一种考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，包括剪切单元、温度调节控制单元和雨量调节控制单元；剪切单元包括试验台、法向千斤顶、剪切千斤顶、左剪切盒、右剪切盒和滑动机构，左剪切盒和右剪切盒沿X轴方向分布并且开口相对，法向千斤顶沿X轴方向安装于试验台上并且与右剪切盒连接，剪切千斤顶沿Y轴方向安装于试验台上并且与左剪切盒连接，滑动机构安装于左剪切盒上并且与试验台接触；温度调节控制单元包括空气电热丝、温度检测装置和风扇；雨量调节控制单元包括水泵、进水管和喷头，水泵安装于进水管上，喷头安装于进水管的出口上；该装置利用喷头、空气电热丝分别模拟降雨和烘干过程，可对岩样进行干湿循环损伤试验。
【专利说明】
一种考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪
技术领域
[0001]本发明涉及一种岩土体剪切流变仪，具体涉及一种考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，属于岩土工程技术领域。
【背景技术】
[0002]岩土体直剪试验是地质工程中最常见的常规力学试验之一，是获取岩石或结构面剪切力学参数的重要手段，其试验结果与精度对后续地质工程的设计和施工都具有重要的指导意义。
[0003]对岩土体开展直剪试验的基本步骤是:(I)将野外采集的岩土体样本加工成标准试样，置于特定的剪切盒中；(2)对剪切盒施加一定的轴向应力，轴向应力的大小一般根据取样所在地点的地应力大小来确定；(3)以一定加载速率施加剪应力于剪切盒上，并读取岩样的变形值，直至岩样在某一级剪应力下发生破坏。
[0004]现有的岩土体剪切试验仪一般具有以下发展趋势:(I)根据具体的工程应用，设计开发可用于特定岩土体的剪切仪，如应用于沥青、碎石土、粗粒土、冻土等的剪切仪；(2)采用新技术新辅助仪器，提高测试精度，如新型的施压仪器及变形测试技术等；(3)通过室内试验手段模拟自然环境中各种扰动因素对于岩土体力学特性的影响，如高应力、低温等特殊环境下的岩土体剪切试验仪。
[0005]水是自然界最活跃的因素，研究其对岩土体的劣化作用具有重要意义。水对岩石的作用方式多种多样，如软化、化学腐蚀、冲刷等。另外，对于矿山高边坡、公路铁路边坡岩土体而言，一年四季周期性的降雨与风干过程是对岩土体的一种疲劳损伤;对于水库库岸边坡来讲，周期性的蓄水和排水对于库岸边坡消落带的岩土体也有反复弱化作用。因此研究干湿循环作用对岩土体力学性质的弱化规律，开发考虑干湿损伤的岩土体直剪仪，对于特定的工程边坡稳定性研究具有重要意义。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种机械结构新颖、易于观测、方便对岩样进行干湿循环损伤试验、变形测量精度较高的适用于土及软岩的小型岩土体剪切流变仪。
[0007]实现本发明目的所采用的技术方案为，一种考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，至少包括剪切单元，剪切单元的上方安装有温度调节控制单元和雨量调节控制单元;所述剪切单元包括试验台、法向千斤顶、剪切千斤顶、左剪切盒、右剪切盒和滑动机构，左剪切盒和右剪切盒沿X轴方向分布并且开口相对，法向千斤顶沿X轴方向安装于试验台上并且与右剪切盒连接，剪切千斤顶沿Y轴方向安装于试验台上并且与左剪切盒连接，滑动机构安装于左剪切盒上并且与试验台接触;所述温度调节控制单元包括空气电热丝、温度检测装置和风扇，空气电热丝和风扇均安装于剪切单元上方并且均与左剪切盒和右剪切盒相对;所述雨量调节控制单元包括水栗、进水管和喷头，水栗安装于进水管上，喷头安装于进水管的出口上并且位于左剪切盒和右剪切盒正上方。
[0008]所述滑动机构包括底滚轮组和侧滚轮组，底滚轮组和侧滚轮组分别安装于左剪切盒的底面和左侧面上。
[0009]所述试验台上沿Y轴方向开设有安装腔，底滚轮组位于安装腔中，试验台上开设有两组滑槽，底滚轮组和侧滚轮组分别位于两组滑槽中。
[0010]所述剪切单元、温度调节控制单元和雨量调节控制单元均安装于试验箱中，试验台固定于试验箱底部的底座上，温度调节控制单元和雨量调节控制单元均安装于试验箱的箱壁上。
[0011 ]所述雨量调节控制单元还包括水槽、过滤器和出水网，水槽位于试验箱底部，出水网安装于底座上并且封闭水槽上端的开口，过滤器位于水槽中并且与进水管的入口连通。
[0012]所述进水管上安装有流量计和出水阀门。
[0013]所述温度检测装置和空气电热丝均安装于试验箱的侧壁板上，风扇安装于试验箱的顶板上。
[0014]试验箱中设有控制器，试验箱的外表面上安装有与控制器电性连接的触摸显示屏和电源开关，触摸显示屏连接控制器的输入端，空气电热丝、风扇和水栗均连接控制器的输出端，温度检测装置为温度传感器，温度传感器连接控制器的输入端。
[0015]法向千斤顶和剪切千斤顶上均安装有压力表和位移传感器，位移传感器连接控制器的输入端。
[0016]试验箱的箱门上设有透明观察窗。
[0017]由上述技术方案可知，本发明提供的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，主体包括三个功能部分，1、剪切单元，对岩样进行剪切试验，包括试验台、法向千斤顶、剪切千斤顶、左剪切盒、右剪切盒和滑动机构，本发明中剪切单元采用水平布置，左剪切盒和右剪切盒沿X轴方向分布并且开口相对，分别用于放置岩样上盘和岩样下盘，法向千斤顶沿X轴方向安装于试验台上并且与右剪切盒连接，用于施加法向载荷，法向载荷的方向沿X轴方向，试验台同时为反力装置，为法向载荷加载提供反力，剪切千斤顶沿Y轴方向安装于试验台上并且与左剪切盒连接，用于施加剪切力，剪切力的方向沿Y轴方向，滑动机构安装于左剪切盒上并且与试验台接触，滑动机构在Y轴方向上无约束，因此滑动机构沿Y轴方向的位移即为岩样剪切的变形量;2、温度调节控制单元，用于对岩样进行烘干处理，包括空气电热丝、温度检测装置和风扇，空气电热丝和风扇共同作用，调节岩样的烘干温度，温度检测装置检测岩样的烘干温度;3、雨量调节控制单元，用于对岩样进行饱和处理，与温度调节控制单元共同形成干湿循环的环境，包括水栗、进水管和喷头，喷头位于左剪切盒和右剪切盒正上方，模拟自然环境中的降雨，从而对岩样进行饱和处理。
[0018]为保证装置整体不受外界环境的干扰，剪切单元、温度调节控制单元和雨量调节控制单元均安装于试验箱中，使得试验箱内部为与外界环境隔绝并且试验条件可调的试验环境；雨量调节控制单元还包括水槽、过滤器和出水网，水槽位于试验箱底部，用于收集喷头喷出并且未被岩样吸收的水，出水网封闭水槽上端的开口，用于初步过滤剩余水中的杂质，过滤器位于水槽中并且与进水管的入口连通，进一步过滤水槽中的杂质，水槽、进水管、喷头形成水循环，节约用水;箱门上设有透明观察窗，用于观察干湿循环后岩样的状态和剪切破坏的过程。
[0019]为保证试验精度，试验箱中设置控制器和触摸显示屏，通过控制器控制岩土体干湿循环所需要的条件，如烘干温度、降雨时间、降雨量大小、干湿循环的次数等，触摸显示屏用于设置岩土体干湿循环所需要的条件，控制器采集温度传感器检测的温度信号，并且与触摸显示屏传输的设定温度进行比较，进而控制空气电热丝或风扇运行，控制器控制水栗的运行时间进而调节降雨时间，降雨量通过进水管上安装的流量计和出水阀门进行显示和调节。
[0020]与现有技术相比，本发明提供的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪的优点如下:
[0021](I)本发明提供的剪切单元中，左剪切盒和右剪切盒沿X轴方向分布并且开口相对，使得剪切试验所需施加的法向力和剪切力均在水平面上完成，因此易于对岩样施加模拟日晒和降雨的试验条件，以便于开展经历不同干湿循环损伤后的剪切试验，或开展不同含水状态下的剪切试验；
[0022](2)本发明提供的岩土体剪切流变仪机械结构简单、易于调节，利用喷头、空气电热丝分别模拟降雨和日晒烘干过程，并且易于控制降雨量和烘干温度，方便进行不同干湿循环次数下的岩土体直剪试验，研究岩土体剪切力学特性的损伤效应，雨量调节控制单元采用水循环利用，降低试验成本；
[0023](3)本发明提供的岩土体剪切流变仪具有造价低廉、结构紧凑的特点，操作方便，适用于岩土工程类学生开展软岩、土、结构面等岩土材料的室内直剪试验。
【附图说明】
[0024]图1为本发明提供的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪的结构示意图。
[0025]其中，1-试验台，2-底滚轮组，3-侧滚轮组，4-左剪切盒，5-右剪切盒，6_法向千斤顶，7-剪切千斤顶，8-进水管，9-出水阀门，10-喷头，11-试验箱，12-绝缘环，13-空气电热丝，14-触摸显示屏，15-电源开关，16-水栗，17-过滤器，18-出水网，19-透明观察窗，20-箱门，21-滑槽，22-风扇，23-温度传感器，24-流量计，25-水槽，26-底座，27-安装腔。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
[0027]本发明提供的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，其结构如图1所示，包括剪切单元、温度调节控制单元、雨量调节控制单元和试验箱11，剪切单元、温度调节控制单元和雨量调节控制单元均安装于试验箱11中，剪切单元位于试验箱11的底部，温度调节控制单元和雨量调节控制单元均安装于试验箱11的箱壁上并且位于剪切单元的上方，试验箱11的箱门20上设有透明观察窗19;
[0028]所述剪切单元包括试验台1、法向千斤顶6、剪切千斤顶7、左剪切盒4、右剪切盒5和滑动机构，试验台I固定于试验箱底部的底座26上，左剪切盒4和右剪切盒5沿X轴方向分布并且开口相对，法向千斤顶6沿X轴方向安装于试验台I上并且与右剪切盒5连接，剪切千斤顶7沿Y轴方向安装于试验台I上并且与左剪切盒4连接，法向千斤顶6和剪切千斤顶7上均安装有压力表和位移传感器，滑动机构安装于左剪切盒4上并且与试验台I接触，滑动机构包括底滚轮组2和侧滚轮组3，底滚轮组2和侧滚轮组3分别安装于左剪切盒4的底面和左侧面上，试验台I上沿Y轴方向开设有安装腔27，底滚轮组2位于安装腔27中，试验台I上开设有两组滑槽21，底滚轮组2和侧滚轮组3分别位于两组滑槽21中；
[0029]所述温度调节控制单元包括空气电热丝13、温度传感器23和风扇22，温度传感器23直接安装于试验箱的侧壁板上，空气电热丝13通过绝缘环12安装于试验箱的侧壁板上并且与左剪切盒4和右剪切盒5相对，风扇安装于试验箱的顶板上并且与左剪切盒4和右剪切盒5相对；
[0030]所述雨量调节控制单元包括水栗16、进水管8、喷头10、水槽25、过滤器17和出水网18，水栗16安装于进水管8上，喷头10安装于进水管8的出口上并且位于左剪切盒4和右剪切盒5正上方，水槽25位于试验箱底部，出水网18安装于底座上并且封闭水槽上端的开口，过滤器17位于水槽25中并且与进水管8的入口连通，进水管8上安装有流量计24和出水阀门9，出水阀门优选带调节手柄的阀门；
[0031]试验箱中设有控制器，控制器封装于试验箱箱壁的内部，试验箱的外表面上安装有与控制器电性连接的触摸显示屏14和电源开关15，温度传感器23、触摸显示屏14和位移传感器均连接控制器的输入端，空气电热丝、风扇和水栗均连接控制器的输出端。
[0032]使用该岩土体剪切流变仪进行直剪试验的操作方法如下:
[0033]1、直剪试验:将两剪切盒沿X轴方向左右布置，在Y轴方向上进行直剪试验；
[0034]在直剪试验过程中，将岩样置于剪切盒之后，通过右剪切盒相连的法向千斤顶施加水平向左某一级大小的轴向应力，待压力表数值稳定时，然后在左剪切盒的前方，通过剪切千斤顶慢慢施加剪切应力，其剪切应力大小应逐渐增大，最后直至试样破坏，试验过程结束，全过程记录施加的轴向应力、剪切应力以及试样相对位移的大小。
[0035]2、干湿循环作用下的直剪试验:
[0036]首先通过触摸显示屏设定一定的烘干温度和烘干时间，并通过控制器控制空气电热丝的发热时间和发热温度的大小，温度传感器将箱内的实时温度信号发送至控制器并且显示在触摸显示屏上，风扇用于温度过高时降低试验箱内温度，与空气电热丝一起共同调节试验箱内温度；
[0037]试样烘干后，通过触摸显示屏发出命令，控制水栗工作，水流经过进水管、流量计、出水阀门、喷头，对试样施加一定的雨量，控制器控制下雨的时间，其中流量计能统计通过的水量，旋转出水阀门的手柄使出水阀门控制雨量的大小，等达到所设定的降雨量后停止喷水；
[0038]重复前两次工作，若干次循环后，将温度设定在模拟外界的温度值内，最后进行如上的直剪试验，研究并得到干湿循环作用下对岩土体物理性质的劣化规律。
【主权项】
1.一种考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，至少包括剪切单元，其特征在于:剪切单元的上方安装有温度调节控制单元和雨量调节控制单元;所述剪切单元包括试验台、法向千斤顶、剪切千斤顶、左剪切盒、右剪切盒和滑动机构，左剪切盒和右剪切盒沿X轴方向分布并且开口相对，法向千斤顶沿X轴方向安装于试验台上并且与右剪切盒连接，剪切千斤顶沿Y轴方向安装于试验台上并且与左剪切盒连接，滑动机构安装于左剪切盒上并且与试验台接触;所述温度调节控制单元包括空气电热丝、温度检测装置和风扇，空气电热丝和风扇均安装于剪切单元上方并且均与左剪切盒和右剪切盒相对;所述雨量调节控制单元包括水栗、进水管和喷头，水栗安装于进水管上，喷头安装于进水管的出口上并且位于左剪切盒和右剪切盒正上方。2.根据权利要求1所述的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，其特征在于:所述滑动机构包括底滚轮组和侧滚轮组，底滚轮组和侧滚轮组分别安装于左剪切盒的底面和左侧面上。3.根据权利要求2所述的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，其特征在于:所述试验台上沿Y轴方向开设有安装腔，底滚轮组位于安装腔中，试验台上开设有两组滑槽，底滚轮组和侧滚轮组分别位于两组滑槽中。4.根据权利要求1所述的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，其特征在于:所述剪切单元、温度调节控制单元和雨量调节控制单元均安装于试验箱中，试验台固定于试验箱底部的底座上，温度调节控制单元和雨量调节控制单元均安装于试验箱的箱壁上。5.根据权利要求4所述的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，其特征在于:所述雨量调节控制单元还包括水槽、过滤器和出水网，水槽位于试验箱底部，出水网安装于底座上并且封闭水槽上端的开口，过滤器位于水槽中并且与进水管的入口连通。6.根据权利要求5所述的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，其特征在于:所述进水管上安装有流量计和出水阀门。7.根据权利要求4所述的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，其特征在于:所述温度检测装置和空气电热丝均安装于试验箱的侧壁板上，风扇安装于试验箱的顶板上。8.根据权利要求4所述的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，其特征在于:试验箱中设有控制器，试验箱的外表面上安装有与控制器电性连接的触摸显示屏和电源开关，触摸显示屏连接控制器的输入端，空气电热丝、风扇和水栗均连接控制器的输出端，温度检测装置为温度传感器，温度传感器连接控制器的输入端。9.根据权利要求8所述的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，其特征在于:法向千斤顶和剪切千斤顶上均安装有压力表和位移传感器，位移传感器连接控制器的输入端。10.根据权利要求4所述的考虑干湿循环损伤效应的岩土体剪切流变仪，其特征在于:试验箱的箱门上设有透明观察窗。
【文档编号】G01N3/24GK105891014SQ201610279213
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】马冲, 胡斌, 姚文敏, 冉秀峰
【申请人】中国地质大学（武汉）