CN111307616A - 一种岩石结构面高频扰动剪切试验装置 - Google Patents

一种岩石结构面高频扰动剪切试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于岩体工程技术领域，公开了一种岩石结构面高频扰动剪切试验装置，包括：主框架、滑动载台、下剪切盒、上剪切盒、上剪切盒固定架、法向加载机构、左切向加载机构、右切向加载机构以及摆锤机构；滑动载台可滑动地设置在所述主框架内，下剪切盒固定在滑动载台上；上剪切盒通过上剪切盒固定架固定在主框架内，法向加载机构固定在主框架上且位于上剪切盒上方；左切向加载机构和右切向加载机构相对固定在主框架上，且位于下剪切盒两侧；摆锤机构设置在下剪切盒一侧，且主框架上设置有用于向下剪切盒传递冲击作用的冲击头。本发明提供的装置能够准确模拟岩石结构面在高频扰动下剪切的实际情况。

Description

一种岩石结构面高频扰动剪切试验装置
技术领域
本发明涉及岩体工程技术领域，特别涉及一种岩石结构面高频扰动剪切试验装置。
背景技术
由于岩体中节理、裂隙等结构面普遍存在，岩体的稳定性很大程度上取决于结构面的剪切稳定性。岩体工程开挖和运行过程中，爆炸(破)、地震等动荷载、开挖卸荷等静荷载变化、开挖造成结构面法向刚度改变是引起岩体结构面剪切破坏的三个重要外在因素。工程中，岩体结构面常常处于一定荷载环境中，保持稳定或亚稳定状态，而各种扰动因素的作用将改变这种状态，特别是距离较近的动力冲击荷载作用，很容易引起剪切破坏进而导致工程灾害，因此，研究结构面卸荷、法向刚度改变、动力扰动或者冲击等作用下的力学响应特征与规律、剪切破坏机制与强度特性是准确分析与控制岩体稳定性的重要基础。大多数直剪试验设备仅能开展静态或动态试验，即仅具有法向单一加载系统，切向单一加载系统，且无法模拟切向冲击荷载作用，不能模拟现场复杂应力条件及其变化，限制了岩石结构面力学特性及破坏机制的准确认知。
发明内容
本发明提供一种岩石结构面高频扰动剪切试验装置，达到准确模拟岩石结构面在高频扰动下剪切的实际情况，便于直接收集和研究低剪切加载速率和高剪切加载速率往复剪切下的岩石结构面力学参数、破坏机制的技术效果。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种岩石结构面高频扰动剪切试验装置，包括：主框架、滑动载台、下剪切盒、上剪切盒、上剪切盒固定架、法向加载机构、左切向加载机构、右切向加载机构以及摆锤机构；
所述滑动载台可滑动地设置在所述主框架内，所述下剪切盒固定在所述滑动载台上；
所述上剪切盒通过所述上剪切盒固定架固定在所述主框架内，所述法向加载机构固定在所述主框架上且位于所述上剪切盒上方；
所述左切向加载机构和所述右切向加载机构相对固定在所述主框架上，且位于所述下剪切盒两侧；
所述摆锤机构设置在所述下剪切盒一侧，且所述主框架上设置有用于向所述下剪切盒传递冲击作用的冲击头。
进一步地，所述主框架包括：箱型框架；
所述箱型框架相对的第一侧壁和第二侧壁上开设有操作窗口；
所述箱型框架相对的第三侧壁和第四侧壁分别作为所述左切向加载机构和右切向加载机构的固定部；
所述箱型框架的顶壁作为所述法向加载机构的固定部；
所述箱型框架的底壁作为所述滑动载台的支撑部。
进一步地，所述滑动载台包括：滑动组件以及载台主体；
所述载台主体通过所述滑动组件可滑动地固定在所述主框架内；
所述下剪切盒固定在所述载台主体上。
进一步地，所述滑动组件包括：导向滑轨以及设置在所述导向滑轨上的滑块；
所述导向滑轨固定在所述主框架上，所述载台主体固定在所述滑块上。
进一步地，所述上剪切盒固定架包括：左伸缩夹持架和右伸缩夹持架；
所述左伸缩夹持架和所述右伸缩夹持架相对设置在所述主框架上；
所述左伸缩夹持架和所述右伸缩夹持架将所述上剪切盒夹持在中间。
进一步地，所述左伸缩夹持架包括：左伸缩支架和左夹持部；
所述左伸缩支架固定在所述主框架上，所述左夹持部固定在所述左伸缩支架上。
进一步地，所述法向加载机构包括：法向加载油缸、法向压头、法向位移传感器以及法向压力传感器；
所述法向加载油缸固定在所述上剪切盒正上方，且所述法向加载油缸的加载方向朝向所述上剪切盒；
所述法向压头固定在所述法向油缸的伸缩端部；
所述法向位移传感器以及所述法向压力传感器分别设置在所述法向加载油缸上。
进一步地，所述左切向加载机构包括：左切向加载油缸、左切向压头、左切向位移传感器以及左切向压力传感器；
所述左切向加载油缸固定在所述下剪切盒正左方，且所述左切向加载油缸的加载方向朝向所述下剪切盒；
所述左切向压头固定在所述左切向油缸的伸缩端部；
所述左切向位移传感器以及所述左切向压力传感器分别设置在所述左切向加载油缸上。
进一步地，所述右切向加载机构包括：右切向加载油缸、右切向压头、右切向位移传感器以及右切向压力传感器；
所述右切向加载油缸固定在所述下剪切盒正右方，且所述右切向加载油缸的加载方向朝向所述下剪切盒；
所述右切向压头固定在所述右切向油缸的伸缩端部；
所述右切向位移传感器以及所述右切向压力传感器分别设置在所述右切向加载油缸上。
进一步地，所述摆锤机构包括：摆动支架、摆动转轴、驱动电机、摆动连杆以及摆锤；
所述摆动转轴可转动地固定在所述摆动支架上，所述驱动电机固定在所述摆动支架上并与所述摆动转轴传动相连；
所述摆锤通过所述摆动连杆固定能够在所述摆动转轴上；
所述右切向加载油缸为双头油缸，所述右切向压头固定在所述双头油缸的活塞杆的第一端上，所述冲击头固定在所述双头油缸的活塞杆的第二端上；
所述冲击头布置在所述摆锤的击打路径上。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的岩体结构面高频扰动剪切试验装置，以主框架为施力支架，通过所述法向加载机构、所述左切向加载机构、所述右切向加载机构以及摆锤机构分别对试样施加高剪切加载速率和低剪切加载速率，可实现高速率循环剪切试验和低速率剪切试验；所述法向加载机构、所述左切向加载机构、所述右切向加载机构均含不同波形的动载，如，三角形波、正弦波和任意波形，可实现动态剪切试验，摆锤机构为试验提供冲击模拟，同时改善了传统剪切加载试验无法准确模拟高剪切加载速率条件下岩石结构面动力响应的问题。值得说明的是，可以进行常规剪切试验、法向动静组合试验、水平动态剪切试验、水平循环剪切试验、法向常刚度剪切试验、剪切冲击试验等多种组合试验。本发明可以准确模拟岩石结构面在高频扰动下剪切的实际情况，便于直接收集和研究低剪切加载速率和高剪切加载速率下岩石结构面的力学参数、破坏机制等。
附图说明
图1为本发明提供的岩体结构面高频扰动剪切试验装置的结构示意图；
图2为图1的主视图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种岩石结构面高频扰动剪切试验装置，达到准确模拟岩石结构面在高频扰动下剪切的实际情况，便于直接收集和研究低剪切加载速率和高剪切加载速率往复剪切下的岩石结构面力学参数、破坏机制的技术效果。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图1和图2，一种岩石结构面高频扰动剪切试验装置，包括：主框架1、滑动载台5、剪切盒6(包括上剪切盒61和下剪切盒62)、上剪切盒固定架7、法向加载机构2、左切向加载机构3、右切向加载机构4以及摆锤机构8。
所述滑动载台5可滑动地设置在所述主框架1内，所述下剪切盒62固定在所述滑动载台5上；所述上剪切盒61通过所述上剪切盒固定架7固定在所述主框架1内，从而所述下剪切盒62可沿着所述滑动载台5的滑动方向移动，相对于所述上剪切盒61产生相对位移，从而实现剪切。
所述法向加载机构2固定在所述主框架1上且位于所述上剪切盒61上方；在使用时向下压紧所述上剪切盒61，可提供三角波、正弦波、任意波三种动态加载波形。
所述左切向加载机构3和所述右切向加载机构4相对固定在所述主框架1上，且位于所述下剪切盒62两侧；从而可实现左侧加载和右侧加载，想下剪切盒62施加可调，可测的剪切力。
所述摆锤机构8设置在所述下剪切盒62一侧，且所述主框架1上设置有用于向所述下剪切盒62传递冲击作用的冲击头84，从而想下剪切盒62施加冲击作用。从而能够实现常规剪切试验、法向动静组合试验、水平动态剪切试验、水平循环剪切试验、法向常刚度剪切试验、剪切冲击试验等多种组合试验。
下面将进一步说明。
所述主框架1包括：箱型框架；所述箱型框架相对的第一侧壁和第二侧壁上开设有操作窗口；所述箱型框架相对的第三侧壁和第四侧壁分别作为所述左切向加载机构3和右切向加载机构4的固定部；所述箱型框架的顶壁作为所述法向加载机构2的固定部；所述箱型框架的底壁作为所述滑动载台5的支撑部。从而形成了以主框架1为统一受力支点的操作平台，从而保证剪切盒6受力的方向，集中度，准确度等，保证实验质量。
进一步地，所述滑动载台5包括：滑动组件以及载台主体；所述载台主体通过所述滑动组件可滑动地固定在所述主框架1内；所述下剪切盒62固定在所述载台主体上；从而所述下剪切盒62能够跟随所述载台主体滑动。
一般来说，所述滑动组件包括：导向滑轨以及设置在所述导向滑轨上的滑块；所述导向滑轨固定在所述主框架1上，所述载台主体固定在所述滑块上。
本实施例中，所述上剪切盒固定架7包括：左伸缩夹持架和右伸缩夹持架；所述左伸缩夹持架和所述右伸缩夹持架相对设置在所述主框架1上；所述左伸缩夹持架和所述右伸缩夹持架将所述上剪切盒61夹持在中间。从而将所述上剪切盒61限制在主框架1内，确切地说，是限制左右方向的移动，从而便于剪切。
为了保证上剪切盒61的位置可调性，所述左伸缩夹持架包括：左伸缩支架和左夹持部；所述左伸缩支架固定在所述主框架1上，所述左夹持部固定在所述左伸缩支架上。
进一步地，所述法向加载机构2包括：法向加载油缸21、法向压头22、法向位移传感器23以及法向压力传感器；所述法向加载油缸21固定在所述上剪切盒正61上方，且所述法向加载油缸21的加载方向朝向所述上剪切盒61；所述法向压头22固定在所述法向油缸21的伸缩端部；所述法向位移传感器23以及所述法向压力传感器分别设置在所述法向加载油缸21上。从而实现可空调可控的法向加载控制。
相类似的，所述左切向加载机构3包括：左切向加载油缸31、左切向压头32、左切向位移传感器33以及左切向压力传感器；所述左切向加载油缸31固定在所述下剪切盒62正左方，且所述左切向加载油缸31的加载方向朝向所述下剪切盒62；所述左切向压头32固定在所述左切向油缸31的伸缩端部；所述左切向位移传感器33以及所述左切向压力传感器分别设置在所述左切向加载油缸31上。
相类似的，所述右切向加载机构4包括：右切向加载油缸41、右切向压头42、右切向位移传感器以及右切向压力传感器；所述右切向加载油缸41固定在所述下剪切盒62正右方，且所述右切向加载油缸41的加载方向朝向所述下剪切盒62；所述右切向压头42固定在所述右切向油缸41的伸缩端部；所述右切向位移传感器以及所述右切向压力传感器分别设置在所述右切向加载油缸41上。
所述摆锤机构8包括：摆动支架81、摆动转轴、驱动电机82、摆动连杆以及摆锤83；所述摆动转轴可转动地固定在所述摆动支架81上，所述驱动电机82固定在所述摆动支架81上并与所述摆动转轴传动相连；所述摆锤83通过所述摆动连杆固定能够在所述摆动转轴上；所述右切向加载油缸41为双头油缸，所述右切向压头42固定在所述双头油缸的活塞杆的第一端上，所述冲击头84固定在所述双头油缸的活塞杆的第二端上；所述冲击头84布置在所述摆锤的击打路径上。从而通过摆动摆锤83施加冲击作用给所述下剪切盒62。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的岩体结构面高频扰动剪切试验装置，以主框架为施力支架，通过所述法向加载机构、所述左切向加载机构、所述右切向加载机构以及摆锤机构分别对试样施加高剪切加载速率和低剪切加载速率，可实现高速率循环剪切试验和低速率剪切试验；所述法向加载机构、所述左切向加载机构、所述右切向加载机构均含不同波形的动载，如，三角形波、正弦波和任意波形，可实现动态剪切试验，摆锤机构为试验提供冲击模拟，同时改善了传统剪切加载试验无法准确模拟高剪切加载速率条件下岩石结构面动力响应的问题。值得说明的是，可以进行常规剪切试验、法向动静组合试验、水平动态剪切试验、水平循环剪切试验、法向常刚度剪切试验、剪切冲击试验等多种组合试验。本发明可以准确模拟岩石结构面在高频扰动下剪切的实际情况，便于直接收集和研究低剪切加载速率和高剪切加载速率下岩石结构面的力学参数、破坏机制等。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种岩石结构面高频扰动剪切试验装置，其特征在于，包括：主框架、滑动载台、下剪切盒、上剪切盒、上剪切盒固定架、法向加载机构、左切向加载机构、右切向加载机构以及摆锤机构；
所述滑动载台可滑动地设置在所述主框架内，所述下剪切盒固定在所述滑动载台上；
所述上剪切盒通过所述上剪切盒固定架固定在所述主框架内，所述法向加载机构固定在所述主框架上且位于所述上剪切盒上方；
所述左切向加载机构和所述右切向加载机构相对固定在所述主框架上，且位于所述下剪切盒两侧；
所述摆锤机构设置在所述下剪切盒一侧，且所述主框架上设置有用于向所述下剪切盒传递冲击作用的冲击头。
2.如权利要求1所述的岩石结构面高频扰动剪切试验装置，其特征在于，所述主框架包括：箱型框架；
所述箱型框架相对的第一侧壁和第二侧壁上开设有操作窗口；
所述箱型框架相对的第三侧壁和第四侧壁分别作为所述左切向加载机构和右切向加载机构的固定部；
所述箱型框架的顶壁作为所述法向加载机构的固定部；
所述箱型框架的底壁作为所述滑动载台的支撑部。
3.如权利要求1所述的岩石结构面高频扰动剪切试验装置，其特征在于，所述滑动载台包括：滑动组件以及载台主体；
所述载台主体通过所述滑动组件可滑动地固定在所述主框架内；
所述下剪切盒固定在所述载台主体上。
4.如权利要求3所述的岩石结构面高频扰动剪切试验装置，其特征在于，所述滑动组件包括：导向滑轨以及设置在所述导向滑轨上的滑块；
所述导向滑轨固定在所述主框架上，所述载台主体固定在所述滑块上。
5.如权利要求1所述的岩石结构面高频扰动剪切试验装置，其特征在于，所述上剪切盒固定架包括：左伸缩夹持架和右伸缩夹持架；
所述左伸缩夹持架和所述右伸缩夹持架相对设置在所述主框架上；
所述左伸缩夹持架和所述右伸缩夹持架将所述上剪切盒夹持在中间。
6.如权利要求5所述的岩石结构面高频扰动剪切试验装置，其特征在于，所述左伸缩夹持架包括：左伸缩支架和左夹持部；
所述左伸缩支架固定在所述主框架上，所述左夹持部固定在所述左伸缩支架上。
7.如权利要求1所述的岩石结构面高频扰动剪切试验装置，其特征在于，所述法向加载机构包括：法向加载油缸、法向压头、法向位移传感器以及法向压力传感器；
所述法向加载油缸固定在所述上剪切盒正上方，且所述法向加载油缸的加载方向朝向所述上剪切盒；
所述法向压头固定在所述法向油缸的伸缩端部；
所述法向位移传感器以及所述法向压力传感器分别设置在所述法向加载油缸上。
8.如权利要求1所述的岩石结构面高频扰动剪切试验装置，其特征在于，所述左切向加载机构包括：左切向加载油缸、左切向压头、左切向位移传感器以及左切向压力传感器；
所述左切向加载油缸固定在所述下剪切盒正左方，且所述左切向加载油缸的加载方向朝向所述下剪切盒；
所述左切向压头固定在所述左切向油缸的伸缩端部；
所述左切向位移传感器以及所述左切向压力传感器分别设置在所述左切向加载油缸上。
9.如权利要求1所述的岩石结构面高频扰动剪切试验装置，其特征在于，所述右切向加载机构包括：右切向加载油缸、右切向压头、右切向位移传感器以及右切向压力传感器；
所述右切向加载油缸固定在所述下剪切盒正右方，且所述右切向加载油缸的加载方向朝向所述下剪切盒；
所述右切向压头固定在所述右切向油缸的伸缩端部；
所述右切向位移传感器以及所述右切向压力传感器分别设置在所述右切向加载油缸上。
10.如权利要求9所述的岩石结构面高频扰动剪切试验装置，其特征在于，所述摆锤机构包括：摆动支架、摆动转轴、驱动电机、摆动连杆以及摆锤；
所述摆动转轴可转动地固定在所述摆动支架上，所述驱动电机固定在所述摆动支架上并与所述摆动转轴传动相连；
所述摆锤通过所述摆动连杆固定能够在所述摆动转轴上；
所述右切向加载油缸为双头油缸，所述右切向压头固定在所述双头油缸的活塞杆的第一端上，所述冲击头固定在所述双头油缸的活塞杆的第二端上；
所述冲击头布置在所述摆锤的击打路径上。
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