一种可在压剪试验机上使用的岩石拉剪试验装置及方法
【专利摘要】本发明是针对现有岩石拉剪试验设备的匮乏和不足，提供一种可在压剪试验机上使用的岩石拉剪试验装置及方法，其装置包括匚形拉伸件Ⅰ、匚形拉伸件Ⅱ、L形导滑件Ⅰ、L形导滑件Ⅱ、试验机加载头Ⅰ、试验机加载头Ⅱ、试验机加载头Ⅲ和试验机加载头Ⅳ。匚形拉伸件Ⅰ、匚形拉伸件Ⅱ围成区域S。将岩石试件置于空间S中。通过试验机加载头Ⅰ向岩石试件施加预定的法向力。通过试验机加载头Ⅱ向岩石试件施加剪切力。密切关注加载进展，一旦岩石试件破坏，先立即关闭法向加载系统，再关闭剪切向加载系统，完成试验。本发明为获取岩石拉剪组合荷载下的力学特性提供方便、低廉、精确度有保证的试验手段。
【专利说明】
一种可在压剪试验机上使用的岩石拉剪试验装置及方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及岩石等材料拉剪组合力学试验。
【背景技术】
[0002]岩石拉剪破坏是岩体工程中常见的破坏模式。例如深部洞室开挖使边墙法向地应力卸荷而切向地应力集中，当卸荷非常强烈时可能发生拉剪破坏。又如岩质边坡的开挖卸荷可导致上部坡体产生拉应力区，该区域岩体一般处于即受拉又受剪的拉剪复合应力状态。再如大量自重作用下的滑坡和地震滑坡表明，坡体后缘往往发生以拉伸为主的破坏。因此，研究岩石拉剪力学特性对岩体工程设计施工及稳定性评价与控制具有重要意义。
[0003]作为获取岩石抗剪强度参数的重要手段，岩石压剪试验(包括室内和原位试验)已广泛应用于岩土工程中。但由于技术上的困难，岩石拉剪试验开展较少，拉剪力学特性的研究也较压剪力学特性少的多。通常的做法是将压剪试验得到的摩尔库伦强度准则拟合直线延伸至法向应力轴负半轴，作为岩石在拉剪应力下的强度准则，而这种处理是缺乏试验数据支撑的。
[0004]为获得法向拉应力条件下的岩石直接剪切力学性质，目前为数不多的手段为:I)制造整套专门的伺服控制岩石拉剪试验系统;2)制造以基座-反力架为主要结构，液压千斤顶为加载方式的岩石拉剪系统。但第一种试验设备造价十分昂贵，第二种虽然造价适中，但由于控制系统的不足(例如液压千斤顶保持稳定荷载的效果不佳)，试验精度无法保证。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有岩石拉剪试验设备的匮乏和不足，提供一种可在压剪试验机上使用的岩石拉剪试验装置，为获取岩石拉剪组合荷载下的力学特性提供方便、低廉、精确度有保证的试验手段。
[0006]为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种可在压剪试验机上使用的岩石拉剪试验装置，其特征在于:包括匚形拉伸件1、匚形拉伸件n、L形导滑件1、L形导滑件π、试验机加载头1、试验机加载头π、试验机加载头m和试验机加载头IV
[0007]所述匚形拉伸件I由顶板1、立柱I和底板I组成，三者合围半包围空间I。
[0008]所述顶板I具有若干个贯穿其上下表面的螺纹通孔I。
[0009]所述立柱I上开有贯穿其两侧的方形通孔I。所述方形通孔I的一个出口在半包围空间I内。
[0010]所述底板I的两个侧面分别具有滑轨1-1和滑轨1-Π。
[0011]所述匚形拉伸件Π由顶板Π、立柱Π和底板Π组成，三者合围半包围空间Π。
[0012]所述立柱Π上开有贯穿其两侧的方形通孔Π。所述方形通孔Π的一个出口在半包围空间Π内。所述立柱Π的两个侧面分别具有滑轨Π -1和滑轨π - Π
[0013]所述L形导滑件I由横支I和竖支I组成。所述横支I的一侧具有横向滑槽1、所述竖支I的一侧具有竖向滑槽I。
[0014]所述L形导滑件Π由横支Π和竖支Π组成。所述横支Π的一侧具有横向滑槽Π、所述竖支Π的一侧具有竖向滑槽Π。
[0015]所述匚形拉伸件1、匚形拉伸件n、L形导滑件I和L形导滑件Π构成组合件。所述组合件中，顶板I位于顶板Π的下方，底板I位于底板Π的下方。所述半包围空间I和半包围空间π组合成空间
[0016]所述滑轨1-1与横向滑槽I相配合。所述滑轨π-1与竖向滑槽I相配合。
[0017]所述滑轨1-π与横向滑槽Π相配合。所述滑轨Π-Π与竖向滑槽Π相配合。
[0018]岩石试件是一个置于空间内的正六面体。这个正六面体的上下表面分别粘贴连接板I和连接板Π。
[0019]所述连接板I的上表面与所述顶板I的下表面接触。通过若干个螺栓，使得连接板I与顶板I连接在一起。
[0020]所述连接板Π的下表面与所述底板Π的上表面接触。通过若干个螺栓，使得连接板Π与顶板Π连接在一起。
[0021]所述组合件的上、右、下、左分别布置试验机加载头1、试验机加载头Π、试验机加载头m和试验机加载头IV。
[0022]所述试验机加载头I的下端作用于顶板Π。所述试验机加载头m的上端搁置底板
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[0023]所述方形通孔I内穿入剪切头I，所述方形通孔Π内穿入剪切头Π。所述剪切头I的一端与岩石试件接触、另一端被试验机加载头IV顶住。所述剪切头Π的一端与岩石试件接触、另一端被试验机加载头π顶住。
[0024]进一步，所述底板I上表面具有缓冲垫。
[0025]进一步，所述试验机加载头I与顶板Π之间具有滚珠排I。所述试验机加载头m与底板I和底板Π之间具有滚珠排m。
[0026]所述剪切头I与试验机加载头IV之间具有滚珠排IV。所述剪切头Π与试验机加载头Π之间具有滚珠排Π。
[0027]本发明还公开一种基于上述装置的可在压剪试验机上使用的岩石拉剪试验方法，试验时:
[0028]I)将岩石试件置于空间S中。
[0029]2)通过试验机加载头I向岩石试件施加预定的法向拉力。
[0030]3)通过试验机加载头Π向岩石试件施加剪切力。
[0031]4)密切关注加载进展，一旦岩石试件破坏，先立即关闭法向加载系统，再关闭剪切向加载系统，完成试验。
[0032]本发明的有益效果在于:本发明的结构简易小巧、性能可靠、造价低廉。拉伸件的设计可使外部法向压力转换成作用于试件的法向拉力。导滑件的设计可使试件沿法向和剪切向自由变形。连接板的设计使试件安装和拆卸方便。本发明装置可安置于传统压剪试验机上即可开展不同法向拉力下的直剪试验而无需花费大量财力和时间制造配备整套专门的岩石拉剪试验系统，且利用了原有试件机加载控制系统和数据监测系统，试验结果精确度有保证。
【附图说明】
[0033]图1为两匚形拉伸件的立体图；
[0034]图2为两匚形拉伸件的配合示意图；
[0035]图3为两L形导滑件的立体图；
[0036]图4本发明岩石拉剪试验装置的结构图；
[0037]图5为剪切头的立体图；
[0038]图6为连接板的立体图；
[0039]图7为拉剪试验加载示意图。
[0040]图中:匚形拉伸件1(1);顶板1(101)、立柱1(102)、底板1(103)、螺纹通孔1(1011)、方形通孔1(1023)、滑轨1-1(1031)、滑轨Ι-Π (1032)、半包围空间I(Sl);
[0041]匚形拉伸件Π(2);顶板Π (201)、立柱Π (202)、底板Π (203)、螺纹通孔Π (2031)、方形通孔Π(2023)、滑轨Π-Ι(2021)、滑轨Π-Π(2022)、半包围空间n(S2);
[0042]L形导滑件1(3)、横支1(301)、竖支1(302)、横向滑槽1(3011)、竖向滑槽1(3021);
[0043]L形导滑件Π (4)、横支Π (401)、竖支Π (402)、横向滑槽Π (4011)、竖向滑槽Π(4021);
[0044]剪切头I(5)、剪切头Π (50);
[0045]连接板I(6)、连接板Π(60);
[0046]螺栓(7)、岩石试件(8);
[0047]试验机加载头I (91)、试验机加载头Π (92)、试验机加载头ΙΠ (93),试验机加载头IV(94)；
[0048]滚珠排I (1I)、滚珠排Π (102)、滚珠排ΙΠ (103)、滚珠排IV (104);
[0049]缓冲垫(11)。
【具体实施方式】
[0050]下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0051 ] 实施例1:
[0052]—种可在压剪试验机上使用的岩石拉剪试验装置，参见图7，包括匚形拉伸件I1、匚形拉伸件II2、L形导滑件I3、L形导滑件Π 4、试验机加载头191、试验机加载头Π 92、试验机加载头ΙΠ93和试验机加载头IV94
[0053]参见图1，所述匚形拉伸件Il由顶板1101、立柱1102和底板1103组成，三者合围半包围空间IS1。所述顶板IlOl比底板1103短。
[0054]所述顶板IlOl具有若干个贯穿其上下表面的螺纹通孔11011。
[0055]所述立柱1102上开有贯穿其两侧的方形通孔11023。所述方形通孔11023的一个出口在半包围空间ISl内。
[0056]所述底板1103的两个侧面分别具有滑轨1-11031和滑轨Ι-Π1032。
[0057]所述匚形拉伸件Π 2由顶板Π 201、立柱Π 202和底板Π 203组成，三者合围半包围空间Π S2。所述顶板Π 201比底板Π 203长。
[0058]所述立柱Π 202上开有贯穿其两侧的方形通孔Π 2031。所述方形通孔Π 2031的一个出口在半包围空间Π S2内。所述立柱Π 202的两个侧面分别具有滑轨Π-12021和滑轨Π-Π2022。
[0059]所述L形导滑件13由横支1301和竖支1302组成。所述横支1301的一侧具有横向滑槽13011、所述竖支1302的一侧具有竖向滑槽13021。
[0060]所述L形导滑件Π4由横支Π 401和竖支Π 402组成。所述横支Π 401的一侧具有横向滑槽Π 4011、所述竖支Π 402的一侧具有竖向滑槽Π 4021。
[0061]所述匚形拉伸件I1、匚形拉伸件II2、L形导滑件13和L形导滑件Π4构成组合件。所述组合件中，顶板IlOl位于顶板Π 201的下方，底板1103位于底板Π 203的下方。所述半包围空间ISl和半包围空间IIS2组合成空间S。组合件中，两拉伸件开口相对并相互错入，方形通孔Π 2023和方形通孔11023不在同一个水平面上。
[0062]所述滑轨1-11031与横向滑槽13011相配合。所述滑轨Π-12021与竖向滑槽13021
相配合。
[0063]所述滑轨1- Π 1032与横向滑槽Π 4011相配合。所述滑轨Π - Π 2022与竖向滑槽Π4021相配合。
[0064]实施例中，横向滑槽13011、竖向滑槽13021、横向滑槽Π 4011和竖向滑槽Π 4021均是条形凹槽，与之配合的滑轨1-11031、滑轨Ι-Π 1032、滑轨Π-12021和滑轨Π-Π 2022均是凸出的长条形凸轨。进一步，所述导滑凸轨和导滑凹槽的横截面为梯形，凸轨外宽内窄，凹槽外窄内宽，使凸轨与凹槽相互嵌合不脱离，只能沿纵向滑动。部件的位移方向如图2所示。为减少滑动摩擦，可涂上黄油作为润滑。
[0065]岩石试件8是一个置于空间S内的正六面体。这个正六面体的上下表面分别粘贴连接板16和连接板Π60。实施例中，采用结构胶将连接板无开孔的一面与岩石试件8相粘。
[0066]所述连接板16的上表面与所述顶板IlOl的下表面接触。通过若干个螺栓7，使得连接板16与顶板1101连接在一起。实施例中，连接板16的上表面具有若干个螺纹盲孔，这些螺纹盲孔正对顶板IlOl上的螺纹通孔11011，通过旋入螺栓的方式来固定连接板16与顶板I101。
[0067]所述连接板Π60的下表面与所述底板Π 203的上表面接触。通过若干个螺栓7，使得连接板Π 60与顶板Π 203连接在一起。实施例中，连接板Π 60的上表面具有若干个螺纹盲孔，连接板Π 60与顶板Π 203类似于连接板16与顶板1101。
[0068]所述组合件的上、右、下、左分别布置试验机加载头191、试验机加载头Π92、试验机加载头ΙΠ93和试验机加载头IV94。组合件中，匚形拉伸件11和匚形拉伸件Π 2是沿竖直和水平两个方向独立相对运动的一整体结构。为减小接触面摩擦，所述试验机加载头191与顶板Π 201之间具有滚珠排1101。所述试验机加载头ΙΠ93与底板1103和底板Π 203之间具有滚珠排ΙΠ103。进一步地，所述底板1103与底板Π 203之间具有缓冲垫11。
[0069]所述试验机加载头191的下端作用于顶板Π201。所述试验机加载头ΙΠ93的上端搁置底板1103。
[0070]所述方形通孔11023内穿入剪切头15，所述方形通孔Π 2023内穿入剪切头Π 50。所述剪切头15的一端与岩石试件接触、另一端被试验机加载头IV94顶住。所述剪切头Π 50的一端与岩石试件接触、另一端被试验机加载头π 92顶住。实施例中，剪切头15和剪切头Π 50均为T型。
[0071]所述剪切头15与试验机加载头IV94之间具有滚珠排IV104。所述剪切头Π50与试验机加载头Π 92之间具有滚珠排Π 102。
[0072]实施例2
[0073]本实施例采用实施例1的装置，试验时:
[0074]I)参见图4，将岩石试件8置于空间S中。
[0075]实施例中，可采用高强度结构胶将两连接板分别粘帖于岩石试件8上下面，等待胶水充分发挥强度(一般至少24h)。
[0076]2)参见图7，通过试验机加载头191向岩石试件8施加预定的法向力。即试验机加载头191压向匚形拉伸件Π 2，，岩石试件8被其上下端分别粘接的连接块6/60向上下拉伸。
[0077]值得说明的是，匚形拉伸件Π2底部是悬空的，当试验机加载头191施加向下的作用力时，若岩石断裂，匚形拉伸件Π2会掉下来。为防止底板1103与底板Π 203之间的直接冲撞所以在底板1103上表面安放了一个缓冲垫11。实施例中，缓冲垫11上表面是临空的。
[0078]3)待步骤2)施加的法向力稳定后，稳定后按位移控制施加剪切力，通过试验机加载头Π 92向岩石试件8施加剪切力。值得说明的是，剪切头15和剪切头Π 50分别与岩石试件8上半部分左侧面和下半部分右侧面充分贴合，岩石试件8水平中线为预剪面。两剪切头5/50发生相向运动，即施加了剪切力。
[0079]值得说明的是，步骤2)和3)的顺序不可调换。
[0080]4)密切关注加载进展，一旦岩石试件8破坏，先立即关闭法向加载系统，再关闭剪切向加载系统，完成试验。
【主权项】
1.一种可在压剪试验机上使用的岩石拉剪试验装置，其特征在于:包括匚形拉伸件I(1)、匚形拉伸件n(2)、L形导滑件I(3)、L形导滑件Π(4)、试验机加载头1(91)、试验机加载头Π (92)、试验机加载头ΙΠ (93)和试验机加载头IV (94); 所述匚形拉伸件I(I)由顶板1(101)、立柱1(102)和底板1(103)组成，三者合围半包围空间I(Sl); 所述顶板I (101)具有若干个贯穿其上下表面的螺纹通孔I (1011); 所述立柱1(102)上开有贯穿其两侧的方形通孔1(1023);所述方形通孔1(1023)的一个出口在半包围空间I(Sl)内； 所述底板1(103)的两个侧面分别具有滑轨1-1(1031)和滑轨Ι-Π (1032); 所述匚形拉伸件Π (2)由顶板Π (201)、立柱Π (202)和底板Π (203)组成，三者合围半包围空间n(S2); 所述立柱Π (202)上开有贯穿其两侧的方形通孔Π (2031);所述方形通孔Π (2031)的一个出口在半包围空间Π (S2)内；所述立柱Π (202)的两个侧面分别具有滑轨Π -1 (2021)和滑轨Π-Π (2022) 所述L形导滑件1(3)由横支1(301)和竖支1(302)组成;所述横支1(301)的一侧具有横向滑槽I (3011)、所述竖支I (302)的一侧具有竖向滑槽I (3021); 所述L形导滑件Π (4)由横支Π (401)和竖支Π (402)组成;所述横支Π (401)的一侧具有横向滑槽Π (4011)、所述竖支Π (402)的一侧具有竖向滑槽Π (4021); 所述匚形拉伸件1(1)、匚形拉伸件n(2)、L形导滑件1(3)和L形导滑件Π (4)构成组合件;所述组合件中，顶板1(101)位于顶板Π (201)的下方，底板1(103)位于底板Π (203)的下方;所述半包围空间I(Sl)和半包围空间n(S2)组合成空间(S)所述滑轨1-1(1031)与横向滑槽1(3011)相配合;所述滑轨Π-Ι(2021)与竖向滑槽1(3021)相配合； 所述滑轨1- Π (1032)与横向滑槽Π (4011)相配合;所述滑轨Π - Π (202 2)与竖向滑槽Π (4021)相配合； 岩石试件(8)是一个置于空间(S)内的正六面体;这个正六面体的上下表面分别粘贴连接板I(6)和连接板Π (60); 所述连接板1(6)的上表面与所述顶板1(101)的下表面接触;通过若干个螺栓(7)，使得连接板I (6)与顶板I (1I)连接在一起； 所述连接板Π (60)的下表面与所述底板Π (203)的上表面接触;通过若干个螺栓(7)，使得连接板Π (60)与顶板Π (203)连接在一起； 所述组合件的上、右、下、左分别布置试验机加载头1(91)、试验机加载头Π (92)、试验机加载头ΙΠ( 93)和试验机加载头IV (94); 所述试验机加载头1(91)的下端作用于顶板Π (201);所述试验机加载头ΙΠ(93)的上端搁置底板I (103); 所述方形通孔1(1023)内穿入剪切头1(5)，所述方形通孔Π (2023)内穿入剪切头Π(50);所述剪切头1(5)的一端与岩石试件接触、另一端被试验机加载头IV(94)顶住;所述剪切头Π (50)的一端与岩石试件接触、另一端被试验机加载头Π (92)顶住。2.根据权利要求1所述的一种可在压剪试验机上使用的岩石拉剪试验装置，其特征在于:所述底板I (103)上表面具有缓冲垫(11)。3.根据权利要求1所述的一种可在压剪试验机上使用的岩石拉剪试验装置，其特征在于:所述试验机加载头1(91)与顶板Π (201)之间具有滚珠排I(1l);所述试验机加载头m(93)与底板1(103)和底板Π (203)之间具有滚珠排ΙΠ(103); 所述剪切头I (5)与试验机加载头IV(94)之间具有滚珠排IV( 104);所述剪切头Π (50)与试验机加载头Π (92)之间具有滚珠排Π (102)。4.一种基于I?3任意一项权利要求所述装置的可在压剪试验机上使用的岩石拉剪试验方法，其特征在于，试验时: 1)将岩石试件(8)置于空间S中； 2)通过试验机加载头I(91)向岩石试件(8)施加预定的法向拉力； 3)通过试验机加载头Π(92)向岩石试件(8)施加剪切力； 4)密切关注加载进展，一旦岩石试件(8)破坏，先立即关闭法向加载系统，再关闭剪切向加载系统，完成试验。
【文档编号】G01N3/24GK106066277SQ201610349163
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月24日 公开号201610349163.X, CN 106066277 A, CN 106066277A, CN 201610349163, CN-A-106066277, CN106066277 A, CN106066277A, CN201610349163, CN201610349163.X
【发明人】黄达, 岑夺丰
【申请人】重庆大学