双向对称压缩下岩石纯剪试验系统的制作方法

本发明属于岩石测试，具体涉及一种双向对称压缩下岩石纯剪试验系统。

背景技术：

1、岩石剪切强度参数，是岩体工程建设必须获知的关键参数之一。要获得所需的剪切强度参数，就必须进行相应的试验测试，这就需要具备可实现相应测试功能的设备作为保障。目前，相关测试规范中测试岩石抗剪强度参数的主要方法有以下几种，分别是直接剪切试验、变角板剪切试验、三轴压缩试验等，这几种方法分别有各自的优缺点。对于直接剪切试验，不仅需要有特定的具备剪切专用的双向加载试验机，而且剪切荷载方向是确定的，导致破坏只能沿预定荷载方向破坏，得到的结果未必是沿最小抗剪应力方向破坏；对于变角板剪切试验，虽然所有的材料压力试验机都可进行试验，但不仅有与直接剪切测试同样的问题，而且还需要修正变角板的摩擦系数；对于三轴压缩试验，不仅需要专用的三轴压力试验机，而且岩石受力状态及试验和分析过程复杂。对于上述不同类型的剪切试验，虽然都可以最终得到岩石破坏时的抗剪强度参数，但无论是哪一种，在进行测试时，岩石内部的受力都是复杂应力状态，都不能得到岩石所受的纯剪应力。

2、事实上，纯剪应力对研究岩体工程破坏具有重要价值。考虑从事工程建设或科学研究单位的实验室，通常都具有材料压力试验机等能够提供轴向压力的材料试验系统(material testing system，简称mts)，为了解决所有材料压力试验机都可以进行岩石纯剪试验的问题，公开号为cn104297027a的中国发明专利申请提供了一种用于纯剪切试验的岩块试件及岩石纯剪切试验方法；但是，若要获得纯剪切下的剪切角度，该方法则无法实现。

3、为了进行岩石纯剪切测试，现有的岩石扭剪试验装置均为专门设计制造的能够提供扭剪力的设备。然而，现有的进行纯剪测试的各类岩石扭剪试验装置至少存在以下弊端之一：(1)只能进行纯剪，测试的功能太单一；(2)扭剪过程中施加扭力的转轴固定，导致力臂发生改变，不能施加线性扭转荷载；(3)需要专门设计生产，不仅需要大量费用，而且还需要占用大量的实验室场地；(4)不能在现有试验机上直接进行试验；(5)若考虑复杂耦合条件，需要配套的外围设施，比如三轴加载、渗流、加温等耦合条件；(6)不便用散斑法或应变法或声发射定位等技术测试扭剪变化的状态。

4、例如：公布号为cn107421821a的中国发明专利申请就公开了一种岩石扭剪-压综合实验装置，包括机架、扭剪组件、加载组件、油路系统；所述扭剪组件包括扭转加载油缸，所述扭转加载油缸端部装入安装套中，所述安装套底部通过安装套支撑轴与活动隔板可转动装配；所述扭转加载油缸的扭转伸缩轴与扭转驱动板的驱动导向端连接固定；所述驱动导向端上还固定有导向滑轴，所述导向滑轴底部与设置在活动隔板上的扭转导向槽装配；所述扭转驱动板的扭转驱动端与加载杆扭转部分装配，具体地，所述扭转驱动端上设有与加载杆扭转部分装配的通槽，且所述加载杆扭转部分可以在此通槽内上下移动。使用时，所述扭转加载油缸加压，使得扭转伸缩轴将驱动导向端以加载杆扭转部分轴线为中心转动，在此过程中，所述安装套支撑轴与活动隔板发生转动。而扭转驱动板转动时，就会向加载杆扭转部分施加去周向上的扭力，并通过这个扭力作用在岩石试样上以达到获得扭剪的效果。

5、虽然上述的岩石扭剪-压综合实验装置通过设置的扭剪组件，能够用于岩石扭剪试验中给岩石试样施加扭矩，实现对岩石受扭剪作用变形和破坏情况等的研究，但是其不能够将现有压力试验机的轴向压力转化为扭剪力，因此无法与可提供轴向压力的设备配合使用，其扭剪组件除了必要的传动机构外还包括专门提供扭剪力作用的扭转加载油缸，这无疑增加了装置的复杂程度和体积，设备成本也较高，并会更多地占用实验室空间。

技术实现思路

1、本发明提供了一种双向对称压缩下岩石纯剪试验系统，旨在使其能够与可提供轴向压力的设备配合使用，以简化结构并节约成本。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：双向对称压缩下岩石纯剪试验系统，包括装置主体和试样固定机构；

3、所述装置主体包括装置底板、以及间隔设置在装置底板上的装置左支板和装置右支板，所述装置左支板与装置右支板之间形成有工作腔；

4、所述试样固定机构包括在工作腔中左右分布设置的试样左固定头和试样右固定头，所述试样左固定头与试样右固定头彼此相对应的部位处均设有试样固定部；

5、还包括动力转换机构；

6、所述试样左固定头通过第一横轴可转动地设置在装置左支板上，所述试样右固定头通过第二横轴可转动地设置在装置右支板上，所述第一横轴和/或第二横轴为伸缩轴；

7、所述动力转换机构包括第一齿轮、第二齿轮、第一主齿条、第二主齿条、受压连杆、第一副齿条、第二副齿条和副齿条连杆；

8、所述第一齿轮与试样左固定头传动连接，所述第二齿轮与试样右固定头传动连接；

9、所述第一主齿条、第二主齿条、第一副齿条和第二副齿条均竖直设置在工作腔中，所述受压连杆设置在工作腔中并分别与第一主齿条和第二主齿条连接，所述受压连杆能够驱使第一主齿条和第二主齿条同步上下移动，所述副齿条连杆设置在工作腔中并分别与第一副齿条和第二副齿条连接；

10、所述第一主齿条和第一副齿条均与第一齿轮相啮合，并分别位于第一齿轮的两侧；所述第一主齿条能够通过第一齿轮驱使试样左固定头转动，并能够通过第一齿轮驱使第一副齿条上下运动；

11、所述第二主齿条和第二副齿条均与第二齿轮相啮合，并分别位于第二齿轮的两侧；所述第二主齿条能够通过第二齿轮驱使试样右固定头转动，并能够通过第二齿轮驱使第二副齿条上下运动；

12、所述第一主齿条和第二主齿条同步上下移动时，所述试样左固定头的转动方向与试样右固定头的转动方向相反。

13、进一步的，所述试样固定部为正多边形结构的凹槽。

14、进一步的，所述装置底板上设有第一主限位座、第二主限位座、第一副限位座和第二副限位座；

15、所述第一主齿条的下端设有与第一主限位座滑动配合的第一下导杆；

16、所述第二主齿条的下端设有与第二主限位座滑动配合的第二下导杆；

17、所述第一副齿条的下端设有与第一副限位座滑动配合的第一副齿条下导杆；

18、所述第二副齿条的下端设有与第二副限位座滑动配合的第二副齿条下导杆。

19、进一步的，所述动力转换机构还包括能够驱使受压连杆复位的复位件。

20、进一步的，所述受压连杆顶部的中央位置设有受压部。

21、进一步的，所述受压部为圆柱形结构。

22、进一步的，所述装置主体还包括装置横梁，所述装置横梁分别与装置左支板和装置右支板连接。

23、进一步的，所述装置横梁为两根，并在工作腔的顶部前后分布设置。

24、进一步的，在工作腔的顶部还设置有第一主限位块、第二主限位块、第一副限位块和第二副限位块；

25、所述第一主限位块分别与装置左支板和其中一根装置横梁连接，所述第一主齿条的上端设有与第一主限位块滑动配合的第一上导杆；

26、所述第二主限位块分别与装置右支板和另外一根装置横梁连接，所述第二主齿条的上端设有与第二主限位块滑动配合的第二上导杆；

27、所述第一副限位块分别与装置左支板和另外一根装置横梁连接，所述第一副齿条的上端设有与第一副限位块滑动配合的第一副齿条上导杆；

28、所述第二副限位块分别与装置右支板和其中一根装置横梁连接，所述第二副齿条的上端设有与第二副限位块滑动配合的第二副齿条上导杆。

29、进一步的，所述第一主限位块、第二主限位块、第一副限位块和第二副限位块均为“l”形结构。

30、本发明的有益效果是：

31、1)由于该试验系统通过动力转换机构的受压连杆能够驱使第一主齿条和第二主齿条同步上下移动，即受压连杆、第一主齿条和第二主齿条均可作上下直线运动，而可提供轴向压力的设备又是通过压杆作直线运动提供轴向压力的，因此其能够通过受压连杆与可提供轴向压力的设备的压杆配合，以利用设备所提供的轴向压力作为驱使第一主齿条和第二主齿条同步移动的动力；又由于试样左固定头和试样右固定头均可转动地设置并分别与第一齿轮和第二齿轮传动连接，第一齿轮和第二齿轮分别与第一主齿条和第二主齿条相啮合且可驱使试样左固定头和试样右固定头按相反的转动方向转动，因此该试验系统与可提供轴向压力的设备配合使用后，在提供轴向压力的设备的驱动下，可对安装固定在试样左固定头与试样右固定头之间的岩石试样施加扭转力矩进行测试。可见，该试验系统能够将轴向压力转化为扭剪力，因此在能够提供轴向力的试验条件下即可进行岩石扭剪测试，无需设置专门提供扭剪力的动力机构，与具有同样功能的现有岩石扭剪试验装置相比结构更简单，制作成本更低，并利于减少占用的实验室空间。

32、2)通过与第一主齿条相对设置并与第一齿轮相啮合的第一副齿条，以及与第二主齿条相对设置并与第二齿轮相啮合的第二副齿条，能够提高动力转换机构的传动稳定性，进一步便于与可提供轴向压力的设备的压杆配合，保证测试的精确度；通过副齿条连杆将第一副齿条和第二副齿条连接能够加强动力转换机构的结构强度，使得该试验系统能够用于加载更大的轴向压力进行测试。

33、3)由于该试验系统能够与可提供轴向压力的设备配合使用，因此该试验系统整体可被视作被测试试件，在实验室已有的试验机上进行试验，拓展了现有试验机的测试功能。

34、4)该试验系统通过齿轮齿条配合传动，实现将齿条的直线运动转换为试样左固定头与试样右固定头的相对旋转运动，这使得动力可以在更短的传动距离内实现输入输出，能够使得装置整体的结构简洁紧凑，利于减小体积，且不需要生产新的试验机，可节约大量的费用和场地。

35、5)该试验系统通过齿轮齿条配合传动，可使得扭剪过程中力臂恒定，确保了扭转荷载可以按线性地施加。

36、6)工作腔的前后为敞口结构，不仅便于操作人员拆装岩石试样，而且利于进行散斑测试。

37、7)该试验系统还便于岩石试样在测试过程中进行应变法和声发射同步测试。

38、8)工作腔的前后敞口，还利于对岩石试样施加径向荷载，以便进行径向荷载下的扭剪测试。

39、9)该试验系统置于试验机内即可开展岩石的纯扭剪试验，无需繁琐的拆卸安装，还具有操作简单、使用方便等优点，能够节省人力物力。