一種可在壓剪試驗機上使用的巖石拉剪試驗裝置及方法
【專利摘要】本發明是針對現有巖石拉剪試驗設備的匱乏和不足，提供一種可在壓剪試驗機上使用的巖石拉剪試驗裝置及方法，其裝置包括匚形拉伸件Ⅰ、匚形拉伸件Ⅱ、L形導滑件Ⅰ、L形導滑件Ⅱ、試驗機加載頭Ⅰ、試驗機加載頭Ⅱ、試驗機加載頭Ⅲ和試驗機加載頭Ⅳ。匚形拉伸件Ⅰ、匚形拉伸件Ⅱ圍成區域S。將巖石試件置于空間S中。通過試驗機加載頭Ⅰ向巖石試件施加預定的法向力。通過試驗機加載頭Ⅱ向巖石試件施加剪切力。密切關注加載進展，一旦巖石試件破壞，先立即關閉法向加載系統，再關閉剪切向加載系統，完成試驗。本發明為獲取巖石拉剪組合荷載下的力學特性提供方便、低廉、精確度有保證的試驗手段。
【專利說明】
一種可在壓剪試驗機上使用的巖石拉剪試驗裝置及方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及巖石等材料拉剪組合力學試驗。
【背景技術】
[0002]巖石拉剪破壞是巖體工程中常見的破壞模式。例如深部洞室開挖使邊墻法向地應力卸荷而切向地應力集中，當卸荷非常強烈時可能發生拉剪破壞。又如巖質邊坡的開挖卸荷可導致上部坡體產生拉應力區，該區域巖體一般處于即受拉又受剪的拉剪復合應力狀態。再如大量自重作用下的滑坡和地震滑坡表明，坡體后緣往往發生以拉伸為主的破壞。因此，研究巖石拉剪力學特性對巖體工程設計施工及穩定性評價與控制具有重要意義。
[0003]作為獲取巖石抗剪強度參數的重要手段，巖石壓剪試驗(包括室內和原位試驗)已廣泛應用于巖土工程中。但由于技術上的困難，巖石拉剪試驗開展較少，拉剪力學特性的研究也較壓剪力學特性少的多。通常的做法是將壓剪試驗得到的摩爾庫倫強度準則擬合直線延伸至法向應力軸負半軸，作為巖石在拉剪應力下的強度準則，而這種處理是缺乏試驗數據支撐的。
[0004]為獲得法向拉應力條件下的巖石直接剪切力學性質，目前為數不多的手段為:I)制造整套專門的伺服控制巖石拉剪試驗系統;2)制造以基座-反力架為主要結構，液壓千斤頂為加載方式的巖石拉剪系統。但第一種試驗設備造價十分昂貴，第二種雖然造價適中，但由于控制系統的不足(例如液壓千斤頂保持穩定荷載的效果不佳)，試驗精度無法保證。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是針對現有巖石拉剪試驗設備的匱乏和不足，提供一種可在壓剪試驗機上使用的巖石拉剪試驗裝置，為獲取巖石拉剪組合荷載下的力學特性提供方便、低廉、精確度有保證的試驗手段。
[0006]為實現本發明目的而采用的技術方案是這樣的，一種可在壓剪試驗機上使用的巖石拉剪試驗裝置，其特征在于:包括匚形拉伸件1、匚形拉伸件n、L形導滑件1、L形導滑件π、試驗機加載頭1、試驗機加載頭π、試驗機加載頭m和試驗機加載頭IV
[0007]所述匚形拉伸件I由頂板1、立柱I和底板I組成，三者合圍半包圍空間I。
[0008]所述頂板I具有若干個貫穿其上下表面的螺紋通孔I。
[0009]所述立柱I上開有貫穿其兩側的方形通孔I。所述方形通孔I的一個出口在半包圍空間I內。
[0010]所述底板I的兩個側面分別具有滑軌1-1和滑軌1-Π。
[0011]所述匚形拉伸件Π由頂板Π、立柱Π和底板Π組成，三者合圍半包圍空間Π。
[0012]所述立柱Π上開有貫穿其兩側的方形通孔Π。所述方形通孔Π的一個出口在半包圍空間Π內。所述立柱Π的兩個側面分別具有滑軌Π -1和滑軌π - Π
[0013]所述L形導滑件I由橫支I和豎支I組成。所述橫支I的一側具有橫向滑槽1、所述豎支I的一側具有豎向滑槽I。
[0014]所述L形導滑件Π由橫支Π和豎支Π組成。所述橫支Π的一側具有橫向滑槽Π、所述豎支Π的一側具有豎向滑槽Π。
[0015]所述匚形拉伸件1、匚形拉伸件n、L形導滑件I和L形導滑件Π構成組合件。所述組合件中，頂板I位于頂板Π的下方，底板I位于底板Π的下方。所述半包圍空間I和半包圍空間π組合成空間
[0016]所述滑軌1-1與橫向滑槽I相配合。所述滑軌π-1與豎向滑槽I相配合。
[0017]所述滑軌1-π與橫向滑槽Π相配合。所述滑軌Π-Π與豎向滑槽Π相配合。
[0018]巖石試件是一個置于空間內的正六面體。這個正六面體的上下表面分別粘貼連接板I和連接板Π。
[0019]所述連接板I的上表面與所述頂板I的下表面接觸。通過若干個螺栓，使得連接板I與頂板I連接在一起。
[0020]所述連接板Π的下表面與所述底板Π的上表面接觸。通過若干個螺栓，使得連接板Π與頂板Π連接在一起。
[0021]所述組合件的上、右、下、左分別布置試驗機加載頭1、試驗機加載頭Π、試驗機加載頭m和試驗機加載頭IV。
[0022]所述試驗機加載頭I的下端作用于頂板Π。所述試驗機加載頭m的上端擱置底板
1
[0023]所述方形通孔I內穿入剪切頭I，所述方形通孔Π內穿入剪切頭Π。所述剪切頭I的一端與巖石試件接觸、另一端被試驗機加載頭IV頂住。所述剪切頭Π的一端與巖石試件接觸、另一端被試驗機加載頭π頂住。
[0024]進一步，所述底板I上表面具有緩沖墊。
[0025]進一步，所述試驗機加載頭I與頂板Π之間具有滾珠排I。所述試驗機加載頭m與底板I和底板Π之間具有滾珠排m。
[0026]所述剪切頭I與試驗機加載頭IV之間具有滾珠排IV。所述剪切頭Π與試驗機加載頭Π之間具有滾珠排Π。
[0027]本發明還公開一種基于上述裝置的可在壓剪試驗機上使用的巖石拉剪試驗方法，試驗時:
[0028]I)將巖石試件置于空間S中。
[0029]2)通過試驗機加載頭I向巖石試件施加預定的法向拉力。
[0030]3)通過試驗機加載頭Π向巖石試件施加剪切力。
[0031]4)密切關注加載進展，一旦巖石試件破壞，先立即關閉法向加載系統，再關閉剪切向加載系統，完成試驗。
[0032]本發明的有益效果在于:本發明的結構簡易小巧、性能可靠、造價低廉。拉伸件的設計可使外部法向壓力轉換成作用于試件的法向拉力。導滑件的設計可使試件沿法向和剪切向自由變形。連接板的設計使試件安裝和拆卸方便。本發明裝置可安置于傳統壓剪試驗機上即可開展不同法向拉力下的直剪試驗而無需花費大量財力和時間制造配備整套專門的巖石拉剪試驗系統，且利用了原有試件機加載控制系統和數據監測系統，試驗結果精確度有保證。
【附圖說明】
[0033]圖1為兩匚形拉伸件的立體圖；
[0034]圖2為兩匚形拉伸件的配合示意圖；
[0035]圖3為兩L形導滑件的立體圖；
[0036]圖4本發明巖石拉剪試驗裝置的結構圖；
[0037]圖5為剪切頭的立體圖；
[0038]圖6為連接板的立體圖；
[0039]圖7為拉剪試驗加載示意圖。
[0040]圖中:匚形拉伸件1(1);頂板1(101)、立柱1(102)、底板1(103)、螺紋通孔1(1011)、方形通孔1(1023)、滑軌1-1(1031)、滑軌Ι-Π (1032)、半包圍空間I(Sl);
[0041]匚形拉伸件Π(2);頂板Π (201)、立柱Π (202)、底板Π (203)、螺紋通孔Π (2031)、方形通孔Π(2023)、滑軌Π-Ι(2021)、滑軌Π-Π(2022)、半包圍空間n(S2);
[0042]L形導滑件1(3)、橫支1(301)、豎支1(302)、橫向滑槽1(3011)、豎向滑槽1(3021);
[0043]L形導滑件Π (4)、橫支Π (401)、豎支Π (402)、橫向滑槽Π (4011)、豎向滑槽Π(4021);
[0044]剪切頭I(5)、剪切頭Π (50);
[0045]連接板I(6)、連接板Π(60);
[0046]螺栓(7)、巖石試件(8);
[0047]試驗機加載頭I (91)、試驗機加載頭Π (92)、試驗機加載頭ΙΠ (93),試驗機加載頭IV(94)；
[0048]滾珠排I (1I)、滾珠排Π (102)、滾珠排ΙΠ (103)、滾珠排IV (104);
[0049]緩沖墊(11)。
【具體實施方式】
[0050]下面結合實施例對本發明作進一步說明，但不應該理解為本發明上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發明上述技術思想的情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發明的保護范圍內。
[0051 ] 實施例1:
[0052]—種可在壓剪試驗機上使用的巖石拉剪試驗裝置，參見圖7，包括匚形拉伸件I1、匚形拉伸件II2、L形導滑件I3、L形導滑件Π 4、試驗機加載頭191、試驗機加載頭Π 92、試驗機加載頭ΙΠ93和試驗機加載頭IV94
[0053]參見圖1，所述匚形拉伸件Il由頂板1101、立柱1102和底板1103組成，三者合圍半包圍空間IS1。所述頂板IlOl比底板1103短。
[0054]所述頂板IlOl具有若干個貫穿其上下表面的螺紋通孔11011。
[0055]所述立柱1102上開有貫穿其兩側的方形通孔11023。所述方形通孔11023的一個出口在半包圍空間ISl內。
[0056]所述底板1103的兩個側面分別具有滑軌1-11031和滑軌Ι-Π1032。
[0057]所述匚形拉伸件Π 2由頂板Π 201、立柱Π 202和底板Π 203組成，三者合圍半包圍空間Π S2。所述頂板Π 201比底板Π 203長。
[0058]所述立柱Π 202上開有貫穿其兩側的方形通孔Π 2031。所述方形通孔Π 2031的一個出口在半包圍空間Π S2內。所述立柱Π 202的兩個側面分別具有滑軌Π-12021和滑軌Π-Π2022。
[0059]所述L形導滑件13由橫支1301和豎支1302組成。所述橫支1301的一側具有橫向滑槽13011、所述豎支1302的一側具有豎向滑槽13021。
[0060]所述L形導滑件Π4由橫支Π 401和豎支Π 402組成。所述橫支Π 401的一側具有橫向滑槽Π 4011、所述豎支Π 402的一側具有豎向滑槽Π 4021。
[0061]所述匚形拉伸件I1、匚形拉伸件II2、L形導滑件13和L形導滑件Π4構成組合件。所述組合件中，頂板IlOl位于頂板Π 201的下方，底板1103位于底板Π 203的下方。所述半包圍空間ISl和半包圍空間IIS2組合成空間S。組合件中，兩拉伸件開口相對并相互錯入，方形通孔Π 2023和方形通孔11023不在同一個水平面上。
[0062]所述滑軌1-11031與橫向滑槽13011相配合。所述滑軌Π-12021與豎向滑槽13021
相配合。
[0063]所述滑軌1- Π 1032與橫向滑槽Π 4011相配合。所述滑軌Π - Π 2022與豎向滑槽Π4021相配合。
[0064]實施例中，橫向滑槽13011、豎向滑槽13021、橫向滑槽Π 4011和豎向滑槽Π 4021均是條形凹槽，與之配合的滑軌1-11031、滑軌Ι-Π 1032、滑軌Π-12021和滑軌Π-Π 2022均是凸出的長條形凸軌。進一步，所述導滑凸軌和導滑凹槽的橫截面為梯形，凸軌外寬內窄，凹槽外窄內寬，使凸軌與凹槽相互嵌合不脫離，只能沿縱向滑動。部件的位移方向如圖2所示。為減少滑動摩擦，可涂上黃油作為潤滑。
[0065]巖石試件8是一個置于空間S內的正六面體。這個正六面體的上下表面分別粘貼連接板16和連接板Π60。實施例中，采用結構膠將連接板無開孔的一面與巖石試件8相粘。
[0066]所述連接板16的上表面與所述頂板IlOl的下表面接觸。通過若干個螺栓7，使得連接板16與頂板1101連接在一起。實施例中，連接板16的上表面具有若干個螺紋盲孔，這些螺紋盲孔正對頂板IlOl上的螺紋通孔11011，通過旋入螺栓的方式來固定連接板16與頂板I101。
[0067]所述連接板Π60的下表面與所述底板Π 203的上表面接觸。通過若干個螺栓7，使得連接板Π 60與頂板Π 203連接在一起。實施例中，連接板Π 60的上表面具有若干個螺紋盲孔，連接板Π 60與頂板Π 203類似于連接板16與頂板1101。
[0068]所述組合件的上、右、下、左分別布置試驗機加載頭191、試驗機加載頭Π92、試驗機加載頭ΙΠ93和試驗機加載頭IV94。組合件中，匚形拉伸件11和匚形拉伸件Π 2是沿豎直和水平兩個方向獨立相對運動的一整體結構。為減小接觸面摩擦，所述試驗機加載頭191與頂板Π 201之間具有滾珠排1101。所述試驗機加載頭ΙΠ93與底板1103和底板Π 203之間具有滾珠排ΙΠ103。進一步地，所述底板1103與底板Π 203之間具有緩沖墊11。
[0069]所述試驗機加載頭191的下端作用于頂板Π201。所述試驗機加載頭ΙΠ93的上端擱置底板1103。
[0070]所述方形通孔11023內穿入剪切頭15，所述方形通孔Π 2023內穿入剪切頭Π 50。所述剪切頭15的一端與巖石試件接觸、另一端被試驗機加載頭IV94頂住。所述剪切頭Π 50的一端與巖石試件接觸、另一端被試驗機加載頭π 92頂住。實施例中，剪切頭15和剪切頭Π 50均為T型。
[0071]所述剪切頭15與試驗機加載頭IV94之間具有滾珠排IV104。所述剪切頭Π50與試驗機加載頭Π 92之間具有滾珠排Π 102。
[0072]實施例2
[0073]本實施例采用實施例1的裝置，試驗時:
[0074]I)參見圖4，將巖石試件8置于空間S中。
[0075]實施例中，可采用高強度結構膠將兩連接板分別粘帖于巖石試件8上下面，等待膠水充分發揮強度(一般至少24h)。
[0076]2)參見圖7，通過試驗機加載頭191向巖石試件8施加預定的法向力。即試驗機加載頭191壓向匚形拉伸件Π 2，，巖石試件8被其上下端分別粘接的連接塊6/60向上下拉伸。
[0077]值得說明的是，匚形拉伸件Π2底部是懸空的，當試驗機加載頭191施加向下的作用力時，若巖石斷裂，匚形拉伸件Π2會掉下來。為防止底板1103與底板Π 203之間的直接沖撞所以在底板1103上表面安放了一個緩沖墊11。實施例中，緩沖墊11上表面是臨空的。
[0078]3)待步驟2)施加的法向力穩定后，穩定后按位移控制施加剪切力，通過試驗機加載頭Π 92向巖石試件8施加剪切力。值得說明的是，剪切頭15和剪切頭Π 50分別與巖石試件8上半部分左側面和下半部分右側面充分貼合，巖石試件8水平中線為預剪面。兩剪切頭5/50發生相向運動，即施加了剪切力。
[0079]值得說明的是，步驟2)和3)的順序不可調換。
[0080]4)密切關注加載進展，一旦巖石試件8破壞，先立即關閉法向加載系統，再關閉剪切向加載系統，完成試驗。
【主權項】
1.一種可在壓剪試驗機上使用的巖石拉剪試驗裝置，其特征在于:包括匚形拉伸件I(1)、匚形拉伸件n(2)、L形導滑件I(3)、L形導滑件Π(4)、試驗機加載頭1(91)、試驗機加載頭Π (92)、試驗機加載頭ΙΠ (93)和試驗機加載頭IV (94); 所述匚形拉伸件I(I)由頂板1(101)、立柱1(102)和底板1(103)組成，三者合圍半包圍空間I(Sl); 所述頂板I (101)具有若干個貫穿其上下表面的螺紋通孔I (1011); 所述立柱1(102)上開有貫穿其兩側的方形通孔1(1023);所述方形通孔1(1023)的一個出口在半包圍空間I(Sl)內； 所述底板1(103)的兩個側面分別具有滑軌1-1(1031)和滑軌Ι-Π (1032); 所述匚形拉伸件Π (2)由頂板Π (201)、立柱Π (202)和底板Π (203)組成，三者合圍半包圍空間n(S2); 所述立柱Π (202)上開有貫穿其兩側的方形通孔Π (2031);所述方形通孔Π (2031)的一個出口在半包圍空間Π (S2)內；所述立柱Π (202)的兩個側面分別具有滑軌Π -1 (2021)和滑軌Π-Π (2022) 所述L形導滑件1(3)由橫支1(301)和豎支1(302)組成;所述橫支1(301)的一側具有橫向滑槽I (3011)、所述豎支I (302)的一側具有豎向滑槽I (3021); 所述L形導滑件Π (4)由橫支Π (401)和豎支Π (402)組成;所述橫支Π (401)的一側具有橫向滑槽Π (4011)、所述豎支Π (402)的一側具有豎向滑槽Π (4021); 所述匚形拉伸件1(1)、匚形拉伸件n(2)、L形導滑件1(3)和L形導滑件Π (4)構成組合件;所述組合件中，頂板1(101)位于頂板Π (201)的下方，底板1(103)位于底板Π (203)的下方;所述半包圍空間I(Sl)和半包圍空間n(S2)組合成空間(S)所述滑軌1-1(1031)與橫向滑槽1(3011)相配合;所述滑軌Π-Ι(2021)與豎向滑槽1(3021)相配合； 所述滑軌1- Π (1032)與橫向滑槽Π (4011)相配合;所述滑軌Π - Π (202 2)與豎向滑槽Π (4021)相配合； 巖石試件(8)是一個置于空間(S)內的正六面體;這個正六面體的上下表面分別粘貼連接板I(6)和連接板Π (60); 所述連接板1(6)的上表面與所述頂板1(101)的下表面接觸;通過若干個螺栓(7)，使得連接板I (6)與頂板I (1I)連接在一起； 所述連接板Π (60)的下表面與所述底板Π (203)的上表面接觸;通過若干個螺栓(7)，使得連接板Π (60)與頂板Π (203)連接在一起； 所述組合件的上、右、下、左分別布置試驗機加載頭1(91)、試驗機加載頭Π (92)、試驗機加載頭ΙΠ( 93)和試驗機加載頭IV (94); 所述試驗機加載頭1(91)的下端作用于頂板Π (201);所述試驗機加載頭ΙΠ(93)的上端擱置底板I (103); 所述方形通孔1(1023)內穿入剪切頭1(5)，所述方形通孔Π (2023)內穿入剪切頭Π(50);所述剪切頭1(5)的一端與巖石試件接觸、另一端被試驗機加載頭IV(94)頂住;所述剪切頭Π (50)的一端與巖石試件接觸、另一端被試驗機加載頭Π (92)頂住。2.根據權利要求1所述的一種可在壓剪試驗機上使用的巖石拉剪試驗裝置，其特征在于:所述底板I (103)上表面具有緩沖墊(11)。3.根據權利要求1所述的一種可在壓剪試驗機上使用的巖石拉剪試驗裝置，其特征在于:所述試驗機加載頭1(91)與頂板Π (201)之間具有滾珠排I(1l);所述試驗機加載頭m(93)與底板1(103)和底板Π (203)之間具有滾珠排ΙΠ(103); 所述剪切頭I (5)與試驗機加載頭IV(94)之間具有滾珠排IV( 104);所述剪切頭Π (50)與試驗機加載頭Π (92)之間具有滾珠排Π (102)。4.一種基于I?3任意一項權利要求所述裝置的可在壓剪試驗機上使用的巖石拉剪試驗方法，其特征在于，試驗時: 1)將巖石試件(8)置于空間S中； 2)通過試驗機加載頭I(91)向巖石試件(8)施加預定的法向拉力； 3)通過試驗機加載頭Π(92)向巖石試件(8)施加剪切力； 4)密切關注加載進展，一旦巖石試件(8)破壞，先立即關閉法向加載系統，再關閉剪切向加載系統，完成試驗。
【文檔編號】G01N3/24GK106066277SQ201610349163
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月24日 公開號201610349163.X, CN 106066277 A, CN 106066277A, CN 201610349163, CN-A-106066277, CN106066277 A, CN106066277A, CN201610349163, CN201610349163.X
【發明人】黃達, 岑奪豐
【申請人】重慶大學