CN110940577A - 一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪 - Google Patents

Abstract

本发明适用于岩体结构试验设备技术领域，提供了一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，包括反力框架、试件承载基座、竖向加载系统、水平加载系统和荷载数据采集系统，采用手动控制丝杆升降机和丝杆伸缩机方式对岩体结构面试件进行法向荷载以及剪切方向加载，可实现机械加载到设定荷载水平，加载到设定荷载值之后采用在加载轮轴上悬挂对应重量砝码的方式进行稳压，在流变过程中由于试件产生法向和剪切方向流变位移而造成施加在试件上的法向力和剪切力产生下降时，由于与施加荷载对应质量砝码的重力牵引使得加载轮轴自动加载，保证在剪切流变试验过程中作用在立方体试件上的法向荷载和剪切荷载维持长期稳定。

Description

一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪

技术领域

本发明属于岩体结构试验设备技术领域，尤其涉及一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪。

背景技术

天然状态下岩体由结构面和岩块组成。岩体结构面剪切流变性能指岩石在垂直于结构面的法向压力和沿结构面方向的剪切力作用下其沿结构面方向的应力-应变状态随时间缓慢发生变化的性能。岩体工程的破坏与失稳，在许多情况下并不是在施工扰动后立即发生的，而是岩体的应力与变形随时间不断调整的结果，这一调整过程通常需要很长一段时间，即岩体结构面剪切流变试验需要研究很长一段时间内岩体在沿结构面方向上的流变规律。通过研究岩体沿结构面的剪切流变性能，可以针对实际岩体工程如隧道工程、岩质边坡工程的长期稳定性问题作出分析判断。蠕变指岩石在恒温恒压作用下，变形随时间而增加的现象，是流变的一种表现形式，大多数流变力学试验都是采用保证施加荷载恒定，研究变形随时间变化规律的蠕变方式进行研究。20世纪五六十年代开始，陈宗基教授提出了岩体工程的流变力学问题，随后孙钧院士对岩体工程尤其是隧道工程中的岩体流变性质进行了广泛深入研究，使得岩体流变力学的研究和应用获得了广泛关注。

岩体结构面的剪切流变特性尤其是剪切蠕变特性对岩体工程结构长期稳定性具有十分重要的影响，现有试验机加载的持荷时间不能持续，不能满足流变试验长时间施加荷载的需要。现有试验机一般采用伺服控制，对试验过程中加载过程按照预定要求进行自动控制，以实现自动补偿实际作用在试件上的荷载与设定值之间的误差，这一点在常规岩石力学性质试验中具有十分方便的作用，但岩石相关流变力学试验具有试验周期长、荷载要求稳定精度高等特点，伺服控制试验机很难保证长时间内快速响应、自动补偿误差从而确保在蠕变试验过程中能够长期保持荷载恒定。现有试验机需要长期通电使用，试验中意外断电等情况会造成试验中断，对试验过程和结果造成很大影响。因此，现有采用伺服控制方式的岩体结构面剪切流变试验机在实际应用过程中具有一定的缺点，在电力供应及仪器自身长期运行能力等方面存在可能导致试验中断的风险。

发明内容

本发明提供一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，旨在解决现有技术中存在的问题。

本发明是这样实现的，一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，包括反力框架、试件承载基座、竖向加载系统、水平加载系统和荷载数据采集系统；

所述反力框架的中部具有一个试验仓，所述试件承载底座位于所述试验仓内且固定在所述试验仓的底壁上，所述竖向加载系统设置在所述试件承载基座的上方，所述水平加载系统设置在所述试件承载基座的一侧；

所述竖向加载系统包括第一加载轮轴、第一减速器、丝杆升降机和第一砝码，所述丝杆升降机为竖直设置，所述丝杆升降机和所述第一减速器均固定在所述试验仓的顶壁上，所述第一减速器的输入端固定连接所述第一加载轮轴的一端，所述丝杆升降机传动连接所述第一减速器，所述第一减速器用于向所述丝杆升降机提供动力，所述第一砝码通过钢绞线与所述第一加载轮轴连接，所述钢绞线缠绕方向与所述第一加载轮轴的加载方向一致，所述数据采集系统包括荷载传感器，所述荷载传感器设置有两个，所述丝杆升降机的输出端固定有一个所述荷载传感器；

所述水平加载系统包括第二加载轮轴、第二减速器、丝杆伸缩机和第二砝码，所述丝杆伸缩机为水平设置且所述丝杆伸缩机和所述第二减速器均固定在所述试验仓的一侧壁上，所述第二减速器传动连接所述丝杆伸缩机，所述第二减速器用于向所述丝杆伸缩机提供动力，所述第二减速器的输入端固定连接所述第二加载轮轴的一端，所述丝杆伸缩机的输出端固定有另一个所述荷载传感器，两个所述荷载传感器分别用于检测所述丝杆升降机和所述丝杆伸缩机的输出端的荷载值，所述第二砝码通过钢绞线与所述第二加载轮轴连接，所述钢绞线缠绕方向与所述第二加载轮轴的加载方向一致。

优选的，试件的下半部分置于所述试件承载基座内，所述试件的上表面设置有一个滑轨，所述滑轨的内转动连接有水平设置的多个滚轴，所述滚轴的下方设置有滑块。

优选的，所述数据采集系统还包括荷载显示器电连接所述荷载传感器，所述荷载显示器用于显示两个所述荷载传感器检测的荷载值。

优选的，所述第一加载轮轴上具有一个第一驱动轮，所述第一驱动轮的外沿上固定有一个第一把手，所述第一把手与所述第一驱动轮的旋转轴相平行。

优选的，所述第二加载轮轴上具有一个第二驱动轮，所述第二驱动轮的外沿上固定有一个第二把手，所述第二把手与所述第二驱动轮的旋转轴相平行。

优选的，所述反力框架的下端固定有多个支撑腿。

优选的，所述支撑腿上固定有支板，所述支板固定在所述支撑腿侧壁的下沿，所述支板为水平设置。

优选的，所述支板上固定有两个三角形结构的加强筋，所述加强筋的两侧边沿分别连接所述支板和所述支撑腿。

优选的，所述反力框架的顶壁上固定有L形结构的放置板，所述放置板的两端分别固定连接所述反力框架的顶壁和侧壁，所述荷载显示器设置在所述放置板上。

优选的，所述试件的上半部分安装有两个位移传感器，竖向和水平向各设置一个。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，采用手动控制丝杆升降机和丝杆伸缩机方式对岩体结构面试件进行法向荷载以及剪切方向加载，可实现机械加载到设定荷载水平；加载到设定荷载值之后采用在加载轮轴上悬挂对应重量砝码的方式进行稳压，可实现通过配重方式进行机械稳压的操作；在流变过程中由于试件产生法向和剪切方向流变位移而造成施加在试件上的法向力和剪切力产生下降时，由于与施加荷载对应质量砝码的重力牵引使得加载轮轴自动加载，能够及时对试件进行荷载补偿，保证在剪切流变试验过程中作用在立方体试件上的法向荷载和剪切荷载维持长期稳定。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的试件在试件承载基座内受力示意图。

图3为本发明的试件受压剪作用的示意图。

图中：1-反力框架、2-试件承载基座、3-竖向加载系统、31-第一加载轮轴、32-第一减速器、33-丝杆升降机、34-第一砝码、4-水平加载系统、41-第二加载轮轴、42-第二减速器、43-丝杆伸缩机、44-第二砝码、5-滑轮、6-滑轨、61-滚轴、62-滑块、7-试件、8-荷载传感器、9-荷载显示器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1和图3，本发明提供一种技术方案：一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，包括反力框架1、试件承载基座2、竖向加载系统3、水平加载系统4、荷载传感器8和荷载数据采集系统。

反力框架1的中部具有一个试验仓，试件承载底座2位于试验仓内且固定在试验仓的底壁上，竖向加载系统3设置在试件承载基座2的上方，水平加载系统4设置在试件承载基座2的一侧。试件承载基座2的上表面设置有一个滑轨6，滑轨6的内转动连接有水平设置的多个滚轴61，滚轴61的下方设置有滑块62，反力框架1的下端固定有多个支撑腿，支撑腿上固定有支板，支板固定在支撑腿侧壁的下沿，支板为水平设置，支板上固定有两个三角形结构的加强筋，加强筋的两侧边沿分别连接支板和支撑腿，支板和支撑腿向反力框架1提供稳定支撑，使得反力框架1使用更安全。

反力框架1和试件承载底座2在试验过程中提供加载所需要的反力并维持仪器稳定，并且反力框架1和试件承载底座2之间通过焊接固定，反力框架1整块钢板制成，材料刚度大，长期荷载作用下不易变形，试件承载基座2的作用是固定试件7并提供竖向压力以及水平向剪切力的反力。试件7所受荷载情况及承载基座2约束结构如图2所示，反力框架1为矩形框架，试验仓为矩形仓，试件承载底座2用于放置待试验的试件7，滑轨6设置在所述试件7上，滚轴61受到竖向荷载并传递给滑块62，滑块62与试件7之间为接触连接并且在法向力作用下可以随试件7产生的剪切位移而滑动。上部滑轨6设置位移锁定装置，锁定剪切位移最大为50mm。

竖向加载系统3包括第一加载轮轴31、第一减速器32、丝杆升降机33和第一砝码34，丝杆升降机33为竖直设置，丝杆升降机33和第一减速器32均固定在试验仓的顶壁上，第一减速器32的输入端固定连接第一加载轮轴31的一端，丝杆升降机33传动连接第一减速器32，第一减速器32用于向丝杆升降机33提供动力，第一砝码34通过钢绞线与第一加载轮轴31连接，钢绞线缠绕方向与第一加载轮轴31的加载方向一致，数据采集系统包括荷载传感器8和荷载显示器9，荷载传感器8设置有两个，丝杆升降机33的输出端固定有一个荷载传感器8，第一加载轮轴31上具有一个第一驱动轮，第一驱动轮的外沿上固定有一个第一把手，第一把手与第一驱动轮的旋转轴相平行。

水平加载系统4包括第二加载轮轴41、第二减速器42、丝杆伸缩机43和第二砝码44，丝杆伸缩机43为水平设置且丝杆伸缩机43和第二减速器42均固定在试验仓的一侧壁上，第二减速器42传动连接丝杆伸缩机43，第二减速器42用于向丝杆伸缩机43提供动力，第二减速器42的输入端固定连接第二加载轮轴41的一端，丝杆伸缩机43的输出端固定有另一个荷载传感器8，两个荷载传感器8分别用于检测丝杆升降机33和丝杆伸缩机43的输出端的荷载值，第二砝码44通过钢绞线与第二加载轮轴41连接，钢绞线缠绕方向与第二加载轮轴41的加载方向一致，第二加载轮轴41上具有一个第二驱动轮，第二驱动轮的外沿上固定有一个第二把手，第二把手与第二驱动轮的旋转轴相平行。

竖向最大施加荷载为300kN，水平最大施加荷载为500kN，采用手动加载方式控制蜗轮丝杆升降机33和涡轮丝杆伸缩机43运动从而对试件7进行加载控制，并在荷载施加之后采取在第一加载轮轴31悬挂与荷载对应质量第一砝码34的方式进行稳压和补压，由于第一减速器32和第二减速器42使系统可以保证手动输入较小的力即可传递输出很大的力，一定重量的第一砝码34和第二砝码44可以维持其自身重量300倍的荷载稳定，水平加载系统4中第二砝码44的悬挂位置需要通过设置在反力框架1的侧壁上沿的滑轮5进行调节。竖向加载系统3和水平加载系统4需要涂抹机油以降低摩擦力，进而保证有效的稳压补压操作。

数据采集系统包括荷载传感器8和荷载显示器9，荷载显示器9电连接荷载传感器8，荷载显示器9用于显示两个荷载传感器8检测的荷载值，反力框架1的顶壁上固定有L形结构的放置板，放置板的两端分别固定连接反力框架1的顶壁和侧壁，荷载显示器9设置在放置板上，试件7的上半部分安装有两个位移传感器，竖向和水平向各设置一个，此外试验过程中根据需要可外接位移数据采集系统。

本发明的一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪在使用时包括加载和稳压两部分：

(1)加载。采用单试件分级加压方式进行剪切蠕变试验过程中，采用手摇第一加载轮轴31方式控制蜗轮丝杆升降机33首先对试件7施加设计大小的法向荷载值，然后对岩体试件左上半部分施加水平向右的第一级剪切荷载并采用分别悬挂荷载对应重量的第一砝码34和第二砝码44的方式维持法向荷载和剪切荷载稳定，在此过程中测定试件法向变形量以及剪切变形量随时间的变化，直到试件剪切变形量随时间几乎不再发生变化时，维持法向荷载不变，施加下一级剪切荷载，随后采用同样方法保持荷载稳定，测定试件7的法向变形量及剪切变形量随时间的变化。如此重复，直到岩石产生加速蠕变。

(2)稳压。每级加载完成之后，需要对系统进行稳压操作。稳压的方式为在第一加载轮轴31和第二加载轮轴41上凹槽内按加载方向缠绕钢绞线并用与荷载水平相对于的砝码配重进行稳压操作。丝杆升降机33和丝杆伸缩机43带有的减速器使系统可以保证手动输入较小的力即可传递输出很大的力。根据内部蜗轮丝杆相互咬合来控制丝杆升降机33和丝杆伸缩机43的运动，稳压系统可将输入的砝码重量扩大300倍施加于试件7上。稳压时通过计算得到与荷载对应的砝码重量，将对应重量的第一砝码34和第二砝码44经由缠绕在轮轴上的钢绞线挂在轮轴上保持荷载稳定。

另外，本发明是在试件7产生剪切蠕变变形的的情况下，第一砝码34和第二砝码44仍可以持续稳定地提供给试件7所要求的荷载值。由于第一砝码34和第二砝码44的重力始终施加在丝杆升降机33或伸缩机丝杆43上，经由放大后施加在试件7上，当试件7受压剪作用随时间产生一定的剪切蠕变变形时，试件承压基座2与试件7之间的剪切力会有减小的趋势。此时普通蠕变仪会产生卸载现象，造成试验过程难以把握、试验结果不准确等情况。但本发明由于采用第一砝码34和第二砝码44进行重力稳压，并且机械稳压系统有固定数值的放大倍数，这使得系统的平衡依赖于施加的第一砝码34和第二砝码44的重力。当作用在试件7上的剪切力有减小的趋势的时候，会造成机械稳压系统不平衡，第一砝码34和第二砝码44会依靠重力通过缠绕在第一加载轮轴31和第二加载轮轴41上的钢绞线带动第一加载轮轴31和第二加载轮轴41沿加载方向转动，对系统进行加载，从而将力补到初始值以恢复系统内部的受力平衡，实现了与伺服补压同样的效果但却摆脱了受用电条件约束的缺点，更适合试验时间长、要求稳定性好的蠕变试验中，同时与传统伺服电机稳压相比，长期试验条件下稳压精度有所提高。因此这种稳压方式可以保证蠕变试验进行过程长时间内荷载数值的稳定，从而确保试验结果的准确性。此外需注意，机械稳压系统内部需要做好润滑涂油工作，以保证试件7产生剪切变形时能够及时补压，否则因为内部摩擦力太大的原因导致补压性能失效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，其特征在于：包括反力框架(1)、试件承载基座(2)、竖向加载系统(3)、水平加载系统(4)和荷载数据采集系统；

所述反力框架(1)的中部具有一个试验仓，所述试件承载底座(2)位于所述试验仓内且固定在所述试验仓的底壁上，所述竖向加载系统(3)设置在所述试件承载基座(2)的上方，所述水平加载系统(4)设置在所述试件承载基座(2)的一侧；

所述竖向加载系统(3)包括第一加载轮轴(31)、第一减速器(32)、丝杆升降机(33)和第一砝码(34)，所述丝杆升降机(33)为竖直设置，所述丝杆升降机(33)和所述第一减速器(32)均固定在所述试验仓的顶壁上，所述第一减速器(32)的输入端固定连接所述第一加载轮轴(31)的一端，所述丝杆升降机(33)传动连接所述第一减速器(32)，所述第一减速器(32)用于向所述丝杆升降机(33)提供动力，所述第一砝码(34)通过钢绞线与所述第一加载轮轴(31)连接，所述钢绞线缠绕方向与所述第一加载轮轴(31)的加载方向一致，所述数据采集系统包括荷载传感器(8)，所述荷载传感器(8)设置有两个，所述丝杆升降机(33)的输出端固定有一个所述荷载传感器(8)；

所述水平加载系统(4)包括第二加载轮轴(41)、第二减速器(42)、丝杆伸缩机(43)和第二砝码(44)，所述丝杆伸缩机(43)为水平设置且所述丝杆伸缩机(43)和所述第二减速器(42)均固定在所述试验仓的一侧壁上，所述第二减速器(42)传动连接所述丝杆伸缩机(43)，所述第二减速器(42)用于向所述丝杆伸缩机(43)提供动力，所述第二减速器(42)的输入端固定连接所述第二加载轮轴(41)的一端，所述丝杆伸缩机(43)的输出端固定有另一个所述荷载传感器(8)，两个所述荷载传感器(8)分别用于检测所述丝杆升降机(33)和所述丝杆伸缩机(43)的输出端的荷载值，所述第二砝码(44)通过钢绞线与所述第二加载轮轴(41)连接，所述钢绞线缠绕方向与所述第二加载轮轴(41)的加载方向一致。

2.如权利要求1所述的一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，其特征在于：试件(7)的下半部分置于所述试件承载基座(2)内，所述试件(7)的上表面设置有一个滑轨(6)，所述滑轨(6)的内转动连接有水平设置的多个滚轴(61)，所述滚轴(61)的下方设置有滑块(62)。

3.如权利要求1所述的一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，其特征在于：所述数据采集系统还包括荷载显示器(9)电连接所述荷载传感器(8)，所述荷载显示器(9)用于显示两个所述荷载传感器(8)检测的荷载值。

4.如权利要求1所述的一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，其特征在于：所述第一加载轮轴(31)上具有一个第一驱动轮，所述第一驱动轮的外沿上固定有一个第一把手，所述第一把手与所述第一驱动轮的旋转轴相平行。

5.如权利要求1所述的一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，其特征在于：所述第二加载轮轴(41)上具有一个第二驱动轮，所述第二驱动轮的外沿上固定有一个第二把手，所述第二把手与所述第二驱动轮的旋转轴相平行。

6.如权利要求1所述的一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，其特征在于：所述反力框架(1)的下端固定有多个支撑腿。

7.如权利要求6所述的一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，其特征在于：所述支撑腿上固定有支板，所述支板固定在所述支撑腿侧壁的下沿，所述支板为水平设置。

8.如权利要求7所述的一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，其特征在于：所述支板上固定有两个三角形结构的加强筋，所述加强筋的两侧边沿分别连接所述支板和所述支撑腿。

9.如权利要求3所述的一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，其特征在于：所述反力框架(1)的顶壁上固定有L形结构的放置板，所述放置板的两端分别固定连接所述反力框架(1)的顶壁和侧壁，所述荷载显示器(9)设置在所述放置板上。

10.如权利要求1所述的一种采用机械加载、重力稳压技术的岩体结构面剪切流变仪，其特征在于：所述试件(7)的上半部分安装有两个位移传感器，竖向和水平向各设置一个。

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