專利名稱：巖石拉伸-剪切試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于巖石拉伸-剪切測試的試驗(yàn)系統(tǒng)，屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在壓縮條件下巖石的剪斷試驗(yàn)，是獲得在不同法向壓力下巖石峰值抗剪斷強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的基本方法，也是獲取巖石的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、W的一種重要手段，因此在巖土工程中獲得了廣泛的應(yīng)用，并開發(fā)了不同的壓剪試驗(yàn)設(shè)備，包括應(yīng)用于室內(nèi)試驗(yàn)的大型直剪儀和應(yīng)用于現(xiàn)場原位試驗(yàn)的小型便攜式直剪儀。而對于拉伸條件下，巖石的剪斷試驗(yàn)，在國內(nèi)外文獻(xiàn)中均鮮有報(bào)道，也很少見到能進(jìn)行巖石拉-剪試驗(yàn)的儀器設(shè)備，主要原因是巖石的拉剪破壞沒有引起人們的足夠重視，另外就是進(jìn)行拉剪試驗(yàn)的設(shè)備較為復(fù)雜，其中包括巖石試件的粘接、法向拉力的加載方式、粘接可能對側(cè)向變形的限制、偏心對巖石拉伸強(qiáng)度的影響等，與應(yīng)用廣泛的RMT單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、壓剪實(shí)驗(yàn)和MTS常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)相比，巖石的拉剪實(shí)驗(yàn)操作起來困難許多。在深埋、高應(yīng)力地下巖石工程中，隧洞邊墻部位，由于開挖卸荷作用法向應(yīng)力為O，切向應(yīng)力集中達(dá)最大，部分圍巖在豎直切應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生法向的拉應(yīng)力，當(dāng)圍巖底部有一定空間時(shí)，巖體會(huì)在豎向的切應(yīng)力和法向的拉應(yīng)力作用下發(fā)生拉剪破壞；對于傳統(tǒng)的摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，為方便應(yīng)用一般會(huì)簡化為線性表達(dá)式，即巖石的抗剪強(qiáng)度是法向壓應(yīng)力的線性函數(shù)，而法向應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力(即應(yīng)力位于橫軸的負(fù)半軸)時(shí)，通常做法是將正半軸上擬合的直線延伸交與負(fù)半軸，作為巖石在拉應(yīng)力下的強(qiáng)度準(zhǔn)則，而這一點(diǎn)是缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐的。并且實(shí)驗(yàn)證明在不同的法向壓力下，巖石的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線并不完全是線性的，包絡(luò)線上每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)對應(yīng)的切線斜率逐漸減小，而對于負(fù)半軸上在不同拉應(yīng)力作用下的強(qiáng)度包絡(luò)線到底是怎樣的也沒有統(tǒng)一的說法，主要原因就是缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。因此本發(fā)明在于開發(fā)一種能進(jìn)行不同法向拉力作用下的巖石直剪儀，為完善巖體本構(gòu)模型、建立相應(yīng)強(qiáng)度準(zhǔn)則提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在問題，本發(fā)明的目的在于提供一套能進(jìn)行巖石拉伸-剪切試驗(yàn)的系統(tǒng)，為建立更為精確、完善的巖體力學(xué)模型、建立相應(yīng)的強(qiáng)度準(zhǔn)側(cè)，提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
巖石拉伸-剪切試驗(yàn)系統(tǒng)，包括反力裝置，垂直加載系統(tǒng)，水平加載系統(tǒng)，上剪切盒，下剪切盒，測量系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)及基座，所述的反力裝置由四根鋼梁，螺帽和承載板連接組成，承載板通過螺帽固定連接在四根鋼梁的上端，四根鋼梁的下端固定連接在基座中。
所述的垂直加載系統(tǒng)由空心液壓千斤頂，拉力柱，鎖緊螺帽，拉力板組成，空心液壓千斤頂位于承載板上方，拉力柱活動(dòng)貫通承載板，拉力柱上端貫通空心液壓千斤頂，并通過鎖緊螺帽固定，拉力柱下端與拉力板上端面螺紋連接，拉力柱的軸線與上剪切盒、下剪切盒及拉力板的中心在同一條豎直線上。
所述水平加載系統(tǒng)由水平千斤頂，傳力柱構(gòu)件，滾軸排和承壓板組成，傳力柱構(gòu)件設(shè)置在水平千斤頂前方，傳力柱構(gòu)件與水平千斤頂?shù)幕钊^的接觸面形狀相同且面積相等，承壓板設(shè)置在傳力柱構(gòu)件前方，滾軸排位于承壓板和傳力柱構(gòu)件之間。所述的拉力板前后兩端對稱設(shè)置有導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽位于拉力板的下端面且平行于水平千斤頂?shù)妮S線，導(dǎo)向槽內(nèi)設(shè)有滾珠。所述上剪切盒、下剪切盒均由五塊鋼板經(jīng)螺栓組接而成，上剪切盒的頂部鋼板前后兩端有相互對稱的外沿。所述的測量系統(tǒng)中的垂直位移計(jì)設(shè)置在拉力板的上端面上，所述的測量系統(tǒng)中的水平位移計(jì)設(shè)置在上剪切盒的左端外壁面上。由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明可進(jìn)行巖石試樣在不同法向拉力作用下的直剪試驗(yàn)。上剪切盒和下剪切盒組裝式的設(shè)計(jì)可以方便的進(jìn)行巖樣的粘接和拆卸，拉力板和上剪切盒的設(shè)計(jì)方式可以保證巖石在水平推力下水平方向的自由變形，水平方向設(shè)置的滾軸排可以保證在拉力作用下水平加載系統(tǒng)的穩(wěn)定。本發(fā)明改變了目前只能對巖石試樣采用壓剪的實(shí)驗(yàn)方式研究巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則的現(xiàn)狀，可提供巖石在不同法向拉力作用下的強(qiáng)度參數(shù)，對改進(jìn)和完善巖石在拉剪應(yīng)力作用巖石的本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度準(zhǔn)則，具有重要的理論意義和實(shí)際意義。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2為圖1的俯視3為本發(fā)明剪切盒與拉力板的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。見附圖巖石拉伸-剪切試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)由反力裝置I，垂直加載系統(tǒng)，水平加載系統(tǒng)，上剪切盒13，下剪切盒14，測量系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)及基座18組成，所述的反力裝置I由四根鋼梁2，螺帽3和承載板4連接組成，承載板4通過螺帽3固定連接在四根鋼梁2的上端，四根鋼梁2的下端固定連接在基座18中；所述的垂直加載系統(tǒng)由空心液壓千斤頂5，拉力柱6，鎖緊螺帽7，拉力板8組成，空心液壓千斤頂5位于承載板4上方，拉力柱6活動(dòng)貫通承載板4，拉力柱6上端貫通空心液壓千斤頂5，并通過鎖緊螺帽7固定，拉力柱6下端與拉力板8上端面螺紋連接，拉力柱6的軸線與上剪切盒13、下剪切盒14及拉力板8的中心在同一條豎直線上；
所述水平加載系統(tǒng)由水平千斤頂9，傳力柱構(gòu)件10，滾軸排11和承壓板12組成，傳力柱構(gòu)件10設(shè)置在水平千斤頂9前方，傳力柱構(gòu)件10與水平千斤頂9的活塞頭的接觸面形狀相同且面積相等，承壓板12設(shè)置在傳力柱構(gòu)件10前方，滾軸排11位于承壓板12和傳力柱構(gòu)件10之間。水平剪應(yīng)力經(jīng)由承壓板12傳遞到上剪切盒13上，當(dāng)上剪切盒13受拉時(shí)承壓板12可隨上剪切盒13 —起運(yùn)動(dòng)，避免水平千斤頂9直接作用在上剪切盒13上可能造成的巖石被拉斷時(shí)將水平千斤頂9拉起，造成水平加載系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
空心液壓千斤頂5和水平千斤頂9均與液壓控制系統(tǒng)連接，測量系統(tǒng)中的垂直位移計(jì)16和水平位移計(jì)17均與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。所述的拉力板8前后兩端對稱設(shè)置有導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽位于拉力板8的下端面且平行于水平千斤頂9的軸線，導(dǎo)向槽內(nèi)設(shè)有滾珠19。所述上剪切盒13、下剪切盒14均由五塊鋼板經(jīng)螺栓組接而成，上剪切盒13的頂部鋼板前后兩端有相互對稱的外沿。上剪切盒13的頂部鋼板左右方向的寬度與下部鋼板寬度相同，前后方向的長度小于拉力板8下端面兩條對稱槽間的凈空長度，頂部鋼板的厚度小于對稱槽的凈空高度，上剪切盒13的頂部鋼板兩端對稱的外沿通過滾珠19與拉力板8下端的導(dǎo)向槽接觸，上剪切盒13可以在水平方向自由滑動(dòng)，保證在水平剪應(yīng)力作用下巖石自由變形。所述的測量系統(tǒng)中的垂直位移計(jì)16設(shè)置在拉力板8的上端面上，所述的測量系統(tǒng)中的水平位移計(jì)17設(shè)置在上剪切盒13的左端外壁面上。試驗(yàn)前先將標(biāo)準(zhǔn)巖樣15粘貼在下剪切盒14中，將巖樣15底面的全部、側(cè)面高度的1/6與下剪切盒14的底面和四個(gè)側(cè)面粘接，然后將下剪切盒14置于底座18內(nèi)固定，將巖樣15的整個(gè)上面及側(cè)面高度的1/6與上剪切盒13的底面和四個(gè)側(cè)面粘接，這種粘接方式既可避免只在巖樣15上下兩面粘貼容易從粘貼面處拉斷這一現(xiàn)象，又可最大限度降低巖樣15四個(gè)側(cè)面與剪切盒粘貼對拉伸變形的限制作用。粘結(jié)完成后，先將拉力板8推入上剪切盒13的兩個(gè)外沿并保證拉力板8的形心與上剪切盒13的形心重合，將拉力柱6底部與拉力板8上端螺紋連接，最后將鎖緊螺帽7與拉力柱6的頂部固定好，加載前必須保證下剪切盒14、巖樣15、上剪切盒13、拉力板8和拉力柱6的形心在一條豎直直線上。試驗(yàn)時(shí)先通過垂直加載系統(tǒng)施加一定法向拉力，穩(wěn)定后通過水平加載系統(tǒng)按照一定速率施加水平推力，直至巖樣15破壞,得到巖樣15破壞峰值前的應(yīng)力變形曲線。由于拉剪試驗(yàn)中巖石剪斷瞬間上剪切盒就會(huì)被提起，試驗(yàn)停止，而巖石剪斷前的水平位移非常小，小于2mm，而試件尺寸通常為100mm，因此由于豎直拉力作用點(diǎn)和方向保持不變可能導(dǎo)致的偏心影響可忽略不計(jì)。本發(fā)明巖石的拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對獲得更為精確、完善的巖體本構(gòu)模型、建立相應(yīng)的強(qiáng)度準(zhǔn)側(cè)，具有重要意義。
權(quán)利要求
1.巖石拉伸剪切試驗(yàn)系統(tǒng)，包括反力裝置(I)，垂直加載系統(tǒng)，水平加載系統(tǒng)，上剪切盒(13)，下剪切盒(14)，測量系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)及基座(18)，其特征在于:所述的反力裝置(1)由四根鋼梁(2)，螺帽(3)和承載板(4)連接組成，承載板(4)通過螺帽(3)固定連接在四根鋼梁(2)的上端，四根鋼梁(2)的下端固定連接在基座(18)中； 所述的垂直加載系統(tǒng)由空心液壓千斤頂(5)，拉力柱￠)，鎖緊螺帽(7)，拉力板(8)組成，空心液壓千斤頂(5)位于承載板⑷上方，拉力柱(6)活動(dòng)貫通承載板(4)，拉力柱(6)上端貫通空心液壓千斤頂(5)，并通過鎖緊螺帽(7)固定，拉力柱(6)下端與拉力板(8)上端面螺紋連接，拉力柱(6)的軸線與上剪切盒(13)、下剪切盒(14)及拉力板(8)的中心在同一條豎直線上； 所述水平加載系統(tǒng)由水平千斤頂(9)，傳力柱構(gòu)件(10)，滾軸排(11)和承壓板(12)組成，傳力柱構(gòu)件(10)設(shè)置在水平千斤頂(9)前方，傳力柱構(gòu)件(10)與水平千斤頂(9)的活塞頭的接觸面形狀相同且面積相等，承壓板(12)設(shè)置在傳力柱構(gòu)件(10)前方，滾軸排(11)位于承壓板(12)和傳力柱構(gòu)件(10)之間。
2.如權(quán)利要求1所述的巖石拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述的拉力板(8)前后兩端對稱設(shè)置有導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽位于拉力板(8)的下端面且平行于水平千斤頂(9)的軸線，導(dǎo)向槽內(nèi)設(shè)有滾珠(19)。
3.如權(quán)利要求1所述的巖石拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述上剪切盒(13)、下剪切盒(14)均由五塊鋼板經(jīng)螺栓組接而成，上剪切盒(13)的頂部鋼板前后兩端有相互對稱的外沿。
4.如權(quán)利要求1所述的巖石拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述的測量系統(tǒng)中的垂直位移計(jì)(16)設(shè)置在拉力板(8)的上端面上，所述的測量系統(tǒng)中的水平位移計(jì)(17)設(shè)置在上剪切盒(13)的左端外壁面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括反力裝置，垂直加載系統(tǒng)，水平加載系統(tǒng)，上下剪切盒，測量系統(tǒng)及基座等。所述的垂直加載系統(tǒng)與上剪切盒通過下端含有兩條導(dǎo)向槽的拉力板相連。本發(fā)明可進(jìn)行巖石不同拉力下的直剪試驗(yàn)，上下剪切盒組裝式的設(shè)計(jì)可以方便的進(jìn)行巖樣的粘接和拆卸，拉力板和上剪切盒的設(shè)計(jì)方式可保證巖石在水平推力下水平方向的自由變形，水平加載方向設(shè)置的滾軸排可以保證拉力作用下水平加載系統(tǒng)的穩(wěn)定。本發(fā)明改變了目前只能對巖石采用壓剪的實(shí)驗(yàn)方式研究巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則的現(xiàn)狀，可提供巖石在不同法向拉力作用下的強(qiáng)度參數(shù)，改進(jìn)和完善巖石在拉剪應(yīng)力作用巖石的本構(gòu)關(guān)系。
文檔編號(hào)G01N3/24GK103175738SQ20131004099
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者周輝, 孟凡震, 張傳慶, 胡善超, 劉繼光, 渠成堃 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所