本發(fā)明涉及巖石力學(xué)試驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種巖石拉壓環(huán)剪試驗(yàn)儀。

背景技術(shù)：

巖石的抗剪斷強(qiáng)度是巖石抵抗剪切破壞的能力，是巖石力學(xué)研究中需要的重要的特性之一。在巖土工程領(lǐng)域，廣泛采用試驗(yàn)方法測(cè)定巖石的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。量測(cè)巖石抗剪斷強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，可分為室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩大類。其中，室內(nèi)試驗(yàn)通常包括直接剪切試驗(yàn)、楔形剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)通常為直接剪切試驗(yàn)。

分析現(xiàn)有的試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)加載方式、試樣結(jié)構(gòu)形式的選取，使得在剪切過(guò)程中，剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻，剪切面為漸進(jìn)式破壞且與剪應(yīng)力輸出方向不在同一平面，并不能真實(shí)反映巖石受剪時(shí)的受力狀態(tài)，對(duì)于反映巖石的真實(shí)受力狀態(tài)和研究巖石的抗剪斷強(qiáng)度等參數(shù)具有較強(qiáng)的局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種巖石拉壓環(huán)剪試驗(yàn)儀，解決現(xiàn)有技術(shù)中巖石試樣剪切過(guò)程中剪切面上剪切應(yīng)力分布不均勻，破壞不連續(xù)，剪應(yīng)力輸出方向不同面無(wú)法真實(shí)反映受力狀態(tài)的技術(shù)問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種巖石拉壓環(huán)剪試驗(yàn)儀，包括：基座、下剪切盒、上剪切盒、第一框架、第二框架、軸向加載系統(tǒng)以及扭矩加載系統(tǒng)；

所述第一框架固定在所述基座上，所述第二框架固定在所述第一框架上；

所述軸向加載系統(tǒng)固定在所述第二框架上，所述上剪切盒固定在所述軸向加載系統(tǒng)輸出端；

所述扭矩加載系統(tǒng)固定在所述第二框架上；

所述下剪切盒固定在所述基座上；

其中，所述上剪切盒與所述下剪切盒相對(duì)設(shè)置；所述上剪切盒上開(kāi)設(shè)環(huán)形上試樣槽，所述下剪切盒上開(kāi)設(shè)與之匹配的環(huán)形下試樣槽；

所述扭矩加載系統(tǒng)與所述軸向加載系統(tǒng)的輸出端相連，用于施加水平扭矩。

進(jìn)一步地，所述軸向加載系統(tǒng)包括：軸向施力組件以及軸向活塞桿；

所述軸向施力組件固定在所述第二框架上；

所述軸向活塞桿與所述軸向施力組件相連，用于傳遞軸向拉力和壓力；

所述活塞桿頂端與所述上剪切盒固定相連。

進(jìn)一步地，所述扭矩加載系統(tǒng)包括：水平施力組件、水平推拉連桿以及齒輪盤；

所述齒輪盤中心處開(kāi)設(shè)環(huán)套固定結(jié)構(gòu)，套接在所述軸向活塞桿上；

所述水平施力組件通過(guò)水平連桿與所述齒輪盤相連，驅(qū)動(dòng)所述齒輪盤以所述軸向活塞桿為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并拉動(dòng)所述軸向活塞桿轉(zhuǎn)動(dòng)；

其中，所述水平推拉連桿上設(shè)置與所述齒輪盤匹配嚙合的齒。

進(jìn)一步地，所述扭矩加載系統(tǒng)還包括：水平導(dǎo)向滑軌以及與之匹配的滑塊；

所述水平推拉桿與所述滑塊固定相連，可跟隨滑塊沿所述水平導(dǎo)向滑軌水平移動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述環(huán)套固定結(jié)構(gòu)包括：限位結(jié)構(gòu)以及滾珠排；

所述限位結(jié)構(gòu)固定在所述齒輪盤與所述軸向活塞桿之間，用于限制兩者水平方向上的相對(duì)位移；

所述滾珠排設(shè)置在所述齒輪盤與所述軸向活塞桿之間，用于實(shí)現(xiàn)齒輪盤與所述軸向活塞桿在軸向上的相對(duì)滑動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述軸向活塞桿中部設(shè)置成正多邊形外緣面，所述限位結(jié)構(gòu)采用與之匹配的正多邊形限位孔；

所述滾珠排嵌于所述正多邊形限位孔與所述正多邊形外緣面之間。

進(jìn)一步地，所述扭矩加載系統(tǒng)還包括：齒輪盤限位結(jié)構(gòu)；

所述出輪盤限位結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述第一框架和所述第二框架之間，夾在所述齒輪面兩側(cè)，限制其軸向位移。

進(jìn)一步地，在所述上剪切盒以及所述下剪切盒內(nèi)，與試樣接觸的面上開(kāi)設(shè)凸臺(tái)。

進(jìn)一步地，所述軸向施力組件采用軸向液壓千斤頂以及第一液壓伺服泵，所述水平施力組件采用水平液壓千斤頂和第二液壓伺服泵。

進(jìn)一步地，所述第一框架和所述第二框架上均設(shè)置與所述軸向活塞桿匹配的滑套，分別套接在所述軸向活塞桿的上部和下部，限制其擺幅。

本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的巖石拉壓環(huán)剪試驗(yàn)儀，通過(guò)軸向加載系統(tǒng)施加軸向拉力和壓力，形成需要的應(yīng)力環(huán)境；并進(jìn)一步通過(guò)扭矩加載系統(tǒng)對(duì)環(huán)形柱狀巖石試樣施加扭矩，實(shí)現(xiàn)環(huán)剪，從而實(shí)現(xiàn)均勻施加剪應(yīng)力，促使剪切變形連續(xù)均勻；同時(shí)，通過(guò)上剪切盒與下剪切盒分立匹配，保持間隙，從而保證剪切力集中在銜接面處，使得剪切應(yīng)力同平面，真實(shí)完整的反映巖石受剪時(shí)的受力狀態(tài)，對(duì)于反映巖石的真實(shí)受力狀態(tài)和研究巖石的抗剪斷強(qiáng)度等參數(shù)具有明確，可靠的完整性。另一方面，可獨(dú)立或混合地對(duì)巖樣加載軸向拉力、壓力及扭矩，且克服了軸向力與扭矩加載時(shí)相互干擾的缺陷，可以實(shí)現(xiàn)剪切過(guò)程所受剪應(yīng)力分布的均勻性以及剪切變形的連續(xù)性，獲得較為精確的巖石抗剪切強(qiáng)度參數(shù)、剪切變形變化，改進(jìn)和完善巖石的本構(gòu)關(guān)系。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的巖石拉壓環(huán)剪試驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的扭矩加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本申請(qǐng)實(shí)施例通過(guò)提供一種巖石拉壓環(huán)剪試驗(yàn)儀，解決現(xiàn)有技術(shù)中巖石試樣剪切過(guò)程中剪切面上剪切應(yīng)力分布不均勻，破壞不連續(xù)，剪應(yīng)力輸出方向不同面的技術(shù)問(wèn)題；達(dá)到了提升巖石抗剪切強(qiáng)度參數(shù)、剪切變形變化精度，完整性，改善巖石本構(gòu)關(guān)系的技術(shù)效果。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)實(shí)施例提供技術(shù)方案的總體思路如下：

通過(guò)扭矩加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)柱狀巖石試樣的扭矩均勻施加，保證形變連續(xù)均勻；并通過(guò)軸向加載系統(tǒng)和扭矩加載系統(tǒng)的獨(dú)立操作，并結(jié)合上下剪切盒配合，保持剪切應(yīng)力處于銜接面，保持在同一平面內(nèi)；從而模擬巖石試樣的真實(shí)完整的受力狀態(tài)，提升試驗(yàn)參數(shù)的精度、完整性和可靠性。

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說(shuō)明書附圖以及具體的實(shí)施方式對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明實(shí)施例以及實(shí)施例中的具體特征是對(duì)本申請(qǐng)技術(shù)方案的詳細(xì)的說(shuō)明，而不是對(duì)本申請(qǐng)技術(shù)方案的限定，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)實(shí)施例以及實(shí)施例中的技術(shù)特征可以相互組合。

本發(fā)明依據(jù)空心圓柱的受力特點(diǎn)，采用針對(duì)空心圓柱試樣施加扭矩的方式，使其在預(yù)定環(huán)向截面發(fā)生破壞。剪切過(guò)程中，沿剪切面的剪應(yīng)力分布較為均勻、剪切面的變形連續(xù)且平整，可以獲得較為精確的抗剪斷強(qiáng)度。同時(shí)還可以研究巖石受拉下的抗剪強(qiáng)度，以及研究結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性。

參見(jiàn)圖1，具體來(lái)講，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種巖石拉壓環(huán)剪試驗(yàn)儀，包括：基座1、下剪切盒10、上剪切盒11、第一框架2-1、第二框架2-2、軸向加載系統(tǒng)以及扭矩加載系統(tǒng)。

所述第一框架2-1固定在所述基座1上，所述第二框架2-2固定在所述第一框架2-1上；構(gòu)成設(shè)備支架，確切的講，構(gòu)成軸向加載系統(tǒng)和扭矩加載系統(tǒng)的施力支架。

所述軸向加載系統(tǒng)固定在所述第二框架2-2上，所述上剪切盒11固定在所述軸向加載系統(tǒng)輸出端；即，本實(shí)施例通過(guò)上剪切盒11具體作為執(zhí)行拉壓和剪切操作的直接執(zhí)行部件。

所述扭矩加載系統(tǒng)固定在所述第二框架2-2上；

所述下剪切盒2-1固定在所述基座1上；

其中，所述上剪切盒11與所述下剪切盒10相對(duì)設(shè)置；所述上剪切盒11上開(kāi)設(shè)環(huán)形上試樣槽，所述下剪切盒上開(kāi)設(shè)與之匹配的環(huán)形下試樣槽。

所述扭矩加載系統(tǒng)與所述軸向加載系統(tǒng)的輸出端相連，結(jié)合與其相連的上剪切盒11，實(shí)現(xiàn)軸向加載系統(tǒng)的輸出端，同時(shí)執(zhí)行剪切操作和拉雅操作，用于施加水平扭矩和拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。

第一框架2-1通過(guò)螺栓與基座1連接，其中部開(kāi)有圓孔，用于軸向加載系統(tǒng)的動(dòng)作；第二框架2-2通過(guò)螺栓與第一框架2-1連接，其中部及水平位置開(kāi)有圓孔，分別用于安裝軸向加載系統(tǒng)及水平加載系統(tǒng)。

所述軸向加載系統(tǒng)包括：軸向施力組件以及軸向活塞桿5；所述軸向施力組件固定在所述第二框架2-2上；所述軸向活塞桿5與所述軸向施力組件相連，用于傳遞軸向拉力和壓力；所述活塞桿5頂端與所述上剪切盒11固定相連；形成直接施力結(jié)構(gòu)。

參見(jiàn)圖2，所述扭矩加載系統(tǒng)包括：水平施力組件3、水平推拉連桿7以及齒輪盤9；所述齒輪盤9中心處開(kāi)設(shè)環(huán)套固定結(jié)構(gòu)，套接在所述軸向活塞桿5上；所述水平施力組件通過(guò)水平連桿7與所述齒輪盤9相連，驅(qū)動(dòng)所述齒輪盤9以所述軸向活塞桿5為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并拉動(dòng)所述軸向活塞桿5轉(zhuǎn)動(dòng)。

其中，所述水平推拉連桿7上設(shè)置與所述齒輪盤9匹配嚙合的齒。

進(jìn)一步地，所述扭矩加載系統(tǒng)還包括：水平導(dǎo)向滑軌8以及與之匹配的滑塊；所述水平推拉桿7與所述滑塊固定相連，可跟隨滑塊沿所述水平導(dǎo)向滑軌8水平移動(dòng)。從而嚴(yán)格控制水平扭矩輸出的精度。

所述環(huán)套固定結(jié)構(gòu)包括：限位結(jié)構(gòu)以及滾珠排。

所述限位結(jié)構(gòu)固定在所述齒輪盤9與所述軸向活塞桿5之間，用于限制兩者水平方向上的相對(duì)位移。

所述滾珠排設(shè)置在所述齒輪盤9與所述軸向活塞桿5之間，用于實(shí)現(xiàn)齒輪盤9與所述軸向活塞桿5在軸向上的相對(duì)滑動(dòng)。

從而形成軸向施力結(jié)構(gòu)以及水平扭矩結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述軸向活塞桿5中部設(shè)置成正多邊形外緣面5-2，所述限位結(jié)構(gòu)采用與之匹配的正多邊形限位孔；所述滾珠排嵌于所述正多邊形限位孔與所述正多邊形外緣面5-2之間。形成嚴(yán)格可靠的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩傳動(dòng)。

具體來(lái)說(shuō)，所述軸向活塞桿5可設(shè)置為變截面形狀，包括：第一部分活塞桿5-1，第二部分活塞桿5-2，第三部分活塞桿5-3。

其中，第一部分活塞桿5-1通過(guò)法蘭盤6與第二框架2-2連接，將反力傳遞給第二框架2-2。進(jìn)而傳遞給第一框架2-1，直至基座1；從而形成穩(wěn)定的施力結(jié)構(gòu)。

第二部分活塞桿5-2截面形狀為方形，正多邊形等；通過(guò)滾珠排與齒輪盤9連接，可用于傳遞齒輪盤9旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩，同時(shí)也可以上下移動(dòng)，傳遞軸向荷載。

第三部分活塞桿5-3與傳力板為一體，通過(guò)螺栓與上剪切盒11連接，將前兩部分傳遞的荷載，施加給巖樣，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

進(jìn)一步地，所述扭矩加載系統(tǒng)還包括：齒輪盤限位結(jié)構(gòu)4；所述出輪盤限位結(jié)構(gòu)4設(shè)置在所述第一框架2-1和所述第二框架2-2之間，夾在所述齒輪面9兩側(cè)，限制其軸向位移，使之能夠穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，在所述上剪切盒以及所述下剪切盒內(nèi)，與試樣接觸的面上開(kāi)設(shè)凸臺(tái)。在通過(guò)強(qiáng)力膠固定的時(shí)候，增大與試樣的接觸面積，保證試樣固定的可靠性。

所述軸向施力組件采用軸向液壓千斤頂以及第一液壓伺服泵，所述水平施力組件采用水平液壓千斤頂和第二液壓伺服泵。

進(jìn)一步地，所述第一框架和所述第二框架上均設(shè)置與所述軸向活塞桿匹配的滑套，分別套接在所述軸向活塞桿的上部和下部，限制其擺幅。

本發(fā)明巖石拉/壓—環(huán)剪試驗(yàn)儀可獨(dú)立或混合地對(duì)巖樣加載軸向拉力、壓力及扭矩，且克服了軸向力與扭矩加載時(shí)相互干擾的缺陷，可以實(shí)現(xiàn)剪切過(guò)程所受剪應(yīng)力分布的均勻性以及剪切變形的連續(xù)性，獲得更為精確的巖石抗剪切強(qiáng)度參數(shù)、剪切變形變化，改進(jìn)和完善巖石的本構(gòu)關(guān)系。同時(shí)還可以用于研究結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性，對(duì)于工程問(wèn)題的解決具有重要意義。

本發(fā)明的工作原理為：

制備空心圓柱巖樣，并在巖樣外壁的中部空隙位置粘貼應(yīng)變片，與應(yīng)變采集系統(tǒng)連接。上剪切盒11、下剪切盒10的底部和凸臺(tái)側(cè)壁涂抹強(qiáng)力膠，將巖樣與上剪切盒11和下剪切盒10粘結(jié)一起。并且保證下剪切盒10、巖樣、上剪切盒11在同一條中心線上，巖樣和下剪切盒10、上剪切盒11連接為一個(gè)整體。

下剪切盒10放置于基座1之間通過(guò)螺栓連接，并保證下剪切盒10和基座1端部水平連接。上剪切盒11通過(guò)螺栓與軸向活塞桿5連接，并保證上剪切盒11和軸向活塞桿5端部水平連接。

軸向活塞桿5通過(guò)法蘭盤6與第二框架2-2連接，第一部分軸向活塞桿5-1、第二部分軸向活塞桿5-2以及第三部分軸向活塞桿5-3，分別穿過(guò)第二框架2-2、齒輪盤9、第一框架2-1，與上剪切盒11連接。軸向活塞桿5的下表面和基座1、下剪切盒10、上剪切盒10的上下表面水平平行。

直線導(dǎo)軌8通過(guò)螺栓與第二框架2-2固定，水平推拉連桿7在水平導(dǎo)向滑軌8上滑行；水平施力組件3通過(guò)螺栓與第二框架2-2固定，且與第二框架2-2通過(guò)滑套13的形式，實(shí)現(xiàn)活塞桿的移動(dòng)；齒輪盤9在軸向方向上通過(guò)齒輪限位裝置4與第一框架2-1、第二框架2-2固定，保證齒輪盤9在試驗(yàn)過(guò)程中只能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，不能發(fā)生上下移動(dòng)。在水平方向，水平施力組件3推動(dòng)水平推拉連桿7沿水平導(dǎo)向滑軌8前后移動(dòng)，控制齒輪盤9的旋轉(zhuǎn)。

齒輪盤9中間開(kāi)有方形孔，通過(guò)滾排裝置與軸向活塞桿5連接，滾排形式的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)軸向活塞桿5的上下移動(dòng)，同時(shí)可以將齒輪盤9旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩傳遞給軸向活塞桿5，進(jìn)而傳遞給巖樣。以實(shí)現(xiàn)軸向力和扭矩的獨(dú)立或混合的加載。

當(dāng)加載軸向壓力時(shí)，通過(guò)液壓伺服泵向軸向活塞上部空間輸油，推動(dòng)軸向活塞桿向下移動(dòng)，施加軸向壓力。繼續(xù)加載軸向壓力至設(shè)定值，試驗(yàn)結(jié)束并需卸載軸向壓力時(shí)，通過(guò)液壓伺服泵向軸向活塞下部空間輸油，提升活塞。

當(dāng)加載軸向拉力時(shí)，通過(guò)液壓伺服泵向軸向活塞下部空間輸油，推動(dòng)軸向活塞桿向上移動(dòng)，施加軸向拉力。繼續(xù)加載軸向拉力至設(shè)定值，試驗(yàn)結(jié)束并需卸載軸向拉力時(shí)，通過(guò)液壓伺服泵向軸向活塞下上部空間輸油，提升活塞。

當(dāng)加載扭矩時(shí)，通過(guò)液壓伺服泵向千斤頂輸油至設(shè)定值，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)卸載千斤頂?shù)挠蛪骸?/p>

試驗(yàn)結(jié)束并需取出巖樣時(shí)，將連接上剪切盒11與軸向活塞桿5的螺栓拆卸，取出上剪切盒11。講連接下剪切盒10與基座1的螺栓拆除，取出下剪切盒10。采用高溫加熱或者溶解膠體的方式，將巖樣與上剪切盒11、上剪切盒10分離。

本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的巖石拉壓環(huán)剪試驗(yàn)儀，通過(guò)軸向加載系統(tǒng)施加軸向拉力和壓力，形成需要的應(yīng)力環(huán)境；并進(jìn)一步通過(guò)扭矩加載系統(tǒng)對(duì)環(huán)形柱狀巖石試樣施加扭矩，實(shí)現(xiàn)環(huán)剪，從而實(shí)現(xiàn)均勻施加剪應(yīng)力，促使剪切變形連續(xù)均勻；同時(shí)，通過(guò)上剪切盒與下剪切盒分立匹配，保持間隙，從而保證剪切力集中在銜接面處，使得剪切應(yīng)力同平面，真實(shí)完整的反映巖石受剪時(shí)的受力狀態(tài)，對(duì)于反映巖石的真實(shí)受力狀態(tài)和研究巖石的抗剪斷強(qiáng)度等參數(shù)具有明確，可靠的完整性。另一方面，可獨(dú)立或混合地對(duì)巖樣加載軸向拉力、壓力及扭矩，且克服了軸向力與扭矩加載時(shí)相互干擾的缺陷，可以實(shí)現(xiàn)剪切過(guò)程所受剪應(yīng)力分布的均勻性以及剪切變形的連續(xù)性，獲得較為精確的巖石抗剪切強(qiáng)度參數(shù)、剪切變形變化，改進(jìn)和完善巖石的本構(gòu)關(guān)系。

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上具體實(shí)施方式僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。