一种岩石拉伸及压缩双面剪切试验装置及方法与流程

本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种岩石拉伸及压缩双面剪切试验装置及方法。

背景技术：

诸如大型水利水电工程的建造、深埋隧洞的开挖，各种矿产资源的开采，城市地下空间的开发，人类越来越多的建设活动离不开岩体的开挖，开挖伴随着岩体的变形破坏，其力学特性发生改变，因此研究岩体破坏的力学特性和变形特征是岩石力学主要研究方向之一。

岩石破坏的主要形式包括：剪切破坏试验；不同应力条件下岩石的剪切破坏表现出不同的力学特性和变形特征；常见的剪切形式有：压缩剪切破坏、拉伸剪切破坏、扭剪破坏、三轴压缩剪切破坏、变角度剪切破坏等单面破坏；但是在实际工程操作中，岩石剪切的破坏形式，受力形式是多种多样的，单面破坏往往不能完整反映岩石内部破坏的机制，使得岩石剪切破坏的力学特性和变形特征研究的可靠性存疑，影响工程的可靠性和稳定性。

技术实现要素：

本发明提供一种岩石拉伸及压缩双面剪切试验装置，解决现有技术中岩石内部破坏机制研究片面，形式单一，可靠性低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种岩石拉伸及压缩双面剪切试验装置，包括：

基座以及固定在其上的框架；

第一剪切盒以及与之相对设置的第二剪切盒，所述第一剪切盒和所述第二剪切盒设置在所述基座上；

水平加载结构，分别与所述第一剪切盒和所述第二剪切盒相连，驱动所述第一剪切盒所述第二剪切盒执行对岩石试样的拉伸或者压缩操作；

垂直加载系统，与所述框架相连，用于执行对所述岩石试样的剪切操作，向所述岩石试样施加剪力。

进一步地，所述第一剪切盒和所述第二剪切盒具备相同的结构；包括：

试样槽，用于装载岩石试样；

盖板，设置在所述试样槽上，从试样顶部提供固定位，从试样宽度方向提供固定位，用于将岩石试样从厚度方向，宽度方向压紧在所述试样槽内。

进一步地，所述盖板包括：顶板以及相连的侧板；

所述顶板固定在所述试样槽上，用于从试样厚度方向提供压紧力；

所述侧板固定在所述试样槽上，用于从试样宽度方向提供压紧力。

进一步地，所述试样槽还包括：活动压板；

所述活动压板与所述试样槽活动相连，可沿试样宽度方向靠近以及远离所述侧板，用于将岩石试样压紧在所述侧板上或者自所述侧板上释放。

进一步地，所述侧板和/或所述活动压板用于接触岩石试样的内侧面设置成粗糙面。

进一步地，所述盖板还包括：顶侧活动压板；

所述顶侧活动压板设置在开设于所述顶板内的凹槽内，与所述顶板活动相连，可沿实验厚度方向靠近以及远离所述试样槽的槽底，用于将岩石试样压紧在所述试样槽的槽底或者自所述试样槽的槽底释放。

进一步地，所述水平加载系统包括：

定位支架；

与所述第一剪切盒相连的第一水平施力组件，与所述第二剪切盒相连的第二施力组件；所述第一水平施力组件和所述第二施力组件分别固定在所述定位支架上，以其作为施力支点；

水平滑轨以及与之匹配的第一滑块和第二滑块；

所述第一剪切盒固定在所述第一滑块上，所述第二剪切盒固定在所述第二滑块上。

进一步地，所述垂直加载结构包括：垂直施力组件；

所述垂直施力组件固定在所述框架上，用于垂直于所述岩石试样施加剪力。

进一步地，定位支架包括：第一定位板、第二定位板以及两者间的导向杆；

所述第一定位板与所述第一水平施力组件固定相连，所述第二定位板与所述第二水平施力组件固定相连；

所述导向杆通过滑动轴套与所述框架活动相连，可沿水平方向滑动，用于调整所述第一剪切盒以及所述第二剪切盒的水平位置。

一种基于所述的岩石拉伸及压缩双面剪切试验装置的岩石拉伸及压缩双面剪切试验方法，包括：

试样准备步骤，将岩石试样压紧在所述第一剪切盒以及所述第二剪切盒内；调整水平加载结构，使岩石试样到达水平预定位置，且施力点位于岩石试样的水平中轴线上；调整垂直加载结构，使其底端抵靠在岩石试样顶部中心位置；

拉伸双面剪切步骤，通过水平加载结构施加水平拉力至预订值，而后通过垂直加载结构施加垂直剪力直至所述岩石试样破坏；

更换岩石试样，并按照上述试样准备步骤完成岩石试样固定以及装置设置；

压缩双面剪切步骤，通过水平加载结构施加水平压力至预订值，而后通过垂直加载结构施加垂直剪力直至所述岩石试样破坏。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的岩石拉伸及压缩双面剪切试验装置，通过水平加载结构以及第一、第二剪切盒实现了岩石试样的压缩和拉伸状态设定，使得岩石剪切实验，能够实现双面压缩和双面拉伸，特别是双面拉伸能够充分还原岩石的受力状态，使得剪切实验能够开展不同拉应力和压应力作用下的双面剪切试验，获得岩石剪切力学参数和变形特征，为改进和完善岩石在拉剪/压剪应力作用下的本构关系和强度准则，具有重要的理论意义和实际意义，提升了岩石内部破坏机制研究的完整性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的岩石拉伸及压缩双面剪切试验装置的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明实施例提供的剪切盒的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的盖板结构示意图；

图5为图4的左视图；

图6为本发明实施例提供的试样槽的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种岩石拉伸及压缩双面剪切试验装置，解决现有技术中岩石内部破坏机制研究片面，形式单一，可靠性低的技术问题；达到了提升岩石破坏机制研究的科学性，完整性和可靠性的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供技术方案的总体思路如下：

通过针对岩石试样在两面设置施力结构，实现拉伸和压缩的力学状态还原，从而充分提升了研究的可靠性和科学性；从而获得完整可靠的的岩石剪切力学参数和变形特征，为进和完善岩石在拉剪/压剪应力作用下的本构关系和强度准则，具有重要的理论意义和实际意义。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参见图1，本发明实施例提供的一种岩石拉伸及压缩双面剪切试验装置，包括：

基座1以及固定在其上的框架2。

第一剪切盒14以及与之相对设置的第二剪切盒15，所述第一剪切盒14和所述第二剪切盒15设置在所述基座1上。

水平加载结构，分别与所述第一剪切盒14和所述第二剪切盒15相连，驱动所述第一剪切盒14所述第二剪切盒15执行对岩石试样11的拉伸或者压缩操作。从而实现了从结构上的双面拉伸和双面压缩，完整了破坏机理的研究过程。

垂直加载系统，与所述框架2相连，用于执行对所述岩石试样11的剪切操作，向所述岩石试样11施加剪力。

具体来说，所述第一剪切盒14和所述第二剪切盒15具备相同的结构。

参见图3～6，以第一剪切盒为例说明，包括：

试样槽141，用于装载岩石试样。

盖板142，设置在所述试样槽141上，从试样顶部提供固定位，从试样宽度方向提供固定位，用于将岩石试样从厚度方向，宽度方向压紧在所述试样槽141内。

具体来说，所述盖板142包括：顶板1421以及相连的侧板1422；

所述顶板1421固定在所述试样槽141上，用于从试样厚度方向提供压紧力；即由岩石试样11顶部向下压。

所述侧板1422固定在所述试样槽141上，用于从试样宽度方向提供压紧力。

具体来说，在宽度方向上提供两个相对的力，使得岩石试样11在宽度方向上稳定。

进一步地，所述试样槽还包括：活动压板145。

所述活动压板145与所述试样槽141活动相连，具体来说，活动压板145与第二试样槽壁1414活动连接，可沿试样宽度方向靠近以及远离所述侧板1422，用于将岩石试样11压紧在所述侧板1422上或者自所述侧板1422上释放。

具体来说，所述侧板1422嵌于所述试样槽141内，抵靠在第一试样槽壁1413上，从而使得第一试样槽壁1413成为定位基点，确切地说，岩石试样11抵靠在第一试样槽壁1413，使得岩石试样在两个剪切盒的施力位于同一轴线上，保证了水平施力的可靠性。

进一步地，所述侧板1422和/或所述活动压板145用于接触岩石试样的内侧面设置成粗糙面。通过增加摩擦力，提升剪切盒对岩石试样11的施力效果。

进一步地，所述盖板还包括：顶侧活动压板144。

所述顶侧活动压板144设置在开设于所述顶板1421内的凹槽1424内，与所述顶板1421活动相连，可沿实验厚度方向靠近以及远离所述试样槽的槽底，用于将岩石试样压紧在所述试样槽的槽底或者自所述试样槽的槽底释放。即从试样顶部施加向下的压力。

在所述顶板1421设置调节螺母8顶在顶侧活动压板144上，作为下压量的调节结构。相类似的，所述145采用类似的伸缩量调节结构。

优选的，还可以在顶侧活动压板144与试样的接触面设置成粗糙面，从而能够施加长度方向的静摩擦力，辅助实现拉伸和压缩操作。

具体来说，粗糙面可以设置成锯齿面，以提升摩擦系数。进一步地，在试样槽141内设置一垫块143，抵靠在第三试样槽壁1411上，使试样受力更均匀，确保固定可靠性。

进一步地，在第三试样槽壁1411顶部设置固定凸起1412，在顶板1421上设置相匹配的凹槽1424，从而使的顶板能够具备良好的宽度方向和长度方向的固定性能，从而使得侧板1422能够形成两个固定支点，从而提升宽度方向定位固定的可靠性；另一方面，能够配合顶侧活动板辅助实现拉伸和压缩操作，同时具备良好的可靠性。

参见图2，所述水平加载系统包括：

定位支架；

与所述第一剪切盒14相连的第一水平施力组件5，与所述第二剪切盒15相连的第二施力组件6；所述第一水平施力组件5和所述第二施力组件6分别固定在所述定位支架(4、7、8)上，以其作为施力支点。

具体来说，第一施力组5可件采用施力千斤顶，第二施力组件6采用旋转推拉装置。

水平滑轨12以及与之匹配的第一滑块和第二滑块(13)。

所述第一剪切盒14固定在所述第一滑块上，所述第二剪切盒15固定在所述第二滑块上。从而可实现基于岩石试样11中线的拉伸或者压缩操作，在长度方向上，两剪切盒产生相对位移。

所述垂直加载结构包括：垂直施力组件9；

所述垂直施力组件固定在所述框架上，用于垂直于所述岩石试样施加剪力。可选用，施力千斤顶。

优选的，在其前端通过球形绞座连接一压块10，抵靠在岩石试样11中部，保证施力均匀。

进一步地，定位支架包括：第一、第二定位板7以及两者间的导向杆4。

所述第一定位板与所述第一水平施力组件5固定相连，所述第二定位板与所述第二水平施力组件6固定相连。

所述导向杆4通过滑动轴套3与所述框架2活动相连，可沿水平方向滑动，用于调整所述第一剪切盒14以及所述第二剪切盒15的水平位置。

本实施例还提供了基于上述装置的试验方法。

一种基于所述的岩石拉伸及压缩双面剪切试验装置的岩石拉伸及压缩双面剪切试验方法，包括：

试样准备步骤，将岩石试样压紧在所述第一剪切盒以及所述第二剪切盒内；调整水平加载结构，使岩石试样到达水平预定位置，且施力点位于岩石试样的水平中轴线上；调整垂直加载结构，使其底端抵靠在岩石试样顶部中心位置；

拉伸双面剪切步骤，通过水平加载结构施加水平拉力至预订值，而后通过垂直加载结构施加垂直剪力直至所述岩石试样破坏；

更换岩石试样，并按照上述试样准备步骤完成岩石试样固定以及装置设置；

压缩双面剪切步骤，通过水平加载结构施加水平压力至预订值，而后通过垂直加载结构施加垂直剪力直至所述岩石试样破坏。

下面将分别通过两个具体的实施方案介绍所述装置及其试验方法。

利用上述岩石双面剪切试验装置开展拉伸双面剪切试验的方法，包括以下步骤：

步骤1：将试样11放在第一剪切盒14、第二剪切盒15的呈L形试样槽141(151)上，并调整设备位置，保证试样11中轴线位于第一水平施力组件5中轴线上。试样11中间预留50mm的距离，调整第一、第二剪切盒14、15和试样11至预定位置。

步骤2：启动第一水平施力组件5，第二水平施力组件6并通过导向杆4微调水平加载系统，保证试样11中心通过垂直千斤顶9中轴线，将压块10放置在试样11中间预留处。

步骤3：运行水平千斤顶5，施加水平拉应力至预定值，再运行垂直千斤顶9，施加垂直剪应力至试样11破坏。

步骤4：试验完成后，拆卸左、右剪切盒14、15并取出试样11，整理试验仪器，依据试验结果进行数据分析。

实施例2：岩石压缩双面剪切试验

步骤1：将试样11放在第一剪切盒14、第二剪切盒15的呈L形试样槽141(151)上，并调整设备位置，保证试样11中轴线位于第一水平施力组件5中轴线上。试样11中间预留50mm的距离，调整第一、第二剪切盒14、15和试样11至预定位置。

步骤2：启动第一水平施力组件5，第二水平施力组件6并通过导向杆4微调水平加载系统，保证试样11中心通过垂直千斤顶9中轴线，将压块10放置在试样11中间预留处。

步骤3：运行水平千斤顶5，施加水平压应力至预定值，再运行垂直千斤顶9，施加垂直剪应力至试样11破坏。

步骤4：试验完成后，拆卸左、右剪切盒14、15并取出试样11，整理试验仪器，依据试验结果进行数据分析。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的岩石拉伸及压缩双面剪切试验装置，通过水平加载结构以及第一、第二剪切盒实现了岩石试样的压缩和拉伸状态设定，使得岩石剪切实验，能够实现双面压缩和双面拉伸，特别是双面拉伸能够充分还原岩石的受力状态，使得剪切实验能够开展不同拉应力和压应力作用下的双面剪切试验，获得岩石剪切力学参数和变形特征，为改进和完善岩石在拉剪/压剪应力作用下的本构关系和强度准则，具有重要的理论意义和实际意义，提升了岩石内部破坏机制研究的完整性和可靠性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。