专利名称：岩石拉伸-剪切试验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于岩石拉伸-剪切测试的试验系统，属于岩土工程技术领域。
背景技术：
在压缩条件下岩石的剪断试验，是获得在不同法向压力下岩石峰值抗剪断强度和残余强度的基本方法，也是获取岩石的抗剪强度参数c、W的一种重要手段，因此在岩土工程中获得了广泛的应用，并开发了不同的压剪试验设备，包括应用于室内试验的大型直剪仪和应用于现场原位试验的小型便携式直剪仪。而对于拉伸条件下，岩石的剪断试验，在国内外文献中均鲜有报道，也很少见到能进行岩石拉-剪试验的仪器设备，主要原因是岩石的拉剪破坏没有引起人们的足够重视，另外就是进行拉剪试验的设备较为复杂，其中包括岩石试件的粘接、法向拉力的加载方式、粘接可能对侧向变形的限制、偏心对岩石拉伸强度的影响等，与应用广泛的RMT单轴压缩实验、压剪实验和MTS常规三轴实验相比，岩石的拉剪实验操作起来困难许多。在深埋、高应力地下岩石工程中，隧洞边墙部位，由于开挖卸荷作用法向应力为O，切向应力集中达最大，部分围岩在竖直切应力作用下会产生法向的拉应力，当围岩底部有一定空间时，岩体会在竖向的切应力和法向的拉应力作用下发生拉剪破坏；对于传统的摩尔库伦强度准则，为方便应用一般会简化为线性表达式，即岩石的抗剪强度是法向压应力的线性函数，而法向应力变为拉应力(即应力位于横轴的负半轴)时，通常做法是将正半轴上拟合的直线延伸交与负半轴，作为岩石在拉应力下的强度准则，而这一点是缺乏实验数据支撑的。并且实验证明在不同的法向压力下，岩石的抗剪强度包络线并不完全是线性的，包络线上每个实验点对应的切线斜率逐渐减小，而对于负半轴上在不同拉应力作用下的强度包络线到底是怎样的也没有统一的说法，主要原因就是缺乏实验数据的支撑。因此本发明在于开发一种能进行不同法向拉力作用下的岩石直剪仪，为完善岩体本构模型、建立相应强度准则提供实验数据。发明内容
针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一套能进行岩石拉伸-剪切试验的系统，为建立更为精确、完善的岩体力学模型、建立相应的强度准侧，提供试验数据。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的:
岩石拉伸-剪切试验系统，包括反力装置，垂直加载系统，水平加载系统，上剪切盒，下剪切盒，测量系统，液压控制系统及基座，所述的反力装置由四根钢梁，螺帽和承载板连接组成，承载板通过螺帽固定连接在四根钢梁的上端，四根钢梁的下端固定连接在基座中。
所述的垂直加载系统由空心液压千斤顶，拉力柱，锁紧螺帽，拉力板组成，空心液压千斤顶位于承载板上方，拉力柱活动贯通承载板，拉力柱上端贯通空心液压千斤顶，并通过锁紧螺帽固定，拉力柱下端与拉力板上端面螺纹连接，拉力柱的轴线与上剪切盒、下剪切盒及拉力板的中心在同一条竖直线上。
所述水平加载系统由水平千斤顶，传力柱构件，滚轴排和承压板组成，传力柱构件设置在水平千斤顶前方，传力柱构件与水平千斤顶的活塞头的接触面形状相同且面积相等，承压板设置在传力柱构件前方，滚轴排位于承压板和传力柱构件之间。所述的拉力板前后两端对称设置有导向槽，导向槽位于拉力板的下端面且平行于水平千斤顶的轴线，导向槽内设有滚珠。所述上剪切盒、下剪切盒均由五块钢板经螺栓组接而成，上剪切盒的顶部钢板前后两端有相互对称的外沿。所述的测量系统中的垂直位移计设置在拉力板的上端面上，所述的测量系统中的水平位移计设置在上剪切盒的左端外壁面上。由于采用了以上技术方案，本发明可进行岩石试样在不同法向拉力作用下的直剪试验。上剪切盒和下剪切盒组装式的设计可以方便的进行岩样的粘接和拆卸，拉力板和上剪切盒的设计方式可以保证岩石在水平推力下水平方向的自由变形，水平方向设置的滚轴排可以保证在拉力作用下水平加载系统的稳定。本发明改变了目前只能对岩石试样采用压剪的实验方式研究岩石的强度准则的现状，可提供岩石在不同法向拉力作用下的强度参数，对改进和完善岩石在拉剪应力作用岩石的本构关系和强度准则，具有重要的理论意义和实际意义。
图1为本发明的结构示意2为图1的俯视3为本发明剪切盒与拉力板的结构示意图
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。见附图岩石拉伸-剪切试验系统，试验系统由反力装置I，垂直加载系统，水平加载系统，上剪切盒13，下剪切盒14，测量系统，液压控制系统及基座18组成，所述的反力装置I由四根钢梁2，螺帽3和承载板4连接组成，承载板4通过螺帽3固定连接在四根钢梁2的上端，四根钢梁2的下端固定连接在基座18中；所述的垂直加载系统由空心液压千斤顶5，拉力柱6，锁紧螺帽7，拉力板8组成，空心液压千斤顶5位于承载板4上方，拉力柱6活动贯通承载板4，拉力柱6上端贯通空心液压千斤顶5，并通过锁紧螺帽7固定，拉力柱6下端与拉力板8上端面螺纹连接，拉力柱6的轴线与上剪切盒13、下剪切盒14及拉力板8的中心在同一条竖直线上；
所述水平加载系统由水平千斤顶9，传力柱构件10，滚轴排11和承压板12组成，传力柱构件10设置在水平千斤顶9前方，传力柱构件10与水平千斤顶9的活塞头的接触面形状相同且面积相等，承压板12设置在传力柱构件10前方，滚轴排11位于承压板12和传力柱构件10之间。水平剪应力经由承压板12传递到上剪切盒13上，当上剪切盒13受拉时承压板12可随上剪切盒13 —起运动，避免水平千斤顶9直接作用在上剪切盒13上可能造成的岩石被拉断时将水平千斤顶9拉起，造成水平加载系统的不稳定。
空心液压千斤顶5和水平千斤顶9均与液压控制系统连接，测量系统中的垂直位移计16和水平位移计17均与数据采集系统相连。所述的拉力板8前后两端对称设置有导向槽，导向槽位于拉力板8的下端面且平行于水平千斤顶9的轴线，导向槽内设有滚珠19。所述上剪切盒13、下剪切盒14均由五块钢板经螺栓组接而成，上剪切盒13的顶部钢板前后两端有相互对称的外沿。上剪切盒13的顶部钢板左右方向的宽度与下部钢板宽度相同，前后方向的长度小于拉力板8下端面两条对称槽间的净空长度，顶部钢板的厚度小于对称槽的净空高度，上剪切盒13的顶部钢板两端对称的外沿通过滚珠19与拉力板8下端的导向槽接触，上剪切盒13可以在水平方向自由滑动，保证在水平剪应力作用下岩石自由变形。所述的测量系统中的垂直位移计16设置在拉力板8的上端面上，所述的测量系统中的水平位移计17设置在上剪切盒13的左端外壁面上。试验前先将标准岩样15粘贴在下剪切盒14中，将岩样15底面的全部、侧面高度的1/6与下剪切盒14的底面和四个侧面粘接，然后将下剪切盒14置于底座18内固定，将岩样15的整个上面及侧面高度的1/6与上剪切盒13的底面和四个侧面粘接，这种粘接方式既可避免只在岩样15上下两面粘贴容易从粘贴面处拉断这一现象，又可最大限度降低岩样15四个侧面与剪切盒粘贴对拉伸变形的限制作用。粘结完成后，先将拉力板8推入上剪切盒13的两个外沿并保证拉力板8的形心与上剪切盒13的形心重合，将拉力柱6底部与拉力板8上端螺纹连接，最后将锁紧螺帽7与拉力柱6的顶部固定好，加载前必须保证下剪切盒14、岩样15、上剪切盒13、拉力板8和拉力柱6的形心在一条竖直直线上。试验时先通过垂直加载系统施加一定法向拉力，稳定后通过水平加载系统按照一定速率施加水平推力，直至岩样15破坏,得到岩样15破坏峰值前的应力变形曲线。由于拉剪试验中岩石剪断瞬间上剪切盒就会被提起，试验停止，而岩石剪断前的水平位移非常小，小于2mm，而试件尺寸通常为100mm，因此由于竖直拉力作用点和方向保持不变可能导致的偏心影响可忽略不计。本发明岩石的拉伸-剪切实验系统对获得更为精确、完善的岩体本构模型、建立相应的强度准侧，具有重要意义。
权利要求
1.岩石拉伸剪切试验系统，包括反力装置(I)，垂直加载系统，水平加载系统，上剪切盒(13)，下剪切盒(14)，测量系统，液压控制系统及基座(18)，其特征在于:所述的反力装置(1)由四根钢梁(2)，螺帽(3)和承载板(4)连接组成，承载板(4)通过螺帽(3)固定连接在四根钢梁(2)的上端，四根钢梁(2)的下端固定连接在基座(18)中； 所述的垂直加载系统由空心液压千斤顶(5)，拉力柱￠)，锁紧螺帽(7)，拉力板(8)组成，空心液压千斤顶(5)位于承载板⑷上方，拉力柱(6)活动贯通承载板(4)，拉力柱(6)上端贯通空心液压千斤顶(5)，并通过锁紧螺帽(7)固定，拉力柱(6)下端与拉力板(8)上端面螺纹连接，拉力柱(6)的轴线与上剪切盒(13)、下剪切盒(14)及拉力板(8)的中心在同一条竖直线上； 所述水平加载系统由水平千斤顶(9)，传力柱构件(10)，滚轴排(11)和承压板(12)组成，传力柱构件(10)设置在水平千斤顶(9)前方，传力柱构件(10)与水平千斤顶(9)的活塞头的接触面形状相同且面积相等，承压板(12)设置在传力柱构件(10)前方，滚轴排(11)位于承压板(12)和传力柱构件(10)之间。
2.如权利要求1所述的岩石拉伸-剪切实验系统，其特征在于:所述的拉力板(8)前后两端对称设置有导向槽，导向槽位于拉力板(8)的下端面且平行于水平千斤顶(9)的轴线，导向槽内设有滚珠(19)。
3.如权利要求1所述的岩石拉伸-剪切实验系统，其特征在于:所述上剪切盒(13)、下剪切盒(14)均由五块钢板经螺栓组接而成，上剪切盒(13)的顶部钢板前后两端有相互对称的外沿。
4.如权利要求1所述的岩石拉伸-剪切实验系统，其特征在于:所述的测量系统中的垂直位移计(16)设置在拉力板(8)的上端面上，所述的测量系统中的水平位移计(17)设置在上剪切盒(13)的左端外壁面上。
全文摘要
本发明涉及一种用于岩石力学实验的拉伸-剪切实验系统，属于岩土工程技术领域。本实验系统包括反力装置，垂直加载系统，水平加载系统，上下剪切盒，测量系统及基座等。所述的垂直加载系统与上剪切盒通过下端含有两条导向槽的拉力板相连。本发明可进行岩石不同拉力下的直剪试验，上下剪切盒组装式的设计可以方便的进行岩样的粘接和拆卸，拉力板和上剪切盒的设计方式可保证岩石在水平推力下水平方向的自由变形，水平加载方向设置的滚轴排可以保证拉力作用下水平加载系统的稳定。本发明改变了目前只能对岩石采用压剪的实验方式研究岩石的强度准则的现状，可提供岩石在不同法向拉力作用下的强度参数，改进和完善岩石在拉剪应力作用岩石的本构关系。
文档编号G01N3/24GK103175738SQ20131004099
公开日2013年6月26日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者周辉, 孟凡震, 张传庆, 胡善超, 刘继光, 渠成堃 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所