專利名稱：一種變角板剪切儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及巖石力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種測(cè)定巖石抗剪斷強(qiáng)度的室內(nèi)變 角剪切儀，利用壓力試驗(yàn)機(jī)施加垂直荷載，通過改變裝置的剪切角度獲得正方體巖塊破壞 時(shí)的不同正應(yīng)力及剪應(yīng)力組合，從而繪制出強(qiáng)度包絡(luò)線，獲得相應(yīng)的巖石強(qiáng)度參數(shù)。
背景技術(shù)：
測(cè)定巖石抗剪斷強(qiáng)度的室內(nèi)試驗(yàn)常用的方法有直剪試驗(yàn)、變角剪切試驗(yàn)以及三軸壓縮 試驗(yàn)。變角剪切試驗(yàn)是其中最簡(jiǎn)單的一種方法，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。 變角剪切試驗(yàn)利用壓力試驗(yàn)機(jī)施加垂直荷載，通過特制的夾具使巖塊試樣沿一個(gè)剪切面剪 斷，通過改變剪切面的傾斜角度可以獲得一系列巖塊剪切破壞時(shí)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力組合， 繪制這兩種應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(即強(qiáng)度包絡(luò)線)，可以求得巖石的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力等力 學(xué)參數(shù)。
《公路工程石料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ054-94)、沈明榮主編的《巖體力學(xué)》(同濟(jì)大學(xué)出版社， 1999)以及吳德倫等主編的《巖石力學(xué)》(重慶大學(xué)出版社，2002)推薦了相類似的變角板 楔形剪切儀，此類剪切儀通過更換不同角度的墊板來調(diào)節(jié)角度，存在角度不能連續(xù)調(diào)節(jié)、 裝置整體性差的缺點(diǎn)。蔡美峰主編的《巖石力學(xué)與工程》(科學(xué)出版社，2002)也給出了一 種角模壓剪試驗(yàn)裝置，這種裝置角度的調(diào)節(jié)是通過更換不同角度的楔形板來實(shí)現(xiàn)的，也存 在不能連續(xù)調(diào)節(jié)角度、裝置整體性差的缺點(diǎn)，同時(shí)會(huì)引起試樣和夾具的中心隨角度的改變 而改變，致使裝置重心偏離中心線，容易造成裝置傾倒。李智毅、楊裕云主編的《工程地 質(zhì)學(xué)概論》(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1994)給出了一種變角板夾具，初步解決了角度不能連 續(xù)調(diào)節(jié)和重心偏離的問題，但是存在如何使得變角板在實(shí)驗(yàn)過程中保持相應(yīng)角度不變、增 加夾具穩(wěn)定性的主要問題。朱定華等(實(shí)驗(yàn)室研究與探索，第20巻第1期，2001)研制了一 種通過改變半圓弧的不同組合來改變剪切角度的變角剪切儀，雖然經(jīng)過驗(yàn)證取得了好的試 驗(yàn)效果，但是存在著儀器關(guān)鍵部位容易磨損的缺點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致裝置使用壽命的縮短。發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前變角板剪切試驗(yàn)裝置存在的主要不足，本實(shí)用新型的目的是在于提供了一 種變角板剪切儀，該儀不僅可以非常靈活地調(diào)節(jié)試樣剪切面的角度，而且有良好的自穩(wěn)能 力，整體性好，經(jīng)久耐用。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
該剪切儀包括夾板、圓柱形墊塊、變角板、直角墊板、滾軸、滾軸框、螺栓、螺母，其 特征在于圓柱形墊塊通過螺栓、螺母緊固變角板并固定在夾板上，在變角板的內(nèi)側(cè)的直 角墊板與巖石試樣直接接觸，在滾軸框上裝有滾軸，變角板中間厚邊緣薄，變角板為圓弧 形邊緣，且其弧形邊界的尺寸與夾板弧形邊界的尺寸相匹配，變角板開有環(huán)形孔洞的邊緣 部分塞入夾板的凹槽，在圓柱形墊塊、螺栓以及螺母的輔助下夾緊變角板。本剪切儀采用 了一種可以方便地更換的直角墊板與巖石試樣直接接觸。單個(gè)滾軸的形狀是一個(gè)圓柱形的 桿，且中間部分的直徑大于兩端。滾軸框的前后兩側(cè)分別開有一排直徑略大于滾軸兩端突 出小圓柱直徑的等間距的圓孔，且滾軸框底部的邊緣高于滾軸的最低點(diǎn)。
為了使正方體巖石試樣的剪切面可以變換到任意角度，并且變換角度之后重心不偏離整 個(gè)裝置的中線，本實(shí)用新型中變角板的邊緣、夾板中部的環(huán)狀凹槽及其邊緣的凹槽均采用 了圓弧形的設(shè)計(jì)，并且整個(gè)裝置是關(guān)于巖石試樣的中心所在的豎直面呈平面中心對(duì)稱的， 裝置中所有圓弧形邊界的圓心都是巖石試樣的中心。
為了保證試驗(yàn)加壓過程中變角板不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，本實(shí)用新型采用了一種中間厚、邊緣薄 的變角板，并在變角板的邊緣部分開環(huán)形孔洞，在圓柱形墊塊、螺栓及螺母的輔助下，將 變角板夾緊在開有凹槽的夾板上。
為了增大本實(shí)用新型的適用范圍并且增加其使用壽命，本實(shí)用新型采用了一種直角墊 板。這種直角墊板的具體作用有兩個(gè) 一是更換不同厚度的直角墊板可以適用于不同邊長(zhǎng) 的正方體巖石試樣的試驗(yàn)，增加厚度可以做較小尺寸試樣的試驗(yàn)，減小厚度可以做較大尺 寸的試樣的試驗(yàn)；二是避免巖石試樣與變角板的直接接觸磨損，當(dāng)直角墊板幽損嚴(yán)重之后 只需更換相應(yīng)的墊塊，有利于延長(zhǎng)裝置的使用壽命、降低成本，并且可以有效地提高試驗(yàn) 精度。
為了最大限度地減小裝置沿試樣剪切變形方向的水平摩擦，本實(shí)用新型采用了 一種特殊 的滾軸連接機(jī)構(gòu)。單個(gè)滾軸的形狀是一個(gè)圓柱形的桿，且中間部分的直徑大于兩端，兩端 突出的小圓柱起到定位滾軸的作用。滾軸框的前后兩側(cè)分別開有一排直徑略大于突出小圓 柱的等間距的圓孔，以保證滾軸可以帖在試驗(yàn)機(jī)的下壓板上互不影響地自由滾動(dòng)。滾軸框
4底部的邊緣高于滾軸的最低點(diǎn)，避免發(fā)生滾軸框與試驗(yàn)機(jī)下壓板的摩擦。 本實(shí)用新型的主要優(yōu)點(diǎn)有
1) 實(shí)現(xiàn)了試樣剪切面角度的連續(xù)調(diào)節(jié)；
2) 整體性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。不需要加工多種角度的楔形墊板；
3) 有良好的自穩(wěn)性。角度改變之后整個(gè)裝置重心不會(huì)偏離中心線；
4) 適用范圍廣?？梢赃m用于不同邊長(zhǎng)的正方體試樣；
5) 整體使用壽命長(zhǎng)。直角墊板、螺栓、螺母等易于損壞的部件可以方便地更換；

圖l為一種變角板剪切儀的三維拆分示意圖。
圖2為一種變角板剪切儀的三維組裝示意圖。 圖3為一種變角板剪切儀的平面主視圖。
圖中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的名稱為
1一第一夾板、2—第一螺栓、3—第二螺栓、4一第一圓柱形墊塊、5—第二圓柱形墊塊、 6—第一變角板、7—第一直角墊板、8—巖石試樣、9一第二直角墊板、IO—第二變角板、 ll一第二夾板、12—第三圓柱形墊塊、13—第四圓柱形墊塊、14—第三螺栓、15—第四螺 栓、16—滾軸、17—滾軸框、18—第一螺母、19一第二螺母、20—第三螺母、21—第四螺母。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述
根據(jù)圖l、圖2、圖3可知，該剪切儀包括第一、第二夾板l、 11、第一、第二、第三、第 四圓柱形墊塊4、 5、 12、 13、第一、第二變角板6、 10、第一、第二直角墊板7、 9、滾軸16、 滾軸框17、第一、第二、第三、第四螺栓2、 3、 14、 15、第一、第二、第三、第四螺母18、 19、 20、 21，位于裝置中部的巖石試樣8是本實(shí)用新型的實(shí)施對(duì)象。
第一、第二變角板6、 IO為圓弧形邊緣，弧形邊界的尺寸與第一、第二夾板l、 11弧 形邊界的尺寸相匹配，第一、第二變角板6、 10開有環(huán)形孔洞的邊緣部分分別塞入第一、 第二夾板l、 11的凹槽，第一、第二、第三、第四圓柱形墊塊4、 5、 12、 13、第一、第二、 第三、第四螺栓2、 3、 14、 15以及第一、第二、第三、第四螺母18、 19、 20、 21將第一、 第二變角板6、 IO固定在第一、第二夾板l、 11上，在第一、第二變角板6、 IO的內(nèi)側(cè)第
5一、第二直角墊板7、 9與巖石試樣8直接接觸，滾軸框17上裝有滾軸16。 滾軸16的形狀是圓柱形的桿，中間的直徑大于兩端。
滾軸框17的前后兩側(cè)分別開有一排直徑大于滾軸16兩端突出小圓柱直徑的等間距的 圓孔，滾軸框17底部的邊緣高于滾軸16的低點(diǎn)。
第一夾板1前后兩側(cè)有開孔，第二夾板11前后兩側(cè)有開孔。
第一變角板6塞入第一夾板1，第一、第二圓柱形墊塊4、 5分別塞入第一夾板1前側(cè) 的兩個(gè)孔，第一、第二螺栓2、 3分別塞入第一、第二圓柱墊塊4、 5。
第二變角板10塞入第二夾板11，第三、第四圓柱形墊塊12、 13分別塞入第二夾板11 前側(cè)的兩個(gè)孔，第三、第四螺栓20、 21分別塞入第三、第四圓柱墊塊12、 13。
第一直角墊板7貼在第一夾板6的下側(cè)，第二直角墊塊9貼在第二夾板11的上側(cè)。
首先依據(jù)圖l說明各個(gè)部件的特征及其作用
第一夾板l前后兩側(cè)有開孔，孔的位置應(yīng)當(dāng)與第一變角板6邊緣的環(huán)形孔洞相匹配，原則 是不影響第一變角板6轉(zhuǎn)動(dòng)到足夠的角度。前側(cè)孔的直徑與第一、第二圓柱形墊塊4、 5相匹 配，后側(cè)孔的直徑與第一、第二螺栓2、 3相匹配。第一夾板l的中部開環(huán)形凹槽，凹槽的寬 度與第一變角板6邊緣突出部分的厚度相匹配，目的是保證第一變角板6可以順利塞入第一 夾板l的環(huán)形凹槽；凹槽的深度應(yīng)大于第一變角板6的邊緣部分沿直徑方向的寬度，目的是 保證第一變角板6中部較厚部分的弧形邊緣面可以與第一夾板1兩側(cè)底部的弧形邊緣面良好 地接觸，以增加裝置的穩(wěn)定性和試驗(yàn)精度。
第二夾板ll前后兩側(cè)有開孔，孔的位置應(yīng)當(dāng)與第二變角板10邊緣的環(huán)形孔洞相匹配，原 則是不影響第二變角板10轉(zhuǎn)動(dòng)到足夠的角度。前側(cè)孔的直徑與第三、第四圓柱形墊塊12、 13相匹配，后側(cè)孔的直徑與第三、第四螺栓14、 15相匹配。第二夾板ll的中部開環(huán)形凹槽， 凹槽的寬度與第二變角板10邊緣突出部分的厚度相匹配，目的是保證第二變角板10可以順 利塞入第二夾板ll的環(huán)形凹槽；凹槽的深度應(yīng)大于第二變角板10的邊緣部分沿直徑方向的 寬度，目的是保證第二變角板10中部較厚部分的弧形邊緣面可以與第二夾板11兩側(cè)底部的 弧形邊緣面良好地接觸，以增加裝置的穩(wěn)定性和試驗(yàn)精度。
第一、第二直角墊板7、 9在本裝置中是可以更換的，其作用有兩個(gè) 一是更換不同厚度 的第一、第二直角墊板7、 9可以適用于不同邊長(zhǎng)的正方體巖石試樣8的試驗(yàn)，增加厚度可以 做較小尺寸試樣的試驗(yàn)，減小厚度可以做較大尺寸的試樣的試驗(yàn)；二是避免巖石試樣8與第 一、第二變角板6、 IO的直接接觸磨損，當(dāng)?shù)谝弧⒌诙苯菈|板7、 9磨損嚴(yán)重之后只需更換相應(yīng)的墊塊，其作用是延長(zhǎng)裝置的使用壽命、降低成本，并且可以有效提高試驗(yàn)精度。
單個(gè)滾軸16的形狀是一個(gè)圓柱形的桿，且中間部分的直徑大于兩端，兩端突出的小圓柱 起到定位滾軸16的作用。滾軸框17的前后兩側(cè)分別開有一排直徑略大于突出小圓柱的等間 距的圓孔，以保證滾軸16可以帖在試驗(yàn)機(jī)的下壓板上互不影響地自由滾動(dòng)。同時(shí)應(yīng)當(dāng)保證 滾軸16裝配好之后滾軸框17底部的邊緣高于滾軸16的最低點(diǎn)(如圖3所示)，以避免滾軸框 17與試驗(yàn)機(jī)下壓板的直接摩擦。采取這些措施的目的是最大限度地減小裝置沿剪切變形方 向的水平摩擦，增加試驗(yàn)精度。
下面依據(jù)圖2、圖3說明各個(gè)部件的連接方式及其作用
滾軸16以上的結(jié)構(gòu)(指的是第一、第二夾板l、 11、第一、第二、第三、第四圓柱形墊 塊4、 5、 12、 13、第一、第二變角板6、 10、第一、第二直角墊板7、 9關(guān)于巖石試樣8的中 心所在的豎直平面呈平面中心對(duì)稱，剪切儀中所有圓弧邊界的圓心都是巖石試樣8的中心， 其作用是保證第一、第二變角板6、 IO在調(diào)整不同的角度之后整個(gè)裝置的重心不會(huì)偏離中線， 并且試樣剪切面的角度可以連續(xù)調(diào)節(jié)。
將第一變角板6塞入第一夾板1，將第一、第二圓柱形墊塊4、 5分別塞入第一夾板1前側(cè) 的兩個(gè)孔，將第一、第二螺栓2、 3分別塞入第一、第二圓柱形墊塊4、 5,然后穿過第一變 角板6的邊緣的環(huán)形孔洞和第一夾板1，最后分別擰上第一、第二螺母18、 19。第一、第二 螺栓2、 3、第一、第二圓柱形墊塊4、 5以及第一、第二螺母18、 19的作用是夾緊第一變 角板1以保證在試驗(yàn)加壓過程中第一變角板6不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
將第二變角板10塞入第二夾板11，將第三、第四圓柱形墊塊12、 13分別塞入第二夾板11 前側(cè)的兩個(gè)孔，將第三、第四螺栓20、 21分別塞入第三、第四圓柱形墊塊12、 13，然后穿 過第二變角板10的邊緣的環(huán)形孔洞和第二夾板11，最后分別擰上第三、第四螺母20、 21。 第三、第四螺栓14、 15、第三、第四圓柱形墊塊12、 13以及第三、第四螺母20、 21的作用 是夾緊第二變角板11以保證在試驗(yàn)加壓過程中第二變角板10不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
第一直角墊板7帖在第一夾板6的下側(cè)，第二直角墊板9帖在第二夾板11的上側(cè)。這兩塊 墊板的內(nèi)側(cè)與巖石試樣8接觸，是試樣所受荷載的直接施加者。
第二夾板11與滾軸16接觸，滾軸16的作用是消除試驗(yàn)過程中裝置沿試樣剪切變形方向的 水平約束，使巖石試樣8可以自由地發(fā)生沿剪切面的剪切變形。
一個(gè)典型的試驗(yàn)過程如下
71) 調(diào)整剪切面角度裝置的表面刻有輔助調(diào)節(jié)變角板角度的刻度線(附圖中每一刻度 代表5度)，參照這些刻度線將第一、第二變角板6、 IO的角度粗調(diào)到大致的角度。然后將正 方體標(biāo)準(zhǔn)試樣放到巖石試樣8的位置(如圖2所示)，使用量角器和直角板進(jìn)行剪切面角度的 微調(diào)節(jié)，然后擰緊所有的第一、第二、第三、第四螺母18、 19、 20、 21以保證第一、第二 變角板6、 IO在試驗(yàn)過程中不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
2) 安放試樣將步驟1中的正方體標(biāo)準(zhǔn)試樣替換為要進(jìn)行試驗(yàn)的巖石試樣8。將裝置周 圍用木板或其它板材進(jìn)行保護(hù)，以避免試件突然破壞，裝置滑出。必要時(shí)可以將裝置上部 結(jié)構(gòu)捆綁到壓力機(jī)的上壓板上。
3) 施加荷載開動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，直到巖石試樣8發(fā)生沿著剪切面的破壞，記錄
下破壞荷載。
4) 重復(fù)試驗(yàn)依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，重復(fù)步驟2-3，以該角度進(jìn)行若干塊巖石試樣的試驗(yàn)。
5) 變換角度變換第一、第二變角板6、 IO的剪切角度，的重復(fù)步驟1-4進(jìn)行試驗(yàn)，取 得不同角度下的試樣破壞荷載。
6) 整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
8
權(quán)利要求1、一種變角板剪切儀，它包括第一、第二夾板(1、11)、第一、第二變角板(6、10)、第一、第二直角墊塊(7、9)、滾軸(16)、滾軸框(17)，其特征是第一、第二變角板(6、10)為圓弧形邊緣，弧形邊界的尺寸與第一、第二夾板(1、11)弧形邊界的尺寸相匹配，第一、第二變角板(6、10)開有環(huán)形孔洞的邊緣部分分別塞入第一、第二夾板(1、11)的凹槽，第一、第二、第三、第四圓柱形墊塊(4、5、12、13)、第一、第二、第三、第四螺栓(2、3、14、15)以及第一、第二、第三、第四螺母(18、19、20、21)將第一、第二變角板(6、10)固定在第一、第二夾板(1、11)上，在第一、第二變角板(6、10)的內(nèi)側(cè)第一、第二直角墊板(7、9)與巖石試樣(8)直接接觸，滾軸框(17)上裝有滾軸(16)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變角板剪切儀，其特征是滾軸(16)的形狀是圓柱形的桿，中間的直徑大于兩端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變角板剪切儀，其特征是滾軸框(17)的前后兩側(cè)分別開有一排直徑大于滾軸(16)兩端突出小圓柱直徑的等間距的圓孔，滾軸框(17)底部的邊緣高于滾軸(16)的低點(diǎn)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變角板剪切儀，其特征是第一夾板(1)前后兩側(cè)有開孔，第二夾板(11)前后兩側(cè)有開孔。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變角板剪切儀，其特征是第一變角板(6)塞入第一夾板(1)，第一、第二圓柱形墊塊(4、 5)分別塞入第一夾板(1)前側(cè)的兩個(gè)孔，第一、第二螺栓(2、 3)分別塞入第一、第二圓柱墊塊(4、 5)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變角板剪切儀，其特征是第二變角板(10)塞入第二夾板(11)，第三、第四圓柱形墊塊(12、 13)分別塞入第二夾板(11)前側(cè)的兩個(gè)孔，第三、第四螺栓(20、 21)分別塞入第三、第四圓柱墊塊(12、 13)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變角板剪切儀，其特征是第一直角墊板(7)貼在第一夾板(6)的下側(cè)，第二直角墊塊(9)貼在第二夾板(11)的上側(cè)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種變角板剪切儀，它包括夾板、圓柱形墊塊、變角板、直角墊板、滾軸、滾軸框、螺栓、螺母，其特征是變角板為圓弧形邊緣，弧形邊界的尺寸與夾板弧形邊界的尺寸相匹配，變角板開有環(huán)形孔洞的邊緣部分塞入夾板的凹槽，圓柱形墊塊、螺栓以及螺母將變角板固定在夾板上，在變角板內(nèi)側(cè)的直角墊板與巖石試樣直接接觸，滾軸框上裝有滾軸，滾軸的形狀是一個(gè)圓柱形的桿，中間的直徑大于兩端。本實(shí)用新型不僅可以非常靈活地調(diào)節(jié)試樣剪切面的角度，而且有良好的自穩(wěn)能力，整體性好，經(jīng)久耐用。
文檔編號(hào)G01N3/24GK201266152SQ20082006802
公開日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2008年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者屈丹安, 施錫林, 李銀平, 楊春和 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所