本發(fā)明涉及巖體力學試驗設備技術領域，特別涉及一種巖石空心圓柱扭剪儀。

背景技術：

在交通、水利水電、采礦等基礎工程建設和資源/能源開發(fā)領域需要建設大量深埋長大隧道(隧洞、巷道)，TBM(全斷面巖石隧道掘進機)以其安全、高效、經(jīng)濟等獨特優(yōu)勢成為深埋長大隧道(隧洞、巷道)施工的最佳選擇和必然發(fā)展方向。TBM開挖過程會引起圍巖應力發(fā)生持續(xù)調(diào)整，其突出特點是：主應力量值大幅度改變同時伴隨應力主軸大角度旋轉(zhuǎn)。在深埋高應力條件下，圍巖應力的上述變化常導致高強度巖爆、大變形卡機等重大工程災害頻發(fā)，嚴重威脅人員和施工安全，經(jīng)濟損失巨大。因此，深入揭示深部地層TBM掘進圍巖主應力量值改變和應力主軸旋轉(zhuǎn)組合條件下圍巖破壞機理和力學特征是進行上述重大工程災害準確預測與可靠防控的基本前提和科學依據(jù)，也是深部地層TBM選型和系統(tǒng)適應性設計需要重點考慮的關鍵因素。

國內(nèi)外現(xiàn)有的巖石力學試驗儀器中，可以模擬復雜應力路徑的包括：巖石空心圓柱扭剪儀。但是在其工作過程中，施加軸力過程和扭矩的過程會相互干擾，導致施加在空心巖樣上的力精度和可靠性降低；另一方面，試驗機待機階段，懸在半空中的施力組件存在晃動或者碰撞等安全問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種巖石空心圓柱扭剪儀，解決現(xiàn)有技術中軸向施力和扭矩施力過程相互影響，導致試驗可靠性和精度的技術問題。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種巖石空心圓柱扭剪儀，包括：框架、升降裝置、底座、圍壓桶、上座、傳力軸、傳力軸支架、扭矩施加結(jié)構(gòu)和控制器；

所述升降裝置固定在所述框架上，所述底座固定在所述升降裝置上；

所述圍壓桶固定在所述底座上，所述底座上，圍壓桶內(nèi)腔中設置一用于固定試樣底端的下壓頭；

所述上座固定在所述圍壓桶上部，與所述圍壓桶以及所述底座圍成試樣反應空間；

所述傳力軸中部嵌于所述上座內(nèi)，底部位于所述反應空間內(nèi)，所述傳力軸底端設置一用于固定試樣頂端的上壓頭；

所述傳力軸中部位于所述上座內(nèi)的桿身上設置一活塞，所述上座內(nèi)設置一與所述活塞匹配的施力油腔，所述活塞將所述施力油腔分隔成上施力油腔和下施力油腔；

所述傳力軸上部通過所述傳力軸支架固定在所述框架上，相對所述框架保持軸向和徑向靜止；

所述扭矩施加結(jié)構(gòu)固定在所述框架上，與所述傳力軸上部相連，用于施加扭矩；

所述圍壓桶、所述上施力油腔和所述下施力油腔均設置用于與外部液壓元件連接的輸油通道；

所述控制器分別與所述扭矩施加結(jié)構(gòu)、所述升降結(jié)構(gòu)以及液壓元件相連；

其中，所述控制器對所述升降結(jié)構(gòu)以及所述液壓元件實現(xiàn)連鎖控制，當所述液壓原向所述施力油腔供油或者泄油，驅(qū)動所述反應空間相對于所述傳力軸上下移動時，所述升降裝置跟所述反應空間移動。

進一步地，所述升降裝置包括：液壓動力元件、導軌以及升降支座；

所述導軌固定在所述框架上，所述升降支座通過與所述導軌匹配的滑塊固定在所述導軌上；

所述液壓動力元件固定在所述框架與所述升降支座之間，驅(qū)動所述升降支座沿所述導軌移動。

進一步地，所述液壓動力元件包括：液壓千斤頂。

進一步地，所述圍壓桶內(nèi)開設的輸油通道包括：

位于所述上座以及底座上，連通所述圍壓桶內(nèi)腔的輸油通道；

位于所述底座上，連通巖石空心圓柱試樣內(nèi)腔的輸油通道。

進一步地，所述上壓頭以及所述下壓頭上設置粘連結(jié)構(gòu)，用于將所述試樣的端部分別粘接在所述上壓頭和下壓頭上。

進一步地，傳力軸支架包括：第一支架以及第一法蘭絲扣；

所述第一支架一端固定在所述框架上，另一端通過所述第一法蘭絲扣與所述傳力軸相連。

進一步地，所述傳力軸支架還包括：第二支架以及第二法蘭絲扣；

所述第二支架一端固定在所述框架上，另一端通過所述第二法蘭絲扣與所述傳力軸相連；

其中，所述第一絲扣法蘭和所述第二絲扣法蘭分別位于所述傳力軸中部和上部。

進一步地，所述扭矩施加結(jié)構(gòu)包括：扭矩傳力桿、扭矩施加油缸以及油缸固定基座；

所述扭矩傳力桿一端與所述傳力桿上部相連，另一端通過關節(jié)軸承與所述扭矩施加油缸的活塞頭相連。

進一步地，所述扭矩傳力桿固定在所述第一絲扣法蘭和所述第二絲扣法蘭之間。

進一步地，所述底座與所述圍壓桶之間、所述上座與所述圍壓桶之間以及所述上座與所述傳力軸之間均設置密封圈。

本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優(yōu)點：

本申請實施例中提供的巖石空心圓柱扭剪儀，革新扭剪儀的扭矩和軸向施力方式，協(xié)調(diào)兩個操作過程，避免其相互干擾；具體來說，通過將傳力軸固定在框架上，保持軸向和徑向相對于框架靜止；將扭矩施加結(jié)構(gòu)固定在所述框架上，以其為施力支點；設置升降結(jié)構(gòu)，執(zhí)行抬升主體反應空間操作，使得軸向施力過程的動件由常規(guī)的傳力軸改成主體反應空間；從而使得傳力軸在軸向和徑向都不存在位移的情況下完成軸向施力，同時扭矩施力操作由于傳力軸在軸向和徑向上相對于框架靜止，而扭矩施力組件只向傳力軸施加切向扭矩，在軸向和切向上相對靜止，從而實現(xiàn)了施加扭矩操作與軸向施力操作的，相對獨立，從而避免了相互干擾；保證了試驗可靠性和精度?？朔爽F(xiàn)有結(jié)構(gòu)中扭矩施加結(jié)構(gòu)與傳力軸的剛性連接，避免了產(chǎn)生由于運動趨勢產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應力，而影響施力精度，角度和穩(wěn)定性的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的巖石空心圓柱扭剪儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的巖石空心圓柱扭剪儀的外形圖。

具體實施方式

本申請實施例通過提供一種巖石空心圓柱扭剪儀，解決現(xiàn)有技術中軸向施力和扭矩施力過程相互影響，導致試驗可靠性和精度的技術問題；達到了避免軸向施力和扭矩施力的相互影響的技術效果。

為解決上述技術問題，本申請實施例提供技術方案的總體思路如下：

通過調(diào)整軸向施力方式，并將傳力軸與框架相對靜止；同時將扭矩施加結(jié)構(gòu)的施力支點改為框架；并配合升降裝置，使得主體反應空間結(jié)構(gòu)能夠抬升；從而使得傳力軸相對于扭矩施加操作有且僅以一個方向的相對移動，從容實現(xiàn)兩過程的相互獨立，避免了相互干擾。

為了更好的理解上述技術方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術方案進行詳細說明，應當理解本發(fā)明實施例以及實施例中的具體特征是對本申請技術方案的詳細的說明，而不是對本申請技術方案的限定，在不沖突的情況下，本申請實施例以及實施例中的技術特征可以相互組合。

參見圖1和圖2，一種巖石空心圓柱扭剪儀，包括：框架1、升降裝置(2、3)、底座4、圍壓桶10、上座18、傳力軸26、傳力軸支架(29、30、34、38)、扭矩施加結(jié)構(gòu)和控制器。

具體來說，所述升降裝置固定在所述框架1上，所述底座4通過底座固定螺栓5固定在所述升降裝置上；從而實現(xiàn)底座的抬升下降控制。

所述圍壓桶10固定在所述底座4上，所述底座4上，圍壓桶內(nèi)腔17中設置一用于固定試樣11底端的下壓頭9，通過下壓頭固定螺栓8固定在所述底座4上。

所述上座18通過上座固定螺栓14固定在所述圍壓桶10上部，與所述圍壓桶10以及所述底座4圍成試樣反應空間；作為試樣反應的環(huán)境空間和圍壓施加空間。且，所述上座18和底座4通過拉緊螺栓16壓緊。

進一步地，施力油腔通常由上座18上的凹槽與槽蓋28圍成，并通過槽蓋固定螺栓25固定；便于拆卸維護。

所述傳力軸26中部嵌于所述上座18內(nèi)，底部位于所述反應空間內(nèi)，所述傳力軸26底端設置一用于固定試樣頂端的上壓頭12。

所述上壓頭12上設置測試設備孔13，用于各類測試傳感器進入。

所述傳力軸26中部位于所述上座18內(nèi)的桿身上設置一活塞22，所述上座內(nèi)設置一與所述活塞匹配的施力油腔，所述活塞22將所述施力油腔分隔成上施力油腔23和下施力油腔21；從而通過液壓油的輸入輸出實現(xiàn)活塞與施力油腔的相對運動。執(zhí)行施力卸力操作。

所述傳力軸上部33通過所述傳力軸支架固定在所述框架1上，相對所述框架保持軸向和徑向靜止。所述扭矩施加結(jié)構(gòu)固定在所述框架上，與所述傳力軸上部相連，用于施加扭矩；從而形成傳力軸26與扭矩施加結(jié)構(gòu)的切向側(cè)位移相對移動的結(jié)構(gòu)形式，使得軸向施力和切向施力相互獨立；避免相互影響。

所述圍壓桶10、所述上施力油腔23和所述下施力油腔21均設置用于與外部液壓元件連接的輸油通道(24、20、15、6、7)；用于施加圍壓和液壓施力操作。

所述控制器分別與所述扭矩施加結(jié)構(gòu)、所述升降結(jié)構(gòu)以及液壓元件相連；所述控制器對所述升降結(jié)構(gòu)以及所述液壓元件實現(xiàn)連鎖控制，當所述液壓原向所述施力油腔供油或者泄油，驅(qū)動所述反應空間相對于所述傳力軸上下移動時，所述升降裝置跟所述反應空間移動。

進一步地，所述升降裝置包括：液壓動力元件、導軌2以及升降支座3；

所述導軌2固定在所述框架1上，所述升降支座3通過與所述導軌2匹配的滑塊固定在所述導軌2上；

所述液壓動力元件固定在所述框架1與所述升降支座3之間，驅(qū)動所述升降支座沿所述導軌移動。

具體來講，所述液壓動力元件包括：液壓千斤頂。

進一步地，所述圍壓桶10內(nèi)開設的輸油通道包括：

位于所述上座18以及底座4上，連通所述圍壓桶內(nèi)腔的輸油通道(6、15)；

位于所述底座4上，連通巖石空心圓柱試樣11內(nèi)腔的輸油通道7。

進一步地，所述上壓頭12以及所述下壓頭9上設置粘連結(jié)構(gòu)，用于將所述試樣的端部分別粘接在所述上壓頭和下壓頭上。

進一步地，傳力軸支架包括：第一支架38以及第一法蘭絲扣34；

所述第一支架38一端固定在所述框架1上，另一端通過所述第一法蘭絲扣34與所述傳力軸相連。

進一步地，所述傳力軸支架還包括：第二支架29以及第二法蘭絲扣30；

所述第二支架29一端固定在所述框架1上，另一端通過所述第二法蘭絲扣30與所述傳力軸26相連；

其中，所述第一絲扣法蘭34和所述第二絲扣法蘭30分別位于所述傳力軸中部和上部。從而形成兩個支點，保證傳力軸的穩(wěn)定。

進一步地，所述扭矩施加結(jié)構(gòu)包括：扭矩傳力桿、扭矩施加油缸37以及油缸固定基座36；

所述扭矩傳力桿一端與所述傳力桿上部33相連，另一端通過關節(jié)軸承與所述扭矩施加油缸37的活塞頭相連。

優(yōu)選的，所述扭矩施加油缸37的尾部通過樞轉(zhuǎn)軸35與所述油缸固定基座36樞轉(zhuǎn)連接。

進一步地，所述扭矩傳力桿固定在所述第一絲扣法蘭34和所述第二絲扣法蘭30之間。從而保證扭矩施加，不影響傳力軸的姿態(tài)。

進一步地，所述底座與所述圍壓桶之間、所述上座與所述圍壓桶之間以及所述上座與所述傳力軸之間均設置密封圈27、19。

優(yōu)選的，還可以將傳力軸26通過聯(lián)軸器31連接另一傳力軸，在聯(lián)軸器上設置扭矩傳感器32，另一傳力軸連接扭矩施加結(jié)構(gòu)；從而實時監(jiān)測終端作用的扭矩，反饋扭矩施加油缸37的實力操作，保證施力精度。

下面具體介紹所述扭剪儀的工作過程。

具體的本發(fā)明進行室內(nèi)試驗，按以下步驟進行：

步驟1：安裝空心巖樣11。將升降支座3下降至最低點，安裝試樣前，將測量儀器放入空心巖樣11內(nèi)部，將空心巖樣11一端用強力膠粘結(jié)下壓頭9，另一端用強力膠粘結(jié)上壓頭12，空心巖樣11上包有防滲透的皮管，將其由下壓頭固定螺栓8固定在底座4上，并且將相關測量設備放進空心巖樣11內(nèi)外部。

步驟2：利用控制器控制底座4上升，使得圍壓桶10與上座18接觸，此時上壓頭12的上的凹槽和傳力軸26下部的凸頭咬合，完成空心巖樣的安裝。

步驟3：實施加載。利用控制器控制外圍壓第一輸油通道6和外圍壓第二輸油通道15向圍壓桶內(nèi)腔17輸油，施加外圍壓。內(nèi)圍壓輸油通道7往空心巖樣11內(nèi)的空腔輸油提供內(nèi)圍壓。通過軸向加載輸油通道23往軸力上施力油腔24輸油，推動槽蓋28使試驗機并使其向上運動，(傳力軸上部33靜止)施加軸力。上壓頭12的上的凹槽和傳力軸26下部的凸頭咬合，通過扭矩施加油缸37推動傳力軸26做圓周運動為空心巖樣提供扭矩。

步驟4：卸載拆樣。內(nèi)外圍壓的卸載同加載方法大致相同，通過控制器控制抽油，進行卸載。通過軸向卸載輸油通道20向軸力下施力油腔21輸油推動上座18使試驗機整體向下運動，卸載軸向壓力。扭矩的卸載使用扭矩施加油缸37反向運動即可。卸載后，利用控制器控制升降支座3下降，后拆卸空心巖樣。

本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優(yōu)點：

本申請實施例中提供的巖石空心圓柱扭剪儀，革新扭剪儀的扭矩和軸向施力方式，協(xié)調(diào)兩個操作過程，避免其相互干擾；具體來說，通過將傳力軸固定在框架上，保持軸向和徑向相對于框架靜止；將扭矩施加結(jié)構(gòu)固定在所述框架上，以其為施力支點；設置升降結(jié)構(gòu)，執(zhí)行抬升主體反應空間操作，使得軸向施力過程的動件由常規(guī)的傳力軸改成主體反應空間；從而使得傳力軸在軸向和徑向都不存在位移的情況下完成軸向施力，同時扭矩施力操作由于傳力軸在軸向和徑向上相對于框架靜止，而扭矩施力組件只向傳力軸施加切向扭矩，在軸向和切向上相對靜止，從而實現(xiàn)了施加扭矩操作與軸向施力操作的，相對獨立，從而避免了相互干擾；保證了試驗可靠性和精度?？朔爽F(xiàn)有結(jié)構(gòu)中扭矩施加結(jié)構(gòu)與傳力軸的剛性連接，避免了產(chǎn)生由于運動趨勢產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應力，而影響施力精度，角度和穩(wěn)定性的問題。

最后所應說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。