冻融条件下岩土体散体物料的直剪测试装置及其测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于采矿散体物料的力学测试技术领域的，涉及冻融条件下岩土体散体物料的直剪测试装置及其测试方法，包括应力加载系统、试件控制系统、冷热温控循环系统、数据采集系统，通过对不同冻融次数情况下试样的直剪实验分析，得到散体物料的抗剪强度、内摩擦角

Direct Shear Testing Device for Rock and Soil Bulk Material under Freeze-thaw Conditions and Its Testing Method

【技术实现步骤摘要】
冻融条件下岩土体散体物料的直剪测试装置及其测试方法
本专利技术属于采矿散体物料的力学测试
的，涉及冻融条件下岩土体散体物料的直剪测试装置及其测试方法。
技术介绍
露天采矿和地下采矿活动中，包含矿山基建期间的露天剥离和井巷掘进开拓，其排弃物一般包括腐植表土、风化岩土、坚硬岩石以及混合岩土，有时也包括可能回收的表外矿、贫矿等，需运到一定的地点排弃，此地点称为排土场。排土场是一种巨型人工松散堆垫体,存在严重的安全问题。排土场失稳将导致矿山土场灾害和重大工程事故,不仅影响到矿山的正常生产,也将使矿山蒙受巨大的经济损失，所以保证排土场的稳定性就显得至关重要。目前，我国金属矿产资源的开发正逐步向西部高寒、高海拔地区转移，西部地区干燥、温差大的环境必然会影响排土场的稳定，研究在冻融循环条件下排土场散体物料的力学性质变化，为研究排土场的稳定提供重要参数。因此，根据在以往的直剪仪器的基础上，添加一套冷热循环系统，模拟在高寒、高海拔地区排土场的温度变化情况，研发出一套在冻融条件下岩土体散体物料的直剪实验装置，从而来获得冻融条件对散体的力学性质和其强度的影响及发展规律，为之后研究排土场的失稳机理提供重要的参数。
技术实现思路
本专利技术实施的目的在于提出一种在冻融条件下岩土体散体物料的直剪实验装置及实验方法，能够充分利用所述系统的试件控制系统、应力加载系统、数据采集系统和冷热循环温控系统，实现对散体物料在不同正压力及不同冻融次数下的实验检测与记录，通过分析计算得到各个应力状态下内摩擦角和粘聚力，并分析强度曲线发展变化规律。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：冻融条件下岩土体散体物料的直剪测试装置，包括：应力加载系统，包括竖直方向连续加载系统、水平方向连续加载系统；试件控制系统，包括基座和装载试样的上剪切盒、下剪切盒，上剪切盒、下剪切盒上下相对设置组成剪切盒；上剪切盒、下剪切盒之间用钢珠连接，下剪切盒与基底间用钢珠连接；加载活塞板位于上剪切盒上方，并且两者间留有间距；还包括设置在最顶部的轴向压力钢板，轴向压力钢板通过光轴杆固定在基座上方，光轴杆两端均有螺母锁紧；基座两侧分别固定有侧向压力钢板；竖直方向连续加载系统固定在轴向压力钢板下表面；水平方向连续加载系统固定在侧向压力钢板上；冷热温控循环系统，包括可拆装保温罩、冷热循环液管路、大功率冷浴循环机；可拆装保温罩安装在上剪切盒、下剪切盒外部；可拆装保温罩通过冷热循环液管路与大功率冷浴循环机连接；数据采集系统，包括采集压力信号的竖直方向压力传感器、水平方向压力传感器，采集位移信号的垂直位移传感器、水平位移传感器，测温元件、温度感应器；所述的竖直方向压力传感器、垂直位移传感器均安装在竖直方向连续加载系统上；水平方向压力传感器、水平位移传感器均安装在水平方向连续加载系统上；测温元件安装在可拆装保温罩上；温度感应器安装在下剪切盒内；所述的竖直方向压力传感器、水平方向压力传感器、垂直位移传感器、水平位移传感器，测温元件、温度感应器分别与电脑通讯连接。本专利技术提出了一种在冻融条件下岩土体散体物料的直剪测试方法，应用上述测试装置，其包括如下工作步骤：(1)将实验所用的试样放置剪切盒内，盖上可拆装保温罩，打开大功率冷浴循环机，进行冻融处理，实验选择在-20℃冰冻6h，在15℃融化6h作为一个冻融循环周期，达到要求的冻融次数后进行直剪实验；(2)利用竖直方向连续加载系统通过加载活塞板对上剪切盒施加一定的正应力，水平方向连续加载系统以一定的剪切速率1.4mm/min提供水平方向的剪切力，当试件水平变形达到试样尺寸的15％～20％时，可认为试样已经破坏；(3)利用竖直方向压力传感器和水平方向压力传感器记录剪切盒内试件受到的垂直压力和水平压力，利用垂直位移传感器和水平位移传感器记录试件在加载过程中产生的轴向位移和侧向位移，并传输到电脑上，记录整个过程剪切力与位移的变化，并根据数据来拟合一条应力-位移曲线；(4)重新装进新的试样于剪切盒中，盖上可拆装保温罩，打开大功率冷浴循环机，当经历相同的冻融次数后，通过改变正应力大小，重复上述的直剪实验；(5)经过多组试验后，整理数据，计算试样的内摩擦角和粘聚力c。与现有散体的直剪实验装置相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术提供的冻融条件下岩土体散体物料的直剪测试装置及其测试方法，其试件控制系统、应力加载系统、冷热温控循环系统、数据采集系统之间的相互密切配合，通过对不同冻融次数情况下试样的直剪实验分析，得到散体物料的抗剪强度、内摩擦角和粘聚力c，通过数据来分析在反复的冻融下散体物料强度的变化规律，为研究高寒高海拔地区金属矿山排土场边坡的稳定性提供重要的参数，此外还可以研究不同尺寸配比下散体物料的力学性质的变化规律，并可通过试件控制系统以及应力加载系统准确、方便、快捷地测得不同轴向应力下各个级配的散体物料的力学特性，无需现场实测，在室内模拟实验即可，具有操作简便，不影响生产，自动化程度高，安全高效的优点。另一方面该系统原理简单，操作较为方便，实验数据较为精准。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术的剪切盒的内部结构示意图；图3为本专利技术的剪切盒俯视图；图4为本专利技术的剪切盒剖面图；图5为本专利技术的基底俯视图；图6为本专利技术的侧向压力钢板侧视图。具体实施方式结合附图说明本专利技术的具体技术方案。如图1所示，冻融条件下岩土体散体物料的直剪测试装置，包括：应力加载系统，包括竖直方向连续加载系统2、水平方向连续加载系统6；试件控制系统，包括基座14和装载试样的上剪切盒4、下剪切盒7，如图2和图3所示，上剪切盒4、下剪切盒7上下相对设置组成剪切盒；上剪切盒4、下剪切盒7之间用钢珠9连接，如图5所示，下剪切盒7与基底14间用钢珠9连接；加载活塞板15位于上剪切盒4上方，并且两者间留有间距；还包括设置在最顶部的轴向压力钢板12，轴向压力钢板12通过光轴杆10固定在基座14上方，光轴杆10两端均有螺母11锁紧；基座14两侧分别固定有侧向压力钢板13；竖直方向连续加载系统2固定在轴向压力钢板12下表面；水平方向连续加载系统6固定在侧向压力钢板13上；冷热温控循环系统，包括可拆装保温罩17、冷热循环液管路20、大功率冷浴循环机19；可拆装保温罩17安装在上剪切盒4、下剪切盒7外部；可拆装保温罩17通过冷热循环液管路20与大功率冷浴循环机19连接；数据采集系统，包括采集压力信号的竖直方向压力传感器1、水平方向压力传感器5，采集位移信号的垂直位移传感器3、水平位移传感器8，测温元件16、温度感应器21；所述的竖直方向压力传感器1、垂直位移传感器3均安装在竖直方向连续加载系统2上；水平方向压力传感器5、水平位移传感器8均安装在水平方向连续加载系统6上；测温元件16安装在可拆装保温罩17上；温度感应器21安装在下剪切盒7内；所述的竖直方向压力传感器1、水平方向压力传感器5、垂直位移传感器3、水平位移传感器8，测温元件16、温度感应器21分别与电脑18通讯连接。所述的轴向压力钢板12、侧向压力钢板13和基座14均为刚性金属材料，基座14和两个侧向压力钢板13通过焊接方式连接，均采用Q235C型号钢材，尺寸对应匹配，轴向压力钢板12的规格为10mm×1000mm×800mm(厚度*长度*宽度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.冻融条件下岩土体散体物料的直剪测试装置，其特征在于，包括：应力加载系统，包括竖直方向连续加载系统(2)、水平方向连续加载系统(6)；试件控制系统，包括基座(14)和装载试样的剪切盒；剪切盒防止在基座(14)上；加载活塞板(15)位于剪切盒上方，并且两者间留有间距；还包括设置在最顶部的轴向压力钢板(12)，轴向压力钢板(12)通过光轴杆(10)固定在基座(14)上方，光轴杆(10)两端均有螺母(11)锁紧；基座(14)两侧分别固定有侧向压力钢板(13)；竖直方向连续加载系统(2)固定在轴向压力钢板(12)下表面；水平方向连续加载系统(6)固定在侧向压力钢板(13)上；冷热温控循环系统，包括可拆装保温罩(17)、冷热循环液管路(20)、大功率冷浴循环机(19)；可拆装保温罩(17)安装在上剪切盒(4)、下剪切盒(7)外部；可拆装保温罩(17)通过冷热循环液管路(20)与大功率冷浴循环机(19)连接；数据采集系统，对试样施加的压力、试样的位移、剪切盒内温度进行采集。

【技术特征摘要】
1.冻融条件下岩土体散体物料的直剪测试装置，其特征在于，包括：应力加载系统，包括竖直方向连续加载系统(2)、水平方向连续加载系统(6)；试件控制系统，包括基座(14)和装载试样的剪切盒；剪切盒防止在基座(14)上；加载活塞板(15)位于剪切盒上方，并且两者间留有间距；还包括设置在最顶部的轴向压力钢板(12)，轴向压力钢板(12)通过光轴杆(10)固定在基座(14)上方，光轴杆(10)两端均有螺母(11)锁紧；基座(14)两侧分别固定有侧向压力钢板(13)；竖直方向连续加载系统(2)固定在轴向压力钢板(12)下表面；水平方向连续加载系统(6)固定在侧向压力钢板(13)上；冷热温控循环系统，包括可拆装保温罩(17)、冷热循环液管路(20)、大功率冷浴循环机(19)；可拆装保温罩(17)安装在上剪切盒(4)、下剪切盒(7)外部；可拆装保温罩(17)通过冷热循环液管路(20)与大功率冷浴循环机(19)连接；数据采集系统，对试样施加的压力、试样的位移、剪切盒内温度进行采集。2.根据权利要求1所述的冻融条件下岩土体散体物料的直剪测试装置，其特征在于，所述的剪切盒包括上剪切盒(4)、下剪切盒(7)，上剪切盒(4)、下剪切盒(7)之间用钢珠(9)连接，下剪切盒(7)与基底(14)间用钢珠(9)连接。3.根据权利要求1所述的冻融条件下岩土体散体物料的直剪测试装置，其特征在于，所述的数据采集系统，包括采集压力信号的竖直方向压力传感器(1)、水平方向压力传感器(5)，采集位移信号的垂直位移传感器(3)、水平位移传感器(8)，测温元件(16)、温度感应器(21)；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王家臣，徐文彬，王晓纯，
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