基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置及试验方法，包括上、下剪切工装；上剪切工装的左侧抵接有左剪切液压系统；下剪切工装的右侧抵接有右剪切液压系统；上剪切工装的上方抵接有法向液压系统，下剪切工装的下方固接有剪切工装垫块，剪切工装垫块滑动连接有固定底板；上剪切工装四角固接有剪切支座，剪切支座底端固接有承台，承台与固定底板滑动连接。本发明通过设计的平面滚动轴承，能够减小剪切试样与侧向工装的摩擦阻力；通过楔形体构件，消除了剪切试样与剪切压座的间隙。此外，通过双向剪切的方法能够保证法向中心恒定，使得试样的法向受力不偏压，进而保证试验结果的准确性，对岩体工程领域的研究具有重要意义。

权利要求

1.一种基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置，其特征在于，包括：剪切工装，所述剪切工装包括上剪切工装和下剪切工装；所述上剪切工装的左侧抵接有左剪切液压系统；所述下剪切工装的右侧抵接有右剪切液压系统；所述上剪切工装的上方抵接有法向液压系统，所述下剪切工装的下方固接有剪切工装垫块(33)，所述剪切工装垫块(33)滑动连接有固定底板(29)；所述上剪切工装四角固接有剪切支座(7)，所述剪切支座(7)底端固接有承台(13)，所述承台(13)与所述固定底板(29)滑动连接；

所述上剪切工装包括上剪切盒(22)，所述上剪切盒(22)四周抵接有若干平面滚动轴承(11)；所述上剪切盒(22)两侧固接有剪切压座(6)；所述剪切压座(6)与所述平面滚动轴承(11)之间设置有楔形体构件(10)；所述剪切支座(7)上端与所述剪切压座(6)固接；

所述楔形体构件(10)包括第一斜块体(18)和第二斜块体(17)，所述第一斜块体(18)和第二斜块体(17)均为直角梯形，其斜面相互抵接；所述第一斜块体(18)固接于相应的所述剪切压座(6)上；所述第二斜块体(17)活动连接于所述第一斜块体(18)与平面滚动轴承(11)之间；

所述固定底板(29)上固接有若干滑轨(27)，所述剪切工装垫块(33)与所述承台(13)均通过所述滑轨(27)与所述固定底板(29)滑动连接。

2.根据权利要求1所述的基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置，其特征在于：

所述下剪切工装包括下剪切盒(28)，所述下剪切盒(28)两侧卡接有所述剪切压座(6)；所述剪切压座(6)与所述下剪切盒(28)之间设置有所述楔形体构件(10)；所述剪切压座(6)底面与所述剪切工装垫块(33)顶面固接。

3.根据权利要求1所述的基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置，其特征在于：

所述左剪切液压系统包括左剪切油缸(31)、切向球面连接板(4)和推拉板(3)，所述推拉板(3)与上剪切工装左侧的所述剪切压座(6)固接；所述推拉板(3)远离所述剪切压座(6)的一端与所述切向球面连接板(4)固接，所述切向球面连接板(4)与所述左剪切油缸(31)传动连接。

4.根据权利要求1所述的基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置，其特征在于：

所述法向液压系统包括法向压板(9)、法向承压板(19)和法向液压油缸(32)；所述法向压板(9)与所述上剪切盒(22)顶端抵接，所述法向压板(9)和所述法向承压板(19)之间通过若干球形滚轮(8)滑动抵接；所述法向承压板(19)上固接有法向球面连接板(20)；所述法向球面连接板(20)上端传动连接有法向液压油缸(32)。

5.根据权利要求4所述的基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置，其特征在于：

所述法向压板(9)上固接有若干法向变形传感器(1)，所述法向变形传感器(1)底端固接有接触杆件(2)，所述接触杆件(2)与所述剪切压座(6)抵接。

6.一种使用如权利要求1‑5中任意一项所述的基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置进行试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：组装恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置并进行调试；

步骤二：将待剪切试件(30)安装在上剪切盒(22)、下剪切盒(28)中，并确保上下剪切试样盒与周围平面滚动轴承(11)贴紧；

步骤三：启动左右液压油缸，首先驱使左右剪切压座(6)对剪切盒施加荷载至试验设计值，并锁定；

步骤四：启动法向油缸，对上剪切盒(22)施加试验要求的法向荷载或者法向刚度；

步骤五：剪切试验过程控制一个剪切盒的剪切荷载不变，改变另一个剪切盒的剪切荷载对试样进行剪切，形成剪切位移，并根据试验设计值完成剪切试验；

步骤六：记录全过程试验数据，拍摄实验过程，结束试验。

说明书

基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置及试验方法

技术领域

[0001] 本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置及试验方法。

背景技术

[0002] 随着国民经济的不断发展，仅仅进行地上空间资源的开发与利用已经无法满足当今工业发展的需求，近年来越来越多的地下工程被开发和投入使用。而岩体的稳定性问题
关系到所有岩石地下工程的设计、施工的安全性以及经济的效应性方面，包括矿山资源开
采、水利水电、边坡防护等重要基础工业建设。大量的工程实践表明岩体发生破坏失稳时，其根本原因往往是岩体内部的结构体沿着结构面发生了剪切滑移，且在这一过程中结构体
本身并没有发生宏观上的破坏。因此，结构面的抗剪强度很大程度上决定了岩体质量的好
坏，甚至可以说是控制岩土工程稳定最为关键的因素之一。现如今，有关岩体结构面的剪切效应方面的研究工作一直是岩土工程领域的一个研究热点。

[0003] 现有的剪切试验装置虽然能够模拟多个边界条件下的剪切荷载对岩体的剪切力学特性的影响，但是仍然存在三个方面的不足：(1)剪切试验过程中剪切试样与侧向的连接板之间存在一定的摩擦阻力，对剪切力产生影响。(2)目前剪切装置多采用连杆式，在剪切试验过程法向中心会偏离，造成试件法向受力偏压。(3)剪切试样与剪切盒有一定的间隙，在试验过程中会影响剪切位移值，从而对试验结果造成影响。

[0004] 因此，目前亟需一种新型的剪切试验装置及试验方法来解决上述问题。

发明内容

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置，包括：剪切工装，所述剪切工装包括上剪切工装和下剪切工装；所述上剪切工装的左侧抵接有左剪切液压系统；所述下剪切工装的右侧抵接有右剪切液压系统；所述上剪切
工装的上方抵接有法向液压系统，所述下剪切工装的下方固接有剪切工装垫块，所述剪切
工装垫块滑动连接有固定底板；所述上剪切工装四角固接有剪切支座，所述剪切支座底端
固接有承台，所述承台与所述固定底板滑动连接。

[0006] 优选的，所述上剪切工装包括上剪切盒，所述上剪切盒四周抵接有若干平面滚动轴承；所述上剪切盒两侧固接有剪切压座；所述剪切压座与所述平面滚动轴承之间设置有
楔形体构件；所述剪切支座上端与所述剪切压座固接。

[0007] 优选的，所述下剪切工装包括下剪切盒，所述下剪切盒两侧卡接有所述剪切压座；所述剪切压座与所述下剪切盒之间设置有所述楔形体构件；所述剪切压座底面与所述剪切
工装垫块顶面固接。

[0008] 优选的，所述楔形体构件包括第一斜块体和第二斜块体，所述第一斜块体和第二斜块体均为直角梯形，其斜面相互抵接；所述第一斜块体固接于相应的所述剪切压座上；所述第二斜块体活动连接于所述第一斜块体与平面滚动轴承之间。

[0009] 优选的，所述左剪切液压系统包括左剪切油缸、切向球面连接板和推拉板，所述推拉板与上剪切工装左侧的所述剪切压座固接；所述推拉板远离所述剪切压座的一端与所述切向球面连接板固接，所述切向球面连接板与所述左剪切油缸传动连接。

[0010] 优选的，所述法向液压系统包括法向压板、法向承压板和法向液压油缸；所述法向压板与所述上剪切盒顶端抵接，所述法向压板和所述法向承压板之间通过若干球形滚轮滑动抵接；所述法向承压板上固接有法向球面连接板；所述法向球面连接板上端传动连接有
法向液压油缸。

[0011] 优选的，所述法向压板上固接有若干法向变形传感器，所述法向变形传感器底端固接有接触杆件，所述接触杆件与所述剪切压座抵接。

[0012] 优选的，所述固定底板上固接有若干滑轨，所述剪切工装垫块与所述承台均通过所述滑轨与所述固定底板滑动连接。

[0013] 基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验方法，包括如下步骤：

[0014] 步骤一：组装恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置并进行调试；

[0015] 步骤二：将待剪切试件安装在上剪切盒、下剪切盒中，并确保上下剪切试样盒与周围平面滚动轴承贴紧；

[0016] 步骤三：启动左右液压油缸，首先驱使左右剪切压座对剪切盒施加荷载至试验设计值，并锁定；

[0017] 步骤四：启动法向油缸，对上剪切盒施加试验要求的法向荷载或者法向刚度；

[0018] 步骤五：剪切试验过程控制一个剪切盒的剪切荷载不变，改变另一个剪切盒的剪切荷载对试样进行剪切，形成剪切位移，并根据试验设计值完成剪切试验；

[0019] 步骤六：记录全过程试验数据，拍摄实验过程，结束试验。

[0020] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

[0021] (1)减少了剪切试样与周围工装之间的摩擦阻力：剪切试样在剪切试验过程中与四周的工装之间会产生一定的摩擦阻力，对剪切力有直接的影响。本发明通过在剪切试样
与周围工装之间添加平面滚动轴承，将阻力形式由滑动摩擦变为滚动摩擦，大大减少了摩
擦阻力，进而提高了剪切试验的精度。

[0022] (2)通过楔形体构件调整剪切盒与周围剪切工装之间的间隙：现有的剪切装置进行剪切试验时，剪切试样与剪切压座之间会存在一定间隙。本发明设计的楔形体构件能够
通过调整斜块体的空间位置，最大程度地减小剪切试样与剪切工装的间隙，从而减小对剪
切位移值的影响。

[0023] (3)通过双向剪切方法保证法向中心恒定：现有的剪切装置多采用连杆式，试样在剪切的过程中，法向中心会逐渐偏离，造成法向受力偏压，对剪切试验的结果造成影响。本发明通过双向剪切的方法，保证了法向中心恒定，使得试样的法向受力不出现偏压。

附图说明

[0024] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

[0025] 图1是本发明的恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置的正面结构示意图；

[0026] 图2是本发明的剪切试验装置的主体结构三维示意图；

[0027] 图3是本发明的剪切试验装置内部剖面图；

[0028] 图4是本发明的剪切试验装置内部构件俯视图；

[0029] 图5是本发明中楔形体构件结构示意图；

[0030] 图6是本发明的剪切试验装置的下剪切工装结构示意图；

[0031] 图7是本发明的实施例1在恒定法向刚度试验条件下剪切位移与法向位移的关系示意图；

[0032] 图8是本发明的实施例2在循环剪切试验条件下剪切位移与剪切力的关系示意图；

[0033] 图中：1、法向变形传感器；2、接触杆件；3、推拉板；4、切向球面连接板；5、连接螺栓；6、剪切压座；7、剪切支座；8、球形滚轮；9、法向压板；10、楔形体构件；11、平面滚动轴承；12、剪切盒连接螺栓；13、承台；14、侧向连接板；15、固定螺丝；16、固定钢板；17、第二斜块体；18、第一斜块体；19、法向承压板；20、法向球面连接板；21、传感器固定螺栓；22、上剪切盒；23、右剪切油缸；24、竖向连接板；25、固定钢块；26、把手；27、滑轨；28、下剪切盒；29、固定底板；30、待剪切试件；31、左剪切油缸；32、法向液压油缸；33、剪切工装垫块。

具体实施方式

[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0035] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0036] 参照图1‑6所示，本实施例提供一种基于恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置，包括：剪切工装，剪切工装包括上剪切工装和下剪切工装；上剪切工装的左侧抵接有左剪切液压系统；下剪切工装的右侧抵接有右剪切液压系统；上剪切工装的上方抵接有法向
液压系统，下剪切工装的下方固接有剪切工装垫块33，剪切工装垫块33滑动连接有固定底
板29；上剪切工装四角固接有剪切支座7，剪切支座7底端固接有承台13，承台13与固定底板
29滑动连接。

[0037] 上剪切工装和下剪切工装内安装有待剪切试件30，左剪切液压系统和右剪切液压系统为待剪切试件30提供相反方向的切向作用力，形成剪切载荷；法向液压系统为待剪切
试件30提供法向荷载或者法向刚度；上剪切工装通过剪切支座7、承台13与固定底板29的滑动连接可实现水平方向的直线位移；下剪切工装通过剪切工装垫块33与固定底板29的滑动
可实现水平方向的直线位移。

[0038] 进一步的，左剪切液压系统、右剪切液压系统和法向液压系统均与液压控制面板图中未画出电性连接，并通过控制液压控制面板控制施加在待剪切试件30上的载荷。

[0039] 进一步的，上剪切工装外固接有把手26。

[0040] 进一步的，剪切压座6与剪切支座7通过连接螺栓5固定连接形成整体。

[0041] 进一步优化方案，上剪切工装包括上剪切盒22，上剪切盒22四周抵接有若干平面滚动轴承11；上剪切盒22两侧固接有剪切压座6；剪切压座6与平面滚动轴承11之间设置有
楔形体构件10；剪切支座7上端与剪切压座6固接。

[0042] 平面滚动轴承11包括若干个滚轮；平面滚动轴承11的滚轮之间的间隙控制在合理的范围，既可防止间隙过大导致无法有效减小与剪切盒的摩擦阻力，又可防止间隙过小而
不便于进行剪切试件的安装与拆卸工作。

[0043] 进一步的，平面滚动轴承11通过固定钢板16和固定螺丝15均匀地固定布设在侧向连接板14上，并均匀地分布在上剪切盒22四周。

[0044] 进一步的，下剪切盒28通过剪切盒连接螺栓12与剪切压座6固定连接。

[0045] 进一步的，上剪切盒22外固接有把手26。

[0046] 进一步的，上剪切盒22与剪切压座6之间通过固定钢块25进行插接固定。

[0047] 进一步优化方案，下剪切工装包括下剪切盒28，下剪切盒28两侧卡接有剪切压座6；剪切压座6与下剪切盒28之间设置有楔形体构件10；剪切压座6底面与剪切工装垫块33顶面固接。

[0048] 上剪切工装与下剪切工装相对应设置。

[0049] 进一步的，竖向连接板24上部抵接下剪切盒28，下部抵接剪切工装垫块33。

[0050] 进一步优化方案，楔形体构件10包括第一斜块体18和第二斜块体17，第一斜块体18和第二斜块体17均为直角梯形，其斜面相互抵接；第一斜块体18固接于相应的剪切压座6上；第二斜块体17活动连接于第一斜块体18与平面滚动轴承11之间。

[0051] 第一斜块体18为固定块体，第二斜块体17为活动块体；在上剪切工装中，第二活动块体位于第一斜块体18与平面滚动轴承11之间；第二活动块体可随第一斜块体18与平面滚动轴承11之间的距离改变而受到挤压或放松，进而进行上下移动，从而始终保持上剪切工
装各结构间的紧密接触。

[0052] 进一步的，在下剪切工装里，第二活动块体位于第一斜块体18与下剪切盒28之间，随第一斜块体18与下剪切盒28之间的距离改变而受到挤压或放松，进而进行上下移动，从而始终保持或下剪切工装各结构间的紧密接触。

[0053] 进一步优化方案，左剪切液压系统包括左剪切油缸31、切向球面连接板4和推拉板3，推拉板3与上剪切工装左侧的剪切压座6固接；推拉板3远离剪切压座6的一端与切向球面连接板4固接，切向球面连接板4与左剪切油缸31传动连接。

[0054] 进一步的，与左剪切液压系统相似的，右剪切液压系统包括右剪切油缸23，右剪切油缸23传动连接有切向球面连接板4，切向球面连接板4远离右剪切油缸23的一端固接有推拉板3，推拉板3与下剪切工装右侧的剪切压座6固接。

[0055] 左剪切液压系统和右剪切液压系统，分别对装有待剪切试件30的剪切工装一上一下地提供方向相反的作用力，形成剪切载荷。

[0056] 进一步优化方案，法向液压系统包括法向压板9、法向承压板19和法向液压油缸32；法向压板9与上剪切盒22顶端抵接，法向压板9和法向承压板19之间通过若干球形滚轮8滑动抵接；法向承压板19上固接有法向球面连接板20；法向球面连接板20上端传动连接有
法向液压油缸32。

[0057] 球形滚轮8均匀分布在法向压板9中部,将法向压板9与法向承压钢板之间的阻力形式由滑动摩擦变为滚动摩擦，大大减少了摩擦阻力，进而提高了剪切试验的精度。

[0058] 进一步优化方案，法向压板9上固接有若干法向变形传感器1，法向变形传感器1底端固接有接触杆件2，接触杆件2与剪切压座6抵接。

[0059] 法向变形传感器1通过接触杆件2测量待剪切试件30的变形量。

[0060] 进一步的，法向变形传感器1由传感器固定螺栓21固接于法向压板9上。

[0061] 进一步优化方案，固定底板29上固接有若干滑轨27，剪切工装垫块33与承台13均通过滑轨27与固定底板29滑动连接。

[0062] 滑轨27可使剪切工装垫块33和承台13在水平方向上滑动。

[0063] 一种恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：

[0064] 步骤一：组装本剪切试验装置并进行调试；

[0065] 步骤二：将待剪切试件30安装在上剪切盒22、下剪切盒28中，并确保上下剪切试样盒与周围平面滚动轴承11贴紧；

[0066] 步骤三：启动左右液压油缸，首先驱使左右剪切压座6对剪切盒施加荷载至试验设计值，并锁定；

[0067] 步骤四：启动法向油缸，对上剪切盒22施加试验要求的法向荷载或者法向刚度；

[0068] 步骤五：剪切试验过程控制一个剪切盒的剪切荷载不变，改变另一个剪切盒的剪切荷载对试样进行剪切，形成剪切位移，并根据试验设计值完成剪切试验；

[0069] 步骤六：记录全过程试验数据，拍摄实验过程，结束试验。

[0070] 实施例1

[0071] 参照图7所示，为更好地说明该装置的剪切试验方法，以恒定法向刚度条件下的岩石的剪切试验为实施例1，包括以下的试验步骤：

[0072] 步骤一：按照恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置的各项部件进行组装系统；

[0073] 步骤二：将待剪切的岩体试件安装在岩石剪切试验装置中；

[0074] 步骤三：然后通过法向液压油缸32和左剪切液压油缸和右剪切液压油缸，使法向压板9和平面滚动轴承11贴紧上剪切盒22的顶部和四周；

[0075] 步骤四：调节第二斜块体17在楔形体构件10中的位置，尽可能消除上剪切盒22与平面滚动轴承11之间的间隙；

[0076] 步骤五：在进行剪切试验时，首先通过左右剪切液压系统将待剪切试样加载至试验设计值，然后通过法向液压系统将上剪切盒22的方向刚度保持一定；接着，控制左剪切液压油缸和右剪切液压油缸，对待剪切试件30进行剪切，记录加载过程中试件的法向变形、法向力、剪切力、剪切变形情况等数据；

[0077] 步骤六：待剪切试样达到试验设计的剪切位移值，结束试验。

[0078] 实施例2

[0079] 参照图8所示，为更好地说明该装置的剪切试验方法，在实施例1的基础上，以循环剪切试验为实施例2，包括以下的试验步骤：

[0080] 步骤一：组装恒定法向中心约束的低摩阻剪切试验装置，将各组成部件按照具体实施方式进行安装，调试；

[0081] 步骤二：对待剪切试样进行处理分成两块，记为剪切试样1号和2号，分别放置在上剪切盒22和下剪切盒28中，使得剪切试样的侧面与上下剪切盒28的侧壁抵住填满，切开面相互咬合形成剪切面；

[0082] 步骤三：在剪切装置中安装好上剪切盒22和下剪切盒28，调整左剪切液压油缸和右剪切液压油缸，使得上剪切盒22侧面与四周的平面滚动轴承11贴紧，然后启动法向液压
油缸32，使得法向压板9抵住上剪切盒22上端；

[0083] 步骤四：启动左剪切液压油缸和右剪切液压油缸，并保持二者加载速度相同，使得剪切盒受到的剪切荷载达到实验设计值后锁定；启动法向液压油缸32，使剪切盒达到恒定法向刚度的应力边界条件；

[0084] 步骤五：保持左剪切液压油缸锁定，启动右剪切液压油缸，对下剪切盒28加载剪切力，进行试验，直至达到试验设计值；

[0085] 步骤六：完成一次循环后，重复步骤五进行下一次的剪切循环直至达到试验的循环设计次数；

[0086] 步骤七：记录实验数据，记录所有的加载力和位移数据，形成曲线图。

[0087] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0088] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出
的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。