[發明專利]一種硬巖結構面力學性能研究用三維直剪試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 202110049790.2
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112881199B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 張希巍;侯靈岳;王剛;王宏圣
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24;G01N3/08
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種硬巖結構面力學性能研究用三維直剪試驗裝置，其特征在于：包括上半剪切盒、下半剪切盒、拉壓兩用傳力件、反力桿件、反力墊塊、法向變形測量組件和剪切變形測量組件；所述拉壓兩用傳力件的數量為三個，分別記為第一拉壓兩用傳力件、第二拉壓兩用傳力件及第三拉壓兩用傳力件；所述反力桿件的數量為兩個，分別記為第一反力桿件和第二反力桿件；所述反力墊塊的數量為一個；在所述上半剪切盒的下表面中部開設有上試樣安裝槽，在上半剪切盒的上表面中部設置有第一轉接凸塊，在上半剪切盒的左側外端面設置有第二轉接凸塊，在上半剪切盒的后側外端面設置有第三轉接凸塊；在所述下半剪切盒的上表面中部開設有下試樣安裝槽，在下半剪切盒的前側外端面設置有第四轉接凸塊，在下半剪切盒的右側外端面設置有第五轉接凸塊；所述第一拉壓兩用傳力件固連在上半剪切盒的第一轉接凸塊與試驗機頂端作動器活塞桿之間；所述第二拉壓兩用傳力件固連在上半剪切盒的第二轉接凸塊與試驗機左端作動器活塞桿之間；所述第三拉壓兩用傳力件固連在上半剪切盒的第三轉接凸塊與試驗機后端作動器活塞桿之間；所述第一反力桿件固連在下半剪切盒的第四轉接凸塊與試驗機前端作動器活塞桿之間；所述第二反力桿件固連在下半剪切盒的第五轉接凸塊與試驗機右端作動器活塞桿之間；所述反力墊塊固連在下半剪切盒與試驗機底端作動器活塞桿之間；所述法向變形測量組件連接在上半剪切盒與下半剪切盒之間且豎直方向布置；所述剪切變形測量組件連接在上半剪切盒與下半剪切盒之間且水平方向布置。

2.根據權利要求1所述的一種硬巖結構面力學性能研究用三維直剪試驗裝置，其特征在于：所述拉壓兩用傳力件包括轉接箱體和轉接傳力桿，轉接傳力桿一端通過轉接箱體的開口位于轉接箱體內部，轉接傳力桿另一端位于轉接箱體外部，且位于轉接箱體內部的轉接傳力桿端部采用T型頭結構，在轉接傳力桿的T型頭結構表面布設有減摩滾排，在轉接傳力桿與轉接箱體開口之間留有安全間隙，轉接傳力桿的T型頭結構在轉接箱體內部具有平動自由度；所述轉接傳力桿與作動器活塞桿進行固連配合，所述轉接箱體與上半剪切盒進行固連配合。

3.根據權利要求2所述的一種硬巖結構面力學性能研究用三維直剪試驗裝置，其特征在于：所述法向變形測量組件包括法向LVDT位移傳感器、法向傳感器安裝座、法向鎖扣轉接件、法向直線軸承、法向導向桿、法向減摩滾珠、法向基準塊及法向基準塊安裝座；所述法向傳感器安裝座固連在上半剪切盒上，所述法向LVDT位移傳感器豎直固裝法向傳感器安裝座上，且法向LVDT位移傳感器的鐵芯朝下設置；所述法向基準塊安裝座固連在下半剪切盒上，所述法向基準塊豎直固裝在法向基準塊安裝座上，且法向基準塊位于法向LVDT位移傳感器的鐵芯正下方；所述法向導向桿上端與法向LVDT位移傳感器的鐵芯同軸固連在一起，所述法向減摩滾珠設置在法向導向桿下端，法向導向桿通過法向減摩滾珠與法向基準塊上表面滑動接觸配合；所述法向直線軸承套裝在法向導向桿上，法向直線軸承頂端通過法向鎖扣轉接件與法向LVDT位移傳感器的線圈相固連，所述法向導向桿與法向LVDT位移傳感器的鐵芯同步隨動且與法向直線軸承滑動接觸配合。

4.根據權利要求3所述的一種硬巖結構面力學性能研究用三維直剪試驗裝置，其特征在于：所述剪切變形測量組件包括側向LVDT位移傳感器、側向傳感器安裝座、側向鎖扣轉接件、側向直線軸承、側向導向桿、側向減摩滾珠及側向基準塊；所述側向傳感器安裝座固連在上半剪切盒上，所述側向LVDT位移傳感器水平固裝在側向傳感器安裝座上；所述側向基準塊固連在下半剪切盒上；所述側向導向桿一端與側向LVDT位移傳感器的鐵芯同軸固連在一起，所述側向減摩滾珠設置在側向導向桿另一端，側向導向桿通過側向減摩滾珠與側向基準塊側立面滑動接觸配合；所述側向直線軸承套裝在側向導向桿上，側向直線軸承一端通過側向鎖扣轉接件與側向LVDT位移傳感器的線圈相固連，所述側向導向桿與側向LVDT位移傳感器的鐵芯同步隨動且與側向直線軸承滑動接觸配合。

5.一種硬巖結構面力學性能研究用三維直剪試驗方法，采用了權利要求4所述的硬巖結構面力學性能研究用三維直剪試驗裝置，其特征在于包括如下步驟：

步驟一：先將反力墊塊固定連接到三剛型真三軸壓縮試驗機的底端作動器活塞桿上，再將下半剪切盒固定連接到反力墊塊上，然后將第一反力桿件固定連接到三剛型真三軸壓縮試驗機的前端作動器活塞桿與下半剪切盒之間，同時將第二反力桿件固定連接到三剛型真三軸壓縮試驗機的右端作動器活塞桿與下半剪切盒之間；

步驟二：在下半剪切盒的下試樣安裝槽內表面涂抹耐油硅膠，同時在備用的上半剪切盒的上試樣安裝槽內表面也涂抹上耐油硅膠；

步驟三：將事先準備好的巖石試樣緩慢放入下半剪切盒的下試樣安裝槽內，保證下試樣安裝槽內的耐油硅膠被均勻擠出，使巖石試樣與下試樣安裝槽之間的縫隙完全被耐油硅膠填滿；

步驟四：將涂抹了耐油硅膠的上半剪切盒扣到下半剪切盒上，使巖石試樣準確進入上半剪切盒的上試樣安裝槽中，保證上試樣安裝槽內的耐油硅膠被均勻擠出，使巖石試樣與上試樣安裝槽之間的縫隙完全被耐油硅膠填滿；

步驟五：將第一拉壓兩用傳力件固定連接到三剛型真三軸壓縮試驗機的頂端作動器活塞桿與上半剪切盒之間，將第二拉壓兩用傳力件固定連接到三剛型真三軸壓縮試驗機的左端作動器活塞桿與上半剪切盒之間，將第三拉壓兩用傳力件固定連接到三剛型真三軸壓縮試驗機的后端作動器活塞桿與上半剪切盒之間；

步驟六：分別將法向變形測量組件和剪切變形測量組件安裝到上半剪切盒與下半剪切盒之間的指定位置處，然后將法向LVDT位移傳感器和側向LVDT位移傳感器通過數據傳輸線與數據采集器以及主控計算機進行電連接，最后微調法向LVDT位移傳感器和側向LVDT位移傳感器的位置使其處量程范圍內；

步驟七：通過三剛型真三軸壓縮試驗機對巖石試樣施加法向拉/壓應力；

步驟八：通過三剛型真三軸壓縮試驗機對巖石試樣施加剪切力。