專利名稱：巖石拉伸-剪切試驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于巖石拉伸-剪切測試的試驗系統(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，是獲得在不同法向壓力下巖石峰值抗剪斷強度和殘余強度的基本方法，也是獲取巖石的抗剪強度參數(shù)C、P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)了不同的壓剪試驗設(shè)備，包括應(yīng)用于室內(nèi)試驗的大型直剪儀和應(yīng)用于現(xiàn)場原位試驗的小型便攜式直剪儀。而對于拉伸條件下，巖石的剪斷試驗，在國內(nèi)外文獻(xiàn)中均鮮有報道，也很少見到能進(jìn)行巖石拉-剪試驗的儀器設(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、偏心對巖石拉伸強度的影響等，與應(yīng)用廣泛的RMT單軸壓縮實驗、壓剪實驗和MTS常規(guī)三軸實驗相比，巖石的拉剪實驗操作起來困難許多。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0，切向應(yīng)力集中達(dá)最大，部分圍巖在豎直切應(yīng)力作用下會產(chǎn)生法向的拉應(yīng)力，當(dāng)圍巖底部有一定空間時，巖體會在豎向的切應(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)的摩爾庫倫強度準(zhǔn)則，為方便應(yīng)用一般會簡化為線性表達(dá)式，即巖石的抗剪強度是法向壓應(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，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)力下的強度準(zhǔn)則，而這一點是缺乏實驗數(shù)據(jù)支撐的。并且實驗證明在不同的法向壓力下，巖石的抗剪強度包絡(luò)線并不完全是線性的，包絡(luò)線上每個實驗點對應(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驗數(shù)據(jù)的支撐。因此本實用新型在于開發(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)強度準(zhǔn)則提供實驗數(shù)據(jù)。 發(fā)明內(nèi)容針對上述存在問題，本實用新型的目的在于提供一套能進(jìn)行巖石拉伸-剪切試驗的系統(tǒng)，為建立更為精確、完善的巖體力學(xué)模型、建立相應(yīng)的強度準(zhǔn)側(cè)，提供試驗數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:巖石拉伸-剪切試驗系統(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，本實用新型可進(jìn)行巖石試樣在不同法向拉力作用下的直剪試驗。上剪切盒和下剪切盒組裝式的設(shè)計可以方便的進(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。本實用新型改變了目前只能對巖石試樣采用壓剪的實驗方式研究巖石的強度準(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)系和強度準(zhǔn)則，具有重要的理論意義和實際意義。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖圖2為圖1的俯視圖圖3為本實用新型剪切盒與拉力板的結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。見附圖巖石拉伸-剪切試驗系統(tǒng)，試驗系統(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受拉時承壓板12可隨上剪切盒13 —起運動，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將水平千斤頂9拉起，造成水平加載系統(tǒng)的不穩(wěn)定?？招囊簤呵Ы镯?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16和水平位移計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，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17設(shè)置在上剪切盒13的左端外壁面上。試驗前先將標(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的整個上面及側(cè)面高度的1/6與上剪切盒13的底面和四個側(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。試驗時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。由于拉剪試驗中巖石剪斷瞬間上剪切盒就會被提起，試驗停止，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和方向保持不變可能導(dǎo)致的偏心影響可忽略不計。本實用新型巖石的拉伸-剪切實驗系統(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(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￠)，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-剪切實驗系統(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-剪切實驗系統(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-剪切實驗系統(tǒng)，其特征在于:所述的測量系統(tǒng)中的垂直位移計(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(17)設(shè)置在上剪切盒 (13)的左端外壁面上。
專利摘要本實用新型涉及一種用于巖石力學(xué)實驗的拉伸-剪切實驗系統(tǒng)，屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。本實驗系統(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。本實用新型可進(jìn)行巖石不同拉力下的直剪試驗，上下剪切盒組裝式的設(shè)計可以方便的進(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。本實用新型改變了目前只能對巖石采用壓剪的實驗方式研究巖石的強度準(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G01N3/24GK203148781SQ20132005981
公開日2013年8月21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