CN112781998A - 岩石拉压环剪试验仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种岩石拉压环剪试验仪。岩石拉压环剪试验仪的轴力执行机构的加载油缸固定设置在底座的顶部一侧上，导向抗扭板设置在加载油缸的输出端上，扭力执行机构的螺旋摆动缸设置在底座的顶部的另一侧，扭力轴设置在螺旋摆动缸的输出端上，扭力轴和导向抗扭板相对设置，岩石剪切盒包括内部均为环形的第一盒体以及第二盒体，第一盒体可拆卸地设置在导向抗扭板朝向扭力轴的侧面上，第二盒体可拆卸地设置在扭力轴朝向导向抗扭板的侧面上，第一盒体以及第二盒体可操作地对接。本发明对准确获取岩石抗剪强度、残余强度及变形、动力扰动下的抗剪强度，改进和完善岩石的本构关系，具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于力学试验技术领域，尤其涉及一种岩石拉压环剪试验仪。
背景技术
岩石的抗剪强度是评价岩石力学性质的重要指标之一，准确的获取强度参数对岩体工程具有重要的实际意义。
在地震或施工扰动条件下，岩体动力反应在很大程度上受到结构面的制约，因此研究结构面的动力特性、特别是动力剪切特性是进行岩体动力反应分析的重要前提。岩体力学行为的室内试验研究是构建岩体本构模型和进行工程设计数值模拟的前提和依据，因此进行岩体结构面动态循环剪切室内试验，将地震荷载或施工扰动概化成在一定法向应力控制下对岩体结构面试样施加不同剪切变形速率的循环剪切荷载是解决前述问题的重要方法和途径。
目前，国内外进行岩体结构面动态剪切行为测试的仪器主要限于动态直剪仪，直剪仪通常包括法向加载装置、水平加载装置、剪切盒、液压控制装置和数据采集处理装置等。
分析现有的直剪试验实现方式，岩石在受剪过程中随着上下剪切盒相互错动，法向应力变为偏轴应力，因此正应力不稳定；原来的轴向正压力变成了偏轴压力，从而使实际剪切面偏离了原来预定的理想剪切面，发生了斜剪现象；同时由于剪切面积不断变化，剪应力分布不均匀；而正应力和剪应力的动态变化，又引起主应力发生偏转；受刚性剪切盒边缘效应的影响，靠近剪切盒边缘处试样的应变最大，中间部分的应变小，所以剪应变分布也是不均匀的，剪切位移受剪切盒长度显示，剪切距离较小，影响试验结果的准确性。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种岩石拉压环剪试验仪，以提高试验结果的准确性。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明提供了一种岩石拉压环剪试验仪，所述岩石拉压环剪试验仪包括：
底座；
轴力执行机构，所述轴力执行机构包括加载油缸以及导向抗扭板，所述加载油缸固定设置在底座的顶部一侧上，所述加载油缸的输出端做直线往返运动，所述导向抗扭板设置在所述加载油缸的输出端上；
扭力执行机构，所述扭力执行机构包括螺旋摆动缸以及扭力轴，所述螺旋摆动缸设置在所述底座的顶部的另一侧，所述螺旋摆动缸的输出端做旋转运动，所述扭力轴设置在所述螺旋摆动缸的输出端上，所述扭力轴和所述导向抗扭板相对设置；
岩石剪切盒，所述岩石剪切盒包括内部均为环形的第一盒体以及第二盒体，所述第一盒体可拆卸地设置在所述导向抗扭板朝向所述扭力轴的侧面上，所述第二盒体可拆卸地设置在所述扭力轴朝向所述导向抗扭板的侧面上，所述第一盒体以及第二盒体可操作地对接。
进一步地，所述第一盒体以及所述第二盒体的宽度方向的两侧侧面均为直面，所述第一盒体以及所述第二盒体的底部为弧形；
所述导向抗扭板朝向所述扭力轴的侧面上设置有第二定位槽，所述第二定位槽的顶部敞口，所述第二定位槽的竖向两侧平行设置，所述第一定位槽的底部为弧形，所述第一盒体滑动配合地设置在所述第二定位凹槽中；
所述扭力轴朝向所述导向抗扭板的侧面上设置有第三定位槽，所述第三定位槽的顶部敞口，所述第三定位槽的竖向两侧平行设置，所述第三定位槽的底部为弧形，所述第二盒体滑动配合地设置在所述第三定位槽中。
更进一步地，所述岩石剪切盒还包括密封套，所述密封套设置在所述第一盒体以及所述第二盒体之间，所述密封套的轴向一端固定套设在所述第一盒体上，所述第二盒体可转动地设置在所述密封套的轴向另一端。
进一步地，所述试验仪还包括轴向加载传感器以及扭矩传感器，所述轴向加载传感器设置在所述加载油缸的输出端上，所述扭矩传感器设置在和所述螺旋摆动缸的输出端连接的扭力轴上。
进一步地，所述扭力执行机构还包括旋转盘座，所述旋转盘座固定设置在所述底座上，所述旋转盘座和所述导向抗扭板相对设置，所述扭力轴可转动地穿过所述旋转盘座。
更进一步地，所述轴力执行机构还包括第一固定座以及导向拉杆，所述第一固定座固定设置在所述底座的顶部一侧，所述加载油缸的固定端固定设置在所述第一固定座中，所述导向拉杆设置有多个，多个所述导向拉杆分两组设置在所述加载油缸的两侧，每个所述导向拉杆均和所述加载油缸的轴向平行设置，每个所述导向拉杆的一端均固定设置在所述第一固定座上，每个所述导向拉杆的另一端均穿过所述导向抗扭板，每个所述导向拉杆的另一端均固定连接在所述旋转盘座上。
进一步地，所述旋转盘座背向所述导向抗扭板的一侧侧面上设置有可转动的轮盘，所述轮盘和所述扭力轴通过皮带轮连接。
进一步地，所述扭力执行机构还包括第二固定座，所述第二固定座固定设置在在所述底座的顶部的另一侧，所述螺旋摆动缸固定设置在所述第二固定座上，所述第二固定座和所述旋转盘座的顶部以及两个宽度方向的侧部之间均通过防护板连接。
进一步地，所述扭力轴通过联轴器和所述螺旋摆动缸的输出端连接。
本发明的有益效果是：
本发明所提供的一种岩石拉压环剪试验仪，其采用的试验仪的岩石剪切盒的内部为环形，在试验时所采用的试样为环形，并通过施加扭力的方式，使得岩石在剪切面上均匀受力且变形均匀；同时，可以施加轴向拉力、轴向压力、以及扭矩，实现岩石静态或动态拉、压、环剪及相互耦合的试验，对准确获取岩石抗剪强度、残余强度及变形、动力扰动下的抗剪强度，改进和完善岩石的本构关系，具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例的岩石剪切盒的结构示意图；
图2为本实施例的一种岩石拉压环剪试验仪的结构示意图；
图3为具有防护板的岩石拉压环剪试验仪的结构示意图；
图4为图2中的导向抗扭板的结构示意图；
图5为图2中的扭力轴的端部示意图；
图6为本实施例的旋转盘座的示意图；
图7为本实施例的一种岩石拉压环剪试验方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，直剪仪的缺陷均是由试样偏心受力引起的，只要能解决试样的偏心受力现象，便能从根本上解决上述缺陷。本申请通过利用环剪的方式解决试样偏心受力现象。环剪试验是一种空心扭剪试验，不仅可以保持剪切面积恒定不变，而且可以实现较大的剪切位移，最重要的是正应力施加稳定，消除了试验设备对法向荷载施加的影响。
首先，本实施例提供了一种岩石剪切盒，图1为本实施例的岩石剪切盒的结构示意图，结合图1，本实施例的岩石剪切盒8包括第一盒体8.1以及第二盒体8.2，第一盒体8.1以及第二盒体8.2的内部均为环形，因此，在试验时所采用制备的试样为环形。
结合图1，本实施例中，第一盒体8.1以及第二盒体8.2的宽度方向的两侧侧面均为直面，第一盒体8.1以及第二盒体8.2的底部为弧形，而第一盒体8.1以及第二盒体8.2的顶部均设置有吊环9，以用于和起吊设备连接。
结合图1，本实施例的岩石剪切盒8还包括密封套8.3，密封套8.3设置在第一盒体8.1以及第二盒体8.2之间，密封套8.3的轴向一端固定套设在第一盒体8.1上，第二盒体8.2可转动地设置在密封套8.3的轴向另一端，以保证试验时岩石剪切盒8的密封性。
结合图1，本实施例中，第一盒体8.1以及第二盒体8.2相背的端面上均设置有注胶孔8.4，每个盒体上的注胶孔8.4均具有多个，多个注胶孔8.4绕对应的盒体的中心轴间隔设置，使多个注胶孔8.4整体呈环形，在通过注胶孔8.4向岩石剪切盒8注胶时，可保证注入到岩石剪切盒8内的胶体的均匀性。
基于上述岩石剪切盒，本实施例还提供了一种岩石拉压环剪试验仪。
图2为本实施例的一种岩石拉压环剪试验仪的结构示意图，图3具有防护板的岩石拉压环剪试验仪的结构示意图，结合图2以及图3，本实施例的岩石拉压环剪试验仪包括底座2、轴力执行机构1、扭力执行机构3以及上述岩石剪切盒8。
本实施例的底座2为基体，其为岩石拉压环剪试验仪上的其余构件的载体，其整体可以为块状或箱型，本实施例对此不作限制。
结合图2以及图3，本实施例的轴力执行机构1包括加载油缸1.1以及导向抗扭板1.2，加载油缸1.1固定设置在底座2的顶部一侧上，加载油缸1.1的输出端做直线往返运动，导向抗扭板1.2设置在加载油缸1.1的输出端上。
本实施例的加载油缸1.1可以选用动态加载油缸。
结合图2以及图3，本实施例的扭力执行机构3包括螺旋摆动缸3.1以及扭力轴3.2，螺旋摆动缸3.1设置在底座2的顶部的另一侧，螺旋摆动缸3.1的输出端做旋转运动，扭力轴3.2可通过联轴器3.7设置在螺旋摆动缸3.1的输出端上，扭力轴3.2和导向抗扭板1.2相对设置。
结合图2以及图3，本实施例的岩石剪切盒8的第一盒体8.1可拆卸地设置在导向抗扭板1.2朝向扭力轴3.2的侧面上，第二盒体8.2可拆卸地设置在扭力轴3.2朝向导向抗扭板1.2的侧面上，第一盒体8.1以及第二盒体8.2可操作地对接。
图4为图2中的导向抗扭板的结构示意图，结合图2、图3以及图4，本实施例中，导向抗扭板1.2朝向扭力轴3.2的侧面上设置有第二定位槽1.3，第二定位槽1.3的顶部敞口，第二定位槽1.3的竖向两侧平行设置，第二定位槽1.3的底部为弧形，第一盒体8.1滑动配合地设置在第二定位凹槽1.3中，将第一盒体8.1吊装至第二定位槽1.3中时，第二定位槽1.3的竖向两侧可以对吊装进行导向，而第二定位槽1.3的底部为弧形的设置，可保证第一盒体8.1在第二定位槽1.3内的装配的稳定性。
图5为图2中的扭力轴的端部示意图，结合图2、图3以及图5，本实施例中，扭力轴3.2朝向导向抗扭板1.2的侧面上设置有第三定位槽3.3，第三定位槽3.3的竖向两侧平行设置，第三定位槽3.3的底部为弧形，第二盒体8.2滑动配合地设置在第三定位槽3.3中。将第二盒体8.2吊装至第三定位槽3.3中时，第三定位槽3.3的竖向两侧可以对吊装进行导向，而第三定位槽3.3的底部为弧形的设置，可保证第二盒体8.2在第三定位槽3.3内的装配的稳定性。
结合图2，本实施例中，试验仪还包括轴向加载传感器1.4及扭矩传感器3.4，轴向加载传感器1.4设置在加载油缸1.1的输出端上，以用于测试获取加载油缸1.1的输出值，而扭矩传感器3.4设置在和螺旋摆动缸3.1的输出端连接的扭力轴3.2上，用于测试获取螺旋摆动缸3.1的输出值。
结合图2，本实施例中，扭力执行机构3还包括旋转盘座3.5，旋转盘座3.5固定设置在2上，旋转盘座3.5和导向抗扭板1.2相对设置，扭力轴3.3可转动地穿过旋转盘座3.5，旋转盘座3.5可对扭力轴3.3的转动提供支撑。
图6为本实施例的旋转盘座的示意图，结合图6，本实施例中，旋转盘座3.5背向导向抗扭板1.2的一侧侧面上设置有可转动的轮盘6，轮盘6和扭力轴3.3通过皮带轮7连接，通过轮盘6和皮带轮7的传递，旋转盘座轴心安置角度编码器10，通过轮盘6和皮带轮7的传递，可获取试样的剪切角度。
结合图2以及图3，本实施例的轴力执行机构1还包括第一固定座1.5以及导向拉杆1.6，第一固定座1.5固定设置在2的顶部一侧，加载油缸1.1的固定端固定设置在第一固定座1.5中，导向拉杆1.6设置有多个，多个导向拉杆1.6分两组设置在加载油缸1.1的两侧，每个导向拉杆1.6均和加载油缸1.1的轴向平行设置，每个导向拉杆1.6的一端均固定设置在第一固定座1.5上，每个导向拉杆1.6的另一端均穿过导向抗扭板1.2，每个导向拉杆1.6的另一端均固定连接在旋转盘座3.5上，在加载油缸1.1带动导向抗扭板1.2往返移动的过程中，导向拉杆1.6的设置可以为导向抗扭板1.2往返移动提供导向。
本实施例中，导向抗扭板1.2在被导向拉杆1.6穿过的孔中设置有自润滑导向装置，使导向抗扭板无摩擦地沿导向拉杆1.6的方向滑动，实现了轴向荷载的传递。在施加扭矩时，保证第一盒体8.1位置的固定，将扭矩反力通过导向抗扭板1.2传递到导向拉杆1.6，再由导向拉杆1.6传递到第一固定座1.5上，最后传递到2上，所以导向抗扭板1.2即起到压缩、拉伸试验盒作用，又起到抗扭导向作用，以实现轴向(拉力、压力)的独立或混合的加载。
结合图2以及图3，本实施例的扭力执行机构3还包括第二固定座3.6，第二固定座3.6固定设置在在2的顶部的另一侧，螺旋摆动缸3.1固定设置在第二固定座3.6上，第二固定座3.6和旋转盘座3.5的顶部以及两个宽度方向的侧部之间均通过防护板4连接，由于螺旋摆动缸3.1的输出端做旋转运动，防护板4的设置可提高试验时的安全性。
本实施例中，每个防护板4上均可以开设有观察口5，用于了解试验时的工作状况。
最后，基于上述试验仪，本实施例还提供了一种岩石拉压环剪试验方法。
图7为本实施例的一种岩石拉压环剪试验方法的流程示意图，结合图7，该试验方法包括：
S1：将具有制备好的试样的岩石剪切盒吊装至岩石拉压环剪试验仪上，可通过吊机等设备整体吊装，岩石剪切盒吊装至试验仪上后，将第一盒体设置在导向抗扭板的第二定位凹槽中，第二盒体设置在扭力轴的第三定位凹槽中，如果是压缩扭剪试验时，无需固定，简化了试验安装步骤。如果是拉伸扭剪试验时，需将第一盒体和导向抗扭板采用螺纹固定，第二盒体和扭力轴也采用螺栓固定；
S2：当加载轴向压力时，操作轴力执行机构的加载油缸，向岩石剪切盒施加轴向压力至设定值，具体为：通过液压伺服泵向加载油缸无杆腔输油，推动加载油缸的活塞杆移动，施加轴向压力，继续加载轴向压力至加载传感器达到设定值，试验结束并需卸载轴向压力时，通过液压伺服泵向加载油缸的有杆腔输油，推动活塞杆回位；
S3：当加载轴向拉力时，操作轴力执行机构的加载油缸，向岩石剪切盒施加轴向拉力至设定值，具体为：当加载轴向拉力时，通过液压伺服泵向加载油缸的有杆腔输油，推动加载油缸的活塞杆移动，施加轴向拉力，继续加载轴向拉力至加载传感器达到设定值，试验结束并需卸载轴向拉力时，通过液压伺服泵向加载油缸的无杆腔输油，推动活塞杆回位；
S4：当加载扭矩时，操作扭力执行机构的螺旋摆动缸，向岩石剪切盒施加扭力至设定值，具体为：通过液压伺服泵向螺旋摆动缸输油，活塞在螺旋摆动缸的液压力作用下，活塞既沿螺旋棒直线运动又转动，带输出轴的螺旋棒同时也随之转动，施加扭矩，直至扭矩传感器达到设定值，试验结束时，卸载螺旋摆动缸的油压。
试验结束并需取出岩石试样时，通过吊装机吊移试验盒。如果是拉剪试验，需先将连接试验盒法兰盘与抗扭板、旋转轴的螺栓拆卸，再吊移试验盒。随后采用高温加热的方式，将岩石试样与试验盒分离，用溶胶剂清理试验盒的残余胶体。
本实施例将提供扭矩的机构选用螺旋摆动缸的原因是在于：螺旋摆动缸是利用大螺旋升角的螺旋副实现旋转运动的特殊液压缸，输出轴的螺旋棒与缸体固定，活塞内表面螺旋齿与螺旋棒的螺旋齿啮合，输出轴的螺旋棒表面形状与活塞外表面形状相同。因此，当活塞在转动套内液压力作用下，活塞既沿螺旋棒直线运动又转动，带输出轴的螺旋棒同时也随之转动。从而摆动运动得以实现，且在提供某一频率动态摆动时具有较好的稳定性。螺旋摆动缸具有结构紧凑、安全可靠、占位空间小，易于设计、输出扭矩和摆动角度大、动态稳定等优点。
本实施例的好处在于：
本实施例的岩石拉压环剪试验仪，具有结构简单、操控方便的特点，通过加载油缸、轴力传感器、导向抗扭板、导向拉杆组成的轴力执行机构，具有控制精度高、同时实现拉力、压力的加载及测量的功能、输出荷载值大等优点，通过螺旋摆动缸、联轴器、扭矩传感器组成的扭力执行机构，具有控制精度高、扭矩荷载施加大、扭矩测量准确、摩擦力小等优点。导向抗扭板与加载油缸的输出端连接固定，与导向拉杆组成的滑动导向结构即起到压缩、拉伸试验盒作用，又起到抗扭导向作用，实现了轴向荷载与扭矩的独立与耦合施加，保证试验加载过程中整个岩石拉压环剪试验仪的稳定性及荷载施加的平稳性。
综上所述，本实施例具有控制精准，易于操作，误差小，试验精度高，极大地提高了试验效率及成功率，可实现岩石拉、压、环剪及相互耦合的试验，对准确获取岩石抗剪强度、残余强度及变形，改进和完善岩石的本构关系，具有重要意义。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所述技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (9)
1.一种岩石拉压环剪试验仪，其特征在于，所述岩石拉压环剪试验仪包括：
底座；
轴力执行机构，所述轴力执行机构包括加载油缸以及导向抗扭板，所述加载油缸固定设置在底座的顶部一侧上，所述加载油缸的输出端做直线往返运动，所述导向抗扭板设置在所述加载油缸的输出端上；
扭力执行机构，所述扭力执行机构包括螺旋摆动缸以及扭力轴，所述螺旋摆动缸设置在所述底座的顶部的另一侧，所述螺旋摆动缸的输出端做旋转运动，所述扭力轴设置在所述螺旋摆动缸的输出端上，所述扭力轴和所述导向抗扭板相对设置；
岩石剪切盒，所述岩石剪切盒包括内部均为环形的第一盒体以及第二盒体，所述第二盒体可拆卸地设置在所述导向抗扭板朝向所述扭力轴的侧面上，所述第一盒体可拆卸地设置在所述扭力轴朝向所述导向抗扭板的侧面上，所述第一盒体以及第二盒体可操作地对接。
2.根据权利要求1所述的岩石拉压环剪试验仪，其特征在于，所述第一盒体以及所述第二盒体的宽度方向的两侧侧面均为直面，所述第一盒体以及所述第二盒体的底部为弧形；
所述导向抗扭板朝向所述扭力轴的侧面上设置有第二定位槽，所述第二定位槽的顶部敞口，所述第二定位槽的竖向两侧平行设置，所述第一定位槽的底部为弧形，所述第一盒体滑动配合地设置在所述第二定位凹槽中；
所述扭力轴朝向所述导向抗扭板的侧面上设置有第三定位槽，所述第三定位槽的顶部敞口，所述第三定位槽的竖向两侧平行设置，所述第三定位槽的底部为弧形，所述第二盒体滑动配合地设置在所述第三定位槽中。
3.根据权利要求1所述的岩石拉压环剪试验仪，其特征在于，所述岩石剪切盒还包括密封套，所述密封套设置在所述第一盒体以及所述第二盒体之间，所述密封套的轴向一端固定套设在所述第一盒体上，所述第二盒体可转动地设置在所述密封套的轴向另一端。
4.根据权利要求1所述的岩石拉压环剪试验仪，其特征在于，所述试验仪还包括轴向加载传感器以及扭矩传感器，所述轴向加载传感器设置在所述加载油缸的输出端上，所述扭矩传感器设置在和所述螺旋摆动缸的输出端连接的扭力轴上。
5.根据权利要求1所述的岩石拉压环剪试验仪，其特征在于，所述扭力执行机构还包括旋转盘座，所述旋转盘座固定设置在所述底座上，所述旋转盘座和所述导向抗扭板相对设置，所述扭力轴可转动地穿过所述旋转盘座。
6.根据权利要求5所述的岩石拉压环剪试验仪，其特征在于，所述轴力执行机构还包括第一固定座以及导向拉杆，所述第一固定座固定设置在所述底座的顶部一侧，所述加载油缸的固定端固定设置在所述第一固定座中，所述导向拉杆设置有多个，多个所述导向拉杆分两组设置在所述加载油缸的两侧，每个所述导向拉杆均和所述加载油缸的轴向平行设置，每个所述导向拉杆的一端均固定设置在所述第一固定座上，每个所述导向拉杆的另一端均穿过所述导向抗扭板，每个所述导向拉杆的另一端均固定连接在所述旋转盘座上。
7.根据权利要求5所述的岩石拉压环剪试验仪，其特征在于，所述旋转盘座背向所述导向抗扭板的一侧侧面上设置有可转动的轮盘，所述轮盘和所述扭力轴通过皮带轮连接。
8.根据权利要求5所述的岩石拉压环剪试验仪，其特征在于，所述扭力执行机构还包括第二固定座，所述第二固定座固定设置在在所述底座的顶部的另一侧，所述螺旋摆动缸固定设置在所述第二固定座上，所述第二固定座和所述旋转盘座的顶部以及两个宽度方向的侧部之间均通过防护板连接。
9.根据权利要求1所述的岩石拉压环剪试验仪，其特征在于，所述扭力轴通过联轴器和所述螺旋摆动缸的输出端连接。
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| CN116202886A (zh) * | 2023-04-21 | 2023-06-02 | 四川职业技术学院 | 一种金属材料剪切模量的检测装置及其检测方法 |
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- 2021-01-07 CN CN202110017243.6A patent/CN112781998A/zh active Pending
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