CN112683693B - 试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统 - Google Patents

Abstract

一种试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统，包括切向分级加载机构、框架、法向分级加载机构、高度调节试样盒组和运输小车，抗剪强度测试的试样以结构面为界分为上部试样和下部试样，下部试样结构面长度不少于上部试样结构面长度和上部试样切向移动测试距离之和，切向分级加载机构位于框架的左侧立柱，法向分级加载机构位于框架的顶部横梁，运输小车位于框架的下方并由安装在框架底部的油缸活塞杆推拉以实现试样的运输与定位，高度调节试样盒组安装于运输小车正上方并支撑于框架的右侧立柱。本发明有效满足多尺度试样的安装、定位、测试和复位，满足切向加载中心与剪切缝的高度一致以符合直剪测试规范。

Description

试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统

技术领域

本发明属于岩土力学室内试验领域，具体涉及一种试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度试验系统，尤其是测试试样的尺寸是大范围高度尺寸不定，宽度和深度也不定的要求。

背景技术

圣维南原理是弹性力学中一个说明局部效应的原理，虽然已经有大量实例验证，但至今还没有严格证明。其内容是：分布于弹性体上一小块面积(或体积) 内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。不少学者研究过圣维南原理的正确性，结果发现它在大部分实际问题中成立。在弹性力学的边值问题中，严格地说在面力给定的边界条件及位移给定的边界条件应该是逐点满足的，但在数学上要给出完全满足边界条件的解答是非常困难的。另一方面，工程中人们往往只知道作用于物体表面某一部分区域上的合力和合力矩，并不知道面力的具体分布形式。对于各项异性的岩石材料，试样高度的变化对岩体结构面抗剪强度存在一定影响。若试样高度太低，边界条件的影响较大。试样高度太高且宽度太小时直剪测试的稳定性太差。因此，为科学了解试样高度或者高长比对直剪测试的影响，了解圣维南原理在高度多尺度试样直剪测试的体现。需要通过测试设备获得高度连续尺寸岩石试样结构面抗剪强度值。鉴于没有专门针对该研究的测试设备，本专利正是为主要解决高度连续尺寸岩体结构面抗剪强度试验提供了方案。

发明内容

为了克服已有技术的不足，为了进一步了解随着高度变化获取试样结构面抗剪强度值，从而掌握试样高度不同引起的尺寸效应变化情况，本发明提供了一种试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统，包括切向分级加载机构、框架、法向分级加载机构、高度调节试样盒组和运输小车，抗剪强度测试的试样以结构面为界分为上部试样和下部试样，上部试样和下部试样的结构面重合，下部试样结构面长度不少于上部试样结构面长度和上部试样切向移动测试距离之和，所述的切向分级加载机构位于框架的左侧立柱，法向分级加载机构位于框架的顶部横梁，运输小车位于框架的下方并由安装在框架底部的油缸活塞杆推拉以实现试样的运输与定位，高度调节试样盒组安装于运输小车上方并支撑于框架的右侧立柱。

进一步，所述的高度调节试样盒组包括底部试样盒、中部试样盒、支撑轴、支撑连杆、上部试样盒、下垫块、侧边垫块、传力架和L型板，底部试样盒固定在运输小车的正上方和法向分级加载机构的正下方，中部试样盒嵌入底部试样盒中，在中部试样盒和底部试样盒的左侧通过螺栓将两个试样盒固定，根据试样的高度可安装设定数量且互相嵌套的中部试样盒，中部试样盒相互固定；上部试样盒嵌入安装在最上方的中部试样盒中并在左侧通过螺栓固定；若试样结构面高度无法满足切向加载高度时，在上部试样盒内部安装下垫块，同时在试样两侧安装侧边垫块，使得下部试样对中于上部试样盒内部；试样上安放L型板，L型板正上方为法向分级加载机构，L型板左侧为切向分级加载机构；若试样宽度较小，使得切向分级加载机构的加载头在加载过程中与上部试样盒干涉时，在L型板左侧的切向加载位置处安装传力架以传递切向力；若试样高度太小导致法向分级加载机构与切向分级加载机构在测试时结构干涉，通过增厚L型板的上部或在上部安装一定厚度的垫块以解决干涉问题；底部试样盒、中部试样盒、上部试样盒的右侧安装支撑轴，支撑轴的前后两端分别安装支撑连杆的其中一端，支撑连杆的另一端安装在框架中右侧立柱的支撑杆上并用螺栓锁紧以达到一定预紧力。

进一步，所述的框架包括底部平台、左侧立柱、横梁、右侧立柱和支撑杆，底部平台安放在地面，横梁位于底部平台正上方，底部平台和横梁的两侧分别固定左侧立柱和右侧立柱。底部平台内部安装推拉油缸用于运输小车的输送和定位，底部平台上方安装导轨，运输小车进入试验系统后它的下部在其车轮缩回后可紧挨在导轨上，右侧立柱的前后两侧沿高度方向安装一列支撑杆。

进一步，所述的切向分级加载机构由切向加载机构和切向支撑机构组成，在框架的左侧立柱上安装x行y列的阵列式分布的切向加载机构，每个切向加载机构包括切向作动器、切向测力传感器和加载头；切向测力传感器一个受力面固定在切向作动器活塞杆上，另一个受力面固定加载头；切向测力传感器、切向支撑机构安装在右侧立柱，切向支撑机构包括安装架和支撑架，安装架固定在右侧立柱上，支撑架限位在安装架上方，支撑架两端分别与右侧立柱和下部试样右侧靠近剪切缝位置处接触。

进一步，所述的法向分级加载机构包括法向作动器、法向测力传感器、十字活动关节、承载板、螺杆、垂向导轨、加载板和切向导轨，法向作动器活塞杆上固定法向测力传感器，在框架的横梁上分布m行n列法向作动器，m和n一般选择奇数，每行每列法向作动器数量相同，最中心位置的法向测力传感器与承载板固定，承载板的两侧连接垂向导轨并作垂向限位运动，十字活动关节上端固定在承载板的正下方，十字活动关节的下端与加载板固定，加载板正下方且沿着切向加载方向布置多行多列切向导轨。

当试样高宽比很小时，为提高加载稳定性，在承载板两侧安装螺杆，螺杆向下移动时可减少加载板的转动角度范围。

本发明的技术构思为：直剪测试的对象为大范围高度尺寸不定，在宽度和深度尺寸上也不定的试样。试验系统研究的主要内容为满足连续不同高度尺寸试样的结构面抗剪强度尺寸效应。如果试样从框架底部平台开始安装，上部试样和下部试样的剪切缝位置随着试样高度的增加不断上升，切向加载机构的位置也需要相应的调整高度。而切向加载机构位置的调整对机械升降装置的定位要求很高，同时在测试载荷较大时它所承受的切向反力大，影响切向载荷的稳定性和升降装置的使用寿命。为此切向加载机构的位置一般固定在框架上。为解决试验要求，采用在高度上安装多行切向加载作动器，不用高度尺寸的试样可选择相应高度的切向加载作动器进行加载。考虑到法向作动器活塞杆行程不宜过长及防止与切向加载机构的机械结构干涉问题，对于高度尺寸很小的试样使用最上面一行的切向加载机构，对于高度尺寸很大的试样采用最下面一行的切向加载机构。试样的高度尺寸由于是连续不定的，其剪切缝很可能会位于相邻两行切向加载机构之间。在保障法向和切向加载机构加载过程不干涉的情况下，通过调整高度调节试样盒组，使得剪切缝的位置不低于某一行切向加载机构的加载高度。具体为：结合试样的高度尺寸调整试样剪切缝位置，采用试样盒组合的方法满足高度要求，底部试样盒固定在靠在框架底部平台的小车上，安装一定数量的中部试样盒，再安装上部试样盒及相应垫块使得试样剪切缝高度达到加载位置要求。试样盒之间采用嵌套方式并相互锁住以确保加载刚度要求，同时每个试样盒通过安装支撑连杆以支撑到框架右侧立柱的方式抵消切向力对试样盒的影响。

考虑到试样前后深度的变化及载荷的要求，每一行安装一定数量的切向加载作动器并可进行组合协同加载，同时在法向的每一行也安装一定数量法向加载作动器。考虑到试样宽度的变动，法向加载作动器也相应设置多列。试样要居中安装在试样盒中以满足法向加载作动器加载中心与上部试样宽度的中心一致。随着试样宽度的变大，法向加载作动器以最中间一行为基准，向两侧对称安装多列法向加载作动器，通过法向和切向作动器的组合协同加载方式实现测试过程的均布加载和总荷载要求。

本发明具有的有益效果：1、在法向和切向作动器位置不变的情况下有效满足大范围高度尺寸不定及深度宽度也不定的试样安装及定位；2、有效满足切向加载中心与剪切缝位置高度一致，确保测试结果的可靠性。

附图说明

图1为试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统(高度低的试样)的主视图。

图2为试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统(高度低的试样)的俯视图。

图3为试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统(高度低的试样)的左视图。

图4为试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统(高度高的试样)的主视图。

图5为高度调节试样盒组的主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统，包括切向分级加载机构1、框架2、法向分级加载机构3、高度调节试样盒组4和运输小车5。抗剪强度测试的试样以结构面为界分为上部试样和下部试样，上部试样和下部试样的结构面重合，下部试样结构面长度不少于上部试样结构面长度和上部试样切向移动测试距离之和，所述的切向分级加载机构1位于框架2 的左侧立柱，法向分级加载机构3位于框架2的顶部横梁，运输小车5位于框架 2的下方并由安装在框架2底部的油缸来回拉动以运输与定位，高度调节试样盒组4安装于运输小车5上方并支撑于框架2的右侧立柱。

进一步，所述的高度调节试样盒组4包括底部试样盒41、中部试样盒42、支撑轴43、支撑连杆44、上部试样盒45、下垫块46、侧边垫块47、传力架48和L 型板49，底部试样盒41通过螺栓固定在运输小车5的正上方和法向分级加载机构的正下方，中部试样盒42嵌入底部试样盒41中，在中部试样盒42和底部试样盒41的左侧通过螺栓将两个试样盒固定，根据试样的高度可安装设定数量且互相嵌套的中部试样盒，中部试样盒42相互固定；上部试样盒45嵌入安装在最上方的中部试样盒42中并在左侧通过螺栓固定；若试样6结构面高度无法满足切向加载高度时，在上部试样盒45内部安装下垫块46，同时在试样6两侧安装侧边垫块47，使得下部试样对中于上部试样盒45内部；试样6上安放L型板49，L型板49正上方为法向分级加载机构3，L型板49左侧为切向分级加载机构1。若试样宽度较小，使得切向分级加载机构1的加载头13在加载过程中与上部试样盒 45干涉时，在L型板49左侧的切向加载位置处安装传力架48以传递切向力。若试样高度太小导致法向分级加载机构3与切向分级加载机构1在测试时结构干涉，通过增厚L型板49的上部或在上部安装一定厚度的垫块以解决干涉问题。底部试样盒41、中部试样盒42、上部试样盒45的右侧安装支撑轴43，支撑轴43的前后两端分别安装支撑连杆44的其中一端，支撑连杆44的另一端安装在框架2 中右侧立柱24的支撑杆25上并用螺栓锁紧以达到一定预紧力。

进一步，所述的框架包括底部平台21、左侧立柱22、横梁23、右侧立柱24 和支撑杆25，底部平台21安放在地面，横梁23位于底部平台正上方，部平台21 和横梁23的两侧分别固定左侧立柱22和右侧立柱24，底部平台内部安装推拉油缸用于运输小车的输送和定位，底部平台上方安装导轨，运输小车5进入试验系统后它的下部在其车轮缩回后可紧挨在导轨上，右侧立柱24的前后两侧沿高度方向安装一列支撑杆25。

进一步，所述的切向分级加载机构1由切向加载机构和切向支撑机构组成，在框架2的左侧立柱22上安装x行y列的阵列式分布的切向加载机构，每个切向加载机构包括切向作动器11、切向测力传感器12和加载头13；切向测力传感器 12一个受力面固定在切向作动器活塞杆上，另一个受力面固定加载头13；切向测力传感器12、切向支撑机构安装在右侧立柱24上，切向支撑机构包括安装架14 和支撑架15，安装架14固定在右侧立柱上，支撑架15限位在安装架上方，支撑架15两端分别与右侧立柱和下部试样右侧靠近剪切缝位置处接触。

进一步，所述的法向分级加载机构3包括法向作动器31、法向测力传感器32、十字活动关节33、承载板34、螺杆35、垂向导轨36、加载板37、切向导轨38。法向作动器31活塞杆上固定法向测力传感器32，在框架2的横梁23上分布m行 n列法向作动器31，m和n一般选择奇数，每行每列法向作动器31数量相同。最中心位置的法向测力传感器32与承载板34固定，承载板34的两侧连接垂向导轨 36并作垂向限位运动，十字活动关节33上端固定在承载板34的正下方，十字活动关节的33下端与加载板37固定，加载板37正下方且沿着切向加载方向布置多行多列切向导轨38。

当试样高宽比很小时，为提高加载稳定性，在承载板34两侧安装螺杆35，螺杆35向下移动时可减少加载板37的转动角度范围。

本实施例中：运输小车5位于底部平台21的外侧，根据试样高度及剪切缝位置，借助吊车等工具安装高度调节试样盒组4中的底部试样盒41、一定数量的中部试样盒41和上部试样盒45，试样盒之间相互嵌套并在左侧用螺栓固定。若试样很高时，可直接底部试样盒41上安装试样及垫块。上部试样盒45上根据试样剪切缝的高度确定是否安装一定厚度的下垫块46。试样6在试样盒中对中安装，确保法向加载位置的中心与试样6一致。上部试样与下部试样的左侧对齐。下部试样的两侧安装侧边垫块47并在上部试样盒45左侧用螺栓将侧边垫块47及下部试样锁紧。上部试样上面安放L型板49，根据试样尺寸确定是否会干涉确定是否需要安装传力架48。运输小车在油缸的推动下进入框架内部并定位。支撑连杆44 套入各试样盒的支撑轴43和框架2右侧立柱24上的支撑杆25上并用螺栓锁紧位置。根据试样尺寸及剪切缝位置，结合法向和切向载荷要求，切向分级加载机构 1选择相应的切向作动器，法向分级加载机构3选择相应的法向作动器进行加载。测试完毕后，在上部试样盒45右侧的台肩和上部试样之间空间位置借助千斤顶将上部试样复位，或者将上部试样套上钢丝绳并固定在切向方向的加载头上由切向作动器拉回到初始位置。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.一种试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统，其特征在于，所述系统包括切向分级加载机构、框架、法向分级加载机构、高度调节试样盒组和运输小车，抗剪强度测试的试样以结构面为界分为上部试样和下部试样，上部试样和下部试样的结构面重合，下部试样结构面长度不少于上部试样结构面长度和上部试样切向移动测试距离之和；所述的切向分级加载机构位于框架的左侧立柱，法向分级加载机构位于框架的顶部横梁，运输小车位于框架的下方并由安装在框架底部的油缸活塞杆推拉以实现试样的运输与定位，高度调节试样盒组安装于运输小车上方并支撑于框架的右侧立柱；

所述的高度调节试样盒组包括底部试样盒、中部试样盒、支撑轴、支撑连杆、上部试样盒、下垫块、侧边垫块、传力架和L型板，所述底部试样盒固定在运输小车的正上方和法向分级加载机构的正下方；中部试样盒嵌入底部试样盒中，在中部试样盒和底部试样盒的左侧通过螺栓将两个试样盒固定；根据试样的高度可安装设定数量且互相嵌套的中部试样盒，中部试样盒相互固定；上部试样盒嵌入安装在最上方的中部试样盒中并在左侧通过螺栓固定，若试样结构面高度无法满足切向加载高度时，在上部试样盒内部安装下垫块，同时在试样两侧安装侧边垫块，使得下部试样对中于上部试样盒内部；试样上安放L型板，L型板正上方为法向分级加载机构，L型板左侧为切向分级加载机构；底部试样盒、中部试样盒、上部试样盒的右侧安装支撑轴，支撑轴的前后两端分别安装支撑连杆的其中一端，支撑连杆的另一端安装在框架中右侧立柱的支撑杆上并用螺栓锁紧以达到一定预紧力。

2.如权利要求1所述的试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统，其特征在于，若试样宽度较小，使得切向分级加载机构的加载头在加载过程中与上部试样盒产生机械结构干涉时，在L型板左侧的切向加载位置处安装传力架。

3.如权利要求1所述的试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统，其特征在于，若试样高度太小导致法向分级加载机构与切向分级加载机构在试验过程中产生机械结构干涉时，在L型板的上部安装设定厚度的垫块。

4.如权利要求1～3之一所述的试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统，其特征在于，所述的框架包括底部平台、左侧立柱、横梁、右侧立柱和支撑杆，底部平台安放在地面，横梁位于底部平台正上方，底部平台和横梁的两侧分别固定左侧立柱和右侧立柱，底部平台内部安装推拉油缸用于运输小车的输送和定位，底部平台上方安装导轨，运输小车进入试验系统后它的下部在其车轮缩回后可紧挨在导轨上，右侧立柱的前后两侧沿高度方向安装一列支撑杆。

5.如权利要求1～3之一所述的试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统，其特征在于，所述的切向分级加载机构由切向加载机构和切向支撑机构组成，在框架的左侧立柱上安装x行y列的阵列式分布的切向加载机构，每个切向加载机构包括切向作动器、切向测力传感器和加载头；切向测力传感器一个受力面固定在切向作动器活塞杆上，另一个受力面固定加载头；切向测力传感器、切向支撑机构安装在右侧立柱，切向支撑机构包括安装架和支撑架，安装架固定在右侧立柱上，支撑架限位在安装架上方，支撑架两端分别与右侧立柱和下部试样右侧靠近剪切缝位置处接触。

6.如权利要求1～3之一所述的试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统，其特征在于，所述的法向分级加载机构包括法向作动器、法向测力传感器、十字活动关节、承载板、螺杆、垂向导轨、加载板和切向导轨，法向作动器活塞杆上固定法向测力传感器，在框架的横梁上分布m行n列法向作动器，m和n为奇数，每行每列的法向作动器数量相同，最中心位置的法向测力传感器与承载板固定，承载板的两侧连接垂向导轨并作垂向限位运动，十字活动关节上端固定在承载板的正下方，十字活动关节的下端与加载板固定，加载板正下方且沿着切向加载方向布置多行多列切向导轨。

7.如权利要求6所述的试样尺寸连续可调的岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验系统，其特征在于，在承载板两侧安装螺杆以调节十字活动关节的转动范围。

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