本發(fā)明涉及一種結構面直剪試驗裝置，具體涉及一種可調(diào)節(jié)法向應力施加位置的結構面直剪試驗裝置，屬于巖土工程技術領域。

背景技術：
巖體結構面是指地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長度，厚度相對較小的地質(zhì)界面或帶，包括層理、節(jié)理面、不整合面等。由于結構面的存在，極大地破壞了巖體的連續(xù)性和完整性，削弱了工程巖體的力學性質(zhì)及其穩(wěn)定性。因而，開展巖體結構面力學性質(zhì)的研究具有重要意義。巖體結構面的抗剪強度參數(shù)是工程巖體穩(wěn)定性分析和加固治理方案設計的重要指標，一般通過試驗得到結構面的抗剪強度指標，其中小型剪力儀——巖石結構面直剪儀是常用的儀器，由于其便捷性以及操作的簡便性，可用于野外現(xiàn)場和室內(nèi)，同時能滿足一定的精度要求，且造價低廉，因此結構面直剪儀是開展結構面研究的基礎，然而，此直剪儀依然存在不足之處。現(xiàn)有結構面直剪儀存在的缺陷有：(1)在剪切試驗的過程中，上、下剪切盒會相對錯開一定的距離，而施加法向力的千斤頂始終位于上剪切盒的中間部位，從而會形成一個力矩而影響了試驗的準確性；(2)在試驗后期階段，在一定法向應力作用下，由于上下剪切盒相對位移越來越大而造成力矩也越來越大，結構面下盤的邊緣處會因過大的力矩造成非正常破壞從而影響試驗的準確性；(3)反力裝置是一條鋼絲繩或者是較窄的鋼條，反力裝置的底部通過單個螺栓固定于下剪切盒底部并允許以螺栓為軸發(fā)生一定的旋轉角度，反力裝置隨著法向千斤頂?shù)奈灰贫l(fā)生偏轉，從而造成力的不確定性并產(chǎn)生彎矩進而對試樣產(chǎn)生非正常破壞。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，并提供一種能夠在試驗的過程中調(diào)整法向千斤頂?shù)乃阶饔梦恢茫阌谠囼炑芯考肮こ虘貌⑶铱删_控制法向應力施加過程的直剪儀。實現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術方案為，一種精確控制法向應力施加過程的結構面直剪試驗裝置，至少包括上剪切盒、下剪切盒、法向加載組件和切向加載組件，所述法向加載組件包括法向龍門架和法向千斤頂，法向龍門架沿法向安裝、其下端與下剪切盒固連，法向龍門架頂部的內(nèi)表面上沿切向設有第一滑動機構，法向千斤頂通過第一滑動機構安裝于法向龍門架上；所述切向加載組件包括切向龍門架和切向千斤頂，切向千斤頂沿切向固定于切向龍門架的內(nèi)表面上，切向龍門架沿切向安裝于法向龍門架的一對側臂的下部；法向龍門架上安裝有位置調(diào)節(jié)組件，所述位置調(diào)節(jié)組件包括固定架、伺服電機、滾珠絲杠副、擴大板、第二滑動機構、位移傳感器和控制器，固定架沿切向安裝于法向龍門架的一對側臂的上部，伺服電機沿切向安裝于固定架上，滾珠絲杠副的絲杠與伺服電機的轉軸連接、螺母與法向千斤頂?shù)膫让婀踢B，法向千斤頂?shù)幕钊亩瞬颗c擴大板固連，所述第二滑動機構包括燕尾槽、導軌基座和萬向滾珠，燕尾槽沿切向安裝于上剪切盒的上表面，導軌基座的下端位于燕尾槽中并且與燕尾槽的形狀相吻合，燕尾槽的槽底沿切向設有軌道槽，萬向滾珠安裝于導軌基座的下表面上并且與軌道槽相配合，擴大板與導軌基座接觸，位移傳感器安裝于下剪切盒上并且連接控制器的輸入端，控制器的輸出端與伺服電機電性連接。法向千斤頂?shù)膫让嫔咸自O有箍圈，滾珠絲杠副的螺母的一端與絲杠連接、另一端焊接固定于箍圈上。絲杠的兩端均設有與控制器的輸入端電性連接的限位開關。所述第一滑動機構包括相互匹配的滑塊和滑槽，滑塊安裝于法向千斤頂?shù)捻敳?，滑槽沿切向設置于法向龍門架頂部的內(nèi)表面上。所述法向龍門架由弧形拱頂A和兩個豎直臂A構成，滑槽位于弧形拱頂A的內(nèi)表面上，豎直臂A的下端通過3個以上螺釘與下剪切盒固連。所述切向龍門架由弧形拱頂B和兩個豎直臂B構成，切向千斤頂沿切向固定于弧形拱頂B的內(nèi)表面上，切向龍門架的兩個豎直臂B垂直于法向龍門架，豎直臂B的端部通過3個以上螺釘與法向龍門架的豎直臂A連接。燕尾槽中設有軌道板，軌道板由2個以上沿切向順序安裝于燕尾槽槽底的長方體塊通過彈性導棒順序連接構成，各長方體塊的同一位置處均開設有弧形槽，各長方體塊的弧形槽構成軌道槽。相鄰長方體塊之間設有潤滑膜。所述燕尾槽的一端開口，其開口上設有封槽板。所述燕尾槽安裝于上剪切盒上表面的中間部位，燕尾槽的中部設有歸零標記。由上述技術方案可知，本發(fā)明提供的精確控制法向應力施加過程的結構面直剪試驗裝置，在現(xiàn)有直剪試驗裝置上增加位置調(diào)節(jié)組件，通過法向龍門架固定法向千斤頂和位置調(diào)節(jié)組件，法向千斤頂通過第一滑動機構安裝于法向龍門架上，第一滑動機構使得法向千斤頂?shù)那邢蛭恢每烧{(diào)；位置調(diào)節(jié)組件中位移傳感器和控制器為控制單元，位移傳感器安裝于下剪切盒上并且連接控制器的輸入端，位移傳感器采集下剪切盒的微動位移并將信號傳輸至控制器，控制器的輸出端與伺服電機電性連接，伺服電機為執(zhí)行元件，接收控制器的信號并旋轉對應角度，控制單元能夠在試驗過程時刻中監(jiān)測切向位移，并通過控制器實時控制伺服電機的運動從而控制法向千斤頂?shù)那邢?水平)位移，以使法向千斤頂施加的法向應力為正應力，消除試驗過程中產(chǎn)生彎矩的可能；伺服電機的旋轉通過滾珠絲杠副轉化為沿切向的位移，滾珠絲杠副的螺母與法向千斤頂?shù)膫让婀踢B，螺母推動法向千斤頂沿切向移動實現(xiàn)位置調(diào)節(jié)；由于試驗中法向千斤頂需要對上剪切盒施加法向應力，法向千斤頂活塞的端部連接擴大板，擴大板的面積遠大于法向千斤頂活塞的端面面積，使得法向應力加載均勻，上剪切盒與擴大板之間安裝第二滑動機構，第二滑動機構包括燕尾槽、導軌基座和萬向滾珠，燕尾槽與導軌基座通過特殊的燕尾結構榫卯連接，萬向滾珠安裝于導軌基座的下表面上并且與燕尾槽槽底設置的軌道槽相配合，燕尾槽與上剪切盒固連為一體，擴大板與導軌基座接觸，二者無連接結構，便于第二滑動機構的安裝和拆卸，法向千斤頂加載時，擴大板抵緊導軌基座的上表面，法向應力通過擴大板、導軌基座和燕尾槽均勻施加于上剪切盒；法向千斤頂位置改變時導軌基座隨之移動，避免法向千斤頂位置改變時施加的法向應力產(chǎn)生切向分力干擾試驗。燕尾槽中設有軌道板，軌道板可限制導軌基座的活動方向并對導軌基座的平穩(wěn)活動有積極的作用；軌道板由2個以上沿切向順序安裝于燕尾槽槽底的長方體塊通過彈性導棒順序連接構成，相鄰長方體塊之間設有潤滑膜，燕尾槽中的軌道槽由各長方體塊同一位置處上開設的弧形槽沿切向拼接構成，軌道板的分離式結構使得每個長方體塊能夠單獨傳遞荷載而不影響周圍的塊體；各長方體塊通過彈性導棒連接為一體，彈性導棒能夠在較小的力的作用下發(fā)生有限的形變，既能對軌道板的各長方體塊有固定作用，又不影響單個長方體塊對其上部荷載的傳遞能力。燕尾槽安裝于上剪切盒上表面的中間部位并且其中部設有歸零標記，以方便試驗開始前調(diào)節(jié)法向千斤頂位移至燕尾槽的中間部位，施加的法向應力作用于上剪切盒中部；絲杠的兩端均設有與控制器的輸入端電性連接的限位開關，能夠限制螺母的位移范圍，防止絲杠與螺母脫離或者引起螺母過大位移，從而保證試驗的正確性與安全性；燕尾槽為一端開口的結構，其開口上設有封槽板，以方便拆卸軌道板，同時可以限制導軌基座在切向(水平方向)活動的位移；螺母與法向千斤頂通過箍圈連接，箍圈在法向千斤頂上的位置可以調(diào)整，以確保箍圈位于法向千斤頂豎直方向的中部位置；第一滑動機構采用滑塊與滑槽相匹配的結構，滑塊優(yōu)選帶滾珠的滑塊，第二滑動機構采用萬向滾珠作為滑動件，滾珠摩擦力較小，有利于法向千斤頂在較大的法向應力(其方向豎直向下)下的水平移動。直剪試驗裝置中的反力裝置對施加載荷至關重要，通過反力裝置可以較為簡便的為試驗提供法向力，本發(fā)明提供的結構面直剪試驗裝置中，法向龍門架與下剪切盒固連構成法向反力裝置，切向龍門架與法向龍門架固連構成切向反力裝置，切向龍門架與法向龍門架均由弧形拱頂和兩個豎直臂構成，弧形拱頂和兩個豎直臂均具有一定寬度，并且法向龍門架與下剪切盒的連接以及切向龍門架與法向龍門架的連接均通過3個以上螺釘實現(xiàn)，三點確定一個平面，螺釘限制法向龍門架與下剪切盒之間以及切向龍門架與法向龍門架之間發(fā)生角位移，法向反力裝置和切向反力裝置結構穩(wěn)固，保證力的確定性；法向千斤頂?shù)奈恢每烧{(diào)，位置調(diào)節(jié)組件實時調(diào)整法向千斤頂與法向反力裝置的相對位置，以確保試驗過程中施加的法向力為垂直于結構面的正應力，對消除試驗中的非正常破壞起到了積極的作用，提高試驗的準確性。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的精確控制法向應力施加過程的結構面直剪試驗裝置具有以下優(yōu)點：1、精確性高：本裝置通過改進、添加了分離型的軌道底座，能隨試驗過程改變法向千斤頂?shù)淖饔梦恢?，確保施加的法向應力與結構面垂直，即法向應力始終為正應力，消除了目前所用裝置的弊端，從而提高了試驗的準確性。2、自動化：本裝置中利用位移傳感器和控制器來控制伺服電機，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)的自動化，提高了調(diào)節(jié)過程的準確性。3、操作過程簡單，成本低：與室內(nèi)伺服剪切儀或者現(xiàn)場剪切試驗相比，本裝置拆卸安裝方便易懂，造價成本低。4、使用范圍廣泛：本裝置中的滑動機構可以用于其他需要調(diào)節(jié)荷載作用位置的裝置中。附圖說明圖1為本發(fā)明提供的精確控制法向應力施加過程的結構面直剪試驗裝置的結構示意圖。圖2為第二滑動機構的立體結構示意圖。圖3為第二滑動機構的主視結構示意圖。圖4為第二滑動機構拆除導軌基座后的俯視結構示意圖。圖5為第二滑動機構的左視結構示意圖。圖6為伺服電機的安裝結構圖。圖7為萬向滾珠的結構示意圖。其中，1-箍圈，2-螺母，3-絲杠，4-伺服電機，5-固定架，6-擴大板，7-第二滑動機構，8-位移傳感器，9-控制器，10-法向龍門架，11-法向千斤頂，12-切向千斤頂，13-上剪切盒，14-下剪切盒，15-導軌基座，16-萬向滾珠，17-燕尾槽，18-導棒，19-軌道槽，20-封槽板，21-長方體塊，22-電機底座，23-連接鍵，24-切向龍門架。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細具體說明，本發(fā)明的內(nèi)容不局限于以下實施例。本發(fā)明提供的精確控制法向應力施加過程的結構面直剪試驗裝置，其結構如圖1所示，包括上剪切盒13、下剪切盒14、位置調(diào)節(jié)組件、法向加載組件和切向加載組件；所述法向加載組件包括法向龍門架10和法向千斤頂11，法向龍門架10沿法向安裝、其下端通過兩排螺釘(4個螺釘)與下剪切盒14連接，法向千斤頂11的側面上套設有箍圈1，所述法向龍門架10由弧形拱頂A和兩個豎直臂A構成，法向龍門架10的弧形拱頂A內(nèi)表面上沿切向設有第一滑動機構，法向千斤頂11通過第一滑動機構安裝于法向龍門架上，第一滑動機構包括相互匹配的滑塊和滑槽，滑塊安裝于法向千斤頂?shù)捻敳浚瑝K優(yōu)選滾珠滑塊，滑槽沿切向安裝于弧形拱頂A的內(nèi)表面上或者弧形拱頂A的內(nèi)表面上沿切向開設滑槽；所述切向加載組件包括切向龍門架24和切向千斤頂12，所述切向龍門架24由弧形拱頂B和兩個豎直臂B構成，切向千斤頂12沿切向固定于弧形拱頂B的內(nèi)表面上，切向龍門架的兩個豎直臂B垂直于法向龍門架10并且通過兩排螺釘(4個螺釘)與法向龍門架10的兩個豎直臂A的下部連接；位置調(diào)節(jié)組件安裝于法向龍門架10上，所述位置調(diào)節(jié)組件包括固定架5、伺服電機4、滾珠絲杠副、擴大板6、第二滑動機構、位移傳感器8和控制器9，固定架5通過螺釘沿切向安裝于法向龍門架的的兩個豎直臂A的上部，參見圖6，伺服電機4通過電機底座22沿切向安裝于固定架5上，滾珠絲杠副的絲杠3通過連接鍵23與伺服電機4的轉軸連接，滾珠絲杠副的螺母2的一端與絲杠3連接、另一端焊接固定于箍圈1上，絲杠的兩端均設有與控制器的輸入端電性連接的限位開關，法向千斤頂11的活塞的端部與擴大板6固連；參見圖2至圖5，所述第二滑動機構由燕尾槽17、軌道板、導軌基座15和萬向滾珠16，所述燕尾槽的一端開口，燕尾槽17沿切向安裝于上剪切盒13上表面的中間部位，燕尾槽的中部設有歸零標記、開口上設有封槽板20，導軌基座15的下端位于燕尾槽中并且與燕尾槽的形狀相吻合，軌道板位于燕尾槽的槽底，軌道板由2個以上沿切向順序安裝于燕尾槽槽底的長方體塊21通過彈性導棒18順序連接構成，相鄰長方體塊之間設有潤滑膜，各長方體塊21的同一位置處均開設有弧形槽，各長方體塊的弧形槽構成軌道槽19，萬向滾珠16(如圖7所示)安裝于導軌基座15的下表面上并且與軌道槽19相配合，擴大板6與導軌基座15的上表面接觸，位移傳感器8安裝于下剪切盒13上并且連接控制器9的輸入端，控制器9的輸出端與伺服電機4電性連接。應用本發(fā)明提供的裝置，在操作結構面直剪儀時，其過程是：1、首先將第二滑動機構安裝于上剪切盒的中間部位，安裝法向千斤頂、連接擴大板，同時套裝箍圈位于千斤頂?shù)闹胁课恢茫{(diào)試伺服電機后暫時關閉電源；2、將天然結構面或者人工制作的結構面試樣放入下剪切盒之內(nèi)，并把上剪切盒扣在試樣上面；3、安裝切向加載千斤頂；4、安裝龍門架，對法向千斤頂?shù)奈恢眠M行歸零調(diào)整，使其處于上剪切盒的中間部位；5、打開伺服電機電源；6、選擇法向應力，按照設計應力施加第一級法向應力，即加壓法向千斤頂，當?shù)竭_設計法向力時停止加壓；7、當法向應力達到預定的值后，再施加切向力載荷，控制切向力載荷的加載速度，試樣相對位移每分鐘不超過2mm，每位移0.2～0.5mm記錄一次相應的剪切應力值和切向位移；8、試驗過程中，時刻觀察法向千斤頂?shù)拇怪倍龋邢蚯Ы镯數(shù)募虞d速度產(chǎn)生的位移不可過快，不可超過伺服電機調(diào)整法向千斤頂?shù)乃俣龋?、當?shù)谝患壏ㄏ驊ο碌脑囼灲Y束的時候，先卸掉切向力載荷，再卸掉法向力載荷，推試樣復原位或更換試樣，將本裝置調(diào)零，施加第二級法向應力，開始第二次摩擦。一般情況下，法向應力需施加3～5級，每變一次法向應力，進行一次摩擦；10、摩擦完畢，拆除儀表，安放儀器。