一种自适应结构面剪切盒装置的制作方法

本发明涉及岩石力学技术领域岩石室内直剪试验技术，尤其是一种结构面室内剪切试验的试件固定装置。

背景技术：
结构面的物理力学性质，是影响工程岩体稳定性的重要因素之一，通常采用室内平推剪切试验确定。将现场凿取的试样加工成与剪切盒尺寸匹配的试件，浇筑于剪切盒中，在试件上部施加法向荷载，固定上剪切盒水平位移，在下剪切盒上施加剪切荷载，使试样沿中间预留的剪切缝发生破坏，并以此来评估其剪切强度。根据相关国家规范，在取样、制样和试验时，应当保持结构面原有的物理状态，法向荷载和切向荷载应当通过预定剪切面几何中心。在目前的剪切试验中，剪切盒一般都具有固定的形状和尺寸，现场取样材料大都需要进行室内二次加工或浇筑固定，在切割震动、刀盘冷却水浸泡或浇筑扰动等影响下，结构面的物理力学性质往往会发生一定的改变，这给试件的制备带来了极大的挑战；若试件尺寸与剪切盒内径严格一致，在法向加载过程中，由于试件的侧向膨胀变形，会引起试件和剪切盒侧边之间过大的摩阻力，使法向荷载并非完全作用在剪切面上；若试件尺寸比剪切盒内径过小，在切向加载过程中，很容易造成试件侧向晃动，导致剪切面拉断或扭断而非剪断，致使试验失败。

技术实现要素：
发明目的：本发明的目的是为解决现有结构面剪切试验存在的技术问题，提供一种能够灵活适应现场取样试件、室内自制试件形状和尺寸的低摩阻智能剪切盒装置，以满足现场取样后试件最小扰动、高精度测试的要求。为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种自适应结构面剪切盒装置，包括上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒包括上剪切盒内盒和上剪切盒外盒，上剪切盒内盒套设在上剪切盒外盒内，上剪切盒内盒设有顶盖，所述下剪切盒包括下剪切盒内盒和下剪切盒外盒，下剪切盒内盒套设在下剪切盒外盒内，下剪切盒内盒设有底盖；上剪切盒外盒内侧壁设有上弧形滑槽一，上剪切盒内盒外侧壁与上弧形滑槽一相对应位置设有上弧形滑槽二，下剪切盒外盒内侧壁设有下弧形滑槽一，下剪切盒内盒外侧壁与下弧形滑槽一相对应位置设有下弧形滑槽二，上弧形滑槽一与上弧形滑槽二之间以及下弧形滑槽一与下弧形滑槽二之间均设有直列式球形滚珠排，下剪切盒外盒顶面设有矩形滑槽一，上剪切盒外盒底面与矩形滑槽一相对应位置设有矩形滑槽二，矩形滑槽一与矩形滑槽二之间设有直列式圆柱滚珠排；上剪切盒内盒侧壁和顶盖设有第一试件固定栓孔，下剪切盒内盒侧壁和底盖设有第二试件固定栓孔，上剪切盒外盒侧壁设有第三试件固定栓孔，上剪切盒外盒侧壁第三试件固定栓孔和上剪切盒内盒侧壁第一试件固定栓孔孔位置相对应，第一试件固定栓孔和第二试件固定栓孔设有试件固定螺栓，第三试件固定栓孔设有固定插销。本发明中，优选的，所述直列式球形滚珠排长度与上剪切盒外盒和下剪切盒外盒壁面高度一致。本发明中，优选的，所述上剪切盒内盒外侧壁和上剪切盒外盒内侧壁间距以及下剪切盒内盒外侧壁和下剪切盒外盒内侧壁间距均小于等于1mm。本发明中，优选的，所述上剪切盒内盒和上剪切盒外盒底面齐平，下剪切盒内盒和下剪切盒外盒顶面齐平。本发明中，优选的，所述上剪切盒底面和下剪切盒顶面间距等于试样剪切厚度。本发明中，优选的，所述第一试件固定栓孔和第二试件固定栓孔均包括小孔段和大孔段，小孔段靠剪切盒内侧，大孔段靠剪切盒外侧，小孔段和大孔段长度相等并同轴心，小孔段设有螺纹；所述第三试件固定栓孔孔径与第一试件固定栓孔大孔段孔径相同。有益效果：(1)本发明的剪切盒内盒采用高刚度螺栓三维固定规则或不规则试样，因此对于扰动敏感的结构面形状不规则试样或试件加工尺寸稍小的试样，可有效固定并进行剪切试验，避免了试验加载时试件扰动的现象，在施加法向荷载时，上剪切盒内、外盒采用滑动滚珠接触，避免了盒体承担法向荷载的现象，在切向直剪时，上、下剪切盒外盒采用圆柱滑体滚珠接触，减小了接触面摩阻力，固定了结构面剪切厚度，确保试件沿预定截面剪切破坏；(2)本发明的岩石室内直剪试验的剪切盒装置改变了传统剪切试件的固定方式，解决了试件室内加工、浇筑固定引起的扰动影响问题，直列式滚珠排的设置实现了减小法向、切向摩阻力及固定剪切面，避免了试样发生拉断、扭断而非剪断裂的现象，且对于规则形状的结构面试件同样适用；(3)本发明剪切盒装置结构简单，操作方便，适用性广。附图说明图1为本发明剪切盒装置结构示意图；图2为本发明上剪切盒内盒结构示意图；图3为本发明上剪切盒外盒结构示意图；图4为本发明下剪切盒内盒结构示意图；图5为本发明下剪切盒外盒结构示意图；图6为本发明直列式球形直列式滚珠排结构示意图；图7为本发明直列式圆柱滚珠排结构示意图；图8为本发明固定插销结构示意图；图9为本发明试件固定螺栓结构示意图。图中：1-上剪切盒内盒；2-上剪切盒外盒；3-下剪切盒内盒；4-下剪切盒外盒；5-第一试件固定栓孔；6-上弧形滑槽二；7-上弧形滑槽一；8-第三试件固定栓孔；9-矩形滑槽二，10-下弧形滑槽二；11-第二试件固定栓孔；12-下弧形滑槽一；13-矩形滑槽一；14-直列式球形滚珠排；15-直列式圆柱滚珠排；16-固定插销；17-试件固定螺栓。具体实施方式：下面结合附图对本发明做更进一步的解释。如图1至9所示，本发明的自适应结构面剪切盒装置包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒包括上剪切盒内盒1和上剪切盒外盒2，上剪切盒内盒1套设在上剪切盒外盒2内，上剪切盒内盒1设有顶盖，下剪切盒包括下剪切盒内盒3和下剪切盒外盒4，下剪切盒内盒3套设在下剪切盒外盒4内，下剪切盒内盒3设有底盖。上剪切盒内盒1和上剪切盒外盒2底面齐平，下剪切盒内盒3和下剪切盒外盒4顶面齐平。上剪切盒内盒1外侧壁和上剪切盒外盒2内侧壁间距以及下剪切盒内盒3外侧壁和下剪切盒外盒4内侧壁间距均小于等于1mm。上剪切盒外盒2四个内侧壁各设有两道上弧形滑槽一7，上剪切盒内盒1四个1外侧壁与上弧形滑槽一7相对应位置各设有两道上弧形滑槽二6，下剪切盒外盒4四个内侧壁各设有两条下弧形滑槽一12，下剪切盒内盒3四个外侧壁与下弧形滑槽一12相对应位置各设有两条下弧形滑槽二10，上弧形滑槽一7与上弧形滑槽二6之间以及下弧形滑槽一12与下弧形滑槽二10之间均设有直列式球形滚珠排14。直列式球形滚珠排14长度与上剪切盒外盒2和下剪切盒外盒4壁面高度一致。通过直列式球形滚珠排14分别实现上剪切盒内盒1与上剪切盒外盒2，以及下剪切盒内盒3和下剪切盒外盒4沿垂直方向相对移动。下剪切盒外盒4顶面设有两条矩形滑槽一13，上剪切盒外盒2底面与矩形滑槽一13相对应位置设有两条矩形滑槽二9，矩形滑槽一13与矩形滑槽二9之间设有直列式圆柱滚珠排15，直列式球形滚珠排14长度与上剪切盒外盒2和下剪切盒外盒4壁面宽度一致。通过直列式圆柱滚珠排15实现上剪切盒外盒2与下剪切盒外盒4沿水平方向相对移动，通过调整直列式圆柱滚珠排15滚珠直径，使得上剪切盒底面和下剪切盒顶面间距等于试样剪切厚度。上剪切盒内盒1四个侧壁和顶盖各设有三排三列共九个第一试件固定栓孔5，下剪切盒内盒3四个侧壁和底盖各设有三排三列共九个第二试件固定栓孔11，上剪切盒外盒2四个侧壁各设有三排三列共九个第三试件固定栓孔8，并且上剪切盒外盒2侧壁第三试件固定栓孔8和上剪切盒内盒1侧壁第一试件固定栓孔5孔位置相对应，第一试件固定栓孔5和第二试件固定栓孔11设有试件固定螺栓17，第三试件固定栓孔8设有固定插销16。第一试件固定栓孔5和第二试件固定栓孔11均包括小孔段和大孔段，小孔段靠剪切盒内侧，大孔段靠剪切盒外侧，小孔和大孔长度相等并同轴心，小孔段设有螺纹；第三试件固定栓孔8孔径与第一试件固定栓孔5大孔段孔径相同。第一试件固定栓孔5、第二试件固定栓孔11和第三试件固定栓孔8数量可根据试件的材质进行调整，若试件材质较软可加密栓孔的密度，以减小螺栓固定造成的应力集中效应。本实施例中，上剪切盒、下剪切盒、直列式球形滚珠排14、直列式圆柱滚珠排15、试件固定螺栓17和固定插销16均采用高强度、高刚度材料制作。本发明的自适应结构面剪切盒装置工作原理如下：试验时，将试件放置在下剪切盒内盒3中，选用长度适宜的试件固定螺栓17从下剪切盒内盒3底盖的第二试件固定栓孔11穿入调整试件剪切面位置，使试件软弱结构面下端平面与下剪切盒内盒4顶面齐平，然后选用长度适宜的试件固定螺栓17从下剪切盒内盒4侧壁和底盖的第二试件固定栓孔11调节试件的平面位置并固定，依次旋紧下剪切盒内盒4侧壁和底盖的试件固定螺栓17，将固定有试件的下剪切盒内盒4放置于下剪切盒外盒3中；将固定插销16伸入上剪切盒内盒1侧壁第一试件固定栓孔5，固定上剪切盒内盒1和上剪切盒外盒2的相对位置，将上剪切盒放置在下剪切盒上；选用长度合适的试件固定螺栓17按先侧面后顶面顺序固定试样上部，逐一用试件固定螺栓17替换固定插销16并旋紧；然后将安装好试件的剪切盒放置在试验机框架内，在下剪切盒外盒4与试验机框架之间设置有滚珠排，以减小剪切过程中剪切盒和试验机框架间的摩阻力，试验机通过法向压力板对上剪切盒内盒1顶盖板施加法向荷载，通过反力支座使上剪切盒保持不动，通过设置在下剪切盒上的推/拉轴按预定方案施加剪切荷载，带动下剪切盒相对上剪切盒产生剪切位移，并同时记录法向和切向位移，直至试样发生剪切破坏；整理剪切应力与剪切位移、剪切应力与法向位移的关系曲线，确定试件的剪切强度及各阶段的抗剪力学特征。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。