亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：一种岩体结构面冲击剪切仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩石力学结构面强度测试技术领域，特别涉及一种岩体结构面冲击剪切仪。
背景技术：
目前岩石力学结构面剪切仪通常是按准静态条件设计的，不能考虑剪切速率对结构面抗剪强度的影响。而在地震工程、爆破工程、岩体动力学等领域需考虑动力条件下结构面的强度性质，相关的研究表明动力条件下岩石结构面的强度相比静力条件下有很大程度的降低。地震冲击波、爆炸应力波是岩石工程中常见的冲击荷载，在这些荷载条件下常常导致岩体结构面产生冲击剪切破，最终导致边坡失稳等灾害的发生。因此，测定岩体结构面的冲击剪切强度是十分必要的。 目前市场上尚没有专门用于测定岩体结构面冲击剪切强度的仪器，本发明型填补了这一领域的空白，提供了一种岩石结构面冲击剪切仪。本结构面冲击剪切仪可以用来测量不同法向压力下不同冲击速率的结构面剪切强度、冲剪过程中的剪胀位移、水平位移等参数。同时能对冲击荷载、法向荷载变化进行实时监测。通过改变重力圆盘的个数、重力摆臂长、初始悬挂角来调节初始冲击速率，使用灵活方便，冲击速率可调范围较大，因此本仪器能满足实验室测定不同法向压力、冲击速率下岩石结构面剪切强度，使用方便且测量结果可靠。

发明内容
本发明要解决的技术问题为提供一种岩体结构面冲击剪切仪，该冲击剪切仪的结构设计能够比较方便地实现以不同的速率冲击岩体，从而获得不同的冲击剪切强度。为解决上述技术问题，本发明提供一种岩体结构面冲击剪切仪，包括主框架、法向力加压装置、剪切盒和冲击剪切力施加装置；所述剪切盒包括上半盒和下半盒，岩体试件设于上半盒与下半盒围成的空间之中；法向加压装置由主框架支撑并施加竖向法向力于上半盒，下半盒由所述主框架水平滑动支撑，并冲击剪切力施加装置施加水平冲击力于下半盒上；所述主框架设有水平冲击通道；所述冲击力剪切施加装置包括齿状传动轴和一端连接齿轮盘并另一端连接有重力盘的齿轮柄；所述齿状传动轴可移动设于所述水平冲击通道中，所述齿轮盘的由主框架转动支撑，并其齿轮与所述齿状传动轴的齿轮啮合，以便随着重力盘摆动所述齿状传动轴在水平冲击通道内运动而冲击剪切下半盒。优选地，所述主框架包括底部框架及支撑于底部框架上的顶部框架，所述顶部框架的底端设有开口，以便顶部框架围成的空间正对底部框架的横梁。优选地，所述水平冲击通道设于底部框架的横梁上，并所述横梁上设有与所述水平冲击通道连通并容纳所述齿轮盘的弧形孔，所述齿轮盘旋转支撑于该弧形孔中；所述齿轮柄和重力盘摆动设于底部框架的内部。优选地，所述底部框架的横梁上进一步设有贯穿所述水平冲击通道的凹槽，所述下半盒可水平移动设于该凹槽中，以便下半盒的两侧分别正对水平冲击通道。优选地，所述齿状传动轴进一步通过设于水平冲击通道中的冲击垫块冲击下半盒，并该冲击垫块与下半盒之间设有加速度传感器。优选地，在下半盒的另一侧，所述水平冲击通道内还设有止动垫块，并该止动垫块与下半盒之间也设有加速度传感器。优选地，所述法向力加压装置包括油压泵、承压横梁和竖向圆柱轴承导轨；所述油压泵设于顶部框架的横梁上，所述竖向圆柱轴承导轨分别设于顶部框架两侧的立柱上，所述承压横梁的水平两端分别支撑于两侧的竖向圆柱轴承导轨上，该承压横梁的顶部由油压 泵加压，该承压横梁的底部抵压所述上半盒。优选地，所述法向力加压装置还包括承压垫板，所述油压泵通过承压垫板加压于所述承压横梁上；所述承压垫板与所述油压泵之间还设有压力传感器。优选地，所述法向力加压装置还包括承压活动板，所述承压横梁通过承压活动板施压于所述上半盒上；所述承压横梁与承压活动板之间设有弹簧，并弹簧的两侧设有位移传感器。优选地，所述承压活动板包括球头横梁及分别设于球头横梁两端的球面垫，并且球面垫滑动支撑于竖向圆柱轴承导轨上。在现有技术的基础上，本发明所提供的冲击剪切仪的主框架设有水平冲击通道；所述冲击力剪切施加装置包括齿状传动轴和一端连接齿轮盘并另一端连接有重力盘的齿轮柄；所述齿状传动轴可移动设于所述水平冲击通道中，所述齿轮盘的由主框架转动支撑，并其齿轮与所述齿状传动轴的齿轮啮合，以便随着重力盘摆动所述齿状传动轴在水平冲击通道内运动而冲击剪切下半盒。当需要调节齿状传动轴的冲击速率时，可以通过调节重力摆质量和摆长、齿状传动轴的质量及重力盘初始时刻与竖直方向的夹角来调节齿状传动轴的冲击速率。综上所述，本发明提供的岩体结构面冲击剪切仪能够比较方便地实现以不同的速率冲击岩体，从而获得不同的冲击剪切强度。


图I为本发明一种实施例中岩体结构面冲击剪切仪的结构示意图。其中，图I中附图标记与部件名称之间的对应关系为I油压泵；21底部框架；22顶部框架；3压力传感器；4承压垫板；5竖向圆柱轴承导轨；6承压横梁；7位移传感器；8弹簧；9球头横梁；10球面垫；11剪切盒；12岩体试件；13加速度传感器；14齿状传动轴；14a冲击垫块；14b止动垫块；15角度测量盘；16齿轮柄；17重力盘；18固定螺母；19齿轮盘。
具体实施例方式本发明的核心为提供一种岩体结构面冲击剪切仪，该冲击剪切仪的结构设计能够比较方便地实现以不同的速率冲击岩体，从而获得不同的冲击剪切强度。为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请参考图1，图I为本发明一种实施例中岩体结构面冲击剪切仪的结构示意图。在一种实施例中，如图I所示，本发明所提供的岩体结构面冲击剪切仪，包括主框架、法向力加压装置、剪切盒11和冲击剪切力施加装置；剪切盒11包括上半盒和下半盒，岩体试件12设于上半盒与下半盒围成的空间之中；法向加压装置由主框架支撑并施加竖向法向力于上半盒，下半盒由主框架水平滑动支撑，并冲击剪切力施加装置施加水平冲击力于下半盒上。如图I所示，在上述技术方案的基础上，主框架设有水平冲击通道；冲击力剪切施 加装置包括齿状传动轴14和一端连接齿轮盘19并另一端连接有重力盘17的齿轮柄16 ；齿状传动轴14可移动设于水平冲击通道中，齿轮盘19的由主框架转动支撑,并其齿轮与齿状传动轴14的齿轮啮合，以便随着重力盘17摆动齿状传动轴14在水平冲击通道内运动而冲击剪切下半盒。当需要调节齿状传动轴14的冲击速率时，可以通过调节重力摆质量和摆长、齿状传动轴14的质量及重力盘17初始时刻与竖直方向的夹角来调节齿状传动轴14的冲击速率。在上述技术方案中，可以对主框架作出具体设计。比如，如图I所示，主框架包括底部框架21及支撑于底部框架21上的顶部框架22，顶部框架22的底端设有开口，以便顶部框架22围成的空间正对底部框架21的横梁。在上述结构的基础上，如图I所示，水平冲击通道设于底部框架21的横梁上，并横梁上设有与水平冲击通道连通并容纳齿轮盘19的弧形孔，齿轮盘19旋转支撑于该弧形孔中；齿轮柄16和重力盘17摆动设于底部框架21的内部。此外，如图I所示，冲击装置还包括对测量重力盘17摆动幅度的角度测量盘15，该角度测量盘15相对于底部框架21不动，齿轮盘19相对于该角度测量盘15发生转动。进一步地，如图I所示，底部框架21的横梁上进一步设有贯穿水平冲击通道的凹槽，下半盒可水平移动设于该凹槽中，以便下半盒的两侧分别正对水平冲击通道。具体地，如图I所示，凹槽的底壁上设有滚轴轴承以实现下半盒的移动。此外，齿状传动轴14进一步通过设于水平冲击通道中的冲击垫块冲击下半盒，并该冲击垫块与下半盒之间设有加速度传感器13。再者，在下半盒的另一侧，水平冲击通道内还设有止动垫块，并该止动垫块与下半盒之间也设有加速度传感器13。具体地，如图I所示，水平冲击通道内的上壁和下壁上设有滚珠轴承，齿状传动轴14、冲击垫块和止动垫块便通过该滚珠轴承实现移动。如图I所示，法向力加压装置包括油压泵I、承压横梁6和竖向圆柱轴承导轨5 ;油压泵I设于顶部框架22的横梁上，竖向圆柱轴承导轨5分别设于顶部框架22两侧的立柱上，承压横梁6的水平两端分别支撑于两侧的竖向圆柱轴承导轨5上，该承压横梁6的顶部由油压泵I加压，该承压横梁6的底部抵压上半盒。法向力加压装置还包括承压垫板4，油压泵I通过承压垫板4加压于承压横梁6上；承压垫板4与油压泵I之间还设有压力传感器3。
此外，法向力加压装置还包括承压活动板，承压横梁6通过承压活动板施压于上半盒上；承压横梁6与承压活动板之间设有弹簧8，并弹簧8的两侧设有位移传感器7。具体地，弹簧8的数量可以为三个，一弹簧8放置在承压横梁6的中轴线上，另外两个对称放置。 再者，承压活动板包括球头横梁9及分别设于球头横梁9两端的球面垫10，并且球面垫10滑动支撑于竖向圆柱轴承导轨5上。以下将对本发明的工作原理作出介绍如图I所示，齿轮柄16、重力盘17和固定螺母18组成一个重力摆，通过齿轮盘19中心的圆孔铰接在底部框架21的横梁上，能自由转动。齿轮盘19的转动带动齿状传动轴14水平移动，当重力摆的在最低点同时剪切盒11位于横梁凹槽的左端时，齿状传动轴14与剪切盒11左端的冲击垫块相碰撞，对下半盒产生冲击剪切力。冲击剪切力可由固定在下半盒左端的压力传感器3测出，剪切加速度可由固定在剪切盒11下半盒右端的加速度传感器13测出。同时油压泵I向下产生压力，通过承压垫板4、竖向圆柱轴承导轨5、承压横梁6、弹簧8、球头横梁9和球面垫10等部件对剪切盒11上半盒施加压力且只能在竖直向移动，当发生剪切时由于剪胀作用剪切盒11向上移动，由于采用弹簧8作弹性约束，故可通过压力传感器3和位移传感器7测得法向力的变化和剪胀位移。假设不计轴承的摩擦能量消耗，由能量守恒定律可知单摆从某一高度下降到最低点时的重力势能减小值为A E=In1 gI (1-cos 0 )式中Hi1为重力摆的质量，I为摆长，g为重力加速度，0为重力摆初始时刻与竖直线的夹角，可由角度测量盘15测出。以最低点为重力势能零点，则重力势能改变转换为重力摆的动能和齿状传动轴14
的动能(忽略齿轮的动能)，可得
权利要求
1.一种岩体结构面冲击剪切仪，其特征在于，包括主框架、法向力加压装置、剪切盒(11)和冲击剪切力施加装置； 所述剪切盒包括上半盒和下半盒，岩体试件(12)设于上半盒与下半盒围成的空间之中； 法向加压装置由主框架支撑并施加竖向法向力于上半盒，下半盒由所述主框架水平滑动支撑，并冲击剪切力施加装置施加水平冲击力于下半盒上； 所述主框架设有水平冲击通道；所述冲击力剪切施加装置包括齿状传动轴(14)和一端连接齿轮盘(19)并另一端连接有重力盘(17)的齿轮柄(16)； 所述齿状传动轴(14)可移动设于所述水平冲击通道中，所述齿轮盘(19)的由主框架转动支撑，并其齿轮与所述齿状传动轴(14)的齿轮啮合，以便随着重力盘(17)摆动所述齿状传动轴(14)在水平冲击通道内运动而冲击剪切下半盒。
2.如权利要求I所述的一种岩体结构面冲击剪切仪，其特征在于，所述主框架包括底部框架(21)及支撑于底部框架(21)上的顶部框架(22)，所述顶部框架(22)的底端设有开口，以便顶部框架(22)围成的空间正对底部框架(21)的横梁。
3.如权利要求2所述的一种岩体结构面冲击剪切仪，其特征在于，所述水平冲击通道设于底部框架(21)的横梁上，并所述横梁上设有与所述水平冲击通道连通并容纳所述齿轮盘(19)的弧形孔，所述齿轮盘(19)旋转支撑于该弧形孔中；所述齿轮柄(16)和重力盘(17)摆动设于底部框架(21)的内部。
4.如权利要求2所述的一种岩体结构面冲击剪切仪，其特征在于，所述底部框架(21)的横梁上进一步设有贯穿所述水平冲击通道的凹槽，所述下半盒可水平移动设于该凹槽中，以便下半盒的两侧分别正对水平冲击通道。
5.如权利要求4所述的一种岩体结构面冲击剪切仪,其特征在于，所述齿状传动轴(14)进一步通过设于水平冲击通道中的冲击垫块(14a)冲击下半盒，并该冲击垫块(14a)与下半盒之间设有加速度传感器(13)。
6.如权利要求5所述的一种岩体结构面冲击剪切仪，其特征在于，在下半盒的另一侧，所述水平冲击通道内还设有止动垫块(14b)，并该止动垫块(14b)与下半盒之间设有压力传感器(3)。
7.如权利要求2至6任一项所述的一种岩体结构面冲击剪切仪，其特征在于，所述法向力加压装置包括油压泵(I)、承压横梁(6)和竖向圆柱轴承导轨(5);所述油压泵(I)设于顶部框架(22)的横梁上，所述竖向圆柱轴承导轨(5)分别设于顶部框架(21)两侧的立柱上，所述承压横梁(6)的水平两端分别支撑于两侧的竖向圆柱轴承导轨(5)上，该承压横梁(6)的顶部由油压泵(I)加压，该承压横梁(6 )的底部抵压所述上半盒。
8.如权利要求7所述的一种岩体结构面冲击剪切仪，其特征在于，所述法向力加压装置还包括承压垫板(4)，所述油压泵(I)通过承压垫板(4)加压于所述承压横梁(6)上；所述承压垫板(4)与所述油压泵(I)之间还设有压力传感器(3)。
9.如权利要求7所述的一种岩体结构面冲击剪切仪，其特征在于，所述法向力加压装置还包括承压活动板，所述承压横梁(6)通过承压活动板施压于所述上半盒上；所述承压横梁(6)与承压活动板之间设有弹簧(8)，并弹簧(8)的两侧设有位移传感器(7)。
10.如权利要求8所述的一种岩体结构面冲击剪切仪，其特征在于，所述承压活动板包括球头横梁(9)及分别设于球头横梁(9)两端的球面垫(10)，并且球面垫(10)滑动支撑于 竖向圆柱轴承导轨(5)上。
全文摘要
本发明公开了一种岩体结构面冲击剪切仪，其特征在于，包括主框架、法向力加压装置、剪切盒(11)和冲击剪切力施加装置；所述主框架设有水平冲击通道；所述冲击力剪切施加装置包括齿状传动轴(14)和一端连接齿轮盘(19)并另一端连接有重力盘(17)的齿轮柄(16)；所述齿状传动轴(14)可移动设于所述水平冲击通道中，所述齿轮盘(19)的由主框架转动支撑，并其齿轮与所述齿状传动轴(14)的齿轮啮合，以便随着重力盘(17)摆动所述齿状传动轴(14)在水平冲击通道内运动而冲击剪切下半盒。该冲击剪切仪的结构设计能够比较方便地实现以不同的速率冲击岩体，从而获得不同的冲击剪切强度。
文档编号G01N3/02GK102759486SQ201210276330
公开日2012年10月31日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者祁生文, 郭松峰, 黄晓林 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所