一种变角度负温岩石直剪仪及试验操作方法技术

本发明专利技术属于岩石力学试验设备技术领域，涉及一种变角度负温岩石直剪仪及试验操作方法，包括主机框架、垂直加载机构、垂直荷载支撑机构、水平加载机构、水平荷载支撑机构、剪切盒、温度控制系统、测控系统和计算机系统；所述剪切盒置于温度控制系统中保温箱内，实现负温试验环境，所述剪切盒包括剪切盒体、弧形滑轨、旋转构件、翼形卡块、半圆形导槽板、中隔板、转体定位机构和前后端盖，通过简易操作能够实现剪切盒体形状不变而内部结构不断改变，达到剪切岩石试样不同角度裂隙的目的。本发明专利技术提供了一种有效解决负温、变角度剪切的岩石直剪仪和操作方法，其整体结构原理简单，操作方便，可视化程度高，功能多变，适用性强。

Variable angle negative temperature rock direct shear apparatus and test operation method

The invention belongs to the technical field of rock mechanics test equipment, in particular to a variable angle negative temperature rock direct shear apparatus and test methods of operation, including the host frame, vertical loading mechanism, vertical load, horizontal load supporting mechanism of horizontal loading mechanism, control system and computer support mechanism, shearing box, temperature control system, the cutting system; box is arranged in the temperature control system of heat preservation box, realize the negative temperature test environment, the shear box comprises a box body, curved shear slide, rotary member, wing shaped block, semi circular groove guide plate, baffle, swivel positioning mechanism and front end cover, through a simple operation to achieve the shear box shape and the internal structure change constantly, achieve the shear angle fractured to different rock samples. The present invention provides a direct shear apparatus and a method of operation, which can effectively solve the problem of negative temperature and variable angle shearing. The utility model has the advantages of simple integral structure, convenient operation, high degree of visualization, multiple functions and strong applicability.

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于岩石力学试验设备
，涉及一种变角度负温岩石直剪仪及试验操作方法。
技术介绍
：随着新世纪地下工程的兴起，人类开始广泛地接触和改造岩石或岩体，例如隧道或井巷的挖掘、煤炭(深部)开采、油气开采、放射性废物贮藏、坝基修建、地热资源的开发利用等。涉及到的工程岩体不同于完整岩石，其力学行为除了岩石本身强度，还取决于岩体中节理裂隙的发育情况，而裂隙中可能赋存水、气、冰等多相介质，存在温度、应力、渗流等多场耦合的复杂问题。其中，在寒冷地区或者人工冻结施工区域处于冻结状态的含冰裂隙岩体强度对工程的安全、稳定至关重要，这种含冰裂隙岩体的力学行为目前处于探索阶段，而裂隙强度又是整个岩体最薄弱的地方，其强度不能简单认为是冰的强度与岩石强度的叠加，故研究其压剪作用下含冰裂隙的力学性能就显得尤为必要。目前，国内外研究工作者对含裂隙岩石或者含有结构面岩石试件做了大量试验研究，得到了一些研究成果，但试验都普遍存在以下不足：1.试件通过预制的方法得到规则、平整的裂隙，这与实际工程中取样得到的裂隙差别巨大，对试样的直剪试验不能反映实际工程中存在裂隙的力学特性；2.现有的岩石直剪试验都在常温环境下进行，对于负温岩石直剪试验目前还没有报道，尤其是含冰裂隙岩石的直剪试验的研究还属空白；3.现有的岩石直剪装置均要求岩石试样节理面与试件底端平行，或者将测试岩样用高强速凝材料浇筑与上下剪切盒中，采用平推法实现对预定裂隙的直接剪切，不能对任意角度裂隙岩样进行剪切；4.实际工程中取样得到的岩石试件含有不同角度裂隙，现有设备不能对试样直接进行剪切，均需进行复杂的切割修整，这对试样本身损伤极大；5.通过现有的仪器可以得到不同倾角、数量裂隙岩石的单轴压缩强度，但不能获得岩石不同角度裂隙的强度，从而无法评估该裂隙对岩石试件整体强度的影响，也无法找到裂隙强度与岩体整体强度的对应关系。
技术实现思路
：为了解决上述难题，本专利技术提供了一种变角度负温岩石直剪仪及试验操作方法，包括以工程岩体中的裂隙为研究对象，通过对工程岩体切割取样，制作出带有不同角度、迹长的单裂隙长方体试件，可实现试件不同环境温度条件下饱冰裂隙的直剪试验。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变角度负温岩石直剪仪，包括主机框架、垂直加载机构、垂直荷载支撑机构、水平加载机构、水平荷载支撑机构、上剪切盒、下剪切盒、温度控制系统、测控系统和计算机系统。所述框架由上梁、左右立柱和基座组成，并通过螺栓和焊接连接，刚度好工作平稳可靠。所述垂直加载机构与基座连接，所述垂直荷载支撑机构与上梁连接，所述水平加载机构与左立柱连接，所述水平荷载支撑机构与右立柱连接。所述垂直加载机构主要由上压板、垂直承压辊子、下压板、传力柱构件、法向作动器、法向位移传感器组成。所述作动器安装在主机框架基座上，通过传力构件与下压板连接，所述下压板与上压板通过垂直承压辊子连接。所述垂直荷载支撑机构主要由刚性垫块、法向力传感器、连接件、上承压板、垂直承压辊子和下承压板组成。所述法向力传感器一端固定在刚性垫块上，另一端通过连接件与下压板连接，所述垂直承压辊子位于所述上下压板之间，用于降低上剪切盒水平移动时的摩擦系数，同时及时调整法向力作用线，保证法向力作用方向过剪切面中心。所述水平加载机构包括水平作动器，水平推力部件，水平压力传感器、水平推力连接件和水平推力顶头组成，水平作动器设置在右立柱中部外侧，并通过水平推力部件与所述框架内测压力传感器固定，所述水平压力传感器通过水平推力连接件与水平推力顶头连接。所述的水平荷载支撑机构由水平荷载支撑部件基座、水平荷载支撑连接杆、水平荷载支撑顶头、水平荷载承压辊子和槽形承压板组成。所述水平荷载支撑部件基座通过螺栓固定于所述主机框架右柱中部，所述水平荷载支撑连接杆安装在所述水平荷载支撑部件基座左侧，所述水平荷载支撑顶头固定在所述水平荷载支撑连接杆左端，所述水平承压辊子位于槽形承压板和水平荷载支撑顶头之间，所述下剪切盒可以在槽形承压板约束范围内上下滑动，水平位移传感器安装在水平载荷支撑机构左端。所述上、下剪切盒均包括剪切盒体、弧形滑轨、旋转构件、一对翼形卡块、一对半圆形导槽板、中隔板、转体定位机构、前后端盖。所述剪切盒体内侧连接旋转构件，旋转构件顶部装有弧形滑轨，嵌入所述剪切盒体内侧使得旋转构件灵活转动，所述旋转构件两侧各固定有一对带螺纹销钉，用于转动和固定旋转构件。所述一对翼形卡块，与所述旋转构件连接，其特征在于：翼形卡块采用高刚度金属材料制作，每个翼形卡块上焊接有前后两个销钉，所述销钉可在导槽板的“眉”形导槽内滑动，进一步，所述翼形卡块还可以在所述旋转构件内部自由伸缩，将两种运动组合后使得所述翼形卡块具有转动和伸缩的复合运动，更进一步，所述旋转构件上带螺纹销钉穿过所述导槽板、中隔板、转体定位机构固定板内的弧形导槽，所述带螺纹销钉可在所述弧形导槽内滑动，并可配合螺母将旋转构件锁死，当旋转构件在盒体内转动时，促使所述复合运动不断进行，此时所述前、后端盖与所述翼形卡块组合成不同角度的“剪切模具”，共同实现剪切盒框架形状不变但与试样接触的内部结构不断改变，使得方形试件可以随意旋转，且裂隙始终处于上下剪切盒之间，达到剪切不同角度裂隙的目的。所述“眉”形导槽是由计算机在模拟所述“剪切模具”不断变化过程中将所述翼形卡块上销钉的运动轨迹捕捉绘制，后通过数控加工形成的。所述温度控制系统由保温箱、温控器、压缩机、温度传感器(热电偶)组成。所述恒温箱具有可拆卸部件组装而成，内部设有4处温度监测点，通过所述压缩机对恒温箱进行降温，达到预定温度后，利用所述温控器进行控温，实现不同温度控制下的剪切试验。所述测控系统具有多个测控通道，可以独立进行荷载和位移两种闭环控制，也可以与计算机通讯，由计算机进行程控工作。所述计算机系统通过软件对试验全过程进行控制，同时自动采集存储试验数据，实时显示试验状态，能够计算试验结果并打印试验报告，界面友好。由于采用了以上技术方案，本专利技术可进行岩石试样旋转不同角度后在负温条件下的直剪试验。上剪切盒和下剪切盒组装式的设计可以方便的进行岩样的安装和拆卸，水平和垂直加载方向上设置的承压辊子可以使剪切盒自由移动，同时保证试样剪切过程中监测数据真实可靠。本专利技术改变了目前只能对岩石试样进行常温下常规直剪试验的现状，可提供一种在负温条件下裂隙岩石变角度直接剪切试验，得到含冰裂隙岩石不同角度裂隙的强度参数，有效的克服了目前直剪仪所存在的不足，对填充物为冰的裂隙岩石力学特性研究具有重要的理论和实际意义。附图说明图1为本专利技术的试验机总结构立面图。图2为本专利技术的试验机总结构左视图。图3为本专利技术的垂直加载机构立面图。图4为本专利技术的垂直加载机构左视图。图5为本专利技术的导轨框架俯视图。图6为本专利技术的垂直荷载支撑机构立面图。图7为本专利技术的水平加载机构立面图。图8为本专利技术的水平支撑机构立面图。图9为本专利技术的剪切盒轴测示意图。图10为本专利技术的剪切盒分解轴测示意图。图11为本专利技术的旋转构件分解轴测结构示意图。图12为本专利技术的旋转构件轴测结构示意图。图13为本专利技术的旋转构件主视图。图14为本专利技术的旋转构件左视图。图15为本专利技术的旋转构件俯视图。图16为本专利技术的翼形卡块主视图。图17为本专利技术的翼形卡块侧视图。图18为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变角度负温岩石直剪仪及试验操作方法，其特征在于：包括主机框架、垂直加载机构、垂直荷载支撑机构、水平加载机构、水平荷载支撑机构、剪切盒、温度控制系统、测控系统和计算机系统；所述框架由上梁、左右立柱和基座组成，并通过螺栓和焊接连接，刚度好工作平稳可靠；所述垂直加载机构与基座连接，所述垂直荷载支撑机构与上梁连接，所述水平加载机构与左立柱连接，所述水平荷载支撑机构与右立柱连接。所述垂直加载机构主要由上压板、垂直承压辊子、下压板、传力柱构件、法向作动器、法向位移传感器组成。所述作动器安装在主机框架基座上，通过传力构件与下压板连接，所述下压板与上压板通过垂直承压辊子连接。所述垂直荷载支撑机构主要由刚性垫块、法向力传感器、连接件、上承压板、垂直承压辊子和下承压板组成。所述法向力传感器一端固定在刚性垫块上，另一端通过连接件与下压板连接，所述垂直承压辊子位于所述上下压板之间。所述水平加载机构包括水平作动器，水平推力部件，水平压力传感器、水平推力连接件和水平推力顶头组成，水平作动器设置在右立柱中部外侧，并通过水平推力部件与所述框架内测压力传感器固定，所述水平压力传感器通过水平推力连接件与水平推力顶头连接；所述的水平荷载支撑机构由水平荷载支撑部件基座、水平荷载支撑连接杆、水平荷载支撑顶头、水平荷载承压辊子和槽形承压板组成；所述水平荷载支撑部件基座通过螺栓固定于所述主机框架右柱中部，所述水平荷载支撑连接杆安装在所述水平荷载支撑部件基座左侧，所述水平荷载支撑顶头固定在所述水平荷载支撑连接杆左端，所述水平承压辊子位于槽形承压板和水平荷载支撑顶头之间，所述下剪切盒可以在槽形承压板约束范围内上下滑动，水平位移传感器安装在水平载荷支撑机构左端；所述温度控制系统由保温箱、温控器、压缩机、温度传感器(热电偶)组成；所述恒温箱具有可拆卸部件组装而成，内部设有4处温度监测点，通过所述压缩机对恒温箱进行降温，4监测点平均温度达到指定温度后，利用所述温控器进行控温，使温度保持恒定；所述剪切盒置于所述保温箱内，由上剪切盒和下剪切盒组成，所述上、下剪切盒均包括剪切盒体、弧形滑轨、旋转构件、一对翼形卡块、一对半圆形导槽板、中隔板、一对转体定位机构、前后端盖；所述测控系统具有多个测控通道，可以独立进行荷载和位移两种闭环控制，也可以与计算机通讯，由计算机进行程控工作；所述计算机系统通过软件对试验全过程进行控制，同时自动采集存储试验数据，实时显示试验状态，能够计算试验结果并打印试验报告，界面友好。...

【技术特征摘要】
1.一种变角度负温岩石直剪仪及试验操作方法，其特征在于：包括主机框架、垂直加载机构、垂直荷载支撑机构、水平加载机构、水平荷载支撑机构、剪切盒、温度控制系统、测控系统和计算机系统；所述框架由上梁、左右立柱和基座组成，并通过螺栓和焊接连接，刚度好工作平稳可靠；所述垂直加载机构与基座连接，所述垂直荷载支撑机构与上梁连接，所述水平加载机构与左立柱连接，所述水平荷载支撑机构与右立柱连接。所述垂直加载机构主要由上压板、垂直承压辊子、下压板、传力柱构件、法向作动器、法向位移传感器组成。所述作动器安装在主机框架基座上，通过传力构件与下压板连接，所述下压板与上压板通过垂直承压辊子连接。所述垂直荷载支撑机构主要由刚性垫块、法向力传感器、连接件、上承压板、垂直承压辊子和下承压板组成。所述法向力传感器一端固定在刚性垫块上，另一端通过连接件与下压板连接，所述垂直承压辊子位于所述上下压板之间。所述水平加载机构包括水平作动器，水平推力部件，水平压力传感器、水平推力连接件和水平推力顶头组成，水平作动器设置在右立柱中部外侧，并通过水平推力部件与所述框架内测压力传感器固定，所述水平压力传感器通过水平推力连接件与水平推力顶头连接；所述的水平荷载支撑机构由水平荷载支撑部件基座、水平荷载支撑连接杆、水平荷载支撑顶头、水平荷载承压辊子和槽形承压板组成；所述水平荷载支撑部件基座通过螺栓固定于所述主机框架右柱中部，所述水平荷载支撑连接杆安装在所述水平荷载支撑部件基座左侧，所述水平荷载支撑顶头固定在所述水平荷载支撑连接杆左端，所述水平承压辊子位于槽形承压板和水平荷载支撑顶头之间，所述下剪切盒可以在槽形承压板约束范围内上下滑动，水平位移传感器安装在水平载荷支撑机构左端；所述温度控制系统由保温箱、温控器、压缩机、温度传感器(热电偶)组成；所述恒温箱具有可拆卸部件组装而成，内部设有4处温度监测点，通过所述压缩机对恒温箱进行降温，4监测点平均温度达到指定温度后，利用所述温控器进行控温，使温度保持恒定；所述剪切盒置于所述保温箱内，由上剪切盒和下剪切盒组成，所述上、下剪切盒均包括剪切盒体、弧形滑轨、旋转构件、一对翼形卡块、一对半圆形导槽板、中隔板、一对转体定位机构、前后端盖；所述测控系统具有多个测控通道，可以独立进行荷载和位移两种闭环控制，也可以与计算机通讯，由计算机进行程控工作；所述计算机系统通过软件对试验全过程进行控制，同时自动采集存储试验数据，实时显示试验状态，能够计算试验结果并打印试验报告，界面友好。2.如权利要求1所述的变角度负温岩石直剪仪...

【专利技术属性】
技术研发人员：单仁亮，白瑶，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11