本發(fā)明屬于巖石力學(xué)試驗儀器技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種巖石直剪及點荷載試驗裝置及其試驗操作方法。

背景技術(shù)：

近幾年，隨著國家大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，工程中與巖石力學(xué)相關(guān)的問題大量出現(xiàn)。巖石的剪切和抗壓強度是巖石最主要的力學(xué)指標(biāo)，近年來通過施加剪切力或剪切位移對巖石強度進行試驗的方法在全世界范圍內(nèi)受到重視。其中，直剪試驗由于其操作簡便、適用范圍廣而應(yīng)用最為普遍。

由于沒有統(tǒng)一的直剪試驗儀器制造標(biāo)準(zhǔn)，各個單位自行研制的巖石直剪試驗儀器從形式、結(jié)構(gòu)到使用方法都有很大的差別。從資料的檢索看，國內(nèi)外的直剪儀設(shè)備很多：如美國Durham Geo 公司生產(chǎn)的LG-140 大型高性能接觸面直剪儀，英國ELE 公司生產(chǎn)的大型直剪儀，美國GCTS 公司生產(chǎn)的伺服控制直剪測試系統(tǒng)，清華大學(xué)研制的TH-20t 大型土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)加載剪切儀，長江科學(xué)研究院土工研究所的室內(nèi)DHJ60 型疊環(huán)式剪切試驗機，四川大學(xué)水電學(xué)院研制的粗粒土直剪儀，南京土壤儀器有限公司的NHRI-4000 型高性能大接觸面直剪儀。

但上述設(shè)備仍存在諸多不足之處:

（1）操作復(fù)雜。如變角板法剪切試驗，需要制備規(guī)定尺寸的立方體試樣，且在試驗中需要調(diào)整不同的傾斜角度，使試樣沿不同方向發(fā)生剪切破壞；還有一些試驗儀器，需要試驗前制作襯模，即將試件用防水套包扎后，用水泥等膠固在試模中，在試模中部鋪上云母粉等作為剪切面。這些復(fù)雜的操作過程，不利于本科生實驗課的開展，尤其是如果學(xué)生操作不熟練，容易導(dǎo)致儀器損毀。

（2）功能單一。如上述的一些儀器只能開展單一實驗項目，開展其它實驗又需要其它儀器，難以滿足需要。

（3）巖樣規(guī)格要求嚴格?，F(xiàn)有一些直剪試驗儀器對試樣尺寸大小要求嚴格，小型系列試樣在小型設(shè)備中進行測試，中型系列試樣在中型設(shè)備中測試，大型系列試樣在大型設(shè)備中測試。導(dǎo)致的后果是各設(shè)備的測試結(jié)果無法有效銜接。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種巖石直剪及點荷載試驗裝置，該裝置既能開展巖石直剪試驗，也能開展巖石點荷載試驗，同時提供巖石直剪及點荷載試驗操作方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種巖石直剪及點荷載試驗裝置，其特點在于：包括加載反力框架、軸向加載系統(tǒng)、法向加載系統(tǒng)、剪切試驗夾具和點荷載試驗夾具：

所述的加載反力框架是由四根立柱、立柱螺母、橫梁和工作臺組成，工作臺設(shè)有四根立柱，采用螺紋連接，立柱上端安裝橫梁由立柱螺母固定，為了增強立柱在工作受力狀態(tài)的強度，在立柱之間設(shè)有筋板；所述的工作臺面正中心設(shè)有一固定小螺栓；

所述的軸向加載系統(tǒng)包括軸向加載千斤頂、軸向手動油泵和壓力傳感器；所述的軸向加載千斤頂?shù)鬃税惭b在橫梁中心位置并采用螺釘固定連接，軸向加載千斤頂?shù)幕钊嗽O(shè)有壓力傳感器；所述的軸向手動油泵與軸向加載千斤頂通過油管連接，管路中安裝有軸向加載閥門和軸向壓力表；

所述的法向加載系統(tǒng)包括法向加載千斤頂、水平反力螺桿、螺桿螺母、法向手動油泵；所述的法向加載千斤頂安裝在工作臺的上平面正面左側(cè)的兩根立柱中間，所述的水平反力螺桿和螺桿螺母安裝在工作臺的上平面正面右側(cè)的兩根立柱中間，水平反力螺桿尾端裝有由手柄；所述的法向手動油泵與法向加載千斤頂通過油管連接，管路中安裝有法向加載閥門、法向壓力表和溢流閥；

所述的剪切試驗夾具包括水平反力板和剪切盒；所述的剪切盒包括壓板、帶滾軸壓板、橡皮墊板、剪切鋼壓板；兩個帶滾軸壓板對稱安置在水平反力板上，兩個壓板分別安置在帶滾軸壓板的內(nèi)側(cè)，中間安放試樣；試樣的上端和下端分別安放橡皮墊板和剪切鋼壓板，橡皮墊板和剪切鋼壓板是以試樣剪切中心對稱安放的；

所述的點荷載試驗夾具包括上加壓頭、下加壓頭；上加壓頭安裝在軸向加載千斤頂活塞端壓力傳感器的下端面，下加壓頭安裝在工作臺中心上，由小螺栓固定；

本發(fā)明的特點還在于：

所述的壓板與試樣接觸面的線形設(shè)計為直線形、圓弧形或異形，所述的剪切鋼壓板的線形與試樣的線形是相同的，剪切盒能適應(yīng)長方形、圓柱形及不同形狀和尺寸的巖樣。

一種巖石直剪及點荷載試驗裝置的剪切試驗操作方法，由以下步驟構(gòu)成：

步驟一：打開軸向加載閥門，操縱軸向手動油泵，使活塞下降到合適位置，將水平反力板置于工作臺中心位置由小螺栓固定，調(diào)節(jié)工作臺橫向中心與法向加載千斤頂及水平反力螺桿軸向平行；

步驟二：根據(jù)不同的巖樣形狀與尺寸組裝相應(yīng)的剪切盒，方塊體試樣選擇方形剪切鋼壓板及相應(yīng)的壓板和帶滾軸壓板，圓柱體試樣選擇圓形剪切鋼壓板及相應(yīng)的壓板和帶滾軸壓板；，把剪切鋼墊板正放水平反力板中心處，用橡皮墊板填充剪切鋼墊板另半邊空心部分，然后把試樣放置在剪切鋼墊板上對正，試樣上端面同樣用剪切鋼墊板蓋住對正，使用橡皮墊板填充剪切鋼墊板另半邊空心部分，上下剪切鋼墊板是以試樣剪切中心對稱安放的；

步驟三：操縱法向手動油泵，使加載端面與試樣緊密接觸；

步驟四：試樣兩側(cè)面分別依次安放壓板、帶滾軸壓板，調(diào)整法向加載千斤頂及水平反力螺桿使緊密接觸，如果松懈，搖動手柄使水平反力螺桿與其緊密接觸，注意壓板要完全覆蓋住試樣兩側(cè)面，并保持側(cè)面中心與法向加載中心一致；

步驟五：法向荷載從0MPa開始分級加載，每次增加相同等級，設(shè)定法向荷載預(yù)定值，打開法向加載閥門，操縱法向手動油泵，加載速度緩慢勻速進行，使法向壓力表示數(shù)達到預(yù)定值；

步驟六：操縱軸向手動油泵，加載速度緩慢勻速進行，直至試樣破壞，得到由壓力傳感器采集的載荷數(shù)值。

一種巖石直剪及點荷載試驗裝置的點荷載試驗操作方法，由以下步驟構(gòu)成：

步驟一：將上加壓頭與下加壓頭分別安裝到軸向加載千斤頂?shù)幕钊藟毫鞲衅鞯南露嗣婕肮ぷ髋_中心，上加壓頭與下加壓頭在同一豎直線上；

步驟二：打開軸向加載閥門，操縱軸向手動油泵，使活塞下降到合適位置，將試樣放置在下加壓頭上，同時操縱軸向手動油泵，使上加壓頭與試樣緊密接觸，接觸點與試樣軸心重合，保持試樣軸線與上加壓頭、下加壓頭連線重合；

步驟三：操縱軸向手動油泵，勻速加載直至試樣破壞，得到由壓力傳感器采集的載荷數(shù)值。

本發(fā)明的有益效果

（1）操作簡單，可操作性強，便于開展設(shè)計型堅硬巖土力學(xué)性能測試試驗。按照一些傳統(tǒng)的巖石剪切試驗需要澆筑混凝土包裹巖石，本發(fā)明采用專門設(shè)計的剪切試驗夾具，減少用混凝土包裹試樣程序（以及包裹水泥的影響），并極大縮短制備試樣周期。另外，按照規(guī)范要求制備標(biāo)準(zhǔn)試樣開展巖石的抗壓強度試驗耗時耗力，需要專門的制樣設(shè)備，不利于學(xué)生動手開展多樣性的自主設(shè)計型試驗，而用點荷載試驗方法簡單方便，試樣無需繁瑣加工，可及時獲得試驗數(shù)據(jù)?？舍槍κ覂?nèi)試驗制樣困難的風(fēng)化巖石、軟弱破碎巖石等開展試驗。

（2）能開展巖石直剪試驗和點荷載試驗，功能較多。該裝置通過分別制作直剪試驗和點荷載試驗夾具，而使用同一套加載系統(tǒng)和測讀系統(tǒng)，達到既能開展巖石直剪試驗、也能開展點荷載試驗的目的，提升儀器的性價比。

（3）能開展適應(yīng)不同尺寸的巖樣的剪切試驗。通過改進剪切壓頭尺寸等，使得剪切盒能夠?qū)Σ煌螤睿▓A柱體、長方體）和不同尺寸的試樣開展剪切試驗。

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種巖石直剪及點荷載試驗裝置剪切試驗示意圖。

圖2是圖1中方塊體試樣剪切盒剖視圖。

圖3是圖2的B-B剖視圖。

圖4是圓柱體試樣剪切盒剖視圖。

圖5是本發(fā)明的一種巖石直剪及點荷載試驗裝置點荷載試驗示意圖。

圖6是本發(fā)明的一種巖石直剪及點荷載試驗裝置主視圖。

圖7是圖6的俯視圖。

圖8是圖6的左視圖。

圖中標(biāo)號為：1-筋板，2-工作臺，3-小螺栓，4-水平反力板，5-剪切盒，6-壓板，7-帶滾軸壓板，8-橡皮墊板，9-剪切鋼壓板，10-上加壓頭，11-軸向加載千斤頂，12-軸向手動油泵，13-軸向加載閥門，14-軸向壓力表，15-法向加載千斤頂，16-反力螺桿，17-法向手動油泵，18-溢流閥，19-法向加載閥門，20-法向壓力表，21-試樣，22-下加壓頭， 23-立柱，24-橫梁，25-手柄，26-螺桿螺母，27立柱螺母，28壓力傳感器。

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

具體實施方式

參見圖1、圖2、圖3、圖4和圖5，圖1是本發(fā)明的一種巖石直剪及點荷載試驗裝置剪切試驗示意圖，圖2是圖1中方塊體試樣剪切盒剖視圖，圖3是圖2的B-B剖視圖，圖4是圓柱體試樣剪切盒剖視圖，圖5是本發(fā)明的一種巖石直剪及點荷載試驗裝置點荷載試驗示意圖。

本發(fā)明的一種巖石直剪及點荷載試驗裝置，其特點在于：包括加載反力框架、軸向加載系統(tǒng)、法向加載系統(tǒng)、剪切試驗夾具和點荷載試驗夾具：

所述的加載反力框架是由四根立柱23、立柱螺母27、橫梁24和工作臺2組成，工作臺2設(shè)有四根立柱23，采用螺紋連接，立柱23上端安裝橫梁24 由立柱螺母27固定，為了增強立柱23在工作受力狀態(tài)的強度，在立柱23之間設(shè)有筋板1；所述的工作臺2面正中心設(shè)有一固定小螺栓3；

所述的軸向加載系統(tǒng)包括軸向加載千斤頂11、軸向手動油泵12和壓力傳感器28；所述的軸向加載千斤頂11底座端安裝在橫梁24中心位置并采用螺釘固定連接，軸向加載千斤頂11的活塞端設(shè)有壓力傳感器28；所述的軸向手動油泵12與軸向加載千斤頂11通過油管連接，管路中安裝有軸向加載閥門13和軸向壓力表14；

所述的法向加載系統(tǒng)包括法向加載千斤頂15、水平反力螺桿16、螺桿螺母26、法向手動油泵17；所述的法向加載千斤頂15安裝在工作臺2的上平面正面左側(cè)的兩根立柱23中間，所述的水平反力螺桿16和螺桿螺母26安裝在工作臺2的上平面正面右側(cè)的兩根立柱23中間，水平反力螺桿16尾端裝有由手柄25；所述的法向手動油泵17與法向加載千斤頂15通過油管連接，管路中安裝有法向加載閥門19、法向壓力表20和溢流閥18；

所述的剪切試驗夾具包括水平反力板4和剪切盒5；所述的剪切盒5包括壓板6、帶滾軸壓板7、橡皮墊板8、剪切鋼壓板9；兩個帶滾軸壓板7對稱安置在水平反力板4上，兩個壓板6分別安置在帶滾軸壓板7的內(nèi)側(cè)，中間安放試樣21；試樣21的上端和下端分別安放橡皮墊板8和剪切鋼壓板9，橡皮墊板8和剪切鋼壓板9是以試樣21剪切中心對稱安放的；

所述的點荷載試驗夾具包括上加壓頭10、下加壓頭22；上加壓頭10安裝在軸向加載千斤頂11活塞端壓力傳感器28的下端面，下加壓頭22安裝在工作臺2中心上，由小螺栓3固定。

本發(fā)明的特點還在于：

所述的壓板6與試樣21接觸面的線形設(shè)計為直線形、圓弧形或異形，所述的剪切鋼壓板9的線形與試樣21的線形是相同的，剪切盒5能適應(yīng)長方形、圓柱形及不同形狀和尺寸的巖樣。

一種巖石直剪及點荷載試驗裝置的剪切試驗操作方法，由以下步驟構(gòu)成：

步驟一：打開軸向加載閥門13，操縱軸向手動油泵12，使活塞下降到合適位置，將水平反力板4置于工作臺2中心位置由小螺栓3固定，調(diào)節(jié)工作臺2橫向中心與法向加載千斤頂15及水平反力螺桿16軸向平行；

步驟二：根據(jù)不同的巖樣形狀與尺寸組裝相應(yīng)的剪切盒5，方塊體試樣21選擇方形剪切鋼壓板9及相應(yīng)的壓板6和帶滾軸壓板7，圓柱體試樣21選擇圓形剪切鋼壓板9及相應(yīng)的壓板6和帶滾軸壓板7；，把剪切鋼墊板9正放水平反力板4中心處，用橡皮墊板8填充剪切鋼墊板9另半邊空心部分，然后把試樣21放置在剪切鋼墊板9上對正，試樣21上端面同樣用剪切鋼墊板9蓋住對正，使用橡皮墊板8填充剪切鋼墊板9另半邊空心部分，上下剪切鋼墊板9是以試樣21剪切中心對稱安放的；

步驟三：操縱法向手動油泵17，使加載端面與試樣21緊密接觸；

步驟四：試樣21兩側(cè)面分別依次安放壓板6、帶滾軸壓板7，調(diào)整法向加載千斤頂15及水平反力螺桿16使緊密接觸，如果松懈，搖動手柄25使水平反力螺桿16與其緊密接觸，注意壓板6要完全覆蓋住試樣21兩側(cè)面，并保持側(cè)面中心與法向加載中心一致；

步驟五：法向荷載從0MPa開始分級加載，每次增加相同等級，設(shè)定法向荷載預(yù)定值，打開法向加載閥門19，操縱法向手動油泵17，加載速度緩慢勻速進行，使法向壓力表20示數(shù)達到預(yù)定值；

步驟六：操縱軸向手動油泵12，加載速度緩慢勻速進行，直至試樣21破壞，得到由壓力傳感器28采集的載荷數(shù)值。

一種巖石直剪及點荷載試驗裝置的點荷載試驗操作方法，由以下步驟構(gòu)成：

步驟一：將上加壓頭10與下加壓頭22分別安裝到軸向加載千斤頂11的活塞端壓力傳感器28的下端面及工作臺2中心，上加壓頭10與下加壓頭22在同一豎直線上；

步驟二：打開軸向加載閥門13，操縱軸向手動油泵12，使活塞下降到合適位置，將試樣21放置在下加壓頭22上，同時操縱軸向手動油泵12，使上加壓頭10與試樣21緊密接觸，接觸點與試樣21軸心重合，保持試樣21軸線與上加壓頭10、下加壓頭22連線重合；

步驟三：操縱軸向手動油泵12，勻速加載直至試樣21破壞，得到由壓力傳感器28采集的載荷數(shù)值。

進一步的說明：

參見圖6、圖7和圖8，圖6是本發(fā)明的一種巖石直剪及點荷載試驗裝置主視圖，圖7是圖6的俯視圖，圖8是圖6的左視圖。

本發(fā)明選用軸向加載千斤頂11的噸位為50噸， 法向加載千斤頂15的噸位為30噸；加載反力框架是根據(jù)千斤頂?shù)膰嵨贿M行設(shè)計的；軸向加載系統(tǒng)和法向加載系統(tǒng)中的液壓件：軸向加載千斤頂11、軸向手動油泵12，軸向加載閥門13、軸向壓力表14，法向加載千斤頂15、法向手動油泵17、溢流閥18， 法向加載閥門19， 法向壓力表20及其輔助配件均是市售的。