專利名稱：一種巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖石力學(xué)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀。
背景技術(shù)：
目前巖石力學(xué)結(jié)構(gòu)面剪切儀通常是按準(zhǔn)靜態(tài)條件設(shè)計(jì)的，不能考慮剪切速率對(duì)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的影響。而在地震工程、爆破工程、巖體動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域需考慮動(dòng)力條件下結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性質(zhì)，相關(guān)的研究表明動(dòng)力條件下巖石結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度相比靜力條件下有很大程度的降低。地震沖擊波、爆炸應(yīng)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(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生沖擊剪切破，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)等災(zāi)害的發(fā)生。因此，測(cè)定巖體結(jié)構(gòu)面的沖擊剪切強(qiáng)度是十分必要的。 目前市場(chǎng)上尚沒有專門用于測(cè)定巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切強(qiáng)度的儀器，本發(fā)明型填補(bǔ)了這一領(lǐng)域的空白，提供了一種巖石結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀。本結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀可以用來(lái)測(cè)量不同法向壓力下不同沖擊速率的結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度、沖剪過(guò)程中的剪脹位移、水平位移等參數(shù)。同時(shí)能對(duì)沖擊荷載、法向荷載變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)改變重力圓盤的個(gè)數(shù)、重力擺臂長(zhǎng)、初始懸掛角來(lái)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(shí)驗(yàn)室測(cè)定不同法向壓力、沖擊速率下巖石結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度，使用方便且測(cè)量結(jié)果可靠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為提供一種巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀，該沖擊剪切儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠比較方便地實(shí)現(xiàn)以不同的速率沖擊巖體，從而獲得不同的沖擊剪切強(qiáng)度。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種巖體結(jié)構(gòu)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(shè)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(dòng)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(shè)有水平?jīng)_擊通道；所述沖擊力剪切施加裝置包括齒狀傳動(dòng)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(dòng)軸可移動(dòng)設(shè)于所述水平?jīng)_擊通道中，所述齒輪盤的由主框架轉(zhuǎn)動(dòng)支撐，并其齒輪與所述齒狀傳動(dòng)軸的齒輪嚙合，以便隨著重力盤擺動(dòng)所述齒狀傳動(dòng)軸在水平?jīng)_擊通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(shè)有開口，以便頂部框架圍成的空間正對(duì)底部框架的橫梁。優(yōu)選地，所述水平?jīng)_擊通道設(shè)于底部框架的橫梁上，并所述橫梁上設(shè)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(zhuǎn)支撐于該弧形孔中；所述齒輪柄和重力盤擺動(dòng)設(shè)于底部框架的內(nèi)部。優(yōu)選地，所述底部框架的橫梁上進(jìn)一步設(shè)有貫穿所述水平?jīng)_擊通道的凹槽，所述下半盒可水平移動(dòng)設(shè)于該凹槽中，以便下半盒的兩側(cè)分別正對(duì)水平?jīng)_擊通道。優(yōu)選地，所述齒狀傳動(dòng)軸進(jìn)一步通過(guò)設(shè)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(shè)有加速度傳感器。優(yōu)選地，在下半盒的另一側(cè)，所述水平?jīng)_擊通道內(nèi)還設(shè)有止動(dòng)墊塊，并該止動(dòng)墊塊與下半盒之間也設(shè)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(dǎo)軌；所述油壓泵設(shè)于頂部框架的橫梁上，所述豎向圓柱軸承導(dǎo)軌分別設(shè)于頂部框架兩側(cè)的立柱上，所述承壓橫梁的水平兩端分別支撐于兩側(cè)的豎向圓柱軸承導(dǎo)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(guò)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(shè)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(dòng)板，所述承壓橫梁通過(guò)承壓活動(dòng)板施壓于所述上半盒上；所述承壓橫梁與承壓活動(dòng)板之間設(shè)有彈簧，并彈簧的兩側(cè)設(shè)有位移傳感器。優(yōu)選地，所述承壓活動(dòng)板包括球頭橫梁及分別設(shè)于球頭橫梁兩端的球面墊，并且球面墊滑動(dòng)支撐于豎向圓柱軸承導(dǎo)軌上。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明所提供的沖擊剪切儀的主框架設(shè)有水平?jīng)_擊通道；所述沖擊力剪切施加裝置包括齒狀傳動(dòng)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(dòng)軸可移動(dòng)設(shè)于所述水平?jīng)_擊通道中，所述齒輪盤的由主框架轉(zhuǎn)動(dòng)支撐，并其齒輪與所述齒狀傳動(dòng)軸的齒輪嚙合，以便隨著重力盤擺動(dòng)所述齒狀傳動(dòng)軸在水平?jīng)_擊通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)而沖擊剪切下半盒。當(dāng)需要調(diào)節(jié)齒狀傳動(dòng)軸的沖擊速率時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)重力擺質(zhì)量和擺長(zhǎng)、齒狀傳動(dòng)軸的質(zhì)量及重力盤初始時(shí)刻與豎直方向的夾角來(lái)調(diào)節(jié)齒狀傳動(dòng)軸的沖擊速率。綜上所述，本發(fā)明提供的巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀能夠比較方便地實(shí)現(xiàn)以不同的速率沖擊巖體，從而獲得不同的沖擊剪切強(qiáng)度。


圖I為本發(fā)明一種實(shí)施例中巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖I中附圖標(biāo)記與部件名稱之間的對(duì)應(yīng)關(guān)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(dǎo)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(dòng)軸；14a沖擊墊塊；14b止動(dòng)墊塊；15角度測(cè)量盤；16齒輪柄；17重力盤；18固定螺母；19齒輪盤。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的核心為提供一種巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀，該沖擊剪切儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠比較方便地實(shí)現(xiàn)以不同的速率沖擊巖體，從而獲得不同的沖擊剪切強(qiáng)度。為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。請(qǐng)參考圖1，圖I為本發(fā)明一種實(shí)施例中巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀的結(jié)構(gòu)示意圖。在一種實(shí)施例中，如圖I所示，本發(fā)明所提供的巖體結(jié)構(gòu)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(shè)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(dòng)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(shù)方案的基礎(chǔ)上，主框架設(shè)有水平?jīng)_擊通道；沖擊力剪切施 加裝置包括齒狀傳動(dòng)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(dòng)軸14可移動(dòng)設(shè)于水平?jīng)_擊通道中，齒輪盤19的由主框架轉(zhuǎn)動(dòng)支撐,并其齒輪與齒狀傳動(dòng)軸14的齒輪嚙合，以便隨著重力盤17擺動(dòng)齒狀傳動(dòng)軸14在水平?jīng)_擊通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)而沖擊剪切下半盒。當(dāng)需要調(diào)節(jié)齒狀傳動(dòng)軸14的沖擊速率時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)重力擺質(zhì)量和擺長(zhǎng)、齒狀傳動(dòng)軸14的質(zhì)量及重力盤17初始時(shí)刻與豎直方向的夾角來(lái)調(diào)節(jié)齒狀傳動(dòng)軸14的沖擊速率。在上述技術(shù)方案中，可以對(duì)主框架作出具體設(shè)計(jì)。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(shè)有開口，以便頂部框架22圍成的空間正對(duì)底部框架21的橫梁。在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，如圖I所示，水平?jīng)_擊通道設(shè)于底部框架21的橫梁上，并橫梁上設(shè)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(zhuǎn)支撐于該弧形孔中；齒輪柄16和重力盤17擺動(dòng)設(shè)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(duì)測(cè)量重力盤17擺動(dòng)幅度的角度測(cè)量盤15，該角度測(cè)量盤15相對(duì)于底部框架21不動(dòng)，齒輪盤19相對(duì)于該角度測(cè)量盤15發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)一步地，如圖I所示，底部框架21的橫梁上進(jìn)一步設(shè)有貫穿水平?jīng)_擊通道的凹槽，下半盒可水平移動(dòng)設(shè)于該凹槽中，以便下半盒的兩側(cè)分別正對(duì)水平?jīng)_擊通道。具體地，如圖I所示，凹槽的底壁上設(shè)有滾軸軸承以實(shí)現(xiàn)下半盒的移動(dòng)。此外，齒狀傳動(dòng)軸14進(jìn)一步通過(guò)設(shè)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(shè)有加速度傳感器13。再者，在下半盒的另一側(cè)，水平?jīng)_擊通道內(nèi)還設(shè)有止動(dòng)墊塊，并該止動(dòng)墊塊與下半盒之間也設(shè)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(shè)有滾珠軸承，齒狀傳動(dòng)軸14、沖擊墊塊和止動(dòng)墊塊便通過(guò)該滾珠軸承實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。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(dǎo)軌5 ;油壓泵I設(shè)于頂部框架22的橫梁上，豎向圓柱軸承導(dǎo)軌5分別設(shè)于頂部框架22兩側(cè)的立柱上，承壓橫梁6的水平兩端分別支撐于兩側(cè)的豎向圓柱軸承導(dǎo)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(guò)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(shè)有壓力傳感器3。
此外，法向力加壓裝置還包括承壓活動(dòng)板，承壓橫梁6通過(guò)承壓活動(dòng)板施壓于上半盒上；承壓橫梁6與承壓活動(dòng)板之間設(shè)有彈簧8，并彈簧8的兩側(cè)設(shè)有位移傳感器7。具體地，彈簧8的數(shù)量可以為三個(gè)，一彈簧8放置在承壓橫梁6的中軸線上，另外兩個(gè)對(duì)稱放置。 再者，承壓活動(dòng)板包括球頭橫梁9及分別設(shè)于球頭橫梁9兩端的球面墊10，并且球面墊10滑動(dòng)支撐于豎向圓柱軸承導(dǎo)軌5上。以下將對(duì)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(gè)重力擺，通過(guò)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(zhuǎn)動(dòng)。齒輪盤19的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒狀傳動(dòng)軸14水平移動(dòng)，當(dāng)重力擺的在最低點(diǎn)同時(shí)剪切盒11位于橫梁凹槽的左端時(shí)，齒狀傳動(dòng)軸14與剪切盒11左端的沖擊墊塊相碰撞，對(duì)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(cè)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(cè)出。同時(shí)油壓泵I向下產(chǎn)生壓力，通過(guò)承壓墊板4、豎向圓柱軸承導(dǎo)軌5、承壓橫梁6、彈簧8、球頭橫梁9和球面墊10等部件對(duì)剪切盒11上半盒施加壓力且只能在豎直向移動(dòng)，當(dāng)發(fā)生剪切時(shí)由于剪脹作用剪切盒11向上移動(dòng)，由于采用彈簧8作彈性約束，故可通過(guò)壓力傳感器3和位移傳感器7測(cè)得法向力的變化和剪脹位移。假設(shè)不計(jì)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(diǎn)時(shí)的重力勢(shì)能減小值為A E=In1 gI (1-cos 0 )式中Hi1為重力擺的質(zhì)量，I為擺長(zhǎng)，g為重力加速度，0為重力擺初始時(shí)刻與豎直線的夾角，可由角度測(cè)量盤15測(cè)出。以最低點(diǎn)為重力勢(shì)能零點(diǎn)，則重力勢(shì)能改變轉(zhuǎn)換為重力擺的動(dòng)能和齒狀傳動(dòng)軸14
的動(dòng)能(忽略齒輪的動(dòng)能)，可得
權(quán)利要求
1.一種巖體結(jié)構(gòu)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(shè)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(dòng)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(shè)有水平?jīng)_擊通道；所述沖擊力剪切施加裝置包括齒狀傳動(dòng)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(dòng)軸(14)可移動(dòng)設(shè)于所述水平?jīng)_擊通道中，所述齒輪盤(19)的由主框架轉(zhuǎn)動(dòng)支撐，并其齒輪與所述齒狀傳動(dòng)軸(14)的齒輪嚙合，以便隨著重力盤(17)擺動(dòng)所述齒狀傳動(dòng)軸(14)在水平?jīng)_擊通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)而沖擊剪切下半盒。
2.如權(quán)利要求I所述的一種巖體結(jié)構(gòu)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(shè)有開口，以便頂部框架(22)圍成的空間正對(duì)底部框架(21)的橫梁。
3.如權(quán)利要求2所述的一種巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀，其特征在于，所述水平?jīng)_擊通道設(shè)于底部框架(21)的橫梁上，并所述橫梁上設(shè)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(zhuǎn)支撐于該弧形孔中；所述齒輪柄(16)和重力盤(17)擺動(dòng)設(shè)于底部框架(21)的內(nèi)部。
4.如權(quán)利要求2所述的一種巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀，其特征在于，所述底部框架(21)的橫梁上進(jìn)一步設(shè)有貫穿所述水平?jīng)_擊通道的凹槽，所述下半盒可水平移動(dòng)設(shè)于該凹槽中，以便下半盒的兩側(cè)分別正對(duì)水平?jīng)_擊通道。
5.如權(quán)利要求4所述的一種巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀,其特征在于，所述齒狀傳動(dòng)軸(14)進(jìn)一步通過(guò)設(shè)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(shè)有加速度傳感器(13)。
6.如權(quán)利要求5所述的一種巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀，其特征在于，在下半盒的另一側(cè)，所述水平?jīng)_擊通道內(nèi)還設(shè)有止動(dòng)墊塊(14b)，并該止動(dòng)墊塊(14b)與下半盒之間設(shè)有壓力傳感器(3)。
7.如權(quán)利要求2至6任一項(xiàng)所述的一種巖體結(jié)構(gòu)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(dǎo)軌(5);所述油壓泵(I)設(shè)于頂部框架(22)的橫梁上，所述豎向圓柱軸承導(dǎo)軌(5)分別設(shè)于頂部框架(21)兩側(cè)的立柱上，所述承壓橫梁(6)的水平兩端分別支撐于兩側(cè)的豎向圓柱軸承導(dǎo)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(quán)利要求7所述的一種巖體結(jié)構(gòu)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(guò)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(shè)有壓力傳感器(3)。
9.如權(quán)利要求7所述的一種巖體結(jié)構(gòu)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(dòng)板，所述承壓橫梁(6)通過(guò)承壓活動(dòng)板施壓于所述上半盒上；所述承壓橫梁(6)與承壓活動(dòng)板之間設(shè)有彈簧(8)，并彈簧(8)的兩側(cè)設(shè)有位移傳感器(7)。
10.如權(quán)利要求8所述的一種巖體結(jié)構(gòu)面沖擊剪切儀，其特征在于，所述承壓活動(dòng)板包括球頭橫梁(9)及分別設(shè)于球頭橫梁(9)兩端的球面墊(10)，并且球面墊(10)滑動(dòng)支撐于 豎向圓柱軸承導(dǎo)軌(5)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巖體結(jié)構(gòu)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(shè)有水平?jīng)_擊通道；所述沖擊力剪切施加裝置包括齒狀傳動(dòng)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(dòng)軸(14)可移動(dòng)設(shè)于所述水平?jīng)_擊通道中，所述齒輪盤(19)的由主框架轉(zhuǎn)動(dòng)支撐，并其齒輪與所述齒狀傳動(dòng)軸(14)的齒輪嚙合，以便隨著重力盤(17)擺動(dòng)所述齒狀傳動(dòng)軸(14)在水平?jīng)_擊通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)而沖擊剪切下半盒。該沖擊剪切儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠比較方便地實(shí)現(xiàn)以不同的速率沖擊巖體，從而獲得不同的沖擊剪切強(qiáng)度。
文檔編號(hào)G01N3/02GK102759486SQ201210276330
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者祁生文, 郭松峰, 黃曉林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所