一种野外测定岩石点荷载强度和结构面摩擦角的仪器的制作方法

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一种野外测定岩石点荷载强度和结构面摩擦角的仪器的制造方法与工艺

本发明涉及一种野外测定岩石点荷载强度和结构面摩擦角的仪器。



背景技术:

点载荷试验是岩体工程中岩体分级(RMR、CSMR等)研究和强度参数的一个十分重要的指标,对各类大型岩体工程,特别是矿山和大型地下岩体工程的支护以及围岩稳定性分析具有十分重要的作用。同时,点载荷试验不仅具有简易快捷,能进行原始状态的现场测试,具有工时少、费用低和便于大量试验的优点,还拥有能对不易进行常规试验的软岩与严重风化岩石的强度指标进行测试的特点。岩体结构面的内聚力、摩擦角等力学参数,往往也是研究者和工程技术人员关心的。

岩石点荷载强度试验方法是国际岩石力学学会(ISRM)试验方法委员会于1972年建议采用的,1984年又对该方法进行了修正。其试验是将岩石试件置于两个球型圆锥状压板之间,对试件施加集中荷载,直至破坏,然后根据破坏荷载求得岩石的点荷载强度,并以其点荷载强度作为岩石强度分类及岩体风化分类的指标,也可用于评价岩石强度的各向异性程度,预估与之相关的其它强度如单轴抗压强度和抗拉强度等指标,进而可计算出岩基的承载力。

现有的岩石点荷载试验设备中,主要包括GCTS岩石点荷仪和STDZ-3型数显岩石点荷载仪,两者结构相同,主要有加荷系统、荷载测量系统组成。加荷系统包括支撑框架、加荷锥及液压千斤顶装置;支撑框架有足够的刚度,可保证在最大破坏荷载的反复作用下不会产生永久性扭曲;加荷锥球面曲率半径为5.0mm,圆锥的顶角为60°,采用坚硬优质钢制成;加荷装置采用手摇液压油泵,由千斤顶活塞将液压传到加荷锥,对试件施加荷载。荷载测量系统通过数据显示屏显示破坏荷载峰值。

现有岩石点荷载试验机能较快、较准确测定岩石的载荷强度,并能数字显示其强度值;然而,这类仪器存在以下不足:(1)其加载装置采用液压千斤顶,千斤顶最大出力50KN,而实际工程岩体强度多为60Mpa按规范计算则15KN即能将不规则试件压坏,那么配有出力50KN的千斤顶在现场试验是一种浪费。(2)仪器整体框架中底板、横梁太过厚重使整机质量重45KG~50KG,无法满足工程师在野外进行岩石点荷载试验时对仪器轻便化的要求。(3)荷载测量系统能够显示并记录下使岩石破坏的荷载强度但仍需手工记录下荷载强度值,测量两加载头间试件的长度是通过刻度尺人工读取记录,未实现自动智能化的数据记录。

目前,对于岩体结构面的摩擦角获取,在野外测量时往往是将两块近似平整的岩石简单的用手抬起做倾斜试验,通过目测大致得出摩擦角度,其结果误差较大,不够精确。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种野外测定岩石点荷载强度和结构面摩擦角的仪器,使现有岩石点荷载仪器的重量大幅减轻、使仪器测量参数直接存储传输,无需人工记录,满足野外测定岩石点荷载强度对仪器轻便化智能化的需求,同时解决现场通过目测来测量岩石结构面摩擦角的做法,增加结构面摩擦角测量功能。

为了达到上述目的,本发明的技术方案是:

一种野外测定岩石点荷载强度和结构面摩擦角的仪器,包括下底板、上底板,所述下底板与上底板之间安装有支撑柱,所述上底板上安装有涡轮减速机,所述涡轮减速机分别与收纳式手轮、螺杆相连,所述支撑柱上安装有滑块,所述螺杆与连接块相连,所述连接块与滑块相连,所述连接块与下底板之间安装有岩石点荷载强度测量装置或岩石结构面摩擦角测量装置。

所述岩石点荷载强度测量装置包括上加载头、下加载头、称重传感器、旋转编码器,所述连接块与上加载头卡扣相连,所述下底板上安装有垫块,所述垫块上安装有称重传感器,所述称重传感器上安装有下加载头,且所述上加载头与下加载头位于同一竖直线,所述旋转编码器通过编码器连轴与螺杆相连。

所述上加载头通过加载头挡板与连接块相连。

所述垫块包括第一垫块、第二垫块,所述下底板上开设有第一垫块凹槽,所述第一垫块凹槽内安装有第一凸块,所述第一凸块与第一垫块相连;所述第一垫块上开设有第二垫块凹槽,所述第二垫块凹槽内安装有第二凸块,所述第二凸块与第二垫块相连;所述第二垫块上开设有第三垫块凹槽,所述第三垫块凹槽内安装有称重传感器。

所述编码器连轴与涡轮减速机之间安装有垫圈。

所述岩石结构面摩擦角测量装置包括拉杆、L形折弯板、岩石加载板,所述连接块与拉杆相连,所述下底板上安装有L形折弯板,所述L形折弯板通过蝶形铰链与岩石加载板相连,所述蝶形铰链上安装有电阻式旋转角度传感器,所述岩石加载板通过挡板与拉杆相连。

所述拉杆通过加载头挡板与连接块相连;所述岩石加载板与阻挡板相连。

所述支撑柱穿过下底板后与六角螺母相连,所述六角螺母与下底板之间的支撑柱外套接有平垫圈。

所述连接块通过梯形螺母与滑块相连。

所述上底板下端安装有轴承座,所述轴承座上安装有推力球轴承,所述推力球轴承与螺杆相连。

本发明的有益效果是:1、采用上述方案,岩石点荷载仪器质量减轻至12KG~15KG,节省劳力搬运成本。2、增加岩石结构面摩擦角测量功能,实现一机多用的目的。3、采用称重传感器测对岩石试件的荷载,旋转编码器测量出试件的长度,角度传感器测量出岩石结构面摩擦角,并将数据直接传输到移动终端机得出试验结果并保存,操作简单、无需人工计算。3、采用可拆卸式加载头,当加载头磨损只需替换加载头,节约试验成本。

附图说明

图1为实施例一的结构示意图;

图2为图1中A—A剖视图;

图3为实施例二的结构示意图;

图4为图3中B—B剖视图。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示一种野外测定岩石点荷载强度和结构面摩擦角的仪器,包括下底板1、上底板2,所述下底板1与上底板2之间安装有支撑柱3,所述上底板2上安装有涡轮减速机4,所述涡轮减速机4分别与收纳式手轮5、螺杆6相连,所述支撑柱3上安装有滑块7,所述螺杆6与连接块8相连,所述连接块8与滑块7相连,所述连接块8与下底板1之间安装有岩石点荷载强度测量装置。支撑柱3采用45号钢材质,上底板2和下底板1采用不锈钢材质。收纳式手轮5通过手摇最大花费50N的力经过涡轮减速机4放大,最大提供15KN的荷载。

所述岩石点荷载强度测量装置包括上加载头11、下加载头12、称重传感器13、旋转编码器21,所述连接块8与上加载头11卡扣相连,所述下底板1上安装有垫块,所述垫块上安装有称重传感器13,所述称重传感器13上安装有下加载头12,且所述上加载头11与下加载头12位于同一竖直线,所述旋转编码器21通过编码器连轴22与螺杆6相连。称重传感器13和旋转编码器21通过蓝牙将测量数据传输到移动终端。上加载头11和下加载头12均采用GCr15高碳铬轴承钢材质制成,加载头为内角60°圆锥体,锥底直径40mm,头部为半径5mm的截球体。

所述上加载头11通过加载头挡板14与连接块8相连。

所述垫块包括第一垫块14、第二垫块15,所述下底板1上开设有第一垫块凹槽16,所述第一垫块凹槽16内安装有第一凸块17,所述第一凸块17与第一垫块14相连;所述第一垫块14上开设有第二垫块凹槽18,所述第二垫块凹槽18内安装有第二凸块19,所述第二凸块19与第二垫块15相连;所述第二垫块19上开设有第三垫块凹槽20,所述第三垫块凹槽20内安装有称重传感器13。

所述编码器连轴22与涡轮减速机4之间安装有垫圈23。

所述支撑柱3穿过下底板1后与六角螺母41相连,所述六角螺母41与下底板1之间的支撑柱3外套接有平垫圈42。

所述连接块8通过梯形螺母43与滑块7相连。

所述上底板2下端安装有轴承座44,所述轴承座44上安装有推力球轴承45,所述推力球轴承45与螺杆6相连。

本发明测定岩石点荷载强度时,通过转动收纳式手轮5,经涡轮减速机4带动螺杆6顶着上加载头11缓慢匀速的向下移动至下加载头12,夹持住不规则岩块,直至将不规则岩块压碎时停止转动收纳式手轮5,此时旋转编码器21记录的数据传输到移动终端,计算出该试件的长度D=H-L-K(H为仪器框架上底板与下底板净空距离,L为上下加载头和称重传感器的高度之和,K为旋转编码器测的梯形螺杆下降的距离),从上加载头11开始给不规则试件施加荷载时,称重传感器13测的荷载压力Pi(i=1,2,3,…)不断的传送到移动终端并获得点荷载最大值P=max{Pi}(i=1,2,3,…),因此,在岩石破碎的那一瞬间,记录下了参数P、D,最后由移动终端计算出点荷载指数Is=P/D2,并保存数据。

本实施例的一种野外测定岩石点荷载强度和结构面摩擦角的仪器,使现有岩石点荷载仪器的重量大幅减轻、使仪器测量参数直接存储传输,无需人工记录,满足野外测定岩石点荷载强度对仪器轻便化智能化的需求,同时解决现场通过目测来测量岩石结构面摩擦角的做法,增加结构面摩擦角测量功能。

实施例2

如图3、图4所示一种野外测定岩石点荷载强度和结构面摩擦角的仪器,包括下底板1、上底板2,所述下底板1与上底板2之间安装有支撑柱3,所述上底板2上安装有涡轮减速机4,所述涡轮减速机4分别与收纳式手轮5、螺杆6相连,所述支撑柱3上安装有滑块7,所述螺杆6与连接块8相连,所述连接块8与滑块7相连,所述连接块8与下底板1之间安装有岩石结构面摩擦角测量装置。支撑柱3采用45号钢材质,上底板2和下底板1采用不锈钢材质。收纳式手轮5通过手摇最大花费50N的力经过涡轮减速机4放大,最大提供15KN的荷载。

所述岩石结构面摩擦角测量装置包括拉杆31、L形折弯板32、岩石加载板33,所述连接块8与拉杆31相连,所述下底板1上安装有L形折弯板32,所述L形折弯板32通过蝶形铰链34与岩石加载板33相连,所述蝶形铰链34上安装有电阻式旋转角度传感器36,所述岩石加载板33通过挡板35与拉杆31相连。电阻式旋转角度传感器36通过蓝牙将测量数据传输到移动终端。

所述拉杆31通过加载头挡板14与连接块8相连;所述岩石加载板33与阻挡板37相连。阻挡板37的设计能阻挡下部岩块滑动。

所述支撑柱3穿过下底板1后与六角螺母41相连,所述六角螺母41与下底板1之间的支撑柱3外套接有平垫圈42。

所述连接块8通过梯形螺母43与滑块7相连。

所述上底板2下端安装有轴承座44,所述轴承座44上安装有推力球轴承45,所述推力球轴承45与螺杆6相连。

本发明测定岩石结构面摩擦角时,需将实施例一中的上加载头11、下加载头12、称重传感器13、垫块卸下,然后装上实施例二中的拉杆31、L形折弯板32、蝶形铰链34、岩石加载板33。其中L形折弯板32、蝶形铰链34和岩石加载板33是三合一的整体,直接通过螺丝固定在下底板1上,整个拆卸安装过程一共需要拧6颗内六角圆柱头螺钉,拆装简便。测量时首先将岩石加载板33调整至与水平面最小角度为10°,然后把需要测试的两块岩石放在岩石加载板33上,放在下部的岩块需顶住阻挡板37,最后转动收纳式手轮5,拉杆31带动档杆35缓慢下移,则岩石加载板33缓慢下移即角度缓慢增大,上部岩块滑动的瞬间,角度测量传感器36记录下数据并传输给移动终端保存。

本实施例的一种野外测定岩石点荷载强度和结构面摩擦角的仪器,使现有岩石点荷载仪器的重量大幅减轻、使仪器测量参数直接存储传输,无需人工记录,满足野外测定岩石点荷载强度对仪器轻便化智能化的需求,同时解决现场通过目测来测量岩石结构面摩擦角的做法,增加结构面摩擦角测量功能。

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