一种岩石结构面双向剪切装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种岩石结构面双向剪切装置。该装置包括试件、加热装置、压板装置、辊组装置、加载装置、数据采集装置及底座。所述试件为以岩石结构面为界的上、下盘岩块；所述加载装置分为法向压力加载装置和双向剪切力加载装置；所述压板装置为上、下、左、右四块压板，所述下压板置于底座上；所述辊组装置包括四个压辊组，将加载装置和压板装置连接起来，减少试件和加载装置之间的摩擦；所述加热装置对试件进行加热，通过控制加热孔内硅油的温度实现对岩石结构面上、下盘岩块的加热；所述数据采集装置实现对压力、位移和温度的数据采集。本实用新型能实现对岩石结构面试件的双向剪切，且能实现对不同温度下岩石结构面的剪切特性的研究。
【专利说明】—种岩石结构面双向剪切装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及岩石结构面的剪切，具体涉及一种岩石结构面双向剪切装置。
【背景技术】
[0002]岩石结构面是边坡工程、坝基工程、采矿工程中普遍存在的介质，岩体内部大量不连续面影响并决定岩体的物理力学性质，通过剪切试验来了解岩石结构面的力学及其变形特征，为各种岩体工程的设计及其建造提供重要的依据。
[0003]剪切强度试验分为非限制性强度剪切试验和限制性剪切强度试验。非限制性强度剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性强度剪切试验在剪切面上除了剪应力外，还存在正应力。较为常用的为限制性强度剪切试验，由于施加法向压力的压板与岩石试样之间存在摩擦，因此所测剪切强度为岩石试样实际剪切强度与压板和试样之间摩擦力之和。
[0004]由于没有统一的剪切试验机的制造标准，出现了众多岩石结构面剪切装置，这些剪切装置普遍是沿用岩石剪切装置，同时，对试验装置的结构进行了改进，但是岩石结构面剪切与单纯的岩石剪切又存在不同之处，即岩石结构面在剪切过程中，岩石结构面试样不仅在剪切方向会产生相对滑动，而且在法线方向也会产生向上的位移，即剪胀位移。普通的岩石剪切试验装置由于施加剪力的压板和岩块表面直接接触，压板和岩块表面之间的摩擦力较大，岩块不能在压板表面自由移动，从而限制了结构面岩块的上下移动，得到的岩石结构面的剪胀位移量失真。因此，普通岩石剪切试验装置不适用于研究岩石结构面的剪胀特性。
[0005]传统的岩石结构面的剪切装置均为单向剪切装置，一般限制岩石结构面的下盘岩块，即保持岩石结构面的下盘岩块不动，而对岩石结构面的上盘岩块的上表面施加法向压力，同时对上盘岩块的侧面施加剪切力，使岩石结构面上盘岩块在下盘岩块基底上发生相对的剪切变形，通过分析剪切力和剪切位移的关系，得到岩石结构面的抗剪强度和剪切力学特性。而岩体工程的失稳过程往往表现为岩石结构面上、下盘的同时运动，如地震作用下岩石结构面的错动滑移。研究岩石结构面上盘和下盘同时受剪时的力学特性需要研制岩石结构面双向剪切的试验装置。
[0006]岩石在不同温度条件下表现出不同的岩石力学性质，因此，在不同温度条件下岩石结构面剪切必将呈现出不同的力学性质及剪张效应，目前众多的试验均未涉及到不同温度条件下岩石剪切试验机的研制。
实用新型内容
[0007]针对现有技术存在的上述技术问题，本实用新型提出了一种双向剪切的岩石结构面剪切装置。
[0008]本实用新型解决上述技术问题采用的技术方案如下:
[0009]一种岩石结构面双向剪切装置，包括试件、加热装置、压板装置、加载装置、数据采集装置及底座；所述试件为以岩石结构面为界的上盘岩块和下盘岩块；所述压板装置包覆所述试件，包括上、下、左、右四块压板，所述上、下压板平行正对设置，所述左、右压板平行错开设置，所述下压板置于底座上，所述上压板与左压板、下压板与右压板分别通过螺栓连接成7字形；所述加载装置分为法向压力加载装置和双向剪切力加载装置，所述法向压力加载装置对试件施加法向压力，所述双向剪切力加载装置对试件施加左、右双向剪切力；所述加热装置对试件进行加热；所述数据采集装置对试件温度、法向压力、法向剪胀位移、力口载剪切位移速率、剪切力及剪切位移进行数据采集。
[0010]上述的岩石结构面双向剪切装置中，所述加热装置包括上、下盘岩块内未透穿的加热孔及与之匹配的中间带加热棒的橡胶塞，所述橡胶塞通过钢条夹紧，所述钢条通过螺栓固定在岩块表面。
[0011]上述的岩石结构面双向剪切装置中，所述法向压力加载装置包括上压头、液压缸及加载活塞，所述上压头位于上压板正上方，与液压缸连接，加载活塞位于液压缸内。
[0012]上述的岩石结构面双向剪切装置中，所述双向剪切力加载装置包括相对设置的左、右剪切力加载装置，所述左剪切力加载装置包括从左至右依次连接的第一伺服电机、第一减速机、第一滚珠丝杠、第一滚珠丝杠缸及左压头，所述左压头位于左压板正左方；所述右剪切力加载装置包括从右至左依次连接第二伺服电机、第二减速机、第二滚珠丝杠、第二滚珠丝杠缸及右压头，所述右压头位于右压板正右方；所述加载装置固定于反力架上。
[0013]上述的岩石结构面双向剪切装置中，所述数据采集装置包括电脑控制器及与其相连的第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一位移引伸计LVDT、第二位移引伸计LVDT及温度传感器，所述第一压力传感器位于加载活塞与上压头之间，所述第二压力传感器位于左压头和第一滚珠丝杠缸之间，所述第三压力传感器位于右压头和第二滚珠丝杠缸之间，所述第一位移引伸计LVDT位于上压头左上端，所述第二位移引伸计LVDT位于上压头右上端，所述温度传感器位于上、下盘岩块上。
[0014]上述的岩石结构面双向剪切装置中，还包括辊组装置，所述辊组装置包括上、下、左、右四个压辊组，所述上压辊组位于上压头与上压板之间，所述下压辊组位于下压板和底座之间，所述左压辊组位于左压头与左压板之间，所述右压辊组位于右压头与右压板之间。
[0015]本实用新型的有益效果在于:
[0016](I)本实用新型设置双向加载装置，能对岩石结构面的上、下盘岩块同时施加剪切力得到双向剪切下岩石结构面的抗剪强度和剪切特性。
[0017](2)本实用新型设置加热装置，能够获得不同温度条件下的岩石结构面剪切特性。
[0018](3)本实用新型设置左右压辊组，允许岩石结构面的上、下盘岩块通过压辊组自由上下移动，从而准确得到岩石结构面剪切过程中的法向位移，即剪胀位移。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型的装置结构示意图。
[0020]图中:1、反力架,2、液压缸,3、加载活塞,4、第一压力传感器,5、橡胶塞,6、第一位移引伸计LVDT，7、第二位移引伸计LVDT，8、上压头，9、上压辊组，10、上压板，11、左压板，12、左压辊组，13、第二滚珠丝杠缸，14、左压头，15、第二压力传感器，16、第一滚珠丝杠，17、下压棍组，18、第一伺服电机，19、钢条,20、加热孔,21、岩石结构面,22、下压板,23、右压板，24、右压辊组，25、加热棒，26、右压头，27、第三压力传感器，28、第二滚珠丝杠，29、底座，30、第二伺服电机，31、电脑控制器，32、岩石结构面下盘岩块,33、岩石结构面上盘岩块,34、第一滚珠丝杠缸，35、温度传感器,36、第一减速机,37、第一滑道,38、第二减速机、39、第二滑道。
[0021]图2为本实用新型的加热系统示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型并不限于此。
[0023]如图1、2，本实用新型的岩石结构面双向剪切装置，包括试件、加热装置、压板装置、辊组装置、加载装置、数据采集装置及底座。所述试件为以岩石结构面21为界的上盘岩块33和下盘岩块32 ;所述加热装置包括上、下盘岩块内未透穿的加热孔20及与之匹配的中间带加热棒25的橡胶塞5，所述橡胶塞5通过钢条19夹紧，所述钢条19通过螺栓固定在岩块表面，所述加热装置对试件进行加热；所述压板装置包覆所述试件装置，包括上、下、左、右四块压板，所述上压板10与下压板22平行正对设置，所述左压板11与右压板23平行错开设置，所述下压板22置于底座29上，所述底座29固定于反力架I下端；所述上压板10与左压板11、下压板22与右压板23分别通过螺栓连接成7字形；所述加载装置分为法向压力加载装置和双向剪切力加载装置，所述法向压力加载装置对试件施加法向压力，所述双向剪切力加载装置对试件施加左、右双向剪切力，所述法向压力加载装置包括上压头8、液压缸2、加载活塞3，所述上压头8位于上压板10正上方，与液压缸2连接，加载活塞3位于液压缸2内；所述双向剪切力加载装置包括相对设置的左、右剪切力加载装置，所述左剪切力加载装置包括从左至右依次连接的第一伺服电机18、第一减速机36、第一滚珠丝杠16、第一滚珠丝杠缸34及左压头14，所述左压头14位于左压板11正左方，第一伺服电机18和第一减速机36带动第一滚珠丝杠缸34沿第一滑道37运动，从而实现左压头从左至右对岩石结构面上盘岩块33施加剪切力；所述右剪切力加载装置包括从右至左依次连接第二伺服电机30、第二减速机38、第二滚珠丝杠28、第二滚珠丝杠缸13及右压头26，所述右压头26位于右压板23正右方，第二伺服电机30和第二减速机38带动第二滚珠丝杠缸13沿第二滑道39运动，从而实现右压头从右至左对岩石结构面下盘岩块32施加剪切力；所述辊组装置包括上压辊组9、下压辊组17、左压辊组12和右压辊组24，所述上压辊组9位于上压头8与上压板10之间，所述下压辊组17位于下压板22和底座29之间，所述左压辊组12位于左压头14与左压板11之间，所述右压辊组24位于右压头26与右压板23之间；所述数据采集装置包括电脑控制器31及与其相连的第一压力传感器4、第二压力传感器15、第三压力传感器27、第一位移引伸计LVDT 6、第二位移引伸计LVDT 7、加热棒25及温度传感器35，所述第一压力传感器4位于加载活塞3与上压头8之间，所述第二压力传感器15位于左压头14和第一滚珠丝杠缸34之间，所述第三压力传感器27位于右压头26和第二滚珠丝杠缸13之间，所述第一位移引伸计LVDT 6位于上压头8左端，所述第二位移引伸计LVDT 7位于上压头8右端，所述加热棒25伸入加热孔20底部，所述温度传感器35位于上盘岩块33和下盘岩块32上。
[0024]本实用新型的工作过程如下:[0025](I)试件制作和加热:在矿山巷道工程现场选取茅口灰岩岩石结构面，将茅口灰岩岩石结构面上盘岩块和下盘岩块均成切割成:长X宽X高=20cmX IOcmX 15cm的试件，在茅口灰岩岩石结构面上盘岩块33、下盘岩块32上各加工4个加热孔20,其深度为岩石试样厚度的2/3，然后在其内注入优质耐高温硅油，用带有加热棒25的橡胶塞5密封加热孔20，用耐高温胶水将橡胶塞5和加热孔20粘接和密封，并钢条19将橡胶塞5紧紧地堵住加热孔20，螺栓将钢条19固定在岩石结构面上下盘岩块的表面，粘接和密封24h后，电脑控制器31控制加热棒25的加热温度,将茅口灰岩岩石结构面上、下盘岩块的温度加热至50°C，加热5h通过岩石结构面上盘岩块和下盘岩块各处的温度传感器35获得上、下盘岩块的平均温度值为48.5°C。
[0026](2)施加法向压力:通过电脑控制器31控制法向压力的大小为40KN，伺服装置的液压缸2的加载活塞3给上压头8提供法向压力40KN，上压头8通过上压辊组9和上压板10将法向压力40KN传递给岩石结构面上盘岩块33。
[0027](4)施加剪切力:第一滚珠丝杠16带动左压头14从左至右对岩石结构面上盘33施加剪切力，通过电脑控制器31控制岩石结构面上盘的加载剪切位移速率为0.005mm/s ；第二滚珠丝杠28带动右压头26从右至左对岩石结构面下盘岩块32施加剪切力，通过电脑控制器31控制岩石结构面下盘的加载剪切位移速率为0.005mm/so
[0028](5)数据采集:通过第一位移引伸计LVDT 6，第二位移引伸计LVDT 7实时采集岩石结构面剪切过程中的岩石结构面上盘岩块33的法向剪胀位移，通过第二压力传感器15、第三压力传感器27采集实时岩石结构面上、下盘岩块的剪切力的大小，同时通过第一压力传感器4实时控制岩石结构面岩块的法向压力。
[0029]上述处理条件得到的茅口灰岩岩石结构面剪切峰值强度为4.26 MPa±0.82，峰值剪胀位移为0.75 ±0.30mm。
【权利要求】
1.一种岩石结构面双向剪切装置，其特征在于:包括试件、加热装置、压板装置、加载装置、数据采集装置及底座；所述试件为以岩石结构面为界的上盘岩块和下盘岩块；所述压板装置包覆所述试件，包括上、下、左、右四块压板，所述上、下压板平行正对设置，所述左、右压板平行错开设置，所述下压板置于底座上，所述上压板与左压板、下压板与右压板分别通过螺栓连接成7字形；所述加载装置分为法向压力加载装置和双向剪切力加载装置，所述法向压力加载装置对试件施加法向压力，所述双向剪切力加载装置对试件施加左、右双向剪切力；所述加热装置对试件进行加热；所述数据采集装置对试件温度、法向压力、法向剪胀位移、加载剪切位移速率、剪切力及剪切位移进行数据采集。
2.根据权利要求1所述的岩石结构面双向剪切装置，其特征在于:所述加热装置包括上、下盘岩块内未透穿的加热孔及与之匹配的中间带加热棒的橡胶塞，所述橡胶塞通过钢条夹紧，所述钢条通过螺栓固定在岩块表面。
3.根据权利要求1或2所述的岩石结构面双向剪切装置，其特征在于:所述法向压力加载装置包括上压头、液压缸及加载活塞，所述上压头位于上压板正上方，与液压缸连接，加载活塞位于液压缸内，所述加载装置固定于反力架上。
4.根据权利要求1或2所述的岩石结构面双向剪切装置，其特征在于:所述双向剪切力加载装置包括相对设置的左、右剪切力加载装置，所述左剪切力加载装置包括从左至右依次连接的第一伺服电机、第一减速机、第一滚珠丝杠、第一滚珠丝杠缸及左压头，所述左压头位于左压板正左方；所述右剪切力加载装置包括从右至左依次连接第二伺服电机、第二减速机、第二滚珠丝杠、第二滚珠丝杠缸及右压头，所述右压头位于右压板正右方。
5.根据权利要求1或2所述的岩石结构面双向剪切装置，其特征在于:所述数据采集装置包括电脑控制器及与其相连的第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一位移引伸计LVDT、第二位移引伸计LVDT及温度传感器，所述第一压力传感器位于加载活塞与上压头之间，所述第二压力传感器位于左压头和第一滚珠丝杠缸之间，所述第三压力传感器位于右压头和第二滚珠丝杠缸之间，所述第一位移引伸计LVDT位于上压头左上端，所述第二位移引伸计LVDT位于上压头右上端，所述温度传感器位于上、下盘岩块上。
6.根据权利要求1或2所述的岩石结构面双向剪切装置，其特征在于:还包括辊组装置，所述辊组装置包括上、下、左、右四个压辊组，所述上压辊组位于上压头与上压板之间，所述下压辊组位于下压板和底座之间，所述左压辊组位于左压头与左压板之间，所述右压辊组位于右压头与右压板之间。
【文档编号】G01N3/24GK203758857SQ201420163644
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月5日 优先权日:2014年4月5日
【发明者】赵延林, 万文, 王卫军 申请人:湖南科技大学