專利名稱：一種巖體結構面沖擊剪切儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及巖石力學結構面強度測試技術領域，特別涉及一種巖體結構面沖擊剪切儀。
背景技術：
目前巖石力學結構面剪切儀通常是按準靜態(tài)條件設計的，不能考慮剪切速率對結構面抗剪強度的影響。而在地震工程、爆破工程、巖體動力學等領域需考慮動力條件下結構面的強度性質，相關的研究表明動力條件下巖石結構面的強度相比靜力條件下有很大程度的降低。地震沖擊波、爆炸應力波是巖石工程中常見的沖擊荷載，在這些荷載條件下常常導致巖體結構面產(chǎn)生沖擊剪切破，最終導致邊坡失穩(wěn)等災害的發(fā)生。因此，測定巖體結構面的沖擊剪切強度是十分必要的。 目前市場上尚沒有專門用于測定巖體結構面沖擊剪切強度的儀器，本發(fā)明型填補了這一領域的空白，提供了一種巖石結構面沖擊剪切儀。本結構面沖擊剪切儀可以用來測量不同法向壓力下不同沖擊速率的結構面剪切強度、沖剪過程中的剪脹位移、水平位移等參數(shù)。同時能對沖擊荷載、法向荷載變化進行實時監(jiān)測。通過改變重力圓盤的個數(shù)、重力擺臂長、初始懸掛角來調(diào)節(jié)初始沖擊速率，使用靈活方便，沖擊速率可調(diào)范圍較大，因此本儀器能滿足實驗室測定不同法向壓力、沖擊速率下巖石結構面剪切強度，使用方便且測量結果可靠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題為提供一種巖體結構面沖擊剪切儀，該沖擊剪切儀的結構設計能夠比較方便地實現(xiàn)以不同的速率沖擊巖體，從而獲得不同的沖擊剪切強度。為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種巖體結構面沖擊剪切儀，包括主框架、法向力加壓裝置、剪切盒和沖擊剪切力施加裝置；所述剪切盒包括上半盒和下半盒，巖體試件設于上半盒與下半盒圍成的空間之中；法向加壓裝置由主框架支撐并施加豎向法向力于上半盒，下半盒由所述主框架水平滑動支撐，并沖擊剪切力施加裝置施加水平?jīng)_擊力于下半盒上；所述主框架設有水平?jīng)_擊通道；所述沖擊力剪切施加裝置包括齒狀傳動軸和一端連接齒輪盤并另一端連接有重力盤的齒輪柄；所述齒狀傳動軸可移動設于所述水平?jīng)_擊通道中，所述齒輪盤的由主框架轉動支撐，并其齒輪與所述齒狀傳動軸的齒輪嚙合，以便隨著重力盤擺動所述齒狀傳動軸在水平?jīng)_擊通道內(nèi)運動而沖擊剪切下半盒。優(yōu)選地，所述主框架包括底部框架及支撐于底部框架上的頂部框架，所述頂部框架的底端設有開口，以便頂部框架圍成的空間正對底部框架的橫梁。優(yōu)選地，所述水平?jīng)_擊通道設于底部框架的橫梁上，并所述橫梁上設有與所述水平?jīng)_擊通道連通并容納所述齒輪盤的弧形孔，所述齒輪盤旋轉支撐于該弧形孔中；所述齒輪柄和重力盤擺動設于底部框架的內(nèi)部。優(yōu)選地，所述底部框架的橫梁上進一步設有貫穿所述水平?jīng)_擊通道的凹槽，所述下半盒可水平移動設于該凹槽中，以便下半盒的兩側分別正對水平?jīng)_擊通道。優(yōu)選地，所述齒狀傳動軸進一步通過設于水平?jīng)_擊通道中的沖擊墊塊沖擊下半盒，并該沖擊墊塊與下半盒之間設有加速度傳感器。優(yōu)選地，在下半盒的另一側，所述水平?jīng)_擊通道內(nèi)還設有止動墊塊，并該止動墊塊與下半盒之間也設有加速度傳感器。優(yōu)選地，所述法向力加壓裝置包括油壓泵、承壓橫梁和豎向圓柱軸承導軌；所述油壓泵設于頂部框架的橫梁上，所述豎向圓柱軸承導軌分別設于頂部框架兩側的立柱上，所述承壓橫梁的水平兩端分別支撐于兩側的豎向圓柱軸承導軌上，該承壓橫梁的頂部由油壓 泵加壓，該承壓橫梁的底部抵壓所述上半盒。優(yōu)選地，所述法向力加壓裝置還包括承壓墊板，所述油壓泵通過承壓墊板加壓于所述承壓橫梁上；所述承壓墊板與所述油壓泵之間還設有壓力傳感器。優(yōu)選地，所述法向力加壓裝置還包括承壓活動板，所述承壓橫梁通過承壓活動板施壓于所述上半盒上；所述承壓橫梁與承壓活動板之間設有彈簧，并彈簧的兩側設有位移傳感器。優(yōu)選地，所述承壓活動板包括球頭橫梁及分別設于球頭橫梁兩端的球面墊，并且球面墊滑動支撐于豎向圓柱軸承導軌上。在現(xiàn)有技術的基礎上，本發(fā)明所提供的沖擊剪切儀的主框架設有水平?jīng)_擊通道；所述沖擊力剪切施加裝置包括齒狀傳動軸和一端連接齒輪盤并另一端連接有重力盤的齒輪柄；所述齒狀傳動軸可移動設于所述水平?jīng)_擊通道中，所述齒輪盤的由主框架轉動支撐，并其齒輪與所述齒狀傳動軸的齒輪嚙合，以便隨著重力盤擺動所述齒狀傳動軸在水平?jīng)_擊通道內(nèi)運動而沖擊剪切下半盒。當需要調(diào)節(jié)齒狀傳動軸的沖擊速率時，可以通過調(diào)節(jié)重力擺質量和擺長、齒狀傳動軸的質量及重力盤初始時刻與豎直方向的夾角來調(diào)節(jié)齒狀傳動軸的沖擊速率。綜上所述，本發(fā)明提供的巖體結構面沖擊剪切儀能夠比較方便地實現(xiàn)以不同的速率沖擊巖體，從而獲得不同的沖擊剪切強度。


圖I為本發(fā)明一種實施例中巖體結構面沖擊剪切儀的結構示意圖。其中，圖I中附圖標記與部件名稱之間的對應關系為I油壓泵；21底部框架；22頂部框架；3壓力傳感器；4承壓墊板；5豎向圓柱軸承導軌；6承壓橫梁；7位移傳感器；8彈簧；9球頭橫梁；10球面墊；11剪切盒；12巖體試件；13加速度傳感器；14齒狀傳動軸；14a沖擊墊塊；14b止動墊塊；15角度測量盤；16齒輪柄；17重力盤；18固定螺母；19齒輪盤。
具體實施例方式本發(fā)明的核心為提供一種巖體結構面沖擊剪切儀，該沖擊剪切儀的結構設計能夠比較方便地實現(xiàn)以不同的速率沖擊巖體，從而獲得不同的沖擊剪切強度。為了使本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。請參考圖1，圖I為本發(fā)明一種實施例中巖體結構面沖擊剪切儀的結構示意圖。在一種實施例中，如圖I所示，本發(fā)明所提供的巖體結構面沖擊剪切儀，包括主框架、法向力加壓裝置、剪切盒11和沖擊剪切力施加裝置；剪切盒11包括上半盒和下半盒，巖體試件12設于上半盒與下半盒圍成的空間之中；法向加壓裝置由主框架支撐并施加豎向法向力于上半盒，下半盒由主框架水平滑動支撐，并沖擊剪切力施加裝置施加水平?jīng)_擊力于下半盒上。如圖I所示，在上述技術方案的基礎上，主框架設有水平?jīng)_擊通道；沖擊力剪切施 加裝置包括齒狀傳動軸14和一端連接齒輪盤19并另一端連接有重力盤17的齒輪柄16 ；齒狀傳動軸14可移動設于水平?jīng)_擊通道中，齒輪盤19的由主框架轉動支撐,并其齒輪與齒狀傳動軸14的齒輪嚙合，以便隨著重力盤17擺動齒狀傳動軸14在水平?jīng)_擊通道內(nèi)運動而沖擊剪切下半盒。當需要調(diào)節(jié)齒狀傳動軸14的沖擊速率時，可以通過調(diào)節(jié)重力擺質量和擺長、齒狀傳動軸14的質量及重力盤17初始時刻與豎直方向的夾角來調(diào)節(jié)齒狀傳動軸14的沖擊速率。在上述技術方案中，可以對主框架作出具體設計。比如，如圖I所示，主框架包括底部框架21及支撐于底部框架21上的頂部框架22，頂部框架22的底端設有開口，以便頂部框架22圍成的空間正對底部框架21的橫梁。在上述結構的基礎上，如圖I所示，水平?jīng)_擊通道設于底部框架21的橫梁上，并橫梁上設有與水平?jīng)_擊通道連通并容納齒輪盤19的弧形孔，齒輪盤19旋轉支撐于該弧形孔中；齒輪柄16和重力盤17擺動設于底部框架21的內(nèi)部。此外，如圖I所示，沖擊裝置還包括對測量重力盤17擺動幅度的角度測量盤15，該角度測量盤15相對于底部框架21不動，齒輪盤19相對于該角度測量盤15發(fā)生轉動。進一步地，如圖I所示，底部框架21的橫梁上進一步設有貫穿水平?jīng)_擊通道的凹槽，下半盒可水平移動設于該凹槽中，以便下半盒的兩側分別正對水平?jīng)_擊通道。具體地，如圖I所示，凹槽的底壁上設有滾軸軸承以實現(xiàn)下半盒的移動。此外，齒狀傳動軸14進一步通過設于水平?jīng)_擊通道中的沖擊墊塊沖擊下半盒，并該沖擊墊塊與下半盒之間設有加速度傳感器13。再者，在下半盒的另一側，水平?jīng)_擊通道內(nèi)還設有止動墊塊，并該止動墊塊與下半盒之間也設有加速度傳感器13。具體地，如圖I所示，水平?jīng)_擊通道內(nèi)的上壁和下壁上設有滾珠軸承，齒狀傳動軸14、沖擊墊塊和止動墊塊便通過該滾珠軸承實現(xiàn)移動。如圖I所示，法向力加壓裝置包括油壓泵I、承壓橫梁6和豎向圓柱軸承導軌5 ;油壓泵I設于頂部框架22的橫梁上，豎向圓柱軸承導軌5分別設于頂部框架22兩側的立柱上，承壓橫梁6的水平兩端分別支撐于兩側的豎向圓柱軸承導軌5上，該承壓橫梁6的頂部由油壓泵I加壓，該承壓橫梁6的底部抵壓上半盒。法向力加壓裝置還包括承壓墊板4，油壓泵I通過承壓墊板4加壓于承壓橫梁6上；承壓墊板4與油壓泵I之間還設有壓力傳感器3。
此外，法向力加壓裝置還包括承壓活動板，承壓橫梁6通過承壓活動板施壓于上半盒上；承壓橫梁6與承壓活動板之間設有彈簧8，并彈簧8的兩側設有位移傳感器7。具體地，彈簧8的數(shù)量可以為三個，一彈簧8放置在承壓橫梁6的中軸線上，另外兩個對稱放置。 再者，承壓活動板包括球頭橫梁9及分別設于球頭橫梁9兩端的球面墊10，并且球面墊10滑動支撐于豎向圓柱軸承導軌5上。以下將對本發(fā)明的工作原理作出介紹如圖I所示，齒輪柄16、重力盤17和固定螺母18組成一個重力擺，通過齒輪盤19中心的圓孔鉸接在底部框架21的橫梁上，能自由轉動。齒輪盤19的轉動帶動齒狀傳動軸14水平移動，當重力擺的在最低點同時剪切盒11位于橫梁凹槽的左端時，齒狀傳動軸14與剪切盒11左端的沖擊墊塊相碰撞，對下半盒產(chǎn)生沖擊剪切力。沖擊剪切力可由固定在下半盒左端的壓力傳感器3測出，剪切加速度可由固定在剪切盒11下半盒右端的加速度傳感器13測出。同時油壓泵I向下產(chǎn)生壓力，通過承壓墊板4、豎向圓柱軸承導軌5、承壓橫梁6、彈簧8、球頭橫梁9和球面墊10等部件對剪切盒11上半盒施加壓力且只能在豎直向移動，當發(fā)生剪切時由于剪脹作用剪切盒11向上移動，由于采用彈簧8作彈性約束，故可通過壓力傳感器3和位移傳感器7測得法向力的變化和剪脹位移。假設不計軸承的摩擦能量消耗，由能量守恒定律可知單擺從某一高度下降到最低點時的重力勢能減小值為A E=In1 gI (1-cos 0 )式中Hi1為重力擺的質量，I為擺長，g為重力加速度，0為重力擺初始時刻與豎直線的夾角，可由角度測量盤15測出。以最低點為重力勢能零點，則重力勢能改變轉換為重力擺的動能和齒狀傳動軸14
的動能(忽略齒輪的動能)，可得
權利要求
1.一種巖體結構面沖擊剪切儀，其特征在于，包括主框架、法向力加壓裝置、剪切盒(11)和沖擊剪切力施加裝置； 所述剪切盒包括上半盒和下半盒，巖體試件(12)設于上半盒與下半盒圍成的空間之中； 法向加壓裝置由主框架支撐并施加豎向法向力于上半盒，下半盒由所述主框架水平滑動支撐，并沖擊剪切力施加裝置施加水平?jīng)_擊力于下半盒上； 所述主框架設有水平?jīng)_擊通道；所述沖擊力剪切施加裝置包括齒狀傳動軸(14)和一端連接齒輪盤(19)并另一端連接有重力盤(17)的齒輪柄(16)； 所述齒狀傳動軸(14)可移動設于所述水平?jīng)_擊通道中，所述齒輪盤(19)的由主框架轉動支撐，并其齒輪與所述齒狀傳動軸(14)的齒輪嚙合，以便隨著重力盤(17)擺動所述齒狀傳動軸(14)在水平?jīng)_擊通道內(nèi)運動而沖擊剪切下半盒。
2.如權利要求I所述的一種巖體結構面沖擊剪切儀，其特征在于，所述主框架包括底部框架(21)及支撐于底部框架(21)上的頂部框架(22)，所述頂部框架(22)的底端設有開口，以便頂部框架(22)圍成的空間正對底部框架(21)的橫梁。
3.如權利要求2所述的一種巖體結構面沖擊剪切儀，其特征在于，所述水平?jīng)_擊通道設于底部框架(21)的橫梁上，并所述橫梁上設有與所述水平?jīng)_擊通道連通并容納所述齒輪盤(19)的弧形孔，所述齒輪盤(19)旋轉支撐于該弧形孔中；所述齒輪柄(16)和重力盤(17)擺動設于底部框架(21)的內(nèi)部。
4.如權利要求2所述的一種巖體結構面沖擊剪切儀，其特征在于，所述底部框架(21)的橫梁上進一步設有貫穿所述水平?jīng)_擊通道的凹槽，所述下半盒可水平移動設于該凹槽中，以便下半盒的兩側分別正對水平?jīng)_擊通道。
5.如權利要求4所述的一種巖體結構面沖擊剪切儀,其特征在于，所述齒狀傳動軸(14)進一步通過設于水平?jīng)_擊通道中的沖擊墊塊(14a)沖擊下半盒，并該沖擊墊塊(14a)與下半盒之間設有加速度傳感器(13)。
6.如權利要求5所述的一種巖體結構面沖擊剪切儀，其特征在于，在下半盒的另一側，所述水平?jīng)_擊通道內(nèi)還設有止動墊塊(14b)，并該止動墊塊(14b)與下半盒之間設有壓力傳感器(3)。
7.如權利要求2至6任一項所述的一種巖體結構面沖擊剪切儀，其特征在于，所述法向力加壓裝置包括油壓泵(I)、承壓橫梁(6)和豎向圓柱軸承導軌(5);所述油壓泵(I)設于頂部框架(22)的橫梁上，所述豎向圓柱軸承導軌(5)分別設于頂部框架(21)兩側的立柱上，所述承壓橫梁(6)的水平兩端分別支撐于兩側的豎向圓柱軸承導軌(5)上，該承壓橫梁(6)的頂部由油壓泵(I)加壓，該承壓橫梁(6 )的底部抵壓所述上半盒。
8.如權利要求7所述的一種巖體結構面沖擊剪切儀，其特征在于，所述法向力加壓裝置還包括承壓墊板(4)，所述油壓泵(I)通過承壓墊板(4)加壓于所述承壓橫梁(6)上；所述承壓墊板(4)與所述油壓泵(I)之間還設有壓力傳感器(3)。
9.如權利要求7所述的一種巖體結構面沖擊剪切儀，其特征在于，所述法向力加壓裝置還包括承壓活動板，所述承壓橫梁(6)通過承壓活動板施壓于所述上半盒上；所述承壓橫梁(6)與承壓活動板之間設有彈簧(8)，并彈簧(8)的兩側設有位移傳感器(7)。
10.如權利要求8所述的一種巖體結構面沖擊剪切儀，其特征在于，所述承壓活動板包括球頭橫梁(9)及分別設于球頭橫梁(9)兩端的球面墊(10)，并且球面墊(10)滑動支撐于 豎向圓柱軸承導軌(5)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巖體結構面沖擊剪切儀，其特征在于，包括主框架、法向力加壓裝置、剪切盒(11)和沖擊剪切力施加裝置；所述主框架設有水平?jīng)_擊通道；所述沖擊力剪切施加裝置包括齒狀傳動軸(14)和一端連接齒輪盤(19)并另一端連接有重力盤(17)的齒輪柄(16)；所述齒狀傳動軸(14)可移動設于所述水平?jīng)_擊通道中，所述齒輪盤(19)的由主框架轉動支撐，并其齒輪與所述齒狀傳動軸(14)的齒輪嚙合，以便隨著重力盤(17)擺動所述齒狀傳動軸(14)在水平?jīng)_擊通道內(nèi)運動而沖擊剪切下半盒。該沖擊剪切儀的結構設計能夠比較方便地實現(xiàn)以不同的速率沖擊巖體，從而獲得不同的沖擊剪切強度。
文檔編號G01N3/02GK102759486SQ201210276330
公開日2012年10月31日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權日2012年8月3日
發(fā)明者祁生文, 郭松峰, 黃曉林 申請人:中國科學院地質與地球物理研究所