一种环保研究结构面试样剪切特性的装置和方法与流程

本发明涉及岩土工程的技术领域，尤其涉及一种环保研究结构面试样剪切特性的装置和方法。

背景技术：

岩体结构面试样是指地质历史发展过程中，在岩体内部形成的具有一定延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带，包括层面、节理面、不整合面等。由于结构面试样的存在，极大地破坏了岩体的连续性和完整性，削弱了工程岩体的力学性质及其稳定性。因而，对岩体结构面试样的有关性质的研究意义非凡。

岩体结构面试样的抗剪强度参数是工程岩体稳定性分析和加固治理方案设计的重要指标，一般通过试验得到结构面试样的抗剪强度指标，其中小型剪力仪—岩石弱面直剪仪是常用的仪器，由于其便捷性以及操作的简易性，可用于野外现场和室内试验，同时能满足一定的精度要求，且造价低廉，在现有的试验仪器中仍是直剪试验的首选，然而，使用此直剪仪不能伺服控制法向应力、需要用混凝土包裹岩体结构面试样试样的辅助方法才能开展试验，而且无法准确简便的对岩体结构面试样的各向异性进行研究。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种试验成功率高、试样利用率高，节约时间和材料成本，环保且可循环利用，且可对结构面试样各向异性及尺寸效应快速开展研究的环保研究结构面试样剪切特性的装置和方法。

本发明的实施例提供一种环保研究结构面试样剪切特性的装置，包括调向单元、支撑架、连杆机构和包裹机构，所述调向单元的上方固接一平板，所述平板上开有数个条形槽，所述数个条形槽沿平板的中心呈中心对称分布，所述条形槽的数量与所述结构面试样的剪切方向的数量相适配，所述支撑架的下侧设有与条形槽一一对应的条形凸起，所述平板和支撑架通过条形槽和条形凸起的卡合固定在一起，所述支撑架的内部连接连杆机构，所述包裹机构固定在连杆机构内，所述包裹机构包裹结构面试样，所述包裹机构包括若干条状钢板，所述条状钢板内沿横向方向均开有通孔，所述若干条状钢板通过将钢丝绳插入通孔内将若干条状钢板连接在一起，所述条状钢板的数量根据结构面试样的尺寸确定，通过调整条状钢板的数量实现对不同尺寸结构面试样的包裹，所述结构面试样一个方向的剪切完成后，将条形凸起与条形槽分开，并旋转支撑架，使条形凸起和下一个条形槽卡合，即可以实现对结构面试样下一个方向的剪切，进而实现对结构面试样所有方向的剪切。

进一步，所述支撑架包括底座、数根立柱、圈梁、立杆和底撑板，所述条形凸起设在底座的下方，所述立柱的上端固接在圈梁的边缘，所述立柱的下端固接在底座的边缘，所述立柱将底座和圈梁固接在一起，所述立杆固定在底座的中间，所述立杆的中间设有螺母，所述底撑板的下方固接第一螺钉，所述第一螺钉与螺母相适配，所述底撑板的位置通过第一螺钉拧入螺母的深度确定。

进一步，所述平板和底座的相对位置均设有刻度线，所述刻度线的指示位置与条形槽或条形凸起的位置一一对应。

进一步，所述连杆机构包括四块曲面薄壁板、牵拉螺钉和顶进螺钉，曲面薄壁板与相邻曲面薄壁板通过销钉铰接，所述销钉的中部有垂直于其轴向的牵拉螺钉孔和顶进螺钉孔，牵拉螺钉和顶进螺钉分别安装于牵拉螺钉孔和顶进螺钉孔，在顶进螺钉孔内插入顶进螺钉将包裹机构固定在连杆机构内，所述顶进螺钉与包裹机构之间设有垫板，所述立柱上沿竖直方向设有与牵拉螺钉孔尺寸相适配的数个辅助螺钉孔，在辅助螺钉孔和牵拉螺钉孔内插入牵拉螺钉将支撑架、连杆机构和包裹机构固定在一起。

进一步，所述立柱的数量为两根，两根立柱对称设置，两根立柱上沿竖直方向对称设有三个辅助螺钉孔，三个辅助螺钉孔等间距分布，通过将牵拉螺钉插入不同位置的辅助螺钉孔调整连杆机构固定在支撑架内的位置，所述牵拉螺钉和顶进螺钉的位置确定后，通过螺栓固定，所述牵拉螺钉可拉紧连杆机构，并固定连杆机构于立柱之上，所述牵拉螺钉同时具有顶进螺钉的功能，并与包裹机构之间有垫板。

进一步，所述钢丝绳的两端通过花篮螺栓拉紧。

进一步，所述调向单元底座的形状为楔形体，并与剪切仪的剪切盒相适配。

进一步，所述条形槽与相邻条形槽间的夹角为15°。

一种环保研究结构面试样剪切特性的方法，包括以下步骤：

(1)加工多目标尺寸的矩形或者圆形结构面试样；

(2)将结构面试样的法向方向向上，根据结构面试样的尺寸确定包裹机构中条状钢板的数量，用钢丝绳将条状钢板连接在一起沿结构面试样的侧面缠绕一周，并用花篮螺栓拉紧钢丝绳，使包裹机构紧密贴合在结构面试样的侧面；

(3)将包裹机构置于支撑架的底撑板中间，调整底撑板高度，使包裹机构的上端超出圈梁3～5mm；

(4)旋转顶进螺钉和牵拉螺钉将包裹机构固定在连杆机构内，此时旋转内侧的螺栓并拧紧，然后旋转外侧的螺栓并拧紧后，通过牵拉螺钉固定在支撑架上；

(5)通过将支撑架的条形凸起卡合在平板上的条形槽内将支撑架和调向单元固定在一起，并放入剪切仪中，即可完成结构面试样一个方向的剪切；

(6)结构面试样一个方向的剪切完成后，将条形凸起与条形槽分开，并旋转支撑架，使条形凸起和下一个条形槽卡合，即可以实现对结构面试样下一个方向的剪切，进而实现对结构面试样所有方向的剪切；

(7)由外向内进行拆除，取出结构面试样，归置仪器；

(8)若研究结构面试样的尺寸效应，则在步骤(7)中取出结构面试样后，再放入另一目标尺寸结构面试样，重复步骤(2)-(7)，即可完成不同尺寸结构面试样所有方向的剪切。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明结构简单，体积小，便于携带、易于拆卸、方便操作，可以直接安装在已有剪切仪上，在快速环保安装结构面试样方面能够达到良好的效果；

2.本发明对结构面试样的尺寸要求较低，可安装多尺寸的结构面试样，适用范围广泛；

3.本发明为基本对称结构，结构稳定，能达到快速固定结构面试样的目的；

4.本发明无需改变剪切仪的主要结构，不会破坏原仪器的主要功能及其便利性，并且可与原仪器完美结合，达到了环保的效果并缩减了试验周期，并增加了进行结构面试样各向异性剪切特性研究的功能，以利于科学研究和生产设计；

5.本方法不会产生除结构面试样本身外的其它固体垃圾，且节省材料，环保效果好，可研究结构面试样的各向异性及尺寸效应的剪切特性。

附图说明

图1是本发明一种环保研究结构面试样剪切特性的装置的一示意图。

图2是图1中支撑架一示意图。

图3是图1中连杆机构一示意图。

图4是图1中包裹机构一示意图。

图5是图1中调向单元和平板一示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种环保研究结构面试样剪切特性的装置，包括调向单元1、支撑架2、连杆机构3和包裹机构4，所述调向单元1的上方固接一平板5，所述平板5上开有数个条形槽51，所述支撑架2的下侧设有与条形槽51一一对应的条形凸起21，所述平板5和支撑架2通过条形槽51和条形凸起21的卡合固定在一起，所述支撑架2的内部连接连杆机构3，所述包裹机构4固定在连杆机构3内，所述包裹机构4包裹结构面试样6。

请参考图2，支撑架2包括底座26、数根立柱22、圈梁23、立杆24和底撑板25，优选地，立柱22的数量为两根，两根立柱22对称设置，所述条形凸起21设在底座26的下方，所述立柱22的上端固接在圈梁23的边缘，所述立柱22的下端固接在底座26的边缘，所述立柱22将底座26和圈梁23固接在一起，所述立杆24固定在底座26的中间，所述立杆24的中间设有螺母(图中未示出)，所述底撑板25的下方固接第一螺钉251，所述第一螺钉251与螺母相适配，所述底撑板25的位置通过第一螺钉251拧入螺母的深度确定，第一螺钉251拧入螺母越深，底撑板25到圈梁23的距离越远，能适应较高的结构面试样6。

请参考2和图5，平板5和底座26的相对位置均设有刻度线211，所述刻度线211的指示位置与条形槽51或条形凸起21的位置一一对应，通过看刻度线211更直观的了解对应的条形槽51和条形凸起21的位置，所述数个条形槽51沿平板5的中心呈中心对称分布，，所述条形槽51的数量与所述结构面试样6的剪切方向的数量相适配，在一实施例中，条形槽51与相邻条形槽间51的夹角为15°。

请参考图3，连杆机构3包括四块曲面薄壁板31、牵拉螺钉3111和顶进螺钉3121，曲面薄壁板31与相邻曲面薄壁板31通过销钉310铰接，所述销钉310的中部有垂直于其轴向的牵拉螺钉孔311和顶进螺钉孔312，牵拉螺钉3111和顶进螺钉3121分别安装于牵拉螺钉孔311和顶进螺钉孔312中，在一实施例中，在顶进螺钉孔312内插入顶进螺钉3121将包裹机构4固定在连杆机构3内，顶进螺钉3121与包裹机构4之间设有垫板(图中未示出)，扩大顶进螺钉3121在包裹机构4上面的受力面积，所述立柱22上沿竖直方向设有与牵拉螺钉孔311尺寸相适配的数个辅助螺钉孔221，在辅助螺钉孔221和牵拉螺钉孔311内插入牵拉螺钉3111将支撑架2、连杆机构3和包裹机构4固定在一起。在一实施例中，两根立柱22上沿竖直方向对称设有三个辅助螺钉孔221，三个辅助螺钉孔221等间距分布，通过将牵拉螺钉3111插入不同位置的辅助螺钉孔311调整连杆机构3固定在支撑架2内的位置，所述牵拉螺钉3111和顶进螺钉3121的位置确定后，通过螺栓3112固定，所述牵拉螺钉3111可拉紧连杆机构3，固定连杆机构3于立柱22之上，牵拉螺钉3111同时具有顶进螺钉3121的功能，并与包裹机构4之间有垫板(图中未示出)，扩大牵拉螺钉3111在包裹机构4上面的受力面积。

请参考图4，包裹机构4包括若干条状钢板41，所述条状钢板41内沿横向方向均开有通孔(图中未示出)，所述若干条状钢板41通过将钢丝绳42插入通孔内将若干条状钢板41连接在一起，所述钢丝绳42的两端通过花篮螺栓43拉紧，所述条状钢板41的数量根据结构面试样6的尺寸确定,通过调整条状钢板41的数量实现对不同尺寸结构面试样6的紧密包裹。

请参考图5，调向单元1底座的形状为楔形体，并与剪切仪的剪切盒相适配。

结构面试样6一个方向的剪切完成后，将条形凸起21与条形槽51分开，并旋转支撑架2，使条形凸起21和下一个条形槽51卡合，即可以实现对结构面试样6下一个方向的剪切，进而实现对结构面试样6所有方向的剪切。

一种环保研究结构面试样剪切特性的方法，包括以下步骤：

(1)加工多目标尺寸的矩形或者圆形结构面试样6；

(2)将结构面试样6的法向方向向上，根据结构面试样6的尺寸确定包裹机构4中条状钢板41的数量，用钢丝绳42将条状钢板41连接在一起沿结构面试样6的侧面缠绕一周，并用花篮螺栓43拉紧钢丝绳42，使包裹机构4紧密贴合在结构面试样6的侧面；

(3)将包裹机构4置于支撑架2的底撑板25中间，旋转第一螺钉251，使包裹机构4的上端超出圈梁23为3～5mm；

(4)旋转顶进螺钉3121和牵拉螺钉3111将包裹机构4固定在连杆机构3内，此时旋转内侧的螺栓并拧紧，然后旋转外侧的螺栓并拧紧后，通过牵拉螺钉3111固定在支撑架2上；

(5)通过将支撑架2的条形凸起21卡合在平板5上的条形槽51内将支撑架2和调向单元1固定在一起，并放入剪切仪(图中未示出)中，即可完成结构面试样6一个方向的剪切；

(6)结构面试样6一个方向的剪切完成后，将条形凸起21与条形槽51分开，并旋转支撑架2，使条形凸起21和下一个条形槽51卡合，即可以实现对结构面试样6下一个方向的剪切，进而实现对结构面试样6所有方向的剪切；

(7)由外向内进行拆除，取出结构面试样6，归置仪器；

(8)若研究结构面试样的尺寸效应，则在步骤(7)中取出结构面试样6后，再放入另一目标尺寸结构面试样6，重复步骤(2)-(7)，即可完成不同尺寸结构面试样所有方向的剪切。

本发明结构简单，体积小，便于携带、易于拆卸、方便操作，可以直接安装在已有剪切仪上，在快速环保安装结构面试样试样方面能够达到良好的效果；本发明对结构面试样的尺寸要求较低，可安装多尺寸的结构面试样，适用范围广泛；本发明为基本对称结构，结构稳定，能达到快速固定结构面试样的目的；本发明无需改变剪切仪的主要结构，不会破坏原仪器的主要功能及其便利性，并且可与原仪器完美结合，达到了环保的效果并缩减了试验周期，并增加了进行结构面试样各向异性剪切特性研究的功能，以利于科学研究和生产设计。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。