專利名稱：巖石直剪試驗(yàn)機(jī)的制作方法
一、發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種測試巖石抗剪力學(xué)性能的試驗(yàn)機(jī)，特別是涉及用于對巖石、巖/巖、巖石/混泥土、以及軟弱夾層、硬性結(jié)構(gòu)面等形式的立方體試件進(jìn)行抗剪試驗(yàn)的巖石直剪試驗(yàn)機(jī)。
背景技術(shù)：
據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和部門規(guī)程規(guī)范的規(guī)定，直剪試驗(yàn)是測試巖石及其軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的技術(shù)手段。由于沒有統(tǒng)一的直剪試驗(yàn)儀器制造標(biāo)準(zhǔn)，各單位自行研制的巖石直剪試驗(yàn)儀器從形式、結(jié)構(gòu)到使用方法上都有很大差別。由于巖石力學(xué)試驗(yàn)的特殊性，已有的巖石直剪試驗(yàn)機(jī)其主機(jī)中加載系統(tǒng)一般都是液壓式的，加載機(jī)架的形式則有箱形梁整體框架式、立柱箱形梁復(fù)合式等；剪切盒都采用傳統(tǒng)的上下剪切盒，測量系統(tǒng)主要有機(jī)械式、傳感器數(shù)顯式、計算機(jī)自動測量式等幾種。控制方式主要有荷載控制、位移速率控制和電液伺服控制以及最先進(jìn)但十分昂貴的數(shù)字伺服控制。此外，也有少量的巖石直剪流變試驗(yàn)儀器。
上述巖石直剪試驗(yàn)機(jī)主機(jī)無論是箱形梁整體框架式、還是立柱箱形梁復(fù)合式，其加載機(jī)架結(jié)構(gòu)都較復(fù)雜，這樣不僅試驗(yàn)機(jī)笨重，而且觀察測量及裝卸試件極為不方便；又由于一般將水平荷載傳感器安裝在水平加載油缸活塞端部，因此測量結(jié)果不僅僅是試件所受力，還包括了滾軸排組件等的摩擦力，因此試驗(yàn)前需要標(biāo)定這些摩擦力，以便在測試結(jié)果中扣除，從而給使用帶來麻煩，費(fèi)時費(fèi)力。如何研制一種即結(jié)構(gòu)簡潔、試驗(yàn)條件準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，并又使用方便的巖石直剪試驗(yàn)機(jī)，正是本發(fā)明的目的所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是為了克服現(xiàn)有巖石直剪試驗(yàn)機(jī)所存在的缺陷，提供一種試驗(yàn)主機(jī)中垂直荷載加載機(jī)架與水平荷載加載機(jī)架均采用四柱式加載機(jī)架；剪切盒采用組合式上剪切組件和組合式下剪切組件；以及采用雙球座與雙滾珠系統(tǒng)以及計算機(jī)數(shù)據(jù)采集自動測量系統(tǒng)，并具有荷載與位移速率兩種控制方式的巖石直剪試驗(yàn)機(jī)。本試驗(yàn)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡潔合理，使用方便，試驗(yàn)條件準(zhǔn)確；不僅保證了正應(yīng)力和剪應(yīng)力的均勻分布，還實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變速率控制；使剪力測量準(zhǔn)確可靠；并具有巖石直剪試驗(yàn)和直剪流變試驗(yàn)兩大功能，是目前性價比很高的巖石直剪試驗(yàn)機(jī)。
本發(fā)明的目的是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明巖石直剪試驗(yàn)機(jī)，由試驗(yàn)主機(jī)、液壓穩(wěn)壓器、測量系統(tǒng)三大部分組成。其中試驗(yàn)主機(jī)主要包括垂直荷載加載機(jī)架與水平荷載加載機(jī)架、加載油缸、滾軸排系統(tǒng)與滾珠系統(tǒng)、球頭與球座、剪切盒以及荷載傳感器等部件；測量系統(tǒng)由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)在于試驗(yàn)主機(jī)中垂直荷載加載機(jī)架與水平荷載加載機(jī)架均采用四柱式加載機(jī)架，而垂直荷載加載機(jī)架由四立柱與上反力座和下反力座構(gòu)成，垂直荷載加載機(jī)架亦稱立式加載機(jī)架，四立柱上端與上反力座連接，其下端與下反力座連接，水平荷載加載機(jī)架由四拉桿與左反力座和右反力座構(gòu)成，水平荷載加載機(jī)架亦稱稱臥式加載機(jī)架，四拉桿左端與左反力座連接，其右端與右反力座連接；試驗(yàn)主機(jī)中剪切盒采用組合式的上剪切組件和下剪切組件構(gòu)成，上剪切組件上端與垂直加載油缸之間安裝有帶有球頭和球座的垂直荷載傳感器，垂直荷載傳感器下端又安裝有垂直荷載滖珠系統(tǒng)，上剪切組件與帶有球頭和球座的垂直荷載傳感器及垂直荷載滖珠系統(tǒng)一起吊裝在垂直加載油缸的活塞端部；下剪切組件與下反力座之間安裝有具有導(dǎo)向槽的下滾軸排組件；上剪切組件左端與左反力座之間也安裝一帶有球頭和球座的水平荷載傳感器，水平荷載傳感器左端即有球頭、球座的一端又安裝有水平荷載滾珠系統(tǒng)，再將水平荷載傳感器及水平荷載滾珠系統(tǒng)一起吊裝在上剪切組件左端；，水平加載油缸安裝在右反力座上；本發(fā)明巖石直剪試驗(yàn)機(jī)底座與左反力座、右反力座及下反力座剛性連接，以使主機(jī)具有牢固的結(jié)構(gòu)并穩(wěn)固地放置于地面上。
本發(fā)明所說上剪切組件和下剪切組件均由四種尺寸不同的剛性剪口板及相對應(yīng)的剛性墊塊構(gòu)成，測試試件置于上剪切組件和下剪切組件之間。
上剪切組件的上方壓板上設(shè)置有由大、小不同的配重塊組成的配重裝置。
本發(fā)明試驗(yàn)主機(jī)中同時采用垂直荷載傳感器及水平荷載傳感器即具有雙球頭、雙球座及雙荷載滾珠系統(tǒng)，垂直荷載滾珠系統(tǒng)與水平荷載滾珠系統(tǒng)均為剛球滾珠系統(tǒng)。
本發(fā)明水平荷載傳感器安裝于被動剪切組件一方，被動剪切組件即沒有設(shè)置水平加載油缸一方的剪切組件，本發(fā)明的被動剪切組件即為上剪切組件，這樣可避免被動剪切組件受到下滾軸系統(tǒng)的摩擦力的作用，荷載傳感器測到的力就是被測試件受的力。力反饋的精密調(diào)速閥，因此可進(jìn)行等剪切速率的試驗(yàn)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點(diǎn)1、本發(fā)明巖石直剪試驗(yàn)機(jī)主機(jī)采用四柱式荷載加載機(jī)架，其結(jié)構(gòu)簡潔，并降低了制造本；同時將試件的兩個側(cè)面完全暴露出來，這樣極大地方便了被測試件試驗(yàn)觀察測量和試件裝卸。
2、本發(fā)明將上剪切組件、垂直荷載載傳感器及垂直荷載滾珠系統(tǒng)一起吊裝在垂直加載油缸活塞的端部，試驗(yàn)結(jié)束后油缸活塞將其一同升起，即可方便地更換試件；避免了以往試驗(yàn)完成后要人工依次取下各部件后，才能更換，減少了更換試件的繁瑣勞動。
3、發(fā)明將傳統(tǒng)的上、下剪切盒采用為開放的組合式剪切組件，這樣不僅方便了試驗(yàn)觀察，同時使不同尺寸規(guī)格的試件更換起來極為方便。
4、在水平荷載傳感器與左反力座之間加裝了水平荷載滾珠系統(tǒng)，并在上剪切組件上方安裝了垂直荷載滾珠系統(tǒng)，很好地解決了由于試驗(yàn)過程中被測試件的不均勻變形導(dǎo)致試件中應(yīng)力分布不均的問題。
5、本發(fā)明采用在上剪切組件的上壓板上設(shè)置大小不同的配重壓塊，平衡了上剪切組件重心的偏心，使剪切面上的正應(yīng)力均勻分布。
6、本發(fā)明水平荷載傳感器安裝于被動剪切組件一方，水平荷載傳感器測到的力就是試件受的力，這樣使測量更加精確、可靠。
7、本發(fā)明還可進(jìn)行等剪切速率的試驗(yàn)。
8、本發(fā)明采用計算機(jī)自動測量和數(shù)據(jù)采集，大大提高了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
四

圖1為本發(fā)明巖石直剪試驗(yàn)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的左視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明系統(tǒng)連接示意圖。
五、具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖通過對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、操作過程、測試過程及實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。
圖1中，本發(fā)明試驗(yàn)主機(jī)中垂直荷載加載機(jī)架與水平荷載加載機(jī)架均采用四柱式加載機(jī)架，而垂直荷載加載機(jī)架即立式加載機(jī)架由四根立柱2與上反力座4和下反力座5構(gòu)成，四根立柱2上端與上反力座4用螺母18緊固連接，其下端與下反力座5用螺母18緊固連接，水平荷載加載機(jī)架即臥式加載機(jī)架由四根拉桿3與左反力座6和右反力座7構(gòu)成，四緊固連接，水平荷載加載機(jī)架即臥式加載機(jī)架由四根拉桿3與左反力座6和右反力座7構(gòu)成，四根拉桿左端與左反力座6用螺母連接，其右端與右反力座7用螺母連接；試驗(yàn)主機(jī)中剪切盒采用組合式的上剪切組件12和下剪切組件13構(gòu)成，上剪切組件12上端與垂直加載油缸14之間安裝有帶有球頭21和球座20的垂直荷載傳感器10，垂直荷載傳感器10下端又安裝有垂直荷載滖珠系統(tǒng)8，上剪切組件12與垂直荷載傳感器10及垂直荷載滖珠系統(tǒng)8一起吊裝在垂直加載油缸14的活塞端部；下剪切組件13與下反力座5之間安裝有具有導(dǎo)向槽的下滾軸排組件16；上剪切組件12左端與左反力座6之間也安裝一帶有球頭21和球座20的水平荷載傳感器11，水平荷載傳感器左端即有球頭、球座的一端又安裝有水平荷載滾珠系統(tǒng)9，再將水平荷載傳感器11及水平荷載滾珠系統(tǒng)一起吊裝在上剪切組件12左端；水平加載油缸15安裝在右反力座7左端；本發(fā)明試驗(yàn)機(jī)底座1與左反力座6、右反力座7及下反力座5剛性連接，以使該試驗(yàn)機(jī)具有牢固的結(jié)構(gòu)并穩(wěn)固地放置于地面上。
上剪切組件12由四種尺寸不同的剛性剪口板及相對應(yīng)的剛性墊塊構(gòu)成，下剪切組件13同樣由四種尺寸不同的剛性剪口板及相對應(yīng)的剛性墊塊構(gòu)成；上剪切組件12的上方壓板上設(shè)置有由大小不同的配重塊組成的配重裝置17；以使平衡上剪切組件重心的偏心，并使其剪切面上的正應(yīng)力均勻分布；被測試件19置于上剪切組件12和下剪切組件13之間。
本發(fā)明試驗(yàn)主機(jī)中采用帶有球頭、球座的垂直荷載傳感器10及水平荷載傳感器11，這樣試驗(yàn)主機(jī)具有雙球頭、雙球座以及垂直荷載滾珠系統(tǒng)與水平荷載滾珠系統(tǒng)的雙荷載滾珠系統(tǒng)，雙荷載滾珠系統(tǒng)均為剛球滾珠系統(tǒng)；水平荷載傳感器11安裝于被動剪切組件一方，被動剪切組件即沒有設(shè)置水平加載油缸一方的剪切組件，本發(fā)明被動剪切組件為上剪切組件12，這樣避免了其剪切組件受到下滾軸系統(tǒng)的摩擦力的作用，荷載傳感器測到的力就是被測試件受的力。
圖2是圖1的左視結(jié)構(gòu)示意圖，圖2中除看到垂直荷載加載機(jī)架中兩根立柱外，還可看到水平加載機(jī)架中的四根拉桿3及上反力座4與下反力座5。
圖3中，本發(fā)明巖石直剪試驗(yàn)機(jī)采用在液壓穩(wěn)壓器22與試驗(yàn)主機(jī)中水平加載油缸15之間安裝有帶有壓力反饋的精密調(diào)速閥23，這樣可進(jìn)行等剪切速率的試驗(yàn)；試驗(yàn)主機(jī)中垂直荷載傳感器10與水平荷載傳感器11將試驗(yàn)信號送入信號調(diào)理器26，其信號再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器27，經(jīng)轉(zhuǎn)換的信號送采集卡28，最后采集卡將信號送入計算機(jī)系統(tǒng)29處理。
使用本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)其操作步驟如下
首先確保試驗(yàn)機(jī)工作電源，油缸油量、各測量元件等其他部件均正常，加載油缸復(fù)位，安裝調(diào)試好油缸頭伸出長度；按試件大小裝卸剛性剪口板及剛性墊塊后，旋緊上剪切組件12上方壓塊螺釘，并加上對應(yīng)的配重裝置17；將下剪切組件13推至水平加載油缸15一側(cè)限位塊處，用手動液壓叉車裝上符合要求的試件19，利用靠尺等其他方法使試件前后對中，左右自動對中。在試件的上下表面添加調(diào)整墊片，即根據(jù)試件的大小及壓縮量，并結(jié)合本試驗(yàn)機(jī)固定的剪縫(中心線上下各有1毫米)而預(yù)留剪縫；然后接通試驗(yàn)機(jī)工作電源，啟動各測量及數(shù)據(jù)采集元器件并調(diào)零；啟動水平及垂直液壓加載油缸，采用微動形式交替地使兩個加載系統(tǒng)的工作面與試件均貼緊，微動以油缸活塞桿能克服自身的阻力而伸出為準(zhǔn)；松開垂直荷載傳感器10周圍的四根螺桿上的定位螺套，然后根據(jù)需要的尺寸取掉這四根螺桿；此時可正式加載進(jìn)行試驗(yàn)；試驗(yàn)完成后裝上卸下的螺釘、螺桿及定位螺套，油缸復(fù)位，卸下試件，關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)工作電源。
本發(fā)明試驗(yàn)機(jī)可使用50×50×50立方亳米、100×100×100立方亳米、200×200×200立方亳米、300×300×300立方亳米的四種尺寸規(guī)格的試件，并根據(jù)試件19的尺寸規(guī)格來確定組合式剪切組件中的剛性剪口板與剛性墊塊的增減。如采用50立方亳米規(guī)格的試件進(jìn)行試驗(yàn)，則安裝所有三塊剛性剪口板與剛性墊塊，每增加一個尺寸規(guī)格則相應(yīng)取掉一層剛性剪口板與剛性墊塊。經(jīng)采用50立方亳米規(guī)格的12個砂巖與泥巖試件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)中正應(yīng)力分布均勻，試驗(yàn)條件準(zhǔn)確，試驗(yàn)結(jié)果完全正確。試驗(yàn)結(jié)果令人十分滿意，且試驗(yàn)效率提高120％，在整個試驗(yàn)過程中試驗(yàn)人員非常輕松。
權(quán)利要求
1.一種巖石直剪試驗(yàn)機(jī)，由試驗(yàn)主機(jī)、液壓穩(wěn)壓器、測量系統(tǒng)三大部分組成，其中試驗(yàn)主機(jī)主要包括垂直荷載加載機(jī)架與水平荷載加載機(jī)架、加載油缸、滾軸排系統(tǒng)與滾珠系統(tǒng)、球頭與球座、剪切盒、荷載傳感器等部件；測量系統(tǒng)由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，其特征在于試驗(yàn)主機(jī)中垂直荷載加載機(jī)架與水平荷載加載機(jī)架均采用四柱式加載機(jī)架，而垂直荷載加載機(jī)架由四立柱(2)與上反力座(4)和下反力座(5)構(gòu)成，四立柱上端與上反力座(4)連接，其下端與下反力座(5)連接，水平荷載加載機(jī)架由四拉桿(3)與左反力座(6)和右反力座(7)構(gòu)成，四拉桿左端與左反力座(6)連接，其右端與右反力座(7)連接；試驗(yàn)主機(jī)中剪切盒采用組合式的上剪切組件(12)和下剪切組件(13)構(gòu)成，上剪切組件(12)上端與垂直加載油缸(14)之間安裝有帶有球座(20)和球頭(21)的垂直荷載傳感器(10)，垂直荷載傳感器(10)下端又安裝有垂直荷載滖珠系統(tǒng)(8)，上剪切組件(12)與垂直荷載傳感器(10)及垂直荷載滖珠系統(tǒng)(8)一起吊裝在垂直加載油缸(14)的活塞端部；下剪切組件(13)與下反力座(5)之間安裝有具有導(dǎo)向槽的下滾軸排組件(16)；上剪切組件(12)左端與左反力座(6)之間也安裝一帶有球座(20)和球頭(21)的水平荷載傳感器(11)，水平荷載傳感器左端即有球頭、球座一端又安裝有水平荷載滾珠系統(tǒng)(9)，再將水平荷載傳感器(11)及水平荷載滾珠系統(tǒng)一起吊裝在上剪切組件(12)左端；水平加載油缸(15)安裝在右反力座(7)上；巖石直剪試驗(yàn)機(jī)底座(1)與左反力座(6)、右反力座(7)及下反力座(5)剛性連接，以使主機(jī)具有牢固的結(jié)構(gòu)并穩(wěn)固地放置于地面上。
2.按照權(quán)利要求1所述的巖石直剪試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所說上剪切組件(12)和下剪切組件(13)均由四種尺寸不同的剛性剪口板及相對應(yīng)的剛性墊塊構(gòu)成，試件(19)置于上剪切組件(12)與下剪切組件(13)之間。
3.按照權(quán)利要求1所述的巖石直剪試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所說上剪切組件(12)的上方壓板上設(shè)置有由大、小不同的配重塊組成的配重裝置(17)。
4.按照權(quán)利要求1所述的巖石直剪試驗(yàn)機(jī)，其特征在于垂直荷載滾珠系統(tǒng)(8)與水平荷載滾珠系統(tǒng)(9)均為剛球滾珠系統(tǒng)。
5.按照權(quán)利要求1所述的巖石直剪試驗(yàn)機(jī)，其特征在于水平荷載傳感器(11)安裝于被動剪切組件一方，被動剪切組件即沒有設(shè)置水平加載油缸一方的剪切組件，本發(fā)明被動剪切組件即為上剪切組件(12)。
6.按照權(quán)利要求1所述的巖石直剪試驗(yàn)機(jī)，其特征在于在液壓穩(wěn)壓器(22)與試驗(yàn)主機(jī)中水平加載油缸(15)之間安裝有帶有壓力反饋的精密調(diào)速閥(23)。
全文摘要
本發(fā)明是一種巖石直剪試驗(yàn)機(jī)。由試驗(yàn)主機(jī)、液壓穩(wěn)壓器、測量系統(tǒng)三大部分組成。其中試驗(yàn)主機(jī)包括四立柱垂直荷載加載機(jī)架和四拉桿水平荷載加載機(jī)架、加載油缸、滾軸排系統(tǒng)與滾珠系統(tǒng)、剪切組件、球頭與球座及荷載傳感器等部件，液壓穩(wěn)壓器與水平加載油缸之間連接一精密調(diào)速閥，測量系統(tǒng)由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡潔合理，使用方便，試驗(yàn)條件準(zhǔn)確，功能齊全等特點(diǎn)；是目前性價比最高的巖石直剪試驗(yàn)機(jī)。本發(fā)明水平荷載傳感器安裝于被動剪切方，不需要試驗(yàn)前標(biāo)定摩擦阻力；采用吊裝式組合剛性剪切組件，故裝卸試件和觀察測量試件極方便，保證了加載的均勻、穩(wěn)定。本發(fā)明具有巖石直剪試驗(yàn)和直剪流變試驗(yàn)兩大功能。
文檔編號G01N3/24GK1632510SQ20041008133
公開日2005年6月29日 申請日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者黃潤秋, 付小敏, 徐進(jìn), 賈成功 申請人:成都理工大學(xué)