一种精确控制法向应力施加过程的结构面直剪试验装置

摘要

本发明提供了一种精确控制法向应力施加过程的结构面直剪试验装置，包括上剪切盒、下剪切盒、位置调节组件、法向加载组件和切向加载组件，位置调节组件包括固定架、伺服电机、滚珠丝杠副、扩大板、第二滑动机构、位移传感器和控制器，固定架沿切向安装于法向龙门架上，伺服电机沿切向安装于固定架上并且驱动滚珠丝杠副的丝杠转动，螺母与法向千斤顶连接，法向千斤顶的活塞的端部与扩大板固连，第二滑动机构安装于上剪切盒上，扩大板与第二滑动机构接触；试验时通过控制器控制伺服电机的运转而调节法向千斤顶的水平位置，从而使得施加在上剪切盒上的力为垂直于结构面的正应力，从而消除了试验过程中可能产生的较大的力矩造成试样非正常破坏。

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构面直剪试验装置，具体涉及一种可调节法向应力施加位置的结 构面直剪试验装置，属于岩土工程技术领域。

背景技术

岩体结构面是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长 度，厚度相对较小的地质界面或带，包括层理、节理面、不整合面等。由于结构面的存 在，极大地破坏了岩体的连续性和完整性，削弱了工程岩体的力学性质及其稳定性。因 而，开展岩体结构面力学性质的研究具有重要意义。

岩体结构面的抗剪强度参数是工程岩体稳定性分析和加固治理方案设计的重要指 标，一般通过试验得到结构面的抗剪强度指标，其中小型剪力仪——岩石结构面直剪仪 是常用的仪器，由于其便捷性以及操作的简便性，可用于野外现场和室内，同时能满足 一定的精度要求，且造价低廉，因此结构面直剪仪是开展结构面研究的基础，然而，此 直剪仪依然存在不足之处。

现有结构面直剪仪存在的缺陷有：(1)在剪切试验的过程中，上、下剪切盒会相 对错开一定的距离，而施加法向力的千斤顶始终位于上剪切盒的中间部位，从而会形成 一个力矩而影响了试验的准确性；(2)在试验后期阶段，在一定法向应力作用下，由 于上下剪切盒相对位移越来越大而造成力矩也越来越大，结构面下盘的边缘处会因过大 的力矩造成非正常破坏从而影响试验的准确性；(3)反力装置是一条钢丝绳或者是较 窄的钢条，反力装置的底部通过单个螺栓固定于下剪切盒底部并允许以螺栓为轴发生一 定的旋转角度，反力装置随着法向千斤顶的位移而发生偏转，从而造成力的不确定性并 产生弯矩进而对试样产生非正常破坏。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种能够在试验的过程中调整法向 千斤顶的水平作用位置，便于试验研究及工程应用并且可精确控制法向应力施加过程的 直剪仪。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种精确控制法向应力施加过程的结构面直 剪试验装置，至少包括上剪切盒、下剪切盒、法向加载组件和切向加载组件，所述法向 加载组件包括法向龙门架和法向千斤顶，法向龙门架沿法向安装、其下端与下剪切盒固 连，法向龙门架顶部的内表面上沿切向设有第一滑动机构，法向千斤顶通过第一滑动机 构安装于法向龙门架上；所述切向加载组件包括切向龙门架和切向千斤顶，切向千斤顶 沿切向固定于切向龙门架的内表面上，切向龙门架沿切向安装于法向龙门架的一对侧臂 的下部；法向龙门架上安装有位置调节组件，所述位置调节组件包括固定架、伺服电机、 滚珠丝杠副、扩大板、第二滑动机构、位移传感器和控制器，固定架沿切向安装于法向 龙门架的一对侧臂的上部，伺服电机沿切向安装于固定架上，滚珠丝杠副的丝杠与伺服 电机的转轴连接、螺母与法向千斤顶的侧面固连，法向千斤顶的活塞的端部与扩大板固 连，所述第二滑动机构包括燕尾槽、导轨基座和万向滚珠，燕尾槽沿切向安装于上剪切 盒的上表面，导轨基座的下端位于燕尾槽中并且与燕尾槽的形状相吻合，燕尾槽的槽底 沿切向设有轨道槽，万向滚珠安装于导轨基座的下表面上并且与轨道槽相配合，扩大板 与导轨基座接触，位移传感器安装于下剪切盒上并且连接控制器的输入端，控制器的输 出端与伺服电机电性连接。

法向千斤顶的侧面上套设有箍圈，滚珠丝杠副的螺母的一端与丝杠连接、另一端焊 接固定于箍圈上。

丝杠的两端均设有与控制器的输入端电性连接的限位开关。

所述第一滑动机构包括相互匹配的滑块和滑槽，滑块安装于法向千斤顶的顶部，滑 槽沿切向设置于法向龙门架顶部的内表面上。

所述法向龙门架由弧形拱顶A和两个竖直臂A构成，滑槽位于弧形拱顶A的内表 面上，竖直臂A的下端通过3个以上螺钉与下剪切盒固连。

所述切向龙门架由弧形拱顶B和两个竖直臂B构成，切向千斤顶沿切向固定于弧 形拱顶B的内表面上，切向龙门架的两个竖直臂B垂直于法向龙门架，竖直臂B的端 部通过3个以上螺钉与法向龙门架的竖直臂A连接。

燕尾槽中设有轨道板，轨道板由2个以上沿切向顺序安装于燕尾槽槽底的长方体块 通过弹性导棒顺序连接构成，各长方体块的同一位置处均开设有弧形槽，各长方体块的 弧形槽构成轨道槽。

相邻长方体块之间设有润滑膜。

所述燕尾槽的一端开口，其开口上设有封槽板。

所述燕尾槽安装于上剪切盒上表面的中间部位，燕尾槽的中部设有归零标记。

由上述技术方案可知，本发明提供的精确控制法向应力施加过程的结构面直剪试验 装置，在现有直剪试验装置上增加位置调节组件，通过法向龙门架固定法向千斤顶和位 置调节组件，法向千斤顶通过第一滑动机构安装于法向龙门架上，第一滑动机构使得法 向千斤顶的切向位置可调；位置调节组件中位移传感器和控制器为控制单元，位移传感 器安装于下剪切盒上并且连接控制器的输入端，位移传感器采集下剪切盒的微动位移并 将信号传输至控制器，控制器的输出端与伺服电机电性连接，伺服电机为执行元件，接 收控制器的信号并旋转对应角度，控制单元能够在试验过程时刻中监测切向位移，并通 过控制器实时控制伺服电机的运动从而控制法向千斤顶的切向(水平)位移，以使法向 千斤顶施加的法向应力为正应力，消除试验过程中产生弯矩的可能；伺服电机的旋转通 过滚珠丝杠副转化为沿切向的位移，滚珠丝杠副的螺母与法向千斤顶的侧面固连，螺母 推动法向千斤顶沿切向移动实现位置调节；由于试验中法向千斤顶需要对上剪切盒施加 法向应力，法向千斤顶活塞的端部连接扩大板，扩大板的面积远大于法向千斤顶活塞的 端面面积，使得法向应力加载均匀，上剪切盒与扩大板之间安装第二滑动机构，第二滑 动机构包括燕尾槽、导轨基座和万向滚珠，燕尾槽与导轨基座通过特殊的燕尾结构榫卯 连接，万向滚珠安装于导轨基座的下表面上并且与燕尾槽槽底设置的轨道槽相配合，燕 尾槽与上剪切盒固连为一体，扩大板与导轨基座接触，二者无连接结构，便于第二滑动 机构的安装和拆卸，法向千斤顶加载时，扩大板抵紧导轨基座的上表面，法向应力通过 扩大板、导轨基座和燕尾槽均匀施加于上剪切盒；法向千斤顶位置改变时导轨基座随之 移动，避免法向千斤顶位置改变时施加的法向应力产生切向分力干扰试验。

燕尾槽中设有轨道板，轨道板可限制导轨基座的活动方向并对导轨基座的平稳活动 有积极的作用；轨道板由2个以上沿切向顺序安装于燕尾槽槽底的长方体块通过弹性导 棒顺序连接构成，相邻长方体块之间设有润滑膜，燕尾槽中的轨道槽由各长方体块同一 位置处上开设的弧形槽沿切向拼接构成，轨道板的分离式结构使得每个长方体块能够单 独传递荷载而不影响周围的块体；各长方体块通过弹性导棒连接为一体，弹性导棒能够 在较小的力的作用下发生有限的形变，既能对轨道板的各长方体块有固定作用，又不影 响单个长方体块对其上部荷载的传递能力。

燕尾槽安装于上剪切盒上表面的中间部位并且其中部设有归零标记，以方便试验开 始前调节法向千斤顶位移至燕尾槽的中间部位，施加的法向应力作用于上剪切盒中部； 丝杠的两端均设有与控制器的输入端电性连接的限位开关，能够限制螺母的位移范围， 防止丝杠与螺母脱离或者引起螺母过大位移，从而保证试验的正确性与安全性；燕尾槽 为一端开口的结构，其开口上设有封槽板，以方便拆卸轨道板，同时可以限制导轨基座 在切向(水平方向)活动的位移；螺母与法向千斤顶通过箍圈连接，箍圈在法向千斤顶 上的位置可以调整，以确保箍圈位于法向千斤顶竖直方向的中部位置；第一滑动机构采 用滑块与滑槽相匹配的结构，滑块优选带滚珠的滑块，第二滑动机构采用万向滚珠作为 滑动件，滚珠摩擦力较小，有利于法向千斤顶在较大的法向应力(其方向竖直向下)下 的水平移动。

直剪试验装置中的反力装置对施加载荷至关重要，通过反力装置可以较为简便的为 试验提供法向力，本发明提供的结构面直剪试验装置中，法向龙门架与下剪切盒固连构 成法向反力装置，切向龙门架与法向龙门架固连构成切向反力装置，切向龙门架与法向 龙门架均由弧形拱顶和两个竖直臂构成，弧形拱顶和两个竖直臂均具有一定宽度，并且 法向龙门架与下剪切盒的连接以及切向龙门架与法向龙门架的连接均通过3个以上螺钉 实现，三点确定一个平面，螺钉限制法向龙门架与下剪切盒之间以及切向龙门架与法向 龙门架之间发生角位移，法向反力装置和切向反力装置结构稳固，保证力的确定性；法 向千斤顶的位置可调，位置调节组件实时调整法向千斤顶与法向反力装置的相对位置， 以确保试验过程中施加的法向力为垂直于结构面的正应力，对消除试验中的非正常破坏 起到了积极的作用，提高试验的准确性。

与现有技术相比，本发明提供的精确控制法向应力施加过程的结构面直剪试验装置 具有以下优点：

1、精确性高：本装置通过改进、添加了分离型的轨道底座，能随试验过程改变法 向千斤顶的作用位置，确保施加的法向应力与结构面垂直，即法向应力始终为正应力， 消除了目前所用装置的弊端，从而提高了试验的准确性。

2、自动化：本装置中利用位移传感器和控制器来控制伺服电机，实现了调节的自 动化，提高了调节过程的准确性。

3、操作过程简单，成本低：与室内伺服剪切仪或者现场剪切试验相比，本装置拆 卸安装方便易懂，造价成本低。

4、使用范围广泛：本装置中的滑动机构可以用于其他需要调节荷载作用位置的装 置中。

附图说明

图1为本发明提供的精确控制法向应力施加过程的结构面直剪试验装置的结构示意 图。

图2为第二滑动机构的立体结构示意图。

图3为第二滑动机构的主视结构示意图。

图4为第二滑动机构拆除导轨基座后的俯视结构示意图。

图5为第二滑动机构的左视结构示意图。

图6为伺服电机的安装结构图。

图7为万向滚珠的结构示意图。

其中，1-箍圈，2-螺母，3-丝杠，4-伺服电机，5-固定架，6-扩大板，7-第二滑动机 构，8-位移传感器，9-控制器，10-法向龙门架，11-法向千斤顶，12-切向千斤顶，13-上 剪切盒，14-下剪切盒，15-导轨基座，16-万向滚珠，17-燕尾槽，18-导棒，19-轨道槽， 20-封槽板，21-长方体块，22-电机底座，23-连接键，24-切向龙门架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实 施例。

本发明提供的精确控制法向应力施加过程的结构面直剪试验装置，其结构如图1所 示，包括上剪切盒13、下剪切盒14、位置调节组件、法向加载组件和切向加载组件；

所述法向加载组件包括法向龙门架10和法向千斤顶11，法向龙门架10沿法向安装、 其下端通过两排螺钉(4个螺钉)与下剪切盒14连接，法向千斤顶11的侧面上套设有 箍圈1，所述法向龙门架10由弧形拱顶A和两个竖直臂A构成，法向龙门架10的弧形 拱顶A内表面上沿切向设有第一滑动机构，法向千斤顶11通过第一滑动机构安装于法 向龙门架上，第一滑动机构包括相互匹配的滑块和滑槽，滑块安装于法向千斤顶的顶部， 滑块优选滚珠滑块，滑槽沿切向安装于弧形拱顶A的内表面上或者弧形拱顶A的内表 面上沿切向开设滑槽；

所述切向加载组件包括切向龙门架24和切向千斤顶12，所述切向龙门架24由弧形 拱顶B和两个竖直臂B构成，切向千斤顶12沿切向固定于弧形拱顶B的内表面上，切 向龙门架的两个竖直臂B垂直于法向龙门架10并且通过两排螺钉(4个螺钉)与法向 龙门架10的两个竖直臂A的下部连接；

位置调节组件安装于法向龙门架10上，所述位置调节组件包括固定架5、伺服电机 4、滚珠丝杠副、扩大板6、第二滑动机构、位移传感器8和控制器9，固定架5通过螺 钉沿切向安装于法向龙门架的的两个竖直臂A的上部，参见图6，伺服电机4通过电机 底座22沿切向安装于固定架5上，滚珠丝杠副的丝杠3通过连接键23与伺服电机4的 转轴连接，滚珠丝杠副的螺母2的一端与丝杠3连接、另一端焊接固定于箍圈1上，丝 杠的两端均设有与控制器的输入端电性连接的限位开关，法向千斤顶11的活塞的端部 与扩大板6固连；

参见图2至图5，所述第二滑动机构由燕尾槽17、轨道板、导轨基座15和万向滚 珠16，所述燕尾槽的一端开口，燕尾槽17沿切向安装于上剪切盒13上表面的中间部位， 燕尾槽的中部设有归零标记、开口上设有封槽板20，导轨基座15的下端位于燕尾槽中 并且与燕尾槽的形状相吻合，轨道板位于燕尾槽的槽底，轨道板由2个以上沿切向顺序 安装于燕尾槽槽底的长方体块21通过弹性导棒18顺序连接构成，相邻长方体块之间设 有润滑膜，各长方体块21的同一位置处均开设有弧形槽，各长方体块的弧形槽构成轨 道槽19，万向滚珠16(如图7所示)安装于导轨基座15的下表面上并且与轨道槽19 相配合，扩大板6与导轨基座15的上表面接触，位移传感器8安装于下剪切盒13上并 且连接控制器9的输入端，控制器9的输出端与伺服电机4电性连接。

应用本发明提供的装置，在操作结构面直剪仪时，其过程是：

1、首先将第二滑动机构安装于上剪切盒的中间部位，安装法向千斤顶、连接扩大 板，同时套装箍圈位于千斤顶的中部位置，调试伺服电机后暂时关闭电源；

2、将天然结构面或者人工制作的结构面试样放入下剪切盒之内，并把上剪切盒扣 在试样上面；

3、安装切向加载千斤顶；

4、安装龙门架，对法向千斤顶的位置进行归零调整，使其处于上剪切盒的中间部 位；

5、打开伺服电机电源；

6、选择法向应力，按照设计应力施加第一级法向应力，即加压法向千斤顶，当到 达设计法向力时停止加压；

7、当法向应力达到预定的值后，再施加切向力载荷，控制切向力载荷的加载速度， 试样相对位移每分钟不超过2mm，每位移0.2～0.5mm记录一次相应的剪切应力值和切 向位移；

8、试验过程中，时刻观察法向千斤顶的垂直度，切向千斤顶的加载速度产生的位 移不可过快，不可超过伺服电机调整法向千斤顶的速度；

9、当第一级法向应力下的试验结束的时候，先卸掉切向力载荷，再卸掉法向力载 荷，推试样复原位或更换试样，将本装置调零，施加第二级法向应力，开始第二次摩擦。 一般情况下，法向应力需施加3～5级，每变一次法向应力，进行一次摩擦；

10、摩擦完毕，拆除仪表，安放仪器。