力，最终可以得到岩石试件的强度包络线。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种岩石压剪试验装置，设置有液压机和基座，其特征在于，还包括上盒体、下盒体、连杆、曲柄、轴承、曲轴和十字卡环阶梯轮，所述上盒体与下盒体的两侧通过连杆相连，所述连杆的下端与曲柄通过销钉连接，所述曲柄与曲轴相连，所述曲轴固定在基座上方的轴承上，曲轴的两端设置有十字卡环阶梯轮，液压机通过传动杆和十字卡环阶梯轮相连；所述上盒体和下盒体相互配合，中部留设有矩形槽，通过连杆将上盒体和下盒体固定，轴承固定曲轴，曲轴在端部十字卡环阶梯轮的带动下转动，从而带动连杆运动，连杆上端拉动下盒体与上盒体发生错动，实现剪切加压；所述上盒体和下盒体相对布置且两侧对称布置，一侧接触另一侧开口，中部的矩形槽倾斜布置，两侧设置有外边，外侧边缘设置有连杆孔。
2.根据权利要求1所述的一种岩石压剪试验装置，其特征在于，所述十字卡环阶梯轮的外侧设置有多个尖角，内圈上设置有多个卡槽，所述传动杆和外侧的尖角相连，卡槽和曲轴的两端相互配合。
3.根据权利要求2所述的一种岩石压剪试验装置，其特征在于，所述连杆沿基座的中轴线对称布置，曲轴和连杆带动上盒体和下盒体运动，所述基座上设置有两处凸起，轴承设置在凸起处与曲轴连接。
4.根据权利要求2所述的一种岩石压剪试验装置，其特征在于，所述下盒体和曲轴之间还设置垫片，增加垫片调整下盒体的角度，或者更换连杆调整下盒体的角度。
5.根据权利要求2所述的一种岩石压剪试验装置，其特征在于，矩形槽内设置有应力传感器；所述下盒体的下表面设置有柱状凸起，下盒体上的凸起与基座上的凹槽相互配合。
6.一种岩石压剪试验方法，利用权利要求2至5任一项所述的一种岩石压剪试验装置进行试验，其特征在于，步骤包括：
A.将基座调平，调整下盒体的角度，将待测岩石试件放至矩形槽内，安放上盒体；
B.安装连杆，通过液压机、传动杆和十字卡环阶梯轮施加预紧力，将待测岩石试件固定；
C.缓慢施加剪切力，使待测岩石试件受到上盒体施加的剪切力，应力传感器记录待测岩石试件的受力；
D.继续缓慢加载至待测岩石试件断裂；
E.变化下盒体的角度，重复步骤A至步骤D，完成试验。
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