一种岩石节理试样直接剪切试验盒的制作方法

本发明涉及岩土工程试验设备，具体涉及一种岩石节理试样直接剪切试验盒。

背景技术：

岩体中节理面作为控制岩体工程稳定性的重要因素，其剪切力学性质的研究一直以来都是行业内关注的焦点，如何准确地获得岩石节理强度与变形特性成为从事岩石工程有关技术人员所面临的最大困难。而室内直接剪切试验(简称直剪试验)是研究岩体节理剪切力学性质最直接有效的手段。传统岩石节理剪切仪器主要存在以下三个问题：

1)在岩石节理剪切过程中，特别是在高法向荷载条件下，现有的直接剪切盒中的上剪切盒相对于下剪切盒会发生竖向的运动(向上翻转现象)，改变了岩石节理两端受力条件，从而影响了岩石节理剪切试验结果的准确性；

2)在岩石节理剪切过程中，岩石节理上剪切盒内壁与岩石节理试样间会发生滑动摩擦，导致难以准确测出岩石节理的法向剪胀量，目前的岩石节理剪切盒通常在上剪切盒内壁与岩石节理试样间涂抹润滑油或放置聚四氟乙烯垫片来减小摩擦，但减摩效果不尽人意；

3)在岩石节理剪切过程中，上、下剪切盒直接接触产生滑动摩擦力，使得岩石节理剪切强度偏大，另外下剪切盒也会偏离剪切方向发生水平运动。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使用方便、能获得岩石节理面真实力学特性的岩石节理试样直接剪切试验盒。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种岩石节理试样直接剪切试验盒，该剪切试验盒包括底座、设置在底座上的用于放置岩石节理试样的上剪切盒和下剪切盒以及压在上节理块顶部的法向加载垫块，所述底座下方设有承台，所述承台的底部滑动连接在大型直线导轨上，所述上剪切盒上安装有向下布置的固定架，所述下剪切盒安装有向上布置的轴承架，所述固定架和轴承架在相同的水平高度上设有槽孔，导向杆穿插在所有槽孔中，所述固定架上设有销孔，并通过定位销固定导向和杆固定架，所述轴承架的槽孔中设有直线运动轴承，所述导向杆通过该直线运动轴承与轴承架连接，岩石节理试样由上节理块、下节理块及节理组成。

本发明通过设置固定架，并通过定位销保持固定架与导向杆的固定，从而保证在岩石节理剪切过程中导向杆与上剪切盒保持为一个整体(保持静止)，通过设置轴承架，导向杆通过设置在轴承架内部的直线运动轴承与轴承架连接，在岩石节理剪切过程中，轴承架就会随着下剪切盒发生剪切位移，且上剪切盒不会发生竖向的位移。

所述的固定架包括一号水平块以及设置在一号水平块中央且向下设置的一号竖直块，所述一号水平块的底部与上剪切盒的底部齐平，一号水平块上位于一号竖直块的两侧设有一号沉头孔，并通过六角螺钉与上剪切盒固定，所述一号竖直块的中部设有与导向杆直径相匹配的一号圆形槽孔，一号竖直块的外侧设有与定位销相匹配的销孔，所述销孔的径向与一号圆形槽孔的径向垂直。

所述的轴承架包括二号水平块以及设置在二号水平块中央且向上设置的二号竖直块，所述二号水平块的顶部与下剪切盒的顶部齐平，二号水平块上位于二号竖直块的两侧设有二号沉头孔，并通过六角螺钉与下剪切盒固定，所述二号竖直块的中部设有与比导向杆直径稍大的二号圆形槽孔，二号圆形槽孔内设有直线运动轴承，所述导向杆与直线运动轴承连接。

所述的上剪切盒和下剪切盒的结构相同，均包括一块水平板以及设置在水平板一端的l形挡块，所述水平板的中央开设用于放置岩石节理试样的凹槽，凹槽的一端被l型挡块封闭，所述水平板的两侧沿长度方向均设有导向槽；

所述l型挡块包括水平挡块和竖直挡块，所述水平挡块远离竖直挡块的一端封闭凹槽，且水平挡块的高度小于凹槽的深度。

安装时，所述的岩石节理试样放置在上剪切盒和下剪切盒中凹槽所形成的腔体中，上剪切盒中水平板的底部与下剪切盒中水平板的顶部接触，上剪切盒中的竖直挡块向下设置，上剪切盒中的竖直挡块向上设置，且上剪切盒中的竖直挡块与上剪切盒中的竖直挡块分别位于岩石节理试样的两侧。

安装时，位于所述上剪切盒和下剪切盒同一侧的导向槽组成一个滚珠腔体，在该滚珠腔体中放置水平滚珠条，所述水平滚珠条内部嵌有钢珠。

安装时，所述上剪切盒与岩石上节理块之间设有竖向减摩单元，所述竖向减摩单元包括竖向滚珠垫板、竖向滚珠板和安装垫板，安装时，所述安装垫板位于上剪切盒中水平挡块的底部，且安装垫板的底面与凹槽的底面齐平；

所述竖向滚珠垫板和竖向滚珠板放置在安装垫板上，所述竖向滚珠垫板的一侧与岩石节理试样接触，另一侧与竖向滚珠板接触连接，所述竖向滚珠板的另一侧与所述上剪切盒中水平挡块用于封闭凹槽的端部接触连接。

竖向滚珠板的材质为铜，在竖向滚珠板上均匀开设阵列式的圆形通孔，圆形通孔中放置刚性滚珠，在竖向滚珠板的一个端面中，相互间隔的圆形通孔周围设有四个方形槽，在竖向滚珠板的另一个端面中，剩余圆形通孔的周围设有四个方形槽。加工时圆形通孔的直径略大于刚性滚珠；后将刚性滚珠放置于圆形通孔中，并将每个圆形通孔四周的方形槽向径向进行挤打，这样刚性滚珠就可以固定在滚珠板中，并且可以自由的滚动。

所述上剪切盒的水平板顶部的一个对角设有吊环；所述下剪切盒的水平板的底部通过螺钉与底座固定连接。

法向加载垫块的四个顶角处设有用于放置法向位移传感器的三角形支架，并通过位移传感器来测量岩石节理法向的变形。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：

(1)提出了一种新的防止上剪切盒向上翻转的机构，安装和拆卸简单、方便，既保证岩石节理剪切过程中下剪切盒能在剪切方向自由的运动，还能有效地解决上剪切盒向上发生翻转的问题；

(2)在上、下剪切盒接触部位开设有导向槽，并放置有水平滚珠条，可以有效减小岩石节理剪切过程中上、下剪切盒的接触摩擦，还可以使下剪切盒严格地沿着节理长度方向发生剪切行为，以便反应岩石节理中真实的剪切情况；

(3)在上剪切盒与岩石上节理块之间安装竖向减摩单元，即竖向滚珠垫板以及竖向滚珠板，这样将上剪切盒和试样之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，能更准确来研究岩石节理在剪切过程中的剪胀特性。

附图说明

图1为本发明剪切盒的立体结构示意图；

图2为本发明剪切盒的主视剖面示意图；

图3为图2中a-a的剖面示意图；

图4为图2中b-b的剖面示意图；

图5为本发明上剪切盒或下剪切盒的结构示意图；

图6为本发明固定架的结构示意图；

图7为本发明轴承架的结构示意图；

图8为本发明法向加载垫块的结构示意图；

图9为本发明竖向滚珠板的斜轴视图；

图10为图9的俯视图；

图11为图9的仰视图。

其中，1为法向加载垫块，2为上剪切盒，3为下剪切盒，4为底座，5为岩石上节理块，6为节理，7为岩石下节理块，8为水平滚珠条，9为刚性滚珠，10为竖向滚珠垫板，11为竖向滚珠板，12为安装垫板，13为圆形通孔，14为方形槽，15为导向杆，16为固定架，161为一号水平块，162为一号竖直块，163一号沉头孔，164为销孔，17为轴承架，171为二号水平块，172为二号竖直块，173为二号沉头孔，18为定位销，19为螺钉，20为直线运动轴承，21为三角形支架，22为吊环，23为承台，24为直线导轨，25为一号圆形槽孔，26为二号圆形槽孔，27为水平板，271为导向槽，28为l型挡块，281为水平挡块，282为竖直挡块，29为凹槽。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种岩石节理试样直接剪切试验盒，其结构如图1～图4所示，包括法向加载垫块1、上剪切盒2、下剪切盒3以及底座4。上剪切盒2、下剪切盒3组成一个用于放置岩石节理试样空腔，岩石节理试样由上节理块5、节理6及下节理块7及组成。

上剪切盒2和下剪切盒3的结构如图5所示，均包括一块水平板27以及设置在水平板27一端的l形挡块28，水平板27的中央开设用于放置岩石节理试样的凹槽29，凹槽29的一端被l型挡块28封闭，水平板27的两侧沿长度方向均设有导向槽271；l型挡块28包括水平挡块281和竖直挡块282，水平挡块281远离竖直挡块282的一端封闭凹槽29，且水平挡块281的高度小于凹槽29的深度。上剪切盒2和下剪切盒3由刚性材料整体机械加工而成，安装时，位于所述上剪切盒和下剪切盒同一侧的导向槽271组成一个滚珠腔体，在该滚珠腔体中放置水平滚珠条8，水平滚珠条8内部嵌有刚性滚珠9。这样既可以保证上、下剪切盒剪切过程中严格沿岩石节理长度方向运动，还能有效减小上、下剪切盒体之间的滑动摩擦。

在上剪切盒2的空腔中，岩石节理上节理块5的水平受力端通过竖向减摩装置与上剪切盒2产生接触，其中减摩滚动单元由竖向滚珠垫板10、竖向滚珠板11和安装垫板12组成。竖向滚珠板11由铜质材料制作，整个滚珠板面上均匀开设有圆形通孔13，用于放置刚性滚珠9；加工时圆形通孔13的直径略大于刚性滚珠9，在滚珠板的一面，每隔一个圆形通孔13，间隔的圆形通孔13四周均匀地开设有四个方形槽14，在滚珠板的另一端面，将剩下的圆形通孔13四周也均匀地开设四个方形槽，如图9～图11所示；然后将刚性滚珠9放置于圆形通孔13中，并将每个圆形通孔13四周的方形槽14向径向进行挤打，这样刚性滚珠9就可以固定在在滚珠板，并且可以自由的滚动。

本装置设有防翻转单元，包括固定架16、轴承架17和导向杆15，其中固定架如图6所示，固定架16包括一号水平块161以及设置在一号水平块161中央且向下设置的一号竖直块162，一号水平块161的底部与上剪切盒2的底部齐平，一号水平块161上位于一号竖直块162的两侧设有一号沉头孔163，并通过六角螺钉19与上剪切盒2固定，一号竖直块162的中部设有与导向杆15直径相匹配的一号圆形槽孔25，一号竖直块162的外侧设有与定位销18相匹配的销孔164，销孔164的径向与一号圆形槽孔25的径向垂直。轴承架如图7所示，包括二号水平块171以及设置在二号水平块171中央且向上设置的二号竖直块172，二号水平块171的顶部与下剪切盒3的顶部齐平，二号水平块171上位于二号竖直块172的两侧设有二号沉头孔173，并通过六角螺钉19与下剪切盒3固定，二号竖直块172的中部设有与比导向杆15直径稍大的二号圆形槽孔26，二号圆形槽孔26内设有直线运动轴承20，导向杆15与直线运动轴承20连接。设置固定架，并通过定位销保持固定架与导向杆的固定，从而保证在岩石节理剪切过程中导向杆与上剪切盒保持为一个整体(保持静止)，通过设置轴承架，导向杆通过设置在轴承架内部的直线运动轴承与轴承架连接，在岩石节理剪切过程中，轴承架就会随着下剪切盒发生剪切位移，且上剪切盒不会发生竖向的位移。

法向加载垫块1直接压在岩石上节理块5试样顶部，在法向加载垫块1的端点处设置有四个三角形支架21，如图8所示，用于放置法向位移传感器(lvdt)，用于测量岩石节理法向变形，水平位移传感器可直接安放在岩石节理的下剪切盒体3上；在上剪切盒2顶部的空腔的斜对角设置有螺纹孔，通过上述螺纹孔中的吊环22来提拉剪切盒；利用六角螺钉19将下盒体3与底座4紧密连接，整个剪切盒放置在承台23上，承台嵌在整个剪切框架系统的直线导轨24上，导轨在水平方向近似无阻尼运动。

使用岩石节理剪切试验剪切盒的具体步骤如下：

(1)岩石节理试样采用天然节理试样、水泥砂浆复制天然节理试样或劈裂获得的人工节理试样。对于外部形状不规则的天然节理试样可用水泥砂浆进行外部包裹，制成指定尺寸的试件；

(2)将下剪切盒与底座通过下部的内六角螺钉紧固，并将岩石节理试样放置在下剪切盒底板上，同时将水平滚珠条放入下剪切盒两侧的导向槽中，保证水平滚珠条可以在导向槽中沿节理长度方向自由运动，另外，在“l”型块体的相对侧放置安装垫板，后将上剪切盒直接放置在下剪切盒上，并将竖向滚珠垫板和竖向滚珠板放在岩石上节理块与上剪切盒内壁间；

(3)在上剪切盒放置后，分别通过内六角螺钉将固定架与上剪切盒，轴承架与下剪切盒固定成一体，后将导向杆分别穿过固定架和轴承架，并通过固定式定位销将导向杆与固定架固定在一体，这样就可以确保轴承架沿着导向杆与下剪切盒一起发生剪切运动，且上剪切盒不会发生竖向的位移；最后将法向加载垫块压放在岩石节理的顶部；

(4)利用安装在上剪切盒顶部螺纹孔中的吊环将安装好岩石节理试样剪切盒放入预定的试验工位，并将四个法向位移传感器安放在法向加载垫块的四个三角形支架上，水平位移传感器直接放置在下剪切盒体上，检查各系统是否正常工作，之后进行岩石节理的剪切试验。