压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统及方法技术方案

本发明专利技术属于岩石测试技术领域，具体公开了一种压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统及方法，旨在使其能够与可提供轴向压力的设备配合使用，以简化结构并节约成本

【技术实现步骤摘要】
压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统及方法


[0001]本专利技术属于岩石测试
，具体涉及一种压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统及方法
。

技术介绍

[0002]在地下岩体工程的建设中，岩体常常受到多种复杂应力的共同作用
。
如岩体在轴向受压的同时仍然可能会受到剪应力的作用
。
因此，获知岩石在轴向受压的情况下其抗剪强度的参数大小，是岩体工程施工安全
、
可靠的保障之一
。
目前，相关测试规范中测试岩石抗剪强度参数的主要方法有以下几种，分别是直接剪切试验
、
变角板剪切试验
、
三轴压缩试验等，这几种方法分别有各自的优缺点
。
对于直接剪切试验，不仅需要有特定的具备剪切专用的双向加载试验机，而且剪切荷载方向是确定的，导致破坏只能沿预定荷载方向破坏，得到的结果未必是沿最小抗剪应力方向破坏；对于变角板剪切试验，虽然所有的材料压力试验机都可进行试验，但不仅有与直接剪切测试同样的问题，而且还需要修正变角板的摩擦系数；对于三轴压缩试验，不仅需要专用的三轴压力试验机，而且岩石受力状态及试验和分析过程复杂
。
对于上述不同类型的剪切试验，虽然都可以最终得到岩石破坏时的抗剪强度参数，但无论是哪一种，在进行测试时，岩石内部的受力都是复杂应力状态，都不能得到岩石所受的纯剪应力
。
[0003]事实上，纯剪应力对研究岩体工程破坏具有重要价值
。
考虑从事工程建设或科学研究单位的实验室，通常都具有材料压力试验机等能够提供轴向压力的材料试验系统
(Material Testing System
，简称
MTS)
，为了解决所有材料压力试验机都可以进行岩石纯剪试验的问题，公开号为
CN104297027A
的中国专利技术专利申请提供了一种用于纯剪切试验的岩块试件及岩石纯剪切试验方法；但是，若要获得纯剪切下的剪切角度，该方法则无法实现
。
[0004]为了进行岩石纯剪切测试，现有的岩石扭剪试验装置均为专门设计制造的能够提供扭剪力的设备
。
然而，现有的进行纯剪测试的各类岩石扭剪试验装置至少存在以下弊端之一：
(1)
只能进行纯剪，测试的功能太单一；
(2)
扭剪过程中施加扭力的转轴固定，导致力臂发生改变，不能施加线性扭转荷载；
(3)
需要专门设计生产，不仅需要大量费用，而且还需要占用大量的实验室场地；
(4)
不能在现有试验机上直接进行试验；
(5)
若考虑复杂耦合条件，需要配套的外围设施，比如三轴加载
、
渗流
、
加温等耦合条件；
(6)
不便用应变法或声发射定位等技术测试扭剪变化的状态；
(7)
轴向荷载不能恒定或按可控变化
。
[0005]例如：公布号为
CN107421821A
的中国专利技术专利申请就公开了一种岩石扭剪
‑
压综合实验装置，包括机架
、
扭剪组件
、
加载组件
、
油路系统；所述扭剪组件包括扭转加载油缸，所述扭转加载油缸端部装入安装套中，所述安装套底部通过安装套支撑轴与活动隔板可转动装配；所述扭转加载油缸的扭转伸缩轴与扭转驱动板的驱动导向端连接固定；所述驱动导向端上还固定有导向滑轴，所述导向滑轴底部与设置在活动隔板上的扭转导向槽装配；所述扭转驱动板的扭转驱动端与加载杆扭转部分装配，具体地，所述扭转驱动端上设有与
加载杆扭转部分装配的通槽，且所述加载杆扭转部分可以在此通槽内上下移动
。
使用时，所述扭转加载油缸加压，使得扭转伸缩轴将驱动导向端以加载杆扭转部分轴线为中心转动，在此过程中，所述安装套支撑轴与活动隔板发生转动
。
而扭转驱动板转动时，就会向加载杆扭转部分施加去周向上的扭力，并通过这个扭力作用在岩石试样上以达到获得扭剪的效果
。
[0006]虽然上述的岩石扭剪
‑
压综合实验装置通过设置的扭剪组件，能够用于岩石扭剪试验中给岩石试样施加扭矩，实现对岩石受扭剪作用变形和破坏情况等的研究，但是其不能够将现有压力试验机的轴向压力转化为扭剪力，因此无法与可提供轴向压力的设备配合使用，其扭剪组件除了必要的传动机构外还包括专门提供扭剪力作用的扭转加载油缸，这无疑增加了装置的复杂程度和体积，增加了设备成本，并会更多地占用实验室空间
。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，旨在使其能够与可提供轴向压力的设备配合使用，以简化结构并节约成本
。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，包括装置主体和试样固定机构；
[0009]所述装置主体包括装置底板
、
以及间隔设置在装置底板上的装置左支板和装置右支板，所述装置左支板与装置右支板之间形成有工作腔；
[0010]所述试样固定机构包括在工作腔中左右分布设置的试样左固定头和试样右固定头，所述试样左固定头与试样右固定头彼此相对应的部位处均设有试样固定部；
[0011]还包括动力转换机构和轴压机构；
[0012]所述试样左固定头通过第一横轴可转动地设置在装置左支板上，所述试样右固定头通过第二横轴可转动地设置在装置右支板上，所述第一横轴或第二横轴为伸缩轴；
[0013]所述动力转换机构包括第一齿轮
、
第二齿轮
、
第一齿条
、
第二齿条和受压连杆；
[0014]所述第一齿轮与试样左固定头传动连接，所述第二齿轮与试样右固定头传动连接；
[0015]所述第一齿条和第二齿条均竖直设置在工作腔中，所述受压连杆设置在工作腔中并分别与第一齿条和第二齿条连接，且受压连杆能够驱使第一齿条和第二齿条同步上下移动；
[0016]所述第一齿条与第一齿轮相啮合，并能够通过第一齿轮驱使试样左固定头转动；所述第二齿条与第二齿轮相啮合，并能够通过第二齿轮驱使试样右固定头转动；所述第一齿条和第二齿条同步上下移动时，所述试样左固定头的转动方向与试样右固定头的转动方向相反；
[0017]所述轴压机构包括轴压加载通道和轴压加载部件；所述第一横轴不为伸缩轴时，所述轴压加载通道依次贯穿装置左支板
、
第一横轴
、
以及试样左固定头，并贯通至试样左固定头的试样固定部处；所述第二横轴不为伸缩轴时，所述轴压加载通道依次贯穿装置右支板
、
第二横轴
、
以及试样右固定头，并贯通至试样右固定头的试样固定部处；所述轴压加载部件可滑动地设置在轴压加载通道中，其内端处于试样固定部处时，其外端处于装置主体的外侧...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，包括装置主体
(100)
和试样固定机构
(200)
；所述装置主体
(100)
包括装置底板
(110)、
以及间隔设置在装置底板
(110)
上的装置左支板
(120)
和装置右支板
(130)
，所述装置左支板
(120)
与装置右支板
(130)
之间形成有工作腔
(140)
；所述试样固定机构
(200)
包括在工作腔
(140)
中左右分布设置的试样左固定头
(210)
和试样右固定头
(220)
，所述试样左固定头
(210)
与试样右固定头
(220)
彼此相对应的部位处均设有试样固定部；其特征在于：还包括动力转换机构
(300)
和轴压机构
(400)
；所述试样左固定头
(210)
通过第一横轴
(230)
可转动地设置在装置左支板
(120)
上，所述试样右固定头
(220)
通过第二横轴
(240)
可转动地设置在装置右支板
(130)
上，所述第一横轴
(230)
或第二横轴
(240)
为伸缩轴；所述动力转换机构
(300)
包括第一齿轮
(310)、
第二齿轮
(320)、
第一齿条
(330)、
第二齿条
(340)
和受压连杆
(350)
；所述第一齿轮
(310)
与试样左固定头
(210)
传动连接，所述第二齿轮
(320)
与试样右固定头
(220)
传动连接；所述第一齿条
(330)
和第二齿条
(340)
均竖直设置在工作腔
(140)
中，所述受压连杆
(350)
设置在工作腔
(140)
中并分别与第一齿条
(330)
和第二齿条
(340)
连接，且受压连杆
(350)
能够驱使第一齿条
(330)
和第二齿条
(340)
同步上下移动；所述第一齿条
(330)
与第一齿轮
(310)
相啮合，并能够通过第一齿轮
(310)
驱使试样左固定头
(210)
转动；所述第二齿条
(340)
与第二齿轮
(320)
相啮合，并能够通过第二齿轮
(320)
驱使试样右固定头
(220)
转动；所述第一齿条
(330)
和第二齿条
(340)
同步上下移动时，所述试样左固定头
(210)
的转动方向与试样右固定头
(220)
的转动方向相反；所述轴压机构
(400)
包括轴压加载通道
(410)
和轴压加载部件
(420)
；所述第一横轴
(230)
不为伸缩轴时，所述轴压加载通道
(410)
依次贯穿装置左支板
(120)、
第一横轴
(230)、
以及试样左固定头
(210)
，并贯通至试样左固定头
(210)
的试样固定部处；所述第二横轴
(240)
不为伸缩轴时，所述轴压加载通道
(410)
依次贯穿装置右支板
(130)、
第二横轴
(240)、
以及试样右固定头
(220)
，并贯通至试样右固定头
(220)
的试样固定部处；所述轴压加载部件
(420)
可滑动地设置在轴压加载通道
(410)
中，其内端处于试样固定部处时，其外端处于装置主体
(100)
的外侧
。2.
根据权利要求1所述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，其特征在于：所述试样固定部为正多边形结构的凹槽
。3.
根据权利要求1所述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，其特征在于：所述装置底板
(110)
上设有第一限位座
(111)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建锋，谢和平，王璐，杨建雄，薛福军，石祥超，冯淦，裴建良，徐慧宁，邓建辉，戴仕贵，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：