便携式岩体结构面直剪试验仪制造技术

一种便携式岩体结构面直剪试验仪，有效解决仪器笨重、试验耗时长，费用大、工期长、操作困难等不足，同时本发明专利技术采用杠杆原理避免了采用液压装置并且本发明专利技术的仪器主要试验对象为岩石。不但可以实现对岩体结构面直剪试验，且简单易行、操作方便、试验周期短、费用低。包括如下部分：平台、加载速率保护装置、剪切速率加载、传感器固定架、法向位移传感器、线路、法向位移传感器线路、剪切应变传感器、荷载传感器线路、加压横梁、传力板、剪切盒、剪切盒上盘、剪切盒下盘、岩样、岩样上盘、岩样下盘、结构面、滚轮、荷载传感器、后顶头座、杠杆调动轴、平衡锤、杠杆部件、砝码、挂钩、支架、剪切位移传感器、传力架、采集系统、采集装置、插销孔。

Portable direct shear test instrument for rock mass structural plane

A portable rock structural surface direct shear test apparatus, effectively solve the problem of heavy equipment, test time is long, the cost of large, long duration, operating difficulties, and adopts the lever principle to avoid the use of hydraulic device and apparatus of the present invention of the main test object for rock. It can not only realize the direct shear test of rock mass structure, but also has the advantages of simple operation, convenient operation, short test period and low cost. Includes the following parts: platform, loading rate, shear rate, load protection device of sensor fixing frame, normal displacement sensor, displacement sensor, line to line, shear strain sensor, load sensor line, pressure beam, force plate, shear box, box, hanging wall shear shear box, footwall rock, rock, rock plate the footwall, structural plane, roller, load sensor, head seat, shaft, lever adjusting lever member, balance weight, weight, hook, bracket, shear displacement sensor, force transmission frame, acquisition system, acquisition device, pin hole.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种便携式岩体结构面直剪试验仪及其测试方法，适用于在岩石力学试验中获取结构面抗剪强度参数及变形参数的一种新型便携式结构面直剪仪，属岩石力学试验领域。
技术介绍
软弱层带是岩体中物理力学性质相对围岩较弱的呈带状分布的岩层，包含了软弱夹层、断层破碎带、层内错动带等，而结构面属于软弱层带中，故其对岩体的强度影响较大。因此，结构面是国内外学者研究的一个重要的课题。目前国内外对于岩体结构面的研究主要采用直剪试验，通过直剪试验得到结构面的抗剪强度。当前，岩体结构面抗剪强度的确定方法主要有直剪试验法、室内模型试验法和经验估算方法等。通过直剪试验，结合工程地质勘测资料综合求取结构面抗剪强度的方法为国内岩体力学工作者所常用。国内外的直剪仪设备很多，如美国DurhamGeo公司生产的LG-140大型高性能接触面直剪仪，清华大学研制的TH-20t大型土与结构接触面循环加载剪切仪，南京土壤仪器有限公司的NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪。目前市场上大多数直剪仪的试验对象为土，并且大多直剪仪加载系统选用液压式；机架主要包括箱形梁整体框架式、立柱箱形梁复合式等；测量系统主要有机械式、传感器数显式、计算机自动测量采集等。专利号为CN200910155107.2的大型岩体结构面直剪试验仪的多尺度转换系统无法消除横向载荷对法向液压缸的影响，人为因素影响剪切摩擦力值较大，无法实现试样定向移动和往复剪切，整体设备操作自动化低等缺点。申请号为CN2014101201243的专利申请公开了一种粗粒土现场大型直剪试验设备。该专利技术涉及一种粗粒土现场大型直剪试验设备。该现场大剪试验设备包括反力装置、竖向加载系统、水平加载系统、测试系统、剪切盒。采用机器开挖与人工开挖、修整相结合的方式，制备未受扰动的所需尺寸的楔形土墩子(土台)，通过围岩自承力来提供反力，并且采用球头平推法进行现场粗粒土天然含水状态下的应力式快剪试验。然而，该专利技术属于大型剪切试验设备，设备笨重、携带不方便，试验成本较高，对工作场地要求也较高，不便于大量开展现场原位试验。且所需反力较大，所需围岩自承力较高，反力梁不易安装。以上方法存在的主要问题有:(1)岩体结构面强度参数的室内与现场测试，通常采用的试验设备为大型剪切试验装置，其对试验场地条件要求较高，此外，准确性低、仪器笨重、试验耗时长，费用大、工期长、操作困难。(2)结构面直剪试验仪在施加水平力的作用会引起上部结构的运动，使千斤顶也发生相对滑动，因此会有额外的力矩产生，会造成对试验结果的影响。(3)结构面取样后，会由于人为因素(如搬运等)造成的结构面样品的扰动，对结构面的强度测试结果会产生较大的影响。
技术实现思路
为了解决岩体结构面仪器笨重、试验耗时长，费用大、工期长、操作困难等不足，本专利技术提供的一种便携式岩体结构面直剪试验仪及其测试方法，有效的解决了仪器笨重、试验耗时长，费用大、工期长、操作困难等不足，同时本专利技术采用杠杆原理避免了采用液压装置并且本专利技术的仪器主要试验对象为岩石。本仪器不但可以实现对岩体结构面直剪试验，而且简单易行、操作方便、试验周期短、费用低。另外，本仪器采用杠杆原理能够用较小的砝码重量达到对试块施加较大法向应力的效果。本专利技术用于测定土体在不同的法向压力下以恒定剪切速率进行剪切试验，测量土样破坏时的剪应力。本专利技术直剪仪的速率可无级变速，计算机控制直剪试验的整个过程，试验中能够实时采集数据，实时显示剪切过程竖向应力—竖向位移、剪切应力—剪切位移、竖向—剪切位移变化曲线，并且试验数据可以以Excel文件格式输出。本专利技术的技术构思为：岩体结构面在不同法向应力作用下直剪试验，法向应力大小通过调节砝码的重量来施加，两者之间采用杠杆原理，即法向应力的大小与所加砝码重量之间存在着杠杆比，保证所施加法向应力的大小区间较大，实现全法向应力下，岩体结构面的直剪试验。试验水平方向剪切采用位移加载，并且位移速率变化范围较大，能够较大范围的调整剪切加载速度。本仪器包括剪切荷载、剪切位移和竖向位移传感器组成的数据采集仪，数据采集软件具有可以根据剪切变形间隔或时间间隔采集试验数据、传感器标定功能、试验数据图表的实时显示、电机速率控制等功能，并能绘制出剪切应力与剪切位移、剪切应力与竖向位移之间的关系曲线。本专利技术技术方案：一种便携式岩体结构面直剪试验仪，包括如下部分：平台1、加载速率保护装置2、剪切速率加载3、传感器固定架4、法向位移传感器5、线路6、法向位移传感器线路61、剪切应变传感器62、荷载传感器线路63、加压横梁7、传力板8、剪切盒9、剪切盒上盘91、剪切盒下盘92、岩样10、岩样上盘101、岩样下盘102、结构面11、滚轮12、荷载传感器13、后顶头座14、杠杆调动轴15、平衡锤16、杠杆部件17、砝码18、挂钩19、支架20、剪切位移传感器21、传力架22、采集系统23、采集装置24、插销孔25。所述的平台1下部与支架20相连，直剪试验在平台1上进行。所述的加载速率保护装置2位于剪切速率加载装置3中，包括左加载速率保护装置201和右加载速率保护装置202。设置加载速率保护装置2，保证在剪切过程在一定的范围内，计算机软件设置快速退回和快速前进的功能，保证在试验时调整位置。右加载速率保护装置202位于剪切速率加载装置的右半部分，当剪切位移加载到极限位移的90％时，右加载速率保护装置202会与剪切速率加载装置3中的板接触，系统会自动发出报警；左加载速率保护装置201位于剪切速率加载装置3的左半部分，当做完剪切试验后，应把剪切速率加载装置3向后退，当左加载速率保护装置201与剪切速率加载装置3中的板接触时，系统会自动发出报警。所述的剪切速率加载装置3为剪切试验水平方向的速率加载，其值可通过计算机来设置。试验时，通过采集装置24将剪切速率加载装置3的前部与剪切盒9接触。所述的传感器固定架4形状为L形，下部与平台1连接，另一端通过螺栓与法向位移传感器5相连，传感器固定架4主要用来固定法向位移传感器5，其下部可转动，以方便装试样。所述的法向位移传感器5用来测量岩样法向应变的变化，主要通过传感器固定架4固定，其一端与法向位移传感器线路61连接，另一端与加压横梁7连接。所述的线路6包括法向位移传感器线路61、剪切应变传感器线路62和荷载传感器线路63。法向位移传感器线路61一端与法向位移传感器5连接，另一端与采集装置24连接；剪切应变传感器线路62一端与剪切应变传感器21连接，另一端与采集装置24连接；荷载传感器线路63一端与荷载传感器13连接，另一端与采集装置24连接。所述的加压横梁7两端与传力架22连接，其表面直接与传力板8接触，将力传递给传力板8，对岩样10进行法向应力加载。所述的传力板8上部与加压横梁7接触，接受加压横梁7传来的力，下部与岩样10接触，将力传递给岩样10。所述的剪切盒9分为剪切盒上盘91与剪切盒下盘92。剪切盒上盘91右侧与荷载传感器13连接，其位置受到约束保持不变；剪切盒下盘92左侧与剪切速率加载装置3连接，下部与滚轮12接触，在试验的过程中剪切盒下盘92在加载速率作用下移动。剪切试验开始前，剪切盒上盘91与剪切盒下盘92之间通过插销孔25中的插销连接。所述的岩样10包括岩样上盘101与岩样下盘1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种便携式岩体结构面直剪试验仪，其特征在于，包括平台(1)、加载速率保护装置(2)、剪切速率加载(3)、传感器固定架(4)、法向位移传感器(5)、线路(6)、法向位移传感器线路(61)、剪切应变传感器(62)、荷载传感器线路(63)、加压横梁(7)、传力板(8)、剪切盒(9)、剪切盒上盘(91)、剪切盒下盘(92)、岩样(10)、岩样上盘(101)、岩样下盘(102)、结构面(11)、滚轮(12)、荷载传感器(13)、后顶头座(14)、杠杆调动轴(15)、平衡锤(16)、杠杆部件(17)、砝码(18)、挂钩(19)、支架(20)、剪切位移传感器(21)、传力架(22)、采集系统(23)、采集装置(24)、插销孔(25)；所述的平台(1)下部与支架(20)相连，直剪试验在平台(1)上进行；所述的加载速率保护装置(2)位于剪切速率加载装置(3)中，包括左加载速率保护装置(201)和右加载速率保护装置(202)；设置加载速率保护装置(2)，保证在剪切过程在一定的范围内，计算机软件设置快速退回和快速前进的功能，保证在试验时调整位置；右加载速率保护装置(202)位于剪切速率加载装置的右半部分，当剪切位移加载到极限位移的90％时，右加载速率保护装置(202)会与剪切速率加载装置(3)中的板接触，系统会自动发出报警；左加载速率保护装置(201)位于剪切速率加载装置(3)的左半部分，当做完剪切试验后，应把剪切速率加载装置(3)向后退，当左加载速率保护装置(201)与剪切速率加载装置(3)中的板接触时，系统会自动发出报警；所述的剪切速率加载装置(3)为剪切试验水平方向的速率加载，其值可通过计算机来设置；试验时，通过采集装置(24)将剪切速率加载装置(3)的前部与剪切盒(9)接触；所述的传感器固定架(4)形状为L形，下部与平台(1)连接，另一端通过螺栓与法向位移传感器(5)相连，传感器固定架(4)主要用来固定法向位移传感器(5)；所述的法向位移传感器(5)用来测量岩样法向应变的变化，主要通过传感器固定架(4)固定，其一端与法向位移传感器线路(61)连接，另一端与加压横梁(7)连接；所述的线路(6)包括法向位移传感器线路(61)、剪切应变传感器线路(62)和荷载传感器线路(63)；法向位移传感器线路(61)一端与法向位移传感器(5)连接，另一端与采集装置(24)连接；剪切应变传感器线路(62)一端与剪切应变传感器(21)连接，另一端与采集装置(24)连接；荷载传感器线路(63)一端与荷载传感器(13)连接，另一端与采集装置(24)连接；所述的加压横梁(7)两端与传力架(22)连接，其表面直接与传力板(8)接触，将力传递给传力板(8)，对岩样(10)进行法向应力加载；所述的传力板(8)上部与加压横梁(7)接触，接受加压横梁(7)传来的力，下部与岩样(10)接触，将力传递给岩样(10)；所述的剪切盒(9)分为剪切盒上盘(91)与剪切盒下盘(92)；剪切盒上盘(91)右侧与荷载传感器(13)连接，其位置受到约束保持不变；剪切盒下盘(92)左侧与剪切速率加载装置(3)连接，下部与滚轮(12)接触，在试验的过程中剪切盒下盘(92)在加载速率作用下移动；剪切试验开始前，剪切盒上盘(91)与剪切盒下盘(92)之间通过插销孔(25)中的插销连接；所述的岩样(10)包括岩样上盘(101)与岩样下盘(102)；岩样(10)上、下盘应与剪切盒上、下盘对应放置；所述的结构面(11)为岩样(10)上、下盘存在的软弱夹层；所述的滚轮(12)下部与平台(1)连接，上部与剪切盒(9)连接，剪切盒(9)可在滚轮(12)上自由滑动；所述的荷载传感器(13)左侧与剪切盒上盘(91)连接，用来监测试验时的剪应力，右侧与后顶头座(14)连接；所述的后顶头座(14)左侧与荷载传感器(13)连接，下部与平台(1)连接；所述的杠杆调动器(15)与杠杆部件(17)连接，用来调节杠杆，使杠杆保持在水平居中的位置；所述的平衡锤(16)位于杠杆部件(17)左侧，当杠杆部件(17)加砝码(18)时，平衡锤(16)有平衡的作用，防止杠杆部件(17)向一侧倾斜；所述的杠杆部件(17)位于杠杆调动轴下部，为了使法向压力有较大的调节范围，杠杆部件(17)采用的是杠杆原理，在杠杆部件(17)右侧加砝码(18)时，试验时的法向应力会随着杠杆比不同产生较大的变化；杠杆部件(17)左侧与平衡锤(16)连接，右侧与砝码(18)连接，前后两侧与传力架(22)连接；当加砝码(18)时，砝码(18)的力通过杠杆传递给传力架(22)，传力架(22)将力传递给加压横梁(7)，加压横梁(7)将力传递给传力板(8)，即试验时的法向应力；所述的砝码(18)挂在挂钩(19)上，通过挂钩(19)给岩样(10)施加法向应力；所述的挂钩(19)与...

【技术特征摘要】
1.一种便携式岩体结构面直剪试验仪，其特征在于，包括平台(1)、加载速率保护装置(2)、剪切速率加载(3)、传感器固定架(4)、法向位移传感器(5)、线路(6)、法向位移传感器线路(61)、剪切应变传感器(62)、荷载传感器线路(63)、加压横梁(7)、传力板(8)、剪切盒(9)、剪切盒上盘(91)、剪切盒下盘(92)、岩样(10)、岩样上盘(101)、岩样下盘(102)、结构面(11)、滚轮(12)、荷载传感器(13)、后顶头座(14)、杠杆调动轴(15)、平衡锤(16)、杠杆部件(17)、砝码(18)、挂钩(19)、支架(20)、剪切位移传感器(21)、传力架(22)、采集系统(23)、采集装置(24)、插销孔(25)；所述的平台(1)下部与支架(20)相连，直剪试验在平台(1)上进行；所述的加载速率保护装置(2)位于剪切速率加载装置(3)中，包括左加载速率保护装置(201)和右加载速率保护装置(202)；设置加载速率保护装置(2)，保证在剪切过程在一定的范围内，计算机软件设置快速退回和快速前进的功能，保证在试验时调整位置；右加载速率保护装置(202)位于剪切速率加载装置的右半部分，当剪切位移加载到极限位移的90％时，右加载速率保护装置(202)会与剪切速率加载装置(3)中的板接触，系统会自动发出报警；左加载速率保护装置(201)位于剪切速率加载装置(3)的左半部分，当做完剪切试验后，应把剪切速率加载装置(3)向后退，当左加载速率保护装置(201)与剪切速率加载装置(3)中的板接触时，系统会自动发出报警；所述的剪切速率加载装置(3)为剪切试验水平方向的速率加载，其值可通过计算机来设置；试验时，通过采集装置(24)将剪切速率加载装置(3)的前部与剪切盒(9)接触；所述的传感器固定架(4)形状为L形，下部与平台(1)连接，另一端通过螺栓与法向位移传感器(5)相连，传感器固定架(4)主要用来固定法向位移传感器(5)；所述的法向位移传感器(5)用来测量岩样法向应变的变化，主要通过传感器固定架(4)固定，其一端与法向位移传感器线路(61)连接，另一端与加压横梁(7)连接；所述的线路(6)包括法向位移传感器线路(61)、剪切应变传感器线路(62)和荷载传感器线路(63)；法向位移传感器线路(61)一端与法向位移传感器(5)连接，另一端与采集装置(24)连接；剪切应变传感器线路(62)一端与剪切应变传感器(21)连接，另一端与采集装置(24)连接；荷载传感器线路(63)一端与荷载传感器(13)连接，另一端与采集装置(24)连接；所述的加压横梁(7)两端与传力架(22)连接，其表面直接与传力板(8)接触，将力传递给传力板(8)，对岩样(10)进行法向应力加载；所述的传力板(8)上部与加压横梁(7)接触，接受加压横梁(7)传来的力，下部与岩样(10)接触，将力传递给岩样(10)；所述的剪切盒(9)分为剪切盒上盘(91)与剪切盒下盘(92)；剪切盒上盘(91)右侧与荷载传感器(13)连接，其位置受到约束保持...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗战友，李超，邹宝平，陶燕丽，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33