CN211122360U - 模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒，设有由上顶板与上剪切体构成的上剪切盒，和由下剪切体与下底板构成的下剪切盒，上、下剪切盒通过竖向辊轴压紧连接，试件放置在上、下剪切盒连接后形成的空腔中；试件上部设有法向加载垫块及法向加载压头，法向加载压头与法向加载垫块内设有高压水/气输入通道；上剪切盒内设有推动螺钉和预夹紧板可推动试件与上剪切体贴合；剪切盒中设有环绕空腔的扁平凹槽及出水/气通道；上顶板上设有移动滑板，下剪切体两侧设有大滚珠排；下底板下设有滑动滚排。使用本剪切盒能保证高压水/气的密封及快速对试件进行干湿循环操作，剪切过程中的摩擦力小，模拟试验结果吻合真实情况。

Description

模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒

技术领域

本实用新型涉及一种模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒。

背景技术

为了模拟、预测软弱夹层(岩土体)在自然工况下长期强度性质的变化情况，采用室内直接剪切试验来获得岩土体在各种条件下的力学性质参数是目前最为简便、有效的方法。

当前，研制降雨渗流和爆破振动耦合模拟岩土体剪切流变试验装置最核心的技术难点在于剪切盒的设计与加工。现有的岩石剪切流变试验剪切盒主要存在以下问题：

①、剪切盒以辐射流的方式进行高压水注入时，仅为单孔注入高压水，且插入试件内部的试件接头与法向加载垫块一体成型，完成一组试验后拆卸试件过程繁琐，影响试验效率。

②、在试验过程中可以使试件受到高压水的渗透而使含水率增加，但是无法使试件迅速干燥，因此难以模拟试件在自然条件下干湿循环的过程。

③、剪切盒内部用于放置试件的空腔尺寸是固定的，试件放入空腔之后可能会存有一定的空隙，而存在的空隙就会导致剪切过程中试件发生偏转，影响试验结果的准确性。

④、上剪切盒、下剪切盒在剪切过程中会产生滑动摩擦，这不仅会造成不必要的能量损耗，更重要的是所测出的试件抗剪强度大于实际抗剪强度，如何降低摩擦力对试验结果的影响是一个亟待解决的问题。

⑤、在进行剪切流变试验过程中施加循环振动荷载可以很好地模拟试件在实际工况下受到爆破振动影响，然而国内外目前尚无在剪切流变试验过程中对试件施加循环振动荷载的试验设备，如何对剪切盒进行相应的改造是一个创新性的问题。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能承受高水/气压、试验精度及效率高、方便快速实现试件的干湿循环而且还可以为施加循环振动荷载的装置进行相应设计的模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：提供一种模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒，至少包括上剪切盒、下剪切盒、法向加载压头、法向加载垫块和试件接头；

所述的上剪切盒由上顶板与上剪切体通过内六角圆柱头螺钉连接构成，下剪切盒由下剪切体和下底板通过内六角圆柱头螺钉连接构成；上剪切盒两侧设有通孔，下剪切盒的两侧设有内螺纹连接孔，竖向辊轴穿过上剪切盒两侧的通孔，通过内螺纹连接孔与下剪切盒啮合，上剪切盒与下剪切盒通过竖向辊轴压紧接触，进行剪切流变试验时竖向辊轴能在通孔范围内随下剪切盒一同沿切向移动；上剪切盒和下剪切盒固定连接后在内壁形成一个放置试件的长方体空腔；

所述的上顶板中间设置有圆形通孔，法向加载压头穿过圆形通孔并压在法向加载垫块上，法向加载压头设有顶部凹槽，顶部凹槽用于隼接法向作动器的球形万向压头以施加法向的荷载，法向加载压头的下部设有用于连接法向加载垫块的下部凹槽；法向加载垫块为“凸”字形，“凸”字形头部嵌合在法向加载压头的下部凹槽中，法向加载垫块的两肩部分与上顶板接触，法向加载垫块的侧边与上剪切体内壁接触；

所述的法向加载压头中设有与外界连通的入水/气通道，入水/气通道从法向加载压头垂直向下延伸进入法向加载垫块中，入水/气通道在法向加载垫块中转为水平水/气通道，水平水/气通道两端用内六角螺塞堵住，水平水/气通道下部等间距设有三个出水/气孔，在三个出水/气孔中均安装有试件接头，三个试件接头的另一端隼接于试件内；

所述的上剪切盒和下剪切盒接触处且位于长方体空腔外侧设有扁平凹槽，扁平凹槽用于避免损坏试件剪切面，扁平凹槽内设有与剪切盒外部连通的出水/气通道；

在上剪切体与切向动载作动器同侧处设有推动螺钉和预夹紧板，推动螺钉穿过上剪切体顶住预夹紧板，通过扭动推动螺钉推动预夹紧板和试件，使试件与上剪切体贴合；

在上顶板上方设有移动滑板，移动滑板与竖向辊轴的上部之间设置有标准弹簧垫圈与平垫圈；在下剪切体两侧设有大滚珠排，在下底板下方设有滑动滚排。

所述的上顶板与法向加载压头之间设置有3根环形密封圈用于上顶板与法向加载压头之间密封，法向加载压头底部设置有1根密封条用于法向加载压头和法向加载垫块之间的密封，防止高压水/气从法向加载压头与上顶板、法向加载压头与法向加载垫块接触处外泄；在上顶板与上剪切体之间、下剪切体与下底板之间以及扁平凹槽的周向均设置有矩形密封条。

所述的在三个出水/气孔中均安装有试件接头，出水/气孔与试件接头均设置有倒角，试件接头与出水/气孔接触部分设有环形的接头密封圈用于对高压水/气密封。

所述的在下剪切体两侧设有大滚珠排，还设有滚珠挡板及紧固螺钉，大滚珠排用于减小上剪切盒、下剪切盒之间摩擦力，所述滚珠挡板通过紧固螺钉紧固在下剪切体上。

在所述的移动滑板与上顶板之间设有小滚珠排，小滚珠排用于使移动滑板与上顶板之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，减小移动滑板与上顶板之间的摩擦力。

所述的下底板下方的滑动滚排设有滚排挡板和上、下两层滚排板，两层滚排板上设有排列有序的滚珠孔，滚珠孔内放有滚珠，滑动滚排中设有矩形孔；滚排挡板通过紧固螺钉紧固在下底板上用于限定滑动滚排的移动范围；滑动滚排用于试验时将下底板与下方接触部件之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，以降低系统摩擦力和不必要的能量消耗。

所述的剪切盒在外侧沿剪切方向设有光栅尺用于剪切位移的测量。

本实用新型中试件制成长方体，在试件上预制有三个孔径大于试件接头外径的圆柱孔，在进行模拟剪切试验时，试件接头与试件上圆柱孔的孔壁之间用胶水进行黏合。

本实用新型的流变试验剪切盒使用时，入水/气通道的入口一端连接能够提供稳定高压水的柱塞泵与蓄能器，入水/气通道有两侧入口，通水前用内六角螺塞堵住其中一侧，单侧进水。在出水/气通道的出水/气口一端连接流量测量系统，流量测量系统可采用大流量测量系统或小流量测量系统，大流量测量系统采用流量计对渗出的水量进行测量，小流量测量系统采用电子天平对渗出水量进行计量；在入口端与出口端均设置有监测水压的水压传感器，水压传感器与微型渗流伺服控制系统连接，可自动进行水压的调节。

本实用新型流变试验剪切盒在入水/气通道的入口一端还可以转接空气压缩泵，空气压缩泵与微型气压伺服控制系统连接，空气压缩泵出气端设置有气压计，微型气压伺服控制系统可以根据气压的高低自动进行气压的调节。

本实用新型下剪切盒底部的滑动滚排中设置有矩形孔，为在剪切盒下部法向方向上设置用于施加循环振动荷载的作动器预留了空间。

本实用新型的岩土体剪切流变试验剪切盒与现有技术相比具有的有益效果是：

⑴、本实用新型的试件接头与法向加载垫块之间的安装简单易行，且试件接头与试件之间采用胶水进行黏合即可，试件接头在每组试验完成之后重新更换，方便快捷，可以提升试验效率。

⑵、本实用新型实验前需在长方体试件顶部等间距预制三个渗流入水/气孔，可以使整个试件快速受到高压水/气的渗透，提升试验效率。

⑶、本实用新型的入水/气通道不仅可以进行高渗透水压作用下的岩土体剪切流变试验，还可以在不拆卸试件与剪切盒的同时，直接风干试件继续进行试验，能够很好地模拟干湿循环作用对试件流变效应的影响。

⑷、本实用新型在上剪切盒中设置了推动螺钉和预夹紧板，在进行剪切流变试验之前可以通过扭动推动螺钉来推动预夹紧板和试件，使试件与另一侧的上剪切体紧密贴合，可有效地避免因试件与剪切体初始时未紧密接触而导致试件在试验过程中发生偏转的情况，提高了试验结果的准确性。

⑸、本实用新型的剪切盒在上顶板与移动滑板之间设置有小滚珠排，在上剪切盒与下剪切盒之间均设置有大滚珠排，以及下剪切盒底部设置有滑动滚排，可将上述部件间的滑动摩擦变为滚动摩擦，有效地降低试验系统摩擦力和不必要的能量消耗，提高试验结果的准确性。

附图说明

图1为本实用新型的剪切盒正视剖面结构示意图。

图2为本实用新型的剪切盒俯视结构示意图。

图3为本实用新型的剪切盒侧视剖面结构示意图。

图4为本实用新型下剪切盒底部的滑动滚排结构俯视示意图。

上述图中：1—法向加载压头，2—入水/气通道，3—竖向辊轴，4—移动滑板，5—上顶板，6—环形密封圈，7—内六角螺塞，8—法向加载垫块，9—试件接头，10—扁平凹槽，11—接头密封圈，12—滑动滚排，13—滚珠，14—下底板，15—下剪切体，16—出水/气通道，17—矩形密封条，18—推动螺钉，19—大滚珠排，20—紧固螺钉，21—滚珠挡板，22—滚排挡板，23—密封条，24—上剪切体，25—通孔，26—滚珠孔，27—预夹紧板，28—矩形孔，29—小滚珠排，30—内六角圆柱头螺钉，31—平垫圈，32—标准弹簧垫圈，33—试件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的剪切盒作进一步说明，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：本实用新型提供一种模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒,剪切盒的结构如图1～4所示。本实用新型的剪切盒至少包括上剪切盒、下剪切盒、法向加载压头1、法向加载垫块8与试件接头9。

参见图1，所述的上剪切盒由上顶板5与上剪切体24通过内六角圆柱头螺钉30连接构成，下剪切盒由下剪切体15和下底板14通过内六角圆柱头螺钉30连接构成；上剪切盒两侧设有通孔25，下剪切盒的两侧设有内螺纹连接孔，竖向辊轴3穿过上剪切盒两侧的通孔，通过所述的内螺纹连接孔与下剪切盒啮合，上剪切盒与下剪切盒通过竖向辊轴压紧接触，进行剪切流变试验时竖向辊轴能在通孔范围内随下剪切盒一同沿切向移动；上剪切盒和下剪切盒固定连接后在内壁形成一个放置试件33的长方体空腔。

所述的上顶板5中间设置有圆形通孔，法向加载压头1穿过圆形通孔并压在法向加载垫块8上，法向加载压头设有顶部凹槽，顶部凹槽用于隼接法向作动器的球形万向压头以施加法向的荷载，法向加载压头的下部设有用于连接法向加载垫块8的下部凹槽；法向加载垫块为“凸”字形，“凸”字头部正好嵌合在法向加载压头的下部凹槽中，法向加载垫块的两肩部分与上顶板接触，法向加载垫块的侧边与上剪切体24内壁接触。

所述的法向加载压头设有与外界连通的入水/气通道2，参见图1、3，入水/气通道有两个入口，入水/气通道从法向加载压头1垂直向下延伸进入法向加载垫块8中，入水/气通道2在法向加载垫块中转为水平水/气通道，水平水/气通道两端用内六角螺塞7堵住，水平水/气通道下部等间距设置有三个出水/气孔，三个出水/气孔中分别安装一个不可重复使用的但可拆卸的试件接头9，试件接头与出水/气孔均设置有倒角，且试件接头与出水/气孔接触部分均设置有环形的接头密封圈11用于对高压水/气密封，三个试件接头的另一端直接隼接于长方体试件33内。

所述的上顶板与法向加载压头之间设置有3根环形密封圈6用于上顶板5与法向加载压头1之间密封，法向加载压头底部设置有1根密封条23用于法向加载压头和法向加载垫块8之间的密封，防止高压水/气从法向加载压头与上顶板、法向加载压头与法向加载垫块接触处外泄；上顶板5与上剪切体24接触部分、下剪切体15与下底板14之间以及上剪切盒和下剪切盒接触处所设扁平凹槽10的周向均设置有矩形密封条17。

参见图1、3，本实用新型在进行剪切流变试验时将试件33制成长方体，试件放置在长方体空腔中，本实用新型的上剪切体24在与切向动载作动器同侧的处设有推动螺钉18和预夹紧板27，推动螺钉穿过上剪切体顶住预夹紧板，可通过扭动推动螺钉来推动预夹紧板和试件，使试件与另一侧的上剪切体紧密贴合；同时为了减小上剪切体和下剪切体在剪切过程中的摩擦力，沿剪切方向在下剪切体15两侧设置了大滚珠排19、滚珠挡板21以及紧固螺钉20，滚珠挡板通过紧固螺钉紧固在下剪切体15上。

本实用新型的上顶板5上方设有移动滑板4，参见图1、2、3，竖向辊轴3的上部与移动滑板之间设置有标准弹簧垫圈32与平垫圈31，为了减小系统摩擦力和降低不必要的能量消耗，移动滑板与上顶板5之间设有小滚珠排29，小滚珠排29用于使移动滑板4与上顶板5之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，减小移动滑板与上顶板之间的摩擦力，由于上剪切盒两侧设有通孔25，试验过程中切向静载作动器推动下剪切盒以及与下剪切盒连接的竖向辊轴3沿切向移动，则竖向辊轴会随之在通孔25内移动，而上剪切体24以及上顶板5保持静止状态。

参见图2、3、4，本实用新型在下剪切盒的下底板14下方设置有滑动滚排12和滚排挡板22，滑动滚排设有上、下两层滚排板，滚排板中设有排列有序的滚珠孔26，滚珠孔内放置滚珠13；滚排挡板通过紧固螺钉20紧固在下底板14两侧，滚排挡板22限定了滑动滚排12的移动范围，且使滑动滚排与下剪切盒的相对位置保持不变。试验时滑动滚排将下底板与下方接触部件之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，用于降低试验系统摩擦力和不必要的能量消耗。滑动滚排中开有一个矩形孔28，矩形孔为在剪切盒下部法向方向上设置用于施加循环振动荷载的作动器预留了空间。

本实用新型在剪切盒外侧沿剪切方向设有光栅尺用于剪切位移的测量(附图未示出)。

使用本实用新型的剪切盒，在向法向加载压头1输入高压水/气之前，先采用内六角螺塞将入水/气通道2其中一侧入口堵塞，高压水沿另一侧入口通过法向加载压头1和法向加载垫块8，最后经试件接头9进入试件33内部。由于试件接头不可重复使用，每组试验完成后均需更换试件接头。高压水渗透试件后经扁平凹槽10流向出水/气通道16，扁平凹槽为在上剪切体与下剪切体接触部分的内侧所设的具有一定高度和宽度的凹槽。同时，为了在试验过程中使试件快速干燥，入水/气通道2还可以转接空气压缩泵，输入干燥的空气对试件进行风干，以降低试件的含水率。

使用本实用新型的剪切盒进行模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验，具体步骤如下：

⑴、准备试件33，形状为：剪切方向150mm，其余两个方向均为75mm的长方体；材质采用炭质泥页岩等强度较低的试件。

试件33切割成所要求的形状之后，需要在试件顶部平行于剪切方向的中心线上等间距钻出三个直径为4mm，深37.5mm的圆柱孔，并将圆柱孔内部清理干净。

⑵、将下剪切盒的下底板14与下剪切体15放置于滑动滚排12上，同时安装好下剪切盒内的矩形密封条17，再用内六角圆柱头螺钉30拧紧下剪切体15与下底板14，保证下剪切体15与下底板14紧密连接；然后将试件33放入下剪切盒的腔体中；再安装上剪切体24以及其余矩形密封条17，要合理装配保证上剪切体与下剪切体的垂直度与平行度；

组装上顶板5与法向加载压头1，同时安装好环形密封圈6和密封条23，确保法向加载压头的下部与上顶板的底部平行；然后将法向加载垫块8的“凸”字形头部与法向加载压头下部凹槽对准装好；将试件接头9安装在法向加载垫块8上，安装时要用力适当，确保试件接头与法向加载垫块紧密接触，同时拧紧内六角螺塞7封闭法向加载垫块内部水平水/气通道的两端；在试件接头9的外壁和试件圆柱孔的内壁分别均匀涂抹胶水，然后将试件接头9对准试件33中的圆柱孔，下放安装法向加载压头、上顶板、法向加载垫块及试件接头；

再用内六角圆柱头螺钉30拧紧上顶板5与上剪切体24，保证上顶板与上剪切体紧密接触，从而达到良好的密封效果。最后安装移动滑板4，并拧紧竖向辊轴3，使上剪切盒和下剪切盒紧密接触。

⑶、通过扭动推动螺钉18，推动预夹紧板27和试件，使试件与另一侧的上剪切体紧密贴合。

⑷、将安装完成的剪切盒放入预定的试验工位，将入水/气通道2连接进水管，进水管与水压加载系统连接，出水/气通道16连接出水管，出水管与水流量测量系统连接；检查各系统是否正常后，进行岩土体剪切流变试验。

⑸、需要施加干湿循环作用时，不必拆卸试件与剪切盒，可直接将入水/气通道2转接空气压缩泵，输入干燥的空气对试件风干，使试件的含水率降低，这样就能很好地模拟干湿循环作用对试件流变效应的影响。

⑹、试验完成后，按步骤⑵的安装顺序逆向操作拆卸剪切盒，最后将剪切盒腔体中试验过的试件清理干净。

本实用新型的剪切盒结构简单，试件接头与法向加载垫块之间的安装方便易行。本剪切盒能保证高压水/气的密封及快速对试件进行干湿循环操作，且由于避免了剪切过程中试件发生偏转，降低了部件之间的摩擦力，使剪切试验结果更加准确，吻合真实情况。

Claims (7)

1.一种模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒，至少包括上剪切盒、下剪切盒、法向加载压头、法向加载垫块和试件接头；其特征在于：

所述的上剪切盒由上顶板与上剪切体通过内六角圆柱头螺钉连接构成，下剪切盒由下剪切体和下底板通过内六角圆柱头螺钉连接构成；上剪切盒两侧设有通孔，下剪切盒的两侧设有内螺纹连接孔，竖向辊轴穿过上剪切盒两侧的通孔，通过内螺纹连接孔与下剪切盒啮合，上剪切盒与下剪切盒通过竖向辊轴压紧接触，进行剪切流变试验时竖向辊轴能在通孔范围内随下剪切盒一同沿切向移动；上剪切盒和下剪切盒固定连接后在内壁形成一个放置试件的长方体空腔；

所述的上顶板中间设置有圆形通孔，法向加载压头穿过圆形通孔并压在法向加载垫块上，法向加载压头设有顶部凹槽，顶部凹槽用于隼接法向作动器的球形万向压头以施加法向的荷载，法向加载压头的下部设有用于连接法向加载垫块的下部凹槽；法向加载垫块为“凸”字形，“凸”字形头部嵌合在法向加载压头的下部凹槽中，法向加载垫块的两肩部分与上顶板接触，法向加载垫块的侧边与上剪切体内壁接触；

所述的法向加载压头中设有与外界连通的入水/气通道，入水/气通道从法向加载压头垂直向下延伸进入法向加载垫块中，入水/气通道在法向加载垫块中转为水平水/气通道，水平水/气通道两端用内六角螺塞堵住，水平水/气通道下部等间距设有三个出水/气孔，在三个出水/气孔中均安装有试件接头，三个试件接头的另一端隼接于试件内；

所述的上剪切盒和下剪切盒接触处且位于长方体空腔外侧设有扁平凹槽，扁平凹槽用于避免损坏试件剪切面，扁平凹槽内设有与剪切盒外部连通的出水/气通道；

在上剪切体与切向动载作动器同侧处设有推动螺钉和预夹紧板，推动螺钉穿过上剪切体顶住预夹紧板，通过扭动推动螺钉推动预夹紧板和试件，使试件与上剪切体贴合；

在上顶板上方设有移动滑板，移动滑板与竖向辊轴的上部之间设置有标准弹簧垫圈与平垫圈；在下剪切体两侧设有大滚珠排，在下底板下方设有滑动滚排。

2.根据权利要求1所述的模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒，其特征在于：所述的上顶板与法向加载压头之间设置有3根环形密封圈用于上顶板与法向加载压头之间密封，法向加载压头底部设置有1根密封条用于法向加载压头和法向加载垫块之间的密封，防止高压水/气从法向加载压头与上顶板、法向加载压头与法向加载垫块接触处外泄；在上顶板与上剪切体之间、下剪切体与下底板之间以及扁平凹槽的周向均设置有矩形密封条。

3.根据权利要求1所述的模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒，其特征在于：所述的在三个出水/气孔中均安装有试件接头，出水/气孔与试件接头均设置有倒角，试件接头与出水/气孔接触部分设有环形的接头密封圈用于对高压水/气密封。

4.根据权利要求1所述的模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒，其特征在于：所述的在下剪切体两侧设有大滚珠排，还设有滚珠挡板及紧固螺钉，大滚珠排用于减小上剪切盒、下剪切盒之间摩擦力，所述滚珠挡板通过紧固螺钉紧固在下剪切体上。

5.根据权利要求1所述的模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒，其特征在于：在所述的移动滑板与上顶板之间设有小滚珠排，小滚珠排用于使移动滑板与上顶板之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，减小移动滑板与上顶板之间的摩擦力。

6.根据权利要求1所述的模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒，其特征在于：所述的下底板下方的滑动滚排设有滚排挡板和上、下两层滚排板，两层滚排板上设有排列有序的滚珠孔，滚珠孔内放有滚珠，滑动滚排中设有矩形孔；滚排挡板通过紧固螺钉紧固在下底板上用于限定滑动滚排的移动范围；滑动滚排用于试验时将下底板与下方接触部件之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，以降低系统摩擦力和不必要的能量消耗。

7.根据权利要求1所述的模拟降雨渗流和爆破振动耦合的岩土体剪切流变试验剪切盒，其特征在于：所述的剪切盒在外侧沿剪切方向设有光栅尺用于剪切位移的测量。

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