本發(fā)明涉及一種野外測(cè)定巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面摩擦角的儀器。

背景技術(shù)：

點(diǎn)載荷試驗(yàn)是巖體工程中巖體分級(jí)（RMR、CSMR等）研究和強(qiáng)度參數(shù)的一個(gè)十分重要的指標(biāo)，對(duì)各類大型巖體工程，特別是礦山和大型地下巖體工程的支護(hù)以及圍巖穩(wěn)定性分析具有十分重要的作用。同時(shí)，點(diǎn)載荷試驗(yàn)不僅具有簡(jiǎn)易快捷，能進(jìn)行原始狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，具有工時(shí)少、費(fèi)用低和便于大量試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，還擁有能對(duì)不易進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)的軟巖與嚴(yán)重風(fēng)化巖石的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試的特點(diǎn)。巖體結(jié)構(gòu)面的內(nèi)聚力、摩擦角等力學(xué)參數(shù)，往往也是研究者和工程技術(shù)人員關(guān)心的。

巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)方法是國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）試驗(yàn)方法委員會(huì)于1972年建議采用的，1984年又對(duì)該方法進(jìn)行了修正。其試驗(yàn)是將巖石試件置于兩個(gè)球型圓錐狀壓板之間，對(duì)試件施加集中荷載，直至破壞，然后根據(jù)破壞荷載求得巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，并以其點(diǎn)荷載強(qiáng)度作為巖石強(qiáng)度分類及巖體風(fēng)化分類的指標(biāo)，也可用于評(píng)價(jià)巖石強(qiáng)度的各向異性程度，預(yù)估與之相關(guān)的其它強(qiáng)度如單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)，進(jìn)而可計(jì)算出巖基的承載力。

現(xiàn)有的巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)設(shè)備中，主要包括GCTS巖石點(diǎn)荷儀和STDZ-3型數(shù)顯巖石點(diǎn)荷載儀，兩者結(jié)構(gòu)相同，主要有加荷系統(tǒng)、荷載測(cè)量系統(tǒng)組成。加荷系統(tǒng)包括支撐框架、加荷錐及液壓千斤頂裝置；支撐框架有足夠的剛度，可保證在最大破壞荷載的反復(fù)作用下不會(huì)產(chǎn)生永久性扭曲；加荷錐球面曲率半徑為5.0mm,圓錐的頂角為60°，采用堅(jiān)硬優(yōu)質(zhì)鋼制成；加荷裝置采用手搖液壓油泵，由千斤頂活塞將液壓傳到加荷錐，對(duì)試件施加荷載。荷載測(cè)量系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)顯示屏顯示破壞荷載峰值。

現(xiàn)有巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)機(jī)能較快、較準(zhǔn)確測(cè)定巖石的載荷強(qiáng)度，并能數(shù)字顯示其強(qiáng)度值；然而，這類儀器存在以下不足：（1）其加載裝置采用液壓千斤頂，千斤頂最大出力50KN，而實(shí)際工程巖體強(qiáng)度多為60Mpa按規(guī)范計(jì)算則15KN即能將不規(guī)則試件壓壞，那么配有出力50KN的千斤頂在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是一種浪費(fèi)。（2）儀器整體框架中底板、橫梁太過厚重使整機(jī)質(zhì)量重45KG～50KG，無法滿足工程師在野外進(jìn)行巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)時(shí)對(duì)儀器輕便化的要求。（3）荷載測(cè)量系統(tǒng)能夠顯示并記錄下使巖石破壞的荷載強(qiáng)度但仍需手工記錄下荷載強(qiáng)度值，測(cè)量?jī)杉虞d頭間試件的長度是通過刻度尺人工讀取記錄，未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能化的數(shù)據(jù)記錄。

目前，對(duì)于巖體結(jié)構(gòu)面的摩擦角獲取，在野外測(cè)量時(shí)往往是將兩塊近似平整的巖石簡(jiǎn)單的用手抬起做傾斜試驗(yàn)，通過目測(cè)大致得出摩擦角度，其結(jié)果誤差較大，不夠精確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種野外測(cè)定巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面摩擦角的儀器，使現(xiàn)有巖石點(diǎn)荷載儀器的重量大幅減輕、使儀器測(cè)量參數(shù)直接存儲(chǔ)傳輸，無需人工記錄，滿足野外測(cè)定巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度對(duì)儀器輕便化智能化的需求,同時(shí)解決現(xiàn)場(chǎng)通過目測(cè)來測(cè)量巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角的做法，增加結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)量功能。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種野外測(cè)定巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面摩擦角的儀器，包括下底板、上底板，所述下底板與上底板之間安裝有支撐柱，所述上底板上安裝有渦輪減速機(jī)，所述渦輪減速機(jī)分別與收納式手輪、螺桿相連，所述支撐柱上安裝有滑塊，所述螺桿與連接塊相連，所述連接塊與滑塊相連，所述連接塊與下底板之間安裝有巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)量裝置或巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)量裝置。

所述巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)量裝置包括上加載頭、下加載頭、稱重傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器，所述連接塊與上加載頭卡扣相連，所述下底板上安裝有墊塊，所述墊塊上安裝有稱重傳感器，所述稱重傳感器上安裝有下加載頭，且所述上加載頭與下加載頭位于同一豎直線，所述旋轉(zhuǎn)編碼器通過編碼器連軸與螺桿相連。

所述上加載頭通過加載頭擋板與連接塊相連。

所述墊塊包括第一墊塊、第二墊塊，所述下底板上開設(shè)有第一墊塊凹槽，所述第一墊塊凹槽內(nèi)安裝有第一凸塊，所述第一凸塊與第一墊塊相連；所述第一墊塊上開設(shè)有第二墊塊凹槽，所述第二墊塊凹槽內(nèi)安裝有第二凸塊，所述第二凸塊與第二墊塊相連；所述第二墊塊上開設(shè)有第三墊塊凹槽，所述第三墊塊凹槽內(nèi)安裝有稱重傳感器。

所述編碼器連軸與渦輪減速機(jī)之間安裝有墊圈。

所述巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)量裝置包括拉桿、L形折彎板、巖石加載板，所述連接塊與拉桿相連，所述下底板上安裝有L形折彎板，所述L形折彎板通過蝶形鉸鏈與巖石加載板相連，所述蝶形鉸鏈上安裝有電阻式旋轉(zhuǎn)角度傳感器，所述巖石加載板通過擋板與拉桿相連。

所述拉桿通過加載頭擋板與連接塊相連；所述巖石加載板與阻擋板相連。

所述支撐柱穿過下底板后與六角螺母相連，所述六角螺母與下底板之間的支撐柱外套接有平墊圈。

所述連接塊通過梯形螺母與滑塊相連。

所述上底板下端安裝有軸承座，所述軸承座上安裝有推力球軸承，所述推力球軸承與螺桿相連。

本發(fā)明的有益效果是：1、采用上述方案，巖石點(diǎn)荷載儀器質(zhì)量減輕至12KG～15KG，節(jié)省勞力搬運(yùn)成本。2、增加巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)量功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的目的。3、采用稱重傳感器測(cè)對(duì)巖石試件的荷載，旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量出試件的長度，角度傳感器測(cè)量出巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角，并將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)揭苿?dòng)終端機(jī)得出試驗(yàn)結(jié)果并保存，操作簡(jiǎn)單、無需人工計(jì)算。3、采用可拆卸式加載頭，當(dāng)加載頭磨損只需替換加載頭，節(jié)約試驗(yàn)成本。

附圖說明

圖1為實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中A—A剖視圖；

圖3為實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖3中B—B剖視圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖1、圖2所示一種野外測(cè)定巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面摩擦角的儀器，包括下底板1、上底板2，所述下底板1與上底板2之間安裝有支撐柱3，所述上底板2上安裝有渦輪減速機(jī)4，所述渦輪減速機(jī)4分別與收納式手輪5、螺桿6相連，所述支撐柱3上安裝有滑塊7，所述螺桿6與連接塊8相連，所述連接塊8與滑塊7相連，所述連接塊8與下底板1之間安裝有巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)量裝置。支撐柱3采用45號(hào)鋼材質(zhì)，上底板2和下底板1采用不銹鋼材質(zhì)。收納式手輪5通過手搖最大花費(fèi)50N的力經(jīng)過渦輪減速機(jī)4放大，最大提供15KN的荷載。

所述巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)量裝置包括上加載頭11、下加載頭12、稱重傳感器13、旋轉(zhuǎn)編碼器21，所述連接塊8與上加載頭11卡扣相連，所述下底板1上安裝有墊塊，所述墊塊上安裝有稱重傳感器13，所述稱重傳感器13上安裝有下加載頭12，且所述上加載頭11與下加載頭12位于同一豎直線，所述旋轉(zhuǎn)編碼器21通過編碼器連軸22與螺桿6相連。稱重傳感器13和旋轉(zhuǎn)編碼器21通過藍(lán)牙將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端。上加載頭11和下加載頭12均采用GCr15高碳鉻軸承鋼材質(zhì)制成，加載頭為內(nèi)角60°圓錐體，錐底直徑40mm，頭部為半徑5mm的截球體。

所述上加載頭11通過加載頭擋板14與連接塊8相連。

所述墊塊包括第一墊塊14、第二墊塊15，所述下底板1上開設(shè)有第一墊塊凹槽16，所述第一墊塊凹槽16內(nèi)安裝有第一凸塊17，所述第一凸塊17與第一墊塊14相連；所述第一墊塊14上開設(shè)有第二墊塊凹槽18，所述第二墊塊凹槽18內(nèi)安裝有第二凸塊19，所述第二凸塊19與第二墊塊15相連；所述第二墊塊19上開設(shè)有第三墊塊凹槽20，所述第三墊塊凹槽20內(nèi)安裝有稱重傳感器13。

所述編碼器連軸22與渦輪減速機(jī)4之間安裝有墊圈23。

所述支撐柱3穿過下底板1后與六角螺母41相連，所述六角螺母41與下底板1之間的支撐柱3外套接有平墊圈42。

所述連接塊8通過梯形螺母43與滑塊7相連。

所述上底板2下端安裝有軸承座44，所述軸承座44上安裝有推力球軸承45，所述推力球軸承45與螺桿6相連。

本發(fā)明測(cè)定巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度時(shí)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)收納式手輪5，經(jīng)渦輪減速機(jī)4帶動(dòng)螺桿6頂著上加載頭11緩慢勻速的向下移動(dòng)至下加載頭12，夾持住不規(guī)則巖塊，直至將不規(guī)則巖塊壓碎時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)收納式手輪5，此時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器21記錄的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端，計(jì)算出該試件的長度D=H-L-K（H為儀器框架上底板與下底板凈空距離，L為上下加載頭和稱重傳感器的高度之和，K為旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)的梯形螺桿下降的距離），從上加載頭11開始給不規(guī)則試件施加荷載時(shí)，稱重傳感器13測(cè)的荷載壓力Pi(i=1,2,3,…)不斷的傳送到移動(dòng)終端并獲得點(diǎn)荷載最大值P=max{Pi}(i=1,2,3,…)，因此，在巖石破碎的那一瞬間，記錄下了參數(shù)P、D，最后由移動(dòng)終端計(jì)算出點(diǎn)荷載指數(shù)Is=P/D²,并保存數(shù)據(jù)。

本實(shí)施例的一種野外測(cè)定巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面摩擦角的儀器，使現(xiàn)有巖石點(diǎn)荷載儀器的重量大幅減輕、使儀器測(cè)量參數(shù)直接存儲(chǔ)傳輸，無需人工記錄，滿足野外測(cè)定巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度對(duì)儀器輕便化智能化的需求,同時(shí)解決現(xiàn)場(chǎng)通過目測(cè)來測(cè)量巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角的做法，增加結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)量功能。

實(shí)施例2

如圖3、圖4所示一種野外測(cè)定巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面摩擦角的儀器，包括下底板1、上底板2，所述下底板1與上底板2之間安裝有支撐柱3，所述上底板2上安裝有渦輪減速機(jī)4，所述渦輪減速機(jī)4分別與收納式手輪5、螺桿6相連，所述支撐柱3上安裝有滑塊7，所述螺桿6與連接塊8相連，所述連接塊8與滑塊7相連，所述連接塊8與下底板1之間安裝有巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)量裝置。支撐柱3采用45號(hào)鋼材質(zhì)，上底板2和下底板1采用不銹鋼材質(zhì)。收納式手輪5通過手搖最大花費(fèi)50N的力經(jīng)過渦輪減速機(jī)4放大，最大提供15KN的荷載。

所述巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)量裝置包括拉桿31、L形折彎板32、巖石加載板33，所述連接塊8與拉桿31相連，所述下底板1上安裝有L形折彎板32，所述L形折彎板32通過蝶形鉸鏈34與巖石加載板33相連，所述蝶形鉸鏈34上安裝有電阻式旋轉(zhuǎn)角度傳感器36，所述巖石加載板33通過擋板35與拉桿31相連。電阻式旋轉(zhuǎn)角度傳感器36通過藍(lán)牙將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端。

所述拉桿31通過加載頭擋板14與連接塊8相連；所述巖石加載板33與阻擋板37相連。阻擋板37的設(shè)計(jì)能阻擋下部巖塊滑動(dòng)。

所述支撐柱3穿過下底板1后與六角螺母41相連，所述六角螺母41與下底板1之間的支撐柱3外套接有平墊圈42。

所述連接塊8通過梯形螺母43與滑塊7相連。

所述上底板2下端安裝有軸承座44，所述軸承座44上安裝有推力球軸承45，所述推力球軸承45與螺桿6相連。

本發(fā)明測(cè)定巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角時(shí)，需將實(shí)施例一中的上加載頭11、下加載頭12、稱重傳感器13、墊塊卸下，然后裝上實(shí)施例二中的拉桿31、L形折彎板32、蝶形鉸鏈34、巖石加載板33。其中L形折彎板32、蝶形鉸鏈34和巖石加載板33是三合一的整體，直接通過螺絲固定在下底板1上，整個(gè)拆卸安裝過程一共需要擰6顆內(nèi)六角圓柱頭螺釘，拆裝簡(jiǎn)便。測(cè)量時(shí)首先將巖石加載板33調(diào)整至與水平面最小角度為10°，然后把需要測(cè)試的兩塊巖石放在巖石加載板33上，放在下部的巖塊需頂住阻擋板37，最后轉(zhuǎn)動(dòng)收納式手輪5，拉桿31帶動(dòng)檔桿35緩慢下移，則巖石加載板33緩慢下移即角度緩慢增大，上部巖塊滑動(dòng)的瞬間，角度測(cè)量傳感器36記錄下數(shù)據(jù)并傳輸給移動(dòng)終端保存。

本實(shí)施例的一種野外測(cè)定巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面摩擦角的儀器，使現(xiàn)有巖石點(diǎn)荷載儀器的重量大幅減輕、使儀器測(cè)量參數(shù)直接存儲(chǔ)傳輸，無需人工記錄，滿足野外測(cè)定巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度對(duì)儀器輕便化智能化的需求,同時(shí)解決現(xiàn)場(chǎng)通過目測(cè)來測(cè)量巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角的做法，增加結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)量功能。