一种智能化岩体蠕变剪切试验机与试验方法与流程

本发明涉及一种岩体蠕变剪切试验机，具体涉及一种智能化岩体蠕变剪切试验机与试验方法。

背景技术：

‌岩体蠕变剪切试验机以岩体力学、岩体蠕变-流变力学、土力学、机械与液压传动原理、边坡工程等学科的理论为指导，研制出一种智能化岩体蠕变剪切试验机。岩土工程研究领域需要进行大量的土工试验和岩石力学试验以测定岩、土体的物理力学参数，并用于岩土工程岩石力学性质的研究。对于岩体蠕变性质的研究，其岩体的蠕变剪切强度是关键性参数。目前，岩体蠕变剪切试验是测定岩体蠕变剪切强度参数的基本方法，所采用的主要设备为三轴岩体蠕变剪切试验机。目前，该设备不能实现变温度、湿度一体化操作，所测得的试验数据往往只是常温下的岩体蠕变剪切数据，与实际埋深下的不同地温下的岩体蠕变剪切强度数据有一定的误差。因此，尽可能的还原所取岩芯的环境，提高岩体蠕变剪切强度试验参数数据的准确性，故研制智能化多变温度、湿度的岩体蠕变剪切试验机是非常有必要的。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种智能化岩体蠕变剪切试验机与试验方法，模拟还原所取岩体的环境，提高岩体蠕变剪切强度试验参数数据的准确性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种智能化岩体蠕变剪切试验机，包括机体框架装置、剪切装置与动力系统、制热-冷冻系统和数据智能采集分析系统；

机体框架装置包括机体底座、机体承台、立柱和横板，立柱底端与机体底座固定连接，立柱顶端通过横板销钉与横板连接，位于立柱的中部位置设有机体承台；

剪切装置与动力系统包括剪切盒、试样顶盖、压力传感器、位移传感器、剪切油缸、垂压油缸、剪切油缸伺服电动机、剪切油缸液压泵、垂压油缸伺服电动机、垂压油缸液压泵、液压油箱、压力继电器、伺服电动机组调节器、标准砝码、定滑轮和剪切牵引绳；剪切盒包括上剪切盒和下剪切盒，下剪切盒为底端封闭顶端开放的双层壁结构，下剪切盒底端放置在机体承台上，上剪切盒上下两端均为开放结构，上剪切盒底端与下剪切盒的内层壁通过螺钉连接，上剪切盒和下剪切盒围成的剪切空间中设有试样顶盖，机体承台上设有定滑轮，剪切牵引绳一端与上剪切盒的一侧外壁连接，另一侧绕过定滑轮后悬挂有标准砝码，与设置定滑轮相反一侧的机体承台上设有传感器支架，传感器支架上设有压力传感器和位移传感器，上剪切盒的另一侧外壁与压力传感器和位移传感器连接；与设置定滑轮同侧方向设置剪切油缸，剪切油缸底座与立柱连接，剪切油缸活塞杆与下剪切盒的外层壁外侧连接，垂压油缸的底座与横板连接，垂压油缸的活塞杆底端设有垂压加载轴，垂压加载轴的轴线与试样顶盖的中线重合；剪切油缸液压泵、垂压油缸液压泵分别通过剪切油缸伺服电动机、垂压油缸伺服电动机与伺服电动机组调节器电连接，剪切油缸通过液压油管经剪切油缸液压泵与液压油箱连通，垂压油缸通过液压油管经垂压油缸液压泵与液压油箱连通；

制热-冷冻系统包括剪切环境试验箱、加湿器和制热-冷冻器，剪切环境试验箱设置在机体承台上，罩在剪切盒的外部，剪切环境试验箱顶部开设一个供垂压加载轴穿过的孔，剪切环境试验箱一侧面开设两个孔，分别供剪切油缸和剪切牵引绳穿过，剪切环境试验箱另一侧面开设一个供压力传感器和位移传感器穿过的孔；加湿器和制热-冷冻器位于剪切环境试验箱外部，加湿器通过加湿管与剪切环境试验箱内部连通，剪切环境试验箱侧壁的内部设有制热-冷冻管路，制热-冷冻管路两端均与制热-冷冻器连通；

数据智能采集分析系统包括终端采集处理器和数据传输导线，压力传感器、位移传感器和伺服电动机组调节器分别通过数据传输导线与终端采集处理器电连接。

进一步的，所述的制热-冷冻管路呈螺旋盘绕式设置在剪切环境试验箱侧壁的内部。

进一步的，所述的位于剪切环境试验箱内部的加湿管的端部设有加湿头。

进一步的，所述的垂压加载轴底端为内嵌式滚珠结构，当发生剪切运动时，垂压加载轴底端不会随着试样顶盖的移动而移动，垂压加载轴可实现与试样顶盖的相对移动。

一种智能化岩体蠕变剪切试验机的剪切试验方法，在剪切盒中放置试样，试样顶盖放置在试样顶面，垂压加载轴底端抵住试样顶盖，对试样顶盖垂直施压；

标准砝码通过剪切牵引绳、定滑轮牵引上剪切盒向标准砝码一侧运动，下剪切盒与标准砝码同侧的受力点与剪切油缸的活塞杆刚性接触保持不动，上剪切盒与下剪切盒的相对移动向标准砝码一侧剪切试样，上剪切盒的位移被位移传感器实时传递至终端采集处理器；标准砝码利用其重量提供恒定剪切力f，该试验测定在恒定剪切力f作用下试样的变形量、变形速度和加速度数据；垂压油缸对同一组的多个试样分别施加不同的法向荷载σ，每个试样的剪切试验得到的变形量、变形速度和加速度数据，由终端采集处理器收集分析，确定试样的剪切蠕变破坏规律；

剪切油缸的活塞杆伸长推动下剪切盒运动，上剪切盒与压力传感装置接触的一侧受到压力传感装置阻挡与下剪切盒产生相对运动，下剪切盒向压力传感装置一侧方向剪切试样；剪切油缸伸出的恒定剪切速度v保持不变，压力传感装置测定试样的抗剪强度，并传递至终端采集处理器，该试验测定在恒定剪切速度v条件下试样的位移变形量、抗剪强度τ的变化规律；垂压油缸对同一组的多个试样分别施加不同的法向荷载σ，每个试样的剪切试验得到的位移变形量、抗剪强度τ，由终端采集处理器收集分析，确定试样的剪切蠕变破坏规律。

进一步的，在进行所述恒定剪切力f或恒定剪切速度v剪切试验时，加湿器向剪切环境试验箱内加入湿气，测定试样在不同湿度条件下的抗剪强度参数。

进一步的，在进行所述恒定剪切力f或恒定剪切速度v剪切试验时，制热-冷冻器将冷气供入剪切环境试验箱对试样进行温度维持，防止试样融化，以测定冻结状态下试样的抗剪强度参数。

进一步的，在进行所述恒定剪切力f或恒定剪切速度v剪切试验时，制热-冷冻器将热气供入剪切环境试验箱对试样进行加速融化，以测定冻结的试样在融化环境中的抗剪强度参数。

进一步的，在进行所述恒定剪切力f或恒定剪切速度v剪切试验时，制热-冷冻器将冷气和热气依次交替传输到剪切环境试验箱对试样进行冻-融循环，以测定试样在不同冻融循环次数n条件下的抗剪强度参数及变化规律。

与现有技术相比，本发明能够模拟还原所取岩体的所处环境，可以测试高温、常温、冻结湿度下的岩体蠕变剪切强度参数，从而提高岩体蠕变剪切强度参数的准确性；本发明具有应用成本低、操作简单、精度高、智能化模拟岩体所处环境等优点，更具有推广价值。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为剪切盒放大结构示意图；

图3为图2中a-a剖视图；

图中：1、牵引绳连接杆；2、传感器支架；3、传感器抵杆；4、终端采集处理器；5、机体底座；6、机体承台；7、立柱；8、横板；9、横板销钉；10、上剪切盒；11、下剪切盒；12、试样；13、剪切盒盖；14、滚珠；15、压力传感器；16、位移传感器；17、剪切油缸；18、垂压油缸；19、剪切油缸伺服电动机；20、剪切油缸液压泵；21、垂压油缸伺服电动机；22、垂压油缸液压泵；23、垂压加载轴；24、液压油箱；25、压力继电器；26、伺服电动机机组调节器；27、液压油管；28、标准砝码；29、定滑轮；30、剪切牵引绳；31、剪切环境试验箱；32、加湿管；33、加湿器；34、加湿头；35、制热-冷冻器；36、制热-冷冻管路；37、数据传输导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图3所示，本发明提供一种智能化岩体蠕变剪切试验机：包括机体框架装置、剪切装置与动力系统、制热-冷冻系统和数据智能采集分析系统；

机体框架装置为主要的支撑部件，包括机体底座5、机体承台6、四根立柱7和横板8，四根立柱7底端与机体底座5的四个边角处固定连接，四根立柱7顶端通过横板销钉9与横板8的四个边角处连接，位于立柱7的中部位置设有机体承台6，机体承台6与立柱7固定连接；

剪切装置与动力系统包括剪切盒、试样顶盖13、压力传感器15、位移传感器16、剪切油缸17、垂压油缸18、剪切油缸伺服电动机19、剪切油缸液压泵20、垂压油缸伺服电动机21、垂压油缸液压泵22、液压油箱24、压力继电器25、伺服电动机组调节器26、标准砝码28、定滑轮29和剪切牵引绳30；

剪切盒包括上剪切盒10和下剪切盒11，下剪切盒11为底端封闭顶端开放的双层壁结构，下剪切盒11底端放置在机体承台6上，为了减小下剪切盒11底部与机体承台6之间的摩擦力进而提高剪切试验的精度，在下剪切盒11底面与机体承台6之间设有滚珠14，上剪切盒10上下两端均为开放结构，在放置试样12之前，上剪切盒10底端与下剪切盒11的内层壁通过螺钉连接，以保证放置试样12时上剪切盒10和下剪切盒11的同轴度，上剪切盒10和下剪切盒11围成的剪切空间中放置试样12并在试样12的顶面设置试样顶盖13，试样12放置好之后则取下螺钉使得上剪切盒10和下剪切盒11分离，机体承台6上设有定滑轮29，剪切牵引绳30一端与上剪切盒10的一侧外壁连接，另一侧绕过定滑轮29后悬挂有标准砝码28，与设置定滑轮29相反一侧的机体承台6上设有传感器支架2，传感器支架2上设有压力传感器15和位移传感器16，上剪切盒10的另一侧外壁与压力传感器15和位移传感器16连接；

与设置定滑轮29同侧方向设置剪切油缸17，剪切油缸17底座与立柱7连接，剪切油缸17活塞杆与下剪切盒11的外层壁外侧连接，垂压油缸18的底座与横板8连接，垂压油缸18的活塞杆底端设有垂压加载轴23，垂压加载轴23的轴线与试样顶盖13的中线重合；

剪切油缸伺服电动机19、剪切油缸液压泵20、垂压油缸伺服电动机21、垂压油缸液压泵22、液压油箱24和伺服电动机组调节器26均设置在机体底座5上，剪切油缸液压泵20、垂压油缸液压泵22分别通过剪切油缸伺服电动机19、垂压油缸伺服电动机21与伺服电动机组调节器26电连接，剪切油缸17通过液压油管27经剪切油缸液压泵20与液压油箱24连通，垂压油缸18通过液压油管27经垂压油缸液压泵22与液压油箱24连通，在剪切油缸17与剪切油缸液压泵20连通的液压油管27上和垂压油缸18与垂压油缸液压泵22连通的液压油管27上分别设置一个压力继电器25；

制热-冷冻系统包括剪切环境试验箱31、加湿器33和制热-冷冻器35，剪切环境试验箱31设置在机体承台6上，罩在剪切盒的外部，为了便于更换试样12，在剪切环境试验箱31上开设一个可开合密封的门，剪切环境试验箱31顶部开设一个供垂压加载轴23穿过的孔，剪切环境试验箱31一侧面开设两个孔，分别供剪切油缸17和剪切牵引绳30穿过，剪切环境试验箱31另一侧面开设一个供压力传感器15和位移传感器16穿过的孔；加湿器33和制热-冷冻器35位于剪切环境试验箱31外部，加湿器33通过加湿管32与剪切环境试验箱31内部连通，位于剪切环境试验箱31内部的加湿管32的端部设有加湿头34，加湿头34紧贴在剪切环境试验箱31的一侧壁上；

为了提高剪切牵引绳30牵拉的效果，增设牵引绳连接杆1，牵引绳连接杆1一端与上剪切盒10侧壁固定连接，另一端穿过剪切环境试验箱31侧面开设的孔后与剪切牵引绳30连接；

为了提高压力传感器15、位移传感器16与上剪切盒10接触的稳定性，增设传感器抵杆3，传感器抵杆3内侧一端穿过剪切环境试验箱31侧面开设的孔后与上剪切盒10侧壁固定连接，外侧一端位于剪切环境试验箱31外部且端部设有纵向垂直的抵面，压力传感器15、位移传感器16与传感器抵杆3外侧的抵面连接；

剪切环境试验箱31侧壁的内部设有制热-冷冻管路36，制热-冷冻管路36呈螺旋盘绕式设置在剪切环境试验箱31侧壁的内部，制热-冷冻管路36两端均与制热-冷冻器35连通形成一个回路，可以有效保证剪切环境试验箱31内的温度恒定不变；数据智能采集分析系统包括终端采集处理器4和数据传输导线37，压力传感器15、位移传感器16和伺服电动机组调节器26分别通过数据传输导线37与终端采集处理器4电连接。

本发明提供的一种智能化岩体蠕变剪切试验机可以实现恒定剪切力和恒定剪切速度下的试样12的剪切蠕变破坏规律的试验，进行岩体蠕变剪切试验时，先在剪切盒中放置试样12，然后去除螺钉使得上剪切盒10和下剪切盒11分离，试样顶盖13放置在试样12顶面，垂压加载轴23底端抵住试样顶盖13；

恒定剪切力测试试样12的剪切蠕变破坏规律时：标准砝码28通过剪切牵引绳30、定滑轮29牵引上剪切盒10向标准砝码28一侧运动，下剪切盒11与标准砝码28同侧的受力点与剪切油缸17的活塞杆刚性接触保持不动，上剪切盒10与下剪切盒11的相对移动向标准砝码28一侧剪切试样12，上剪切盒10的位移被位移传感器16实时传递至终端采集处理器4内进行统计和绘制位移曲线；标准砝码28利用其重量提供恒定剪切力f，该试验测定在恒定剪切力f作用下试样12的变形量、变形速度和加速度数据；为了试验数据的准确性，垂压油缸18对同一组的多个试样12分别施加不同的法向荷载σ，每个试样12的剪切试验得到的变形量、变形速度和加速度数据，由终端采集处理器4收集分析，确定试样12的剪切蠕变破坏规律。

恒定剪切速度测试试样12的剪切蠕变破坏规律时：剪切油缸17的活塞杆伸长推动下剪切盒11运动，上剪切盒10与压力传感装置15接触的一侧受到压力传感装置15阻挡与下剪切盒11产生相对运动，下剪切盒11向压力传感装置15一侧方向剪切试样12；剪切油缸17伸出的恒定剪切速度v保持不变，压力传感装置15测定试样12的抗剪强度，并传递至终端采集处理器4，该试验测定在恒定剪切速度v条件下试样12的位移变形量、抗剪强度τ的变化规律；为了试验数据的准确性，垂压油缸18对同一组的多个试样12分别施加不同的法向荷载σ，每个试样12的剪切试验得到的位移变形量、抗剪强度τ，由终端采集处理器4收集分析，确定试样12的剪切蠕变破坏规律。

恒定剪切力f或恒定剪切速度v剪切试样12试验时，可以配合加湿器33、制热-冷冻器35模拟不同温湿度条件下试样12的剪切蠕变破坏规律：加湿器33向剪切环境试验箱31内加入湿气，测定试样12在不同湿度条件下的抗剪强度参数；制热-冷冻器35将冷气供入剪切环境试验箱31对试样12进行温度维持，防止试样12融化，以测定冻结状态下试样12的抗剪强度参数；制热-冷冻器35将热气供入剪切环境试验箱31对试样12进行加速融化，以测定冻结的试样12在融化环境中的抗剪强度参数，制热-冷冻器35将冷气和热气依次交替传输到剪切环境试验箱31对试样12进行冻-融循环，以测定试样12在不同冻融循环次数n条件下的抗剪强度参数及变化规律。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。