专利名称：一种用于圆柱形试样的变角板剪切装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及岩石力学试验技术领域，更具体涉及一种测定圆柱形岩石试样抗剪断强 度的室内剪切试验装置，利用压力试验机施加垂直荷载，通过改变装置的剪切角度获得圆 柱形岩块破坏时的不同正应力及剪应力组合，从而绘制出强度包络线，获得相应的岩石强 度参数。
背景技术：
测定岩石抗剪断强度的室内试验常用的方法有直剪试验、变角剪切试验以及三轴压縮 试验。变角剪切试验是其中最简单的一种方法，具有设备简单、操作简便、费用低等优点。. 变角剪切试验利用压力试验机施加垂直荷载，通过特制的夹具使岩块试样沿一个剪切面剪 断，通过改变剪切面的倾斜角度可以获得一系列岩块剪切破坏时的正应力和剪应力组合， 绘制这两种应力之间的关系曲线(即强度包络线)，可以求得岩石的内摩擦角和内聚力等力 学参数。
《公路工程石料试验规程》(JTJ054-94)、沈明荣主编的《岩体力学》(同济大学出版社， 1999)以及吴德伦等主编的《岩石力学》(重庆大学出版社，2002)推荐了相类似的变角板 楔形剪切仪，此类剪切仪通过更换不同角度的垫板来调节角度，存在角度不能连续调节、 装置整体性差的缺点。蔡美峰主编的《岩石力学与工程》(科学出版社，2002)也给出了一 种角模压剪试验装置，这种装置角度的调节是通过更换不同角度的楔形板来实现的，也存
在不能连续调节角度、装置整体性差的缺点，同时会引起试样和夹具的中心随角度的改变 而改变，致使装置重心偏离中心线，容易造成装置倾倒。李智毅、杨裕云主编的《工程地 质学概论》(中国地质大学出版社，1994)给出了一种变角板夹具，初步解决了角度不能连 续调节和重心偏离的问题，但是存在如何使得变角板在实验过程中保持相应角度不变、增 加夹具稳定性的主要问题。朱定华等(实验室研究与探索，第20巻第1期，2001)研制了一 种通过改变半圆弧的不同组合来改变剪切角度的变角剪切仪，虽然经过验证取得了好的试 验效果，但是存在着仪器关键部位容易磨损的缺点，会导致装置使用寿命的縮短。以上提及的装置都是用于正方体试样的试验，但是在实际的试验中，制备正方体试样的 难度要远大于圆柱形试样，因此很有必要研制一种能够用于圆柱形试样试验的变角板剪切 仪，应用于科研实践。
发明内容
为了克服目前变角板剪切试验装置存在的主要不足,本实用新型的目的在于提供一种用 于圆柱形试样的变角板剪切装置，该装置的实施对象为高度与直径的比值为l (以下简称高 径比为l)的圆柱形试样，该装置不仅可以非常灵活地调节试样剪切面的角度，而且有良好 的自稳能力，整体性好，经久耐用。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是
该剪切仪包括夹板、圆柱形垫块、变角板、弧形卡槽、滚轴、滚轴框、螺栓、螺母，其 特征在于圆柱形垫块通过螺栓、螺母紧固变角板并固定在夹板上，在变角板的内侧的弧 形卡槽与岩石试样直接接触，在滚轴框上装有滚轴，采用了一种中间厚边缘薄且具有圆弧 形边缘的变角板，且其弧形边界的尺寸与夹板弧形边界的尺寸相匹配，变角板开有环形孔 洞的边缘部分塞入夹板的凹槽，在圆柱形垫块、螺栓以及螺母的辅助下夹紧变角板。本装 置采用了一种可以方便地更换的弧形卡槽与岩石试样直接接触。单个滚轴的形状是一个圆 柱形的杆，且中间部分的直径大于两端。滚轴框的前后两侧分别开有一排直径略大于滚轴 两端突出小圆柱直径的等间距的圆孔，且滚轴框底部的边缘高于滚轴的最低点。
为了使圆柱形岩石试样的剪切面可以变换到任意角度，并且变换角度之后重心不偏离整 个装置的中线，本实用新型中变角板的边缘、夹板中部的环状凹槽及其边缘的凹槽均采用 了圆弧形的设计，并且整个装置是关于岩石试样的中心所在的竖直面呈平面中心对称的， 装置中所有圆弧形边界的圆心都是岩石试样的中心。
为了保证试验加压过程中变角板不会发生转动，本实用新型采用了一种中间厚、边缘薄 的变角板，并在变角板的边缘部分开环形孔洞，在圆柱形垫块、螺栓及螺母的辅助下，将 变角板夹紧在开有凹槽的夹板上。
为了使本实用新型可以用于圆柱形试样的试验，采用了一种弧形卡槽，弧形卡槽的弧的 半径与圆柱形试样的半径相配。这种弧形卡槽同时还具有以下两个作用 一是更换不同半 径的弧形卡槽可以适用于不同半径的圆柱形岩石试样的试验，增加卡槽半径可以做较小半 径试样的试验，减小卡槽半径可以做较大半径的试样的试验；二是避免岩石试样与变角板 的直接接触磨损，当弧形卡槽磨损严重之后只需更换相应的垫块，有利于延长装置的使用
4寿命、降低成本，并且可以有效地提高试验精度。
为了最大限度地减小装置沿试样剪切变形方向的水平摩擦，本实用新型采用了一种特殊 的滚轴连接机构。单个滚轴的形状是一个圆柱形的杆，且中间部分的直径大于两端，两端 突出的小圆柱起到定位滚轴的作用。滚轴框的前后两侧分别开有一排直径略大于突出小圆 柱的等间距的圆孔，以保证滚轴可以帖在试验机的下压板上互不影响地自由滚动。滚轴框 底部的边缘高于滚轴的最低点，避免发生滚轴框与试验机下压板的摩擦。
本实用新型的主要优点有
1) 实现了试样剪切面角度的连续调节；
2) 整体性好，结构简单。不需要加工多种角度的楔形垫板；
3) 有良好的自稳性。角度改变之后整个装置重心不会偏离中心线；
4) 适用范围广。可以适用于不同半径的圆柱形试样；
5) 整体使用寿命长。弧形卡槽、螺栓、螺母等易于损坏的部件可以方便地更换；
6) 圆柱形试样易于加工，试验精度高。
图l为一种用于圆柱形试样的变角板剪切装置的三维拆分示意图。
图2为一种用于圆柱形试样的变角板剪切装置的结构示意图。
图3为一种用于圆柱形试样的变角板剪切装置的平面主视图。
图4为弧形卡槽的局部放大示意图。 图中标号对应的名称为
1—夹板、2—螺栓、3—螺栓、4一圆柱形垫块、5—圆柱形垫块、6—变角板、7—弧形 卡槽、8—岩石试样、9—弧形卡槽、IO—变角板、ll一夹板、12—圆柱形垫块、13_圆柱 形垫块、14一螺栓、15—螺栓、16_滚轴、17—滚轴框、18—螺母、19_螺母、20—螺母、
21—螺母。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的详细阐述-
根据图l、图2、图3可知，该剪切仪包括第一、第二夹板l、 11、第一、第二、第三、第 四圆柱形垫块4、 5、 12、 13、第一、第二变角板6、 10、第一、第二弧形卡槽7、 9、滚轴16、 滚轴框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，位于装置中部的岩石试样8是本实用新型的实施对象，试样的高径比为l。
第一、第二、第三、第四圆柱形垫块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将第一、第二变角板6、 IO固定在 第一、第二夹板l、 ll上，在第一、第二变角板6、 IO内侧的第一、第二弧形卡槽7、 9与岩 石试样8直接接触，弧形卡槽7、 9弧的半径与圆柱形试样8的半径相匹配，在滚轴框17上装 有滚轴16。
第一弧形卡槽7贴在第一夹板6的下侧，第二弧形卡槽9贴在第二夹板11的上侧。 首先依据图l说明各个部件的特征及其作用
第一夹板l前后两侧开孔，孔的位置应当与第一变角板6边缘的环形孔洞相匹配，原则是 不影响第一变角板6转动到足够的角度。前侧孔的直径与第一、第二圆柱形垫块4、 5相匹配， 后侧孔的直径与第一、第二螺栓2、 3相匹配。第一夹板l的中部开环形凹槽，凹槽的宽度与 第一变角板6边缘突出部分的厚度相匹配，目的是保证第一变角板6可以顺利塞入第一夹板1 的环形凹槽；凹槽的深度应大于第一变角板6的边缘部分沿直径方向的宽度，目的是保证第 一变角板6中部较厚部分的弧形边缘面可以与第一夹板1两侧底部的弧形边缘面良好地接 触，以增加装置的稳定性和试验精度。
第二夹板ll前后两侧开孔，孔的位置应当与第二变角板10边缘的环形孔洞相匹配，原则 是不影响第二变角板10转动到足够的角度。前侧孔的直径与第三、第四圆柱形垫块12、 13 相匹配，后侧孔的直径与第三、第四螺栓14、 15相匹配。第二夹板ll的中部开环形凹槽， 凹槽的宽度与第二变角板10边缘突出部分的厚度相匹配，目的是保证第二变角板10可以顺 利塞入第二夹板ll的环形凹槽；凹槽的深度应大于第二变角板10的边缘部分沿直径方向的 宽度，目的是保证第二变角板10中部较厚部分的弧形边缘面可以与第二夹板11两侧底部的 弧形边缘面良好地接触，以增加装置的稳定性和试验精度。
为了使本实用新型可以用于圆柱形试样的试验，本实用新型采用了一种弧形卡槽，第一、 第二弧形卡槽7、 9的弧的半径与圆柱形岩石试样8的半径相配(如图4所示)。第一、第二弧 形卡槽7、 9在本装置中是可以更换的，这种弧形卡槽同时还具有一下两个作用 一是更换 不同厚度的第一、第二弧形卡槽7、 9可以适用于不同半径的圆柱形岩石试样8的试验，增加 卡槽半径可以做较小半径试样的试验，减小卡槽半径可以做较大半径的试样的试验；二是 避免岩石试样8与第一、第二变角板6、 IO的直接接触磨损，当第一、第二弧形卡槽7、 9磨 损严重之后只需更换相应的垫块，其作用是延长装置的使用寿命、降低成本，并且可以有 效提高试验精度。
6单个滚轴16的形状是一个圆柱形的杆，且中间部分的直径大于两端，两端突出的小圆柱 起到定位滚轴16的作用。滚轴框17的前后两侧分别开有一排直径略大于突出小圆柱的等间 距的圆孔，以保证滚轴16可以帖在试验机的下压板上互不影响地自由滚动。同时应当保证 滚轴16装配好之后滚轴框17底部的边缘高于滚轴16的最低点(如图3所示)，以避免滚轴框 17与试验机下压板的直接摩擦。采取这些措施的目的是最大限度地减小装置沿剪切变形方 向的水平摩擦，增加试验精度。
下面依据图2、图3说明各个部件的连接方式及其作用
滚轴16以上的结构(指的是第一、第二夹板l、 11、第一、第二、第三、第四圆柱形垫块 4、 5、 12、 13、第一、第二变角板6、 10、第一、第二弧形卡槽7、 9关于岩石试样8的中心 所在的竖直平面呈平面中心对称，剪切仪中所有圆弧边界的圆心都是岩石试样8的中心，其 作用是保证第一、第二变角板6、 IO在调整不同的角度之后整个装置的重心不会偏离中线， 并且试样剪切面的角度可以连续调节。
将第一变角板6塞入第一夹板1，将第一、第二圆柱形垫块4、 5分别塞入第一夹板1前侧 的两个孔，将第一、第二螺栓2、 3分别塞入第一、第二圆柱形垫块4、 5,然后穿过第一变 角板6的边缘的环形孔洞和第一夹板1，最后分别拧上第一、第二螺母18、 19。第一、第二 螺栓2、 3、第一、第二圆柱形垫块4、 5以及第一、第二螺母18、 19的作用是夹紧第一变 角板1以保证在试验加压过程中第一变角板6不会发生转动。
将第二变角板10塞入第二夹板11，将第三、第四圆柱形垫块12、 13分别塞入第二夹板11 前侧的两个孔，将第三、第四螺栓20、 21分别塞入第三、第四圆柱形垫块12、 13，然后穿 过第二变角板10的边缘的环形孔洞和第二夹板11，最后分别柠上第三、第四螺母20、 21。 第三、第四螺栓14、 15、第三、第四圆柱形垫块12、 13以及第三、第四螺母20、 21的作用 是夹紧第二变角板11以保证在试验加压过程中第二变角板10不会发生转动。
第一弧形卡槽7帖在第一夹板6的下侧，第二弧形卡槽9帖在第二夹板6的上侧。这两块垫 板的内侧与岩石试样8接触，是试样所受荷载的直接施加者。
第二夹板11与滚轴16接触，滚轴16的作用是消除试验过程中装置沿试样剪切变形方向的 水平约束，使岩石试样8可以自由地发生沿剪切面的剪切变形。
一个典型的试验过程如下
1)调整剪切面角度装置的表面刻有辅助调节变角板角度的刻度线(附图中每一刻度代表5度)，参照这些刻度线将第一、第二变角板6、 IO的角度粗调到大致的角度。然后将圆
柱形标准试样放到岩石试样8的位置(如图2所示)，使用量角器和直角板进行剪切面角度的 微调节，然后拧紧所有的第一、第二、第三、第四螺母18、 19、 20、 21以保证第一、第二 变角板6、 IO在试验过程中不会发生转动。
2) 安放试样将步骤1中的圆柱形标准试样替换为要进行试验的岩石试样8。将装置周 围用木板或其它板材进行保护，以避免试件突然破坏，装置滑出。必要时可以将装置上部 结构捆绑到压力机的上压板上。
3) 施加荷载开动压力试验机进行加载，直到岩石试样8发生沿着剪切面的破坏，记录 下破坏荷载。
4) 重复试验依据试验设计要求，重复歩骤2-3，以该角度进行若干块岩石试样的试验。
5) 变换角度变换第一、第二变角板6、 IO的剪切角度，的重复步骤1-4进行试验，取 得不同角度下的试样破坏荷载。
6) 整理试验数据。
权利要求1、一种用于圆柱形试样的变角板剪切装置，它包括第一、第二夹板(1、11)、第一、第二变角板(6、10)、滚轴框(17)，其特征在于第一、第二、第三、第四圆柱形垫块(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)将第一、第二变角板(6、10)固定在第一、第二夹板(1、11)上，在第一、第二变角板(6、10)内侧的第一、第二弧形卡槽(7、9)与岩石试样(8)直接接触，弧形卡槽(7、9)弧的半径与圆柱形试样(8)的半径相匹配，在滚轴框(17)上装有滚轴(16)。
2、 根据权利要求l所述的一种用于圆柱形试样的变角板剪切装置，其特征是第一弧形卡槽(7)贴在第一夹板(6)的下侧，第二弧形卡槽(9)贴在第二夹板(11)的上侧。
专利摘要本实用新型公开了一种用于圆柱形试样的变角板剪切装置。它包括夹板、弧形卡槽、变角板、滚轴框，其中第一、第二、第三、第四圆柱形垫块、第一、第二、第三、第四螺栓以及第一、第二、第三、第四螺母将第一、第二变角板固定在第一、第二夹板上，在第一、第二变角板内侧的第一、第二弧形卡槽与岩石试样直接接触，弧形卡槽弧的半径与圆柱形试样的半径相匹配，在滚轴框上装有滚轴。本实用新型可以非常灵活地调节试样剪切面的角度，实现了试样剪切面角度的连续调节，整体性好，经久耐用。采用了易于加工的圆柱形试样，试验精度高。
文档编号G01N3/24GK201266153SQ20082006802
公开日2009年7月1日 申请日期2008年6月24日 优先权日2008年6月24日
发明者屈丹安, 施锡林, 李银平, 杨春和 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所