專利名稱：一種用于圓柱形試樣的變角板剪切裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及巖石力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種測(cè)定圓柱形巖石試樣抗剪斷強(qiáng) 度的室內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，利用壓力試驗(yàn)機(jī)施加垂直荷載，通過改變裝置的剪切角度獲得圓 柱形巖塊破壞時(shí)的不同正應(yīng)力及剪應(yīng)力組合，從而繪制出強(qiáng)度包絡(luò)線，獲得相應(yīng)的巖石強(qiáng) 度參數(shù)。
背景技術(shù)：
測(cè)定巖石抗剪斷強(qiáng)度的室內(nèi)試驗(yàn)常用的方法有直剪試驗(yàn)、變角剪切試驗(yàn)以及三軸壓縮 試驗(yàn)。變角剪切試驗(yàn)是其中最簡(jiǎn)單的一種方法，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。. 變角剪切試驗(yàn)利用壓力試驗(yàn)機(jī)施加垂直荷載，通過特制的夾具使巖塊試樣沿一個(gè)剪切面剪 斷，通過改變剪切面的傾斜角度可以獲得一系列巖塊剪切破壞時(shí)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力組合， 繪制這兩種應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(即強(qiáng)度包絡(luò)線)，可以求得巖石的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力等力 學(xué)參數(shù)。
《公路工程石料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ054-94)、沈明榮主編的《巖體力學(xué)》(同濟(jì)大學(xué)出版社， 1999)以及吳德倫等主編的《巖石力學(xué)》(重慶大學(xué)出版社，2002)推薦了相類似的變角板 楔形剪切儀，此類剪切儀通過更換不同角度的墊板來(lái)調(diào)節(jié)角度，存在角度不能連續(xù)調(diào)節(jié)、 裝置整體性差的缺點(diǎn)。蔡美峰主編的《巖石力學(xué)與工程》(科學(xué)出版社，2002)也給出了一 種角模壓剪試驗(yàn)裝置，這種裝置角度的調(diào)節(jié)是通過更換不同角度的楔形板來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也存
在不能連續(xù)調(diào)節(jié)角度、裝置整體性差的缺點(diǎn)，同時(shí)會(huì)引起試樣和夾具的中心隨角度的改變 而改變，致使裝置重心偏離中心線，容易造成裝置傾倒。李智毅、楊裕云主編的《工程地 質(zhì)學(xué)概論》(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1994)給出了一種變角板夾具，初步解決了角度不能連 續(xù)調(diào)節(jié)和重心偏離的問題，但是存在如何使得變角板在實(shí)驗(yàn)過程中保持相應(yīng)角度不變、增 加夾具穩(wěn)定性的主要問題。朱定華等(實(shí)驗(yàn)室研究與探索，第20巻第1期，2001)研制了一 種通過改變半圓弧的不同組合來(lái)改變剪切角度的變角剪切儀，雖然經(jīng)過驗(yàn)證取得了好的試 驗(yàn)效果，但是存在著儀器關(guān)鍵部位容易磨損的缺點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致裝置使用壽命的縮短。以上提及的裝置都是用于正方體試樣的試驗(yàn)，但是在實(shí)際的試驗(yàn)中，制備正方體試樣的 難度要遠(yuǎn)大于圓柱形試樣，因此很有必要研制一種能夠用于圓柱形試樣試驗(yàn)的變角板剪切 儀，應(yīng)用于科研實(shí)踐。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前變角板剪切試驗(yàn)裝置存在的主要不足,本實(shí)用新型的目的在于提供一種用 于圓柱形試樣的變角板剪切裝置，該裝置的實(shí)施對(duì)象為高度與直徑的比值為l (以下簡(jiǎn)稱高 徑比為l)的圓柱形試樣，該裝置不僅可以非常靈活地調(diào)節(jié)試樣剪切面的角度，而且有良好 的自穩(wěn)能力，整體性好，經(jīng)久耐用。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
該剪切儀包括夾板、圓柱形墊塊、變角板、弧形卡槽、滾軸、滾軸框、螺栓、螺母，其 特征在于圓柱形墊塊通過螺栓、螺母緊固變角板并固定在夾板上，在變角板的內(nèi)側(cè)的弧 形卡槽與巖石試樣直接接觸，在滾軸框上裝有滾軸，采用了一種中間厚邊緣薄且具有圓弧 形邊緣的變角板，且其弧形邊界的尺寸與夾板弧形邊界的尺寸相匹配，變角板開有環(huán)形孔 洞的邊緣部分塞入夾板的凹槽，在圓柱形墊塊、螺栓以及螺母的輔助下夾緊變角板。本裝 置采用了一種可以方便地更換的弧形卡槽與巖石試樣直接接觸。單個(gè)滾軸的形狀是一個(gè)圓 柱形的桿，且中間部分的直徑大于兩端。滾軸框的前后兩側(cè)分別開有一排直徑略大于滾軸 兩端突出小圓柱直徑的等間距的圓孔，且滾軸框底部的邊緣高于滾軸的最低點(diǎn)。
為了使圓柱形巖石試樣的剪切面可以變換到任意角度，并且變換角度之后重心不偏離整 個(gè)裝置的中線，本實(shí)用新型中變角板的邊緣、夾板中部的環(huán)狀凹槽及其邊緣的凹槽均采用 了圓弧形的設(shè)計(jì)，并且整個(gè)裝置是關(guān)于巖石試樣的中心所在的豎直面呈平面中心對(duì)稱的， 裝置中所有圓弧形邊界的圓心都是巖石試樣的中心。
為了保證試驗(yàn)加壓過程中變角板不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，本實(shí)用新型采用了一種中間厚、邊緣薄 的變角板，并在變角板的邊緣部分開環(huán)形孔洞，在圓柱形墊塊、螺栓及螺母的輔助下，將 變角板夾緊在開有凹槽的夾板上。
為了使本實(shí)用新型可以用于圓柱形試樣的試驗(yàn)，采用了一種弧形卡槽，弧形卡槽的弧的 半徑與圓柱形試樣的半徑相配。這種弧形卡槽同時(shí)還具有以下兩個(gè)作用 一是更換不同半 徑的弧形卡槽可以適用于不同半徑的圓柱形巖石試樣的試驗(yàn)，增加卡槽半徑可以做較小半 徑試樣的試驗(yàn)，減小卡槽半徑可以做較大半徑的試樣的試驗(yàn)；二是避免巖石試樣與變角板 的直接接觸磨損，當(dāng)弧形卡槽磨損嚴(yán)重之后只需更換相應(yīng)的墊塊，有利于延長(zhǎng)裝置的使用
4壽命、降低成本，并且可以有效地提高試驗(yàn)精度。
為了最大限度地減小裝置沿試樣剪切變形方向的水平摩擦，本實(shí)用新型采用了一種特殊 的滾軸連接機(jī)構(gòu)。單個(gè)滾軸的形狀是一個(gè)圓柱形的桿，且中間部分的直徑大于兩端，兩端 突出的小圓柱起到定位滾軸的作用。滾軸框的前后兩側(cè)分別開有一排直徑略大于突出小圓 柱的等間距的圓孔，以保證滾軸可以帖在試驗(yàn)機(jī)的下壓板上互不影響地自由滾動(dòng)。滾軸框 底部的邊緣高于滾軸的最低點(diǎn)，避免發(fā)生滾軸框與試驗(yàn)機(jī)下壓板的摩擦。
本實(shí)用新型的主要優(yōu)點(diǎn)有
1) 實(shí)現(xiàn)了試樣剪切面角度的連續(xù)調(diào)節(jié)；
2) 整體性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。不需要加工多種角度的楔形墊板；
3) 有良好的自穩(wěn)性。角度改變之后整個(gè)裝置重心不會(huì)偏離中心線；
4) 適用范圍廣。可以適用于不同半徑的圓柱形試樣；
5) 整體使用壽命長(zhǎng)?；⌒慰ú邸⒙菟?、螺母等易于損壞的部件可以方便地更換；
6) 圓柱形試樣易于加工，試驗(yàn)精度高。


圖l為一種用于圓柱形試樣的變角板剪切裝置的三維拆分示意圖。
圖2為一種用于圓柱形試樣的變角板剪切裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為一種用于圓柱形試樣的變角板剪切裝置的平面主視圖。
圖4為弧形卡槽的局部放大示意圖。 圖中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的名稱為
1—夾板、2—螺栓、3—螺栓、4一圓柱形墊塊、5—圓柱形墊塊、6—變角板、7—弧形 卡槽、8—巖石試樣、9—弧形卡槽、IO—變角板、ll一夾板、12—圓柱形墊塊、13_圓柱 形墊塊、14一螺栓、15—螺栓、16_滾軸、17—滾軸框、18—螺母、19_螺母、20—螺母、
21—螺母。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述-
根據(jù)圖l、圖2、圖3可知，該剪切儀包括第一、第二夾板l、 11、第一、第二、第三、第 四圓柱形墊塊4、 5、 12、 13、第一、第二變角板6、 10、第一、第二弧形卡槽7、 9、滾軸16、 滾軸框17、第一、第二、第三、第四螺栓2、 3、 14、 15、第一、第二、第三、第四螺母18、19、 20、 21，位于裝置中部的巖石試樣8是本實(shí)用新型的實(shí)施對(duì)象，試樣的高徑比為l。
第一、第二、第三、第四圓柱形墊塊4、 5、 12、 13、第一、第二、第三、第四螺栓2、 3、 14、 15以及第一、第二、第三、第四螺母18、 19、 20、 21將第一、第二變角板6、 IO固定在 第一、第二夾板l、 ll上，在第一、第二變角板6、 IO內(nèi)側(cè)的第一、第二弧形卡槽7、 9與巖 石試樣8直接接觸，弧形卡槽7、 9弧的半徑與圓柱形試樣8的半徑相匹配，在滾軸框17上裝 有滾軸16。
第一弧形卡槽7貼在第一夾板6的下側(cè)，第二弧形卡槽9貼在第二夾板11的上側(cè)。 首先依據(jù)圖l說明各個(gè)部件的特征及其作用
第一夾板l前后兩側(cè)開孔，孔的位置應(yīng)當(dāng)與第一變角板6邊緣的環(huán)形孔洞相匹配，原則是 不影響第一變角板6轉(zhuǎn)動(dòng)到足夠的角度。前側(cè)孔的直徑與第一、第二圓柱形墊塊4、 5相匹配， 后側(cè)孔的直徑與第一、第二螺栓2、 3相匹配。第一夾板l的中部開環(huán)形凹槽，凹槽的寬度與 第一變角板6邊緣突出部分的厚度相匹配，目的是保證第一變角板6可以順利塞入第一夾板1 的環(huán)形凹槽；凹槽的深度應(yīng)大于第一變角板6的邊緣部分沿直徑方向的寬度，目的是保證第 一變角板6中部較厚部分的弧形邊緣面可以與第一夾板1兩側(cè)底部的弧形邊緣面良好地接 觸，以增加裝置的穩(wěn)定性和試驗(yàn)精度。
第二夾板ll前后兩側(cè)開孔，孔的位置應(yīng)當(dāng)與第二變角板10邊緣的環(huán)形孔洞相匹配，原則 是不影響第二變角板10轉(zhuǎn)動(dòng)到足夠的角度。前側(cè)孔的直徑與第三、第四圓柱形墊塊12、 13 相匹配，后側(cè)孔的直徑與第三、第四螺栓14、 15相匹配。第二夾板ll的中部開環(huán)形凹槽， 凹槽的寬度與第二變角板10邊緣突出部分的厚度相匹配，目的是保證第二變角板10可以順 利塞入第二夾板ll的環(huán)形凹槽；凹槽的深度應(yīng)大于第二變角板10的邊緣部分沿直徑方向的 寬度，目的是保證第二變角板10中部較厚部分的弧形邊緣面可以與第二夾板11兩側(cè)底部的 弧形邊緣面良好地接觸，以增加裝置的穩(wěn)定性和試驗(yàn)精度。
為了使本實(shí)用新型可以用于圓柱形試樣的試驗(yàn)，本實(shí)用新型采用了一種弧形卡槽，第一、 第二弧形卡槽7、 9的弧的半徑與圓柱形巖石試樣8的半徑相配(如圖4所示)。第一、第二弧 形卡槽7、 9在本裝置中是可以更換的，這種弧形卡槽同時(shí)還具有一下兩個(gè)作用 一是更換 不同厚度的第一、第二弧形卡槽7、 9可以適用于不同半徑的圓柱形巖石試樣8的試驗(yàn)，增加 卡槽半徑可以做較小半徑試樣的試驗(yàn)，減小卡槽半徑可以做較大半徑的試樣的試驗(yàn)；二是 避免巖石試樣8與第一、第二變角板6、 IO的直接接觸磨損，當(dāng)?shù)谝?、第二弧形卡?、 9磨 損嚴(yán)重之后只需更換相應(yīng)的墊塊，其作用是延長(zhǎng)裝置的使用壽命、降低成本，并且可以有 效提高試驗(yàn)精度。
6單個(gè)滾軸16的形狀是一個(gè)圓柱形的桿，且中間部分的直徑大于兩端，兩端突出的小圓柱 起到定位滾軸16的作用。滾軸框17的前后兩側(cè)分別開有一排直徑略大于突出小圓柱的等間 距的圓孔，以保證滾軸16可以帖在試驗(yàn)機(jī)的下壓板上互不影響地自由滾動(dòng)。同時(shí)應(yīng)當(dāng)保證 滾軸16裝配好之后滾軸框17底部的邊緣高于滾軸16的最低點(diǎn)(如圖3所示)，以避免滾軸框 17與試驗(yàn)機(jī)下壓板的直接摩擦。采取這些措施的目的是最大限度地減小裝置沿剪切變形方 向的水平摩擦，增加試驗(yàn)精度。
下面依據(jù)圖2、圖3說明各個(gè)部件的連接方式及其作用
滾軸16以上的結(jié)構(gòu)(指的是第一、第二夾板l、 11、第一、第二、第三、第四圓柱形墊塊 4、 5、 12、 13、第一、第二變角板6、 10、第一、第二弧形卡槽7、 9關(guān)于巖石試樣8的中心 所在的豎直平面呈平面中心對(duì)稱，剪切儀中所有圓弧邊界的圓心都是巖石試樣8的中心，其 作用是保證第一、第二變角板6、 IO在調(diào)整不同的角度之后整個(gè)裝置的重心不會(huì)偏離中線， 并且試樣剪切面的角度可以連續(xù)調(diào)節(jié)。
將第一變角板6塞入第一夾板1，將第一、第二圓柱形墊塊4、 5分別塞入第一夾板1前側(cè) 的兩個(gè)孔，將第一、第二螺栓2、 3分別塞入第一、第二圓柱形墊塊4、 5,然后穿過第一變 角板6的邊緣的環(huán)形孔洞和第一夾板1，最后分別擰上第一、第二螺母18、 19。第一、第二 螺栓2、 3、第一、第二圓柱形墊塊4、 5以及第一、第二螺母18、 19的作用是夾緊第一變 角板1以保證在試驗(yàn)加壓過程中第一變角板6不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
將第二變角板10塞入第二夾板11，將第三、第四圓柱形墊塊12、 13分別塞入第二夾板11 前側(cè)的兩個(gè)孔，將第三、第四螺栓20、 21分別塞入第三、第四圓柱形墊塊12、 13，然后穿 過第二變角板10的邊緣的環(huán)形孔洞和第二夾板11，最后分別檸上第三、第四螺母20、 21。 第三、第四螺栓14、 15、第三、第四圓柱形墊塊12、 13以及第三、第四螺母20、 21的作用 是夾緊第二變角板11以保證在試驗(yàn)加壓過程中第二變角板10不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
第一弧形卡槽7帖在第一夾板6的下側(cè)，第二弧形卡槽9帖在第二夾板6的上側(cè)。這兩塊墊 板的內(nèi)側(cè)與巖石試樣8接觸，是試樣所受荷載的直接施加者。
第二夾板11與滾軸16接觸，滾軸16的作用是消除試驗(yàn)過程中裝置沿試樣剪切變形方向的 水平約束，使巖石試樣8可以自由地發(fā)生沿剪切面的剪切變形。
一個(gè)典型的試驗(yàn)過程如下
1)調(diào)整剪切面角度裝置的表面刻有輔助調(diào)節(jié)變角板角度的刻度線(附圖中每一刻度代表5度)，參照這些刻度線將第一、第二變角板6、 IO的角度粗調(diào)到大致的角度。然后將圓
柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣放到巖石試樣8的位置(如圖2所示)，使用量角器和直角板進(jìn)行剪切面角度的 微調(diào)節(jié)，然后擰緊所有的第一、第二、第三、第四螺母18、 19、 20、 21以保證第一、第二 變角板6、 IO在試驗(yàn)過程中不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
2) 安放試樣將步驟1中的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣替換為要進(jìn)行試驗(yàn)的巖石試樣8。將裝置周 圍用木板或其它板材進(jìn)行保護(hù)，以避免試件突然破壞，裝置滑出。必要時(shí)可以將裝置上部 結(jié)構(gòu)捆綁到壓力機(jī)的上壓板上。
3) 施加荷載開動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，直到巖石試樣8發(fā)生沿著剪切面的破壞，記錄 下破壞荷載。
4) 重復(fù)試驗(yàn)依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，重復(fù)歩驟2-3，以該角度進(jìn)行若干塊巖石試樣的試驗(yàn)。
5) 變換角度變換第一、第二變角板6、 IO的剪切角度，的重復(fù)步驟1-4進(jìn)行試驗(yàn)，取 得不同角度下的試樣破壞荷載。
6) 整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求1、一種用于圓柱形試樣的變角板剪切裝置，它包括第一、第二夾板(1、11)、第一、第二變角板(6、10)、滾軸框(17)，其特征在于第一、第二、第三、第四圓柱形墊塊(4、5、12、13)、第一、第二、第三、第四螺栓(2、3、14、15)以及第一、第二、第三、第四螺母(18、19、20、21)將第一、第二變角板(6、10)固定在第一、第二夾板(1、11)上，在第一、第二變角板(6、10)內(nèi)側(cè)的第一、第二弧形卡槽(7、9)與巖石試樣(8)直接接觸，弧形卡槽(7、9)弧的半徑與圓柱形試樣(8)的半徑相匹配，在滾軸框(17)上裝有滾軸(16)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種用于圓柱形試樣的變角板剪切裝置，其特征是第一弧形卡槽(7)貼在第一夾板(6)的下側(cè)，第二弧形卡槽(9)貼在第二夾板(11)的上側(cè)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于圓柱形試樣的變角板剪切裝置。它包括夾板、弧形卡槽、變角板、滾軸框，其中第一、第二、第三、第四圓柱形墊塊、第一、第二、第三、第四螺栓以及第一、第二、第三、第四螺母將第一、第二變角板固定在第一、第二夾板上，在第一、第二變角板內(nèi)側(cè)的第一、第二弧形卡槽與巖石試樣直接接觸，弧形卡槽弧的半徑與圓柱形試樣的半徑相匹配，在滾軸框上裝有滾軸。本實(shí)用新型可以非常靈活地調(diào)節(jié)試樣剪切面的角度，實(shí)現(xiàn)了試樣剪切面角度的連續(xù)調(diào)節(jié)，整體性好，經(jīng)久耐用。采用了易于加工的圓柱形試樣，試驗(yàn)精度高。
文檔編號(hào)G01N3/24GK201266153SQ20082006802
公開日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2008年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者屈丹安, 施錫林, 李銀平, 楊春和 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所