一種巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)裝置的制作方法

本發(fā)明涉及巖石節(jié)理滲流試驗(yàn)，具體涉及一種巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

節(jié)理巖體是地下洞室、隧道、采礦、水利水電和邊坡等各種巖體工程中經(jīng)常遇到的一種復(fù)雜巖體。在地質(zhì)作用過(guò)程中，巖體中產(chǎn)生了大量不同規(guī)模的節(jié)理。與完整巖塊相比，節(jié)理的抗剪強(qiáng)度較低，是巖體中的弱面，因而巖體的力學(xué)性質(zhì)在很大程度上取決于節(jié)理的剪切力學(xué)性質(zhì)。

在實(shí)際工程中，節(jié)理面的剪切的發(fā)生過(guò)程有多種因素共同作用，法向荷載、剪切荷載和巖石材料、節(jié)理面三維形貌等因素都對(duì)節(jié)理剪切有影響。在試驗(yàn)室中要得到可靠的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)過(guò)程的剪切條件模擬必須和實(shí)際情況一致。現(xiàn)有的巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)裝置中，有的剪切裝置中節(jié)理試樣在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)碰撞剪切盒，導(dǎo)致剪切結(jié)果有誤差；有的在上下剪切盒之間存在較大摩擦力，使得作用于節(jié)理面的剪切荷載發(fā)生變化，不易測(cè)得；有的剪切試驗(yàn)裝置限定了節(jié)理面剪切的方向，會(huì)出現(xiàn)剪斷現(xiàn)象，與實(shí)際工程中節(jié)理面剪切變形的情況不符；另外，由于剪切盒的重量較大，在搬運(yùn)安裝過(guò)程中較為不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種模擬結(jié)果更真實(shí)、測(cè)量更準(zhǔn)確、安裝更便利的巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)裝置。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)裝置，所述裝置包括對(duì)稱(chēng)設(shè)置的上剪切盒、下剪切盒，所述上剪切盒和下剪切盒的中部均設(shè)有用于放置巖石節(jié)理試樣的空腔，所述下剪切盒固定安裝在底座上，所述巖石節(jié)理試樣的頂部壓有金屬塊，其中，巖石節(jié)理試樣包括巖石節(jié)理上剪切塊、巖石節(jié)理下剪切塊以及位于兩者之間的節(jié)理面，所述上剪切盒和下剪切盒的中部設(shè)有凹槽，所述凹槽連通空腔的一端，且凹槽的寬度與空腔的寬度相同，剪切方向的寬度略大于試驗(yàn)產(chǎn)生的剪切位移。由于在剪切過(guò)程中，節(jié)理試件上、下剪切塊之間會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，如果沒(méi)有凹槽，試件錯(cuò)開(kāi)的部分會(huì)與剪切盒發(fā)生碰撞，受到外力作用，這對(duì)于節(jié)理的最終變形狀態(tài)產(chǎn)生影響，更有甚者，試件發(fā)生破壞，試驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行下去。所以在上剪切盒和下剪切盒空腔的一端設(shè)置一個(gè)凹槽作為緩沖帶，且該凹槽的在剪切方向的長(zhǎng)度略大于巖石節(jié)理試樣的移動(dòng)距離，可以很好避免這種情況的發(fā)生。

所述的上剪切盒呈l型，包括一塊水平頂板以及設(shè)置在水平頂板一端且與水平頂板一體成型的豎直板，所述豎直板的頂端與水平頂板的頂端齊平，豎直板的底端低于水平頂板的底端；所述空腔設(shè)置在水平頂板的中部，且在水平頂板下表面設(shè)有凹槽，所述凹槽緊靠在空腔靠近豎直板的一端，所述豎直板的一側(cè)固定，所述水平頂板的下表面設(shè)有兩條平行的槽道，所述槽道位于空腔兩條長(zhǎng)側(cè)邊的兩側(cè)，且與長(zhǎng)側(cè)邊平行。

所述的下剪切盒呈l型，包括一塊水平底板以及設(shè)置在水平底板一端且與水平底板一體成型的垂直板，所述垂直板的底端與水平底板的頂端齊平，垂直板的底端低于水平底板的底端；所述空腔設(shè)置在水平底板的中部，且在水平底板上表面設(shè)有凹槽，所述凹槽緊靠在空腔靠近垂直板的一端，所述水平底板的上表面設(shè)有兩條平行的槽道，所述槽道位于空腔兩條長(zhǎng)側(cè)邊的兩側(cè)，且與長(zhǎng)側(cè)邊平行。

安裝時(shí)，所述上剪切盒下表面的槽道與下剪切盒上表面的槽道重合，且在槽道內(nèi)放置滾珠排，滾珠排高度略大于節(jié)理面凸起粗糙度。這種設(shè)置可將巖石節(jié)理剪切過(guò)程中上下剪切盒滑動(dòng)接觸轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)接觸，且能保證巖石節(jié)理按照其天然節(jié)理面進(jìn)行剪切。

所述下盒體上表面中軸線的兩端設(shè)有內(nèi)螺紋孔，所述上盒體上表面中軸線的兩端也設(shè)有內(nèi)螺紋孔，將帶有吊孔的螺絲旋入螺孔中，搬運(yùn)時(shí)，通過(guò)吊機(jī)勾住螺絲，就可以較為方便的移動(dòng)上下剪切盒。

所述下盒體垂直板的頂端設(shè)有兩個(gè)剪切位移測(cè)臺(tái)。

所述剪切位移測(cè)臺(tái)呈l型，剪切位移測(cè)試臺(tái)上安裝位移傳感器。

所述金屬塊上部的四個(gè)頂角處設(shè)有法向位移測(cè)臺(tái)。

所述法向位移測(cè)臺(tái)呈l型，法向位移測(cè)臺(tái)的豎直邊與金屬塊側(cè)邊的頂部固定，法向位移測(cè)臺(tái)的水平邊與金屬塊的頂面齊平，所述法向位移測(cè)臺(tái)安裝位移傳感器。

在試驗(yàn)過(guò)程中，金屬塊體與法向加載系統(tǒng)接觸、下剪切盒的一端與剪切向加載系統(tǒng)接觸，無(wú)法直接通過(guò)他們測(cè)量法向位移和剪切向位移。因此，通過(guò)在金屬塊體側(cè)邊嵌固上表面與金屬塊上表面持平的法向位移測(cè)臺(tái)，和嵌固在下剪切盒上的剪切位移測(cè)臺(tái)，將其平面延伸，可以放置lvdt位移計(jì)，測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的位移。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)、通過(guò)設(shè)置凹槽，可以避免節(jié)理試件在剪切過(guò)程中與剪切盒發(fā)生碰撞，節(jié)理不會(huì)受到試驗(yàn)要求以外的荷載作用，保證試驗(yàn)順利開(kāi)展；

(2)、在上、下剪切盒接觸的地方加工槽道并放置滾柱排，利用滾柱排將上剪切盒墊高，與下剪切盒之間留出和節(jié)理面粗糙度相當(dāng)?shù)目障?；且加入滾柱排后，可減少上、下剪切盒的接觸面積，減少剪切移動(dòng)過(guò)程中兩剪切盒間的摩阻力對(duì)試驗(yàn)的影響；

(3)、上、下剪切盒的“l(fā)”型角構(gòu)造可以防止因操作失誤所導(dǎo)致的過(guò)度剪切節(jié)理面的現(xiàn)象出現(xiàn)；

(4)、傳遞均布法向荷載的金屬塊體有一定高度嵌入剪切裝置空腔體中，能有效阻止因金屬塊體與試件表面摩擦力小而發(fā)生滑移的意外事件。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)正視圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖3為圖2中a-a的剖面圖；

圖4為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)左視圖；

圖5為本發(fā)明上剪切盒仰視圖；

圖6為本發(fā)明下剪切盒俯視圖。

其中，1為底座，2為內(nèi)螺紋孔，3為上剪切盒，4為下剪切盒，5為巖石節(jié)理上剪切塊，6為巖石節(jié)理下剪切塊，7為空腔，8為凹槽，9為槽道，10為滾珠排，11為金屬塊，12為節(jié)理面，13為法向位移側(cè)臺(tái)，14為剪切位移側(cè)臺(tái)。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

一種巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1～圖6所示，該巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)裝置包括底座1，設(shè)置在下剪切盒4的下方，通過(guò)機(jī)械加工使兩者成為一個(gè)剛體。上剪切盒3覆于下剪切盒4上方，兩者中部均設(shè)有空腔7，且重合后用于放置巖石節(jié)理試樣，巖石節(jié)理試樣的上方壓有一塊金屬塊11。巖石節(jié)理試樣的中軸線上為節(jié)理面12，將該巖石節(jié)理試樣分為巖石節(jié)理上剪切塊5和巖石節(jié)理上剪切塊6。上剪切盒3和下剪切盒4的上表面中軸線的兩端開(kāi)設(shè)了兩個(gè)內(nèi)螺紋孔2，將帶有吊孔的螺栓旋入內(nèi)螺紋孔2固定，可以用起重機(jī)移動(dòng)上下剪切盒。上剪切盒3和下剪切盒4左右兩側(cè)接觸面上均加工出一定深度的槽道9，且安裝時(shí)上剪切盒3和下剪切盒4的槽道9重合，將滾柱排10嵌入到槽道9中，放置上剪切盒3時(shí)，滾柱排9的高度使得上下剪切盒間留有一定高度的空隙。

如圖5和圖6所示，兩個(gè)剪切盒中的空腔7的一側(cè)都有一個(gè)稍低于剪切盒表面的凹槽8，在節(jié)理剪切方向上的寬度要略大于節(jié)理剪切的位移，其作用是防止在試件剪切過(guò)程中與剪切盒發(fā)生接觸、摩擦，對(duì)試件產(chǎn)生二次荷載作用。

在金屬塊11上部的四個(gè)角處，用直角狀不銹鋼設(shè)置4個(gè)法向位移測(cè)臺(tái)13，在下剪切盒4剪切方向的前端，用直角狀不銹鋼設(shè)置2個(gè)剪切位移測(cè)臺(tái)14。

本發(fā)明中，利用滾柱排還可以減小上下剪切盒接觸時(shí)產(chǎn)生的摩阻力對(duì)節(jié)理剪切的影響，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

使用該剪切裝置開(kāi)展巖石節(jié)理剪切試驗(yàn)具體步驟如下：

(1)巖石節(jié)理試件尺寸為200mm×100mm×100mm，節(jié)理剪切方向長(zhǎng)度為200mm，節(jié)理面處于側(cè)面的水平中軸線上下。試件可采用人工模擬天然節(jié)理試件或水泥砂漿復(fù)制天然節(jié)理試件。制作試件時(shí)，先選取尺寸相近、表面完整、無(wú)明顯損壞的巖石材料進(jìn)行加工，采用巴西劈裂法人工模擬天然節(jié)理面。對(duì)于復(fù)制節(jié)理試件，以天然節(jié)理或人工模擬的節(jié)理為模板，再用一定質(zhì)量配比的水、水泥、砂漿制成的材料對(duì)節(jié)理面進(jìn)行復(fù)制。

(2)清理剪切裝置，將下剪切盒起吊移動(dòng)至法向加載框架球形萬(wàn)向壓頭的下方，在剪切盒空腔內(nèi)平整放入試件。確認(rèn)下剪切盒的槽道內(nèi)已將滾柱排嵌固完畢，再將上剪切盒覆于其上方。此時(shí)，把金屬塊平穩(wěn)地放在試件上表面。再將lvdt位移計(jì)放置在法向位移測(cè)臺(tái)和剪切位移測(cè)臺(tái)上。最后，將整個(gè)剪切裝置移動(dòng)至球形萬(wàn)向壓頭的正下方，啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，法向預(yù)加載使球形萬(wàn)向壓頭與金屬塊接觸，此時(shí)的法向荷載不宜過(guò)大，一般為0.5kn。檢查無(wú)誤后，在法向施加試驗(yàn)所需的邊界條件，而后，操作水平向加載系統(tǒng)與剪切裝置接觸，接觸時(shí)應(yīng)力一般也是0.5kn，進(jìn)程正常時(shí)，繼續(xù)按照規(guī)范要求的剪切速率進(jìn)行試驗(yàn)，剪切過(guò)程上剪切盒相對(duì)剪切系統(tǒng)固定不動(dòng)，水平向加載器作用于下剪切盒4，使其發(fā)生剪切位移，直至完成。