本發(fā)明涉及實(shí)驗(yàn)測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種剪切試驗(yàn)預(yù)緊力加載裝置及加載方法。

背景技術(shù)：

在礦山開采、核廢料處置、水利水電、隧道、邊坡等地下工程中，裂隙巖體是經(jīng)常遇到的一類復(fù)雜巖體，它的強(qiáng)度、變形等特征，直接關(guān)系工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營穩(wěn)定性，而且這些特性具有顯著的時間相關(guān)性。裂隙巖體剪切流變常常是造成巖體滑坡、圍巖塌落、地下工程失穩(wěn)等巖石工程事故的主要因素。因此開展對巖石裂隙剪切流變特性的試驗(yàn)研究，對于整個巖體工程的長期穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

在進(jìn)行巖石剪切試驗(yàn)前，應(yīng)當(dāng)對巖石試件施加橫向的預(yù)緊力，以保證滲流時的密封性和加載的穩(wěn)定性。現(xiàn)有的剪切試驗(yàn)裝置中，都是直接對試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，進(jìn)行剪切加載的初始階段時可能會出現(xiàn)加載端面與巖樣側(cè)面存在間隙的情況，這樣可能會出現(xiàn)載荷突然施加的情況，將導(dǎo)致加載不穩(wěn)定，使試樣突然破壞。以往的剪切裝置僅用上下錯開的剪切加載壓頭直接對試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，所以存在剪切加載中上下兩部分容易產(chǎn)生扭曲、加載不穩(wěn)定、對于需要滲流剪切的試驗(yàn)其滲流密封性不好等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種剪切試驗(yàn)預(yù)緊力加載裝置及加載方法。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種剪切試驗(yàn)預(yù)緊力加載裝置，包括用以對巖石試樣施加剪切荷載的主動剪切壓頭，和在加載端面與相應(yīng)的所述主動剪切壓頭錯開的用以對巖石試樣施加預(yù)緊力的從動加載壓頭，所述主動剪切壓頭和從動加載壓頭在試件的兩側(cè)交叉布置；所述從動加載壓頭包括加載段和在橫截面上凸出于所述加載段的加載輔助段，所述加載輔助段的前端面與所述主動剪切壓頭的后端面的至少部分面積相對應(yīng)，以從后端對所述主動剪切壓頭施壓預(yù)緊力；

與所述主動傳動軸和從動傳動軸連接的活塞室設(shè)于剪切盒的內(nèi)部，液壓系統(tǒng)的油路管道穿過所述剪切盒與所述活塞室密封連通；

所述主動傳動軸和/或從動傳動軸沿軸向設(shè)有用以作為滲流通道的滲流孔；所述加載輔助段與所述主動傳動軸滑動連接。

從動加載端通過加載輔助段施加預(yù)緊力，并帶動主動加載端貼近巖石試樣側(cè)面，實(shí)現(xiàn)加載端和巖石試樣的緊密貼合。加載輔助段和試樣的緊密貼合保證了加載的精確性，加載輔助段與所述主動傳動軸滑動連接保證了滲流過程中良好的密封性。

在剪切盒內(nèi)直接通過主動剪切壓頭和從動加載壓頭來施加剪切力，一方面避免了通過剪切盒的盒體來施加剪切力，可以大大提高最大剪切力的設(shè)計(jì)值；另一方面避免了分體式剪切盒上下密封的難題，使得密封效果得以大幅度改善，進(jìn)而可以在將完整的巖石試樣剪切破壞的同時，實(shí)現(xiàn)滲流壓力的施加。

所述主動傳動軸包括具有第一直徑的第一主動軸部，所述第一主動軸部的側(cè)壁與剪切盒的第一主動內(nèi)壁滑動連接，并在所述第一主動軸部的后端形成密閉的用以施加剪切力的第一主動活塞腔，所述第一主動活塞腔與主動加載泵通過油路管道密封連接，所述第一主動軸部作為活塞在軸向方向上往復(fù)運(yùn)動；

所述從動傳動軸包括具有第三直徑的第一從動軸部，所述第一從動軸部的側(cè)壁與剪切盒的第一從動內(nèi)壁滑動連接，并在所述第一從動軸部的后端形成用以施加輔助剪切力的第一從動活塞腔，所述第一從動活塞腔與第一從動加載泵通過油路管道密封連接，所述第一從動軸部作為活塞在軸向方向上往復(fù)運(yùn)動。通過第一主動活塞腔和第一從動活塞腔的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)活塞室和剪切盒的集成設(shè)計(jì)，提高了試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，進(jìn)而可以提高最大剪切加載力。

所述從動傳動軸的長度大于所述主動傳動軸的長度，所述主動傳動軸上設(shè)有用以所述從動傳動軸穿過的過孔。主動傳動軸的長度較短，可以起到更好的傳力效果，可以獲得更大的最大剪切加載力。主動傳動軸中的過孔對從動傳動軸具有約束限制作用，可以保證從動傳動軸的傳力效果。

所述主動傳動軸還包括位于所述第一主動軸部前方的具有第二直徑的第二主動軸部，所述第二直徑小于所述第一直徑，所述第二主動軸部與剪切盒的第二主動內(nèi)壁滑動連接，所述第二主動軸部的側(cè)壁和剪切盒內(nèi)壁與第一主動軸部的前端面形成用以卸載剪切力的第二主動活塞腔，所述第二主動活塞腔與所述主動加載泵通過油路管道密封連接。第二主動活塞腔的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)剪切力的自動卸載。

所述從動軸還包括位于所述第一從動軸部前方的具有第四直徑的第二從動軸部，所述第四直徑小于所述第三直徑，所述第四主動軸部與剪切盒的第二從動內(nèi)壁滑動連接，所述第二從動軸部的側(cè)壁和剪切盒內(nèi)壁及第一從動軸部的前端面形成用以卸載輔助剪切力的第二從動活塞腔，所述第二從動活塞腔與第二從動加載泵通過油路管道密封連接。第二從動活塞腔的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的自動卸載。

一種剪切試驗(yàn)預(yù)緊力加載裝置，包括用以對巖石試樣施加剪切荷載的主動剪切壓頭，和在加載端面與相應(yīng)的所述主動剪切壓頭錯開的用以對巖石試樣施加預(yù)緊力的從動加載壓頭，所述主動剪切壓頭和從動加載壓頭在試件的兩側(cè)交叉布置；所述從動加載壓頭包括加載段和在橫截面上凸出于所述加載段的加載輔助段，所述加載輔助段的前端面與所述主動剪切壓頭的后端面的至少部分面積相對應(yīng)，以從后端對所述主動剪切壓頭施壓預(yù)緊力。

使從動輔助加載端帶動主動加載端貼近巖石試樣表面，實(shí)現(xiàn)剪切端面與巖石側(cè)面的緊密貼合，從而保證剪切荷載的平穩(wěn)施加、保證加載的精確，如果沒有施加預(yù)緊力這一步，則剛開始剪切加載時可能會出現(xiàn)加載端面與巖樣側(cè)面存在間隙的情況，這樣可能會出現(xiàn)載荷突然施加的情況，將導(dǎo)致加載不穩(wěn)定，導(dǎo)致試樣突然破壞。剪切加載中控制巖石試樣上下兩部分不發(fā)生錯動、扭曲，保證剪切過程順利進(jìn)行。

所述主動剪切壓頭和從動加載壓頭均通過連接件分別與主動傳動軸和從動傳動軸固定連接。采用連接件連接，拆卸方便，便于操作。

所述加載輔助段覆蓋所述主動剪切壓頭的整個后端面，所述加載輔助段上設(shè)有用以所述主動剪切壓頭的傳動軸穿過的主動預(yù)留孔，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能充分保證從動加載壓頭對主動剪切壓頭預(yù)緊力的有效施加。

與所述主動傳動軸和/或從動傳動軸連接的活塞室相對于剪切盒是外置式的，結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，安裝方便。

一種剪切試驗(yàn)預(yù)緊力加載方法，包括以下步驟：

由從動加載壓頭帶動主動剪切壓頭施加預(yù)緊力；當(dāng)所述預(yù)緊力達(dá)到設(shè)定值后，所述從動加載壓頭的施力值不變，由所述主動剪切壓頭施加剪切力。

僅僅通過從動加載壓頭就可以實(shí)現(xiàn)整個巖石試件側(cè)面的預(yù)緊力的施加，既能提高預(yù)緊力的精確施加，又能節(jié)約能耗，具有顯著的有益效果。

有益效果：

1、使從動輔助加載端帶動主動加載端貼近巖石試樣表面，實(shí)現(xiàn)剪切端面與巖石側(cè)面的緊密貼合，從而保證滲流時的密封性。

2、保證剪切荷載的平穩(wěn)施加、保證加載的精確，如果沒有施加預(yù)緊力這一步，則剛開始剪切加載時可能會出現(xiàn)加載端面與巖樣側(cè)面存在間隙的情況，這樣可能會出現(xiàn)載荷突然施加的情況，將導(dǎo)致加載不穩(wěn)定，導(dǎo)致試樣突然破壞。

3、剪切加載中控制巖石試樣上下兩部分不發(fā)生錯動、扭曲，保證剪切過程順利進(jìn)行，也保證了巖石試樣中滲流通道(即裂隙)的正常滲流。

附圖說明

圖1為實(shí)施例一a型加載裝置的截面示意圖；

圖2為實(shí)施例二b型加載裝置的截面示意圖。

圖中：

200、剪切盒，205、第一主動內(nèi)壁，206、第二主動內(nèi)壁，207、第一從動內(nèi)壁，208、第二從動內(nèi)壁，209、端部預(yù)留孔；

401、主動剪切壓頭，403、從動加載壓頭，404、從動液壓系統(tǒng)，405、主動液壓系統(tǒng)，408、加載段，409、加載輔助段，411、從動傳動軸，412、主動傳動軸，413、第一主動軸部，414、第一主動活塞腔，416、第二主動軸部，417、第二主動活塞腔，419、第一從動軸部，420、第一從動活塞腔，421、第二從動軸部，422、第二從動活塞腔，424、第三從動軸部，425、加載系統(tǒng)。

500、滲透壓力加載系統(tǒng)，501、滲流孔。

具體實(shí)施方式

為了更好的了解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例一：

如圖1所示，一種a型剪切試驗(yàn)預(yù)緊力加載裝置，包括用以對巖石試樣施加剪切荷載的主動剪切壓頭401，和在加載端面與相應(yīng)的主動剪切壓頭401錯開的用以對巖石試樣施加預(yù)緊力的從動加載壓頭403，主動剪切壓頭401和從動加載壓頭403在試件的兩側(cè)交叉布置；從動加載壓頭403包括加載段408和在橫截面上凸出于加載段408的加載輔助段409，加載輔助段409的前端面與主動剪切壓頭401的后端面的至少部分面積相對應(yīng)，以從后端對主動剪切壓頭401施壓預(yù)緊力；

與主動傳動軸412和從動傳動軸411連接的活塞室設(shè)于剪切盒200的內(nèi)部，液壓系統(tǒng)的油路管道穿過剪切盒200與活塞室密封連通；

主動傳動軸412和/或從動傳動軸411沿軸向設(shè)有用以作為滲流通道的滲流孔501；加載輔助段409與主動傳動軸412滑動連接。

從動加載端通過加載輔助段409施加預(yù)緊力，并帶動主動加載端貼近巖石試樣側(cè)面，實(shí)現(xiàn)加載端和巖石試樣的緊密貼合。加載輔助段409和試樣的緊密貼合保證了加載的精確性，加載輔助段409與主動傳動軸412滑動連接保證了滲流過程中良好的密封性。

在剪切盒200內(nèi)直接通過主動剪切壓頭401和從動加載壓頭403來施加剪切力，一方面避免了通過剪切盒200的盒體來施加剪切力，可以大大提高最大剪切力的設(shè)計(jì)值；另一方面避免了分體式剪切盒200上下密封的難題，使得密封效果得以大幅度改善，進(jìn)而可以在將完整的巖石試樣剪切破壞的同時，實(shí)現(xiàn)滲流壓力的施加。

滲透壓力加載系統(tǒng)500，包括沿剪切加載軸設(shè)置的連通至巖石試件端面的滲流孔501，滲透壓力泵通過滲流孔501向巖石試件施加滲透壓力。

主動傳動軸412包括具有第一直徑的第一主動軸部413，第一主動軸部413的側(cè)壁與剪切盒200的第一主動內(nèi)壁205滑動連接，并在第一主動軸部413的后端形成密閉的用以施加剪切力的第一主動活塞腔414，第一主動活塞腔414與主動加載泵通過油路管道密封連接，第一主動軸部413作為活塞在軸向方向上往復(fù)運(yùn)動；

從動傳動軸411包括具有第三直徑的第一從動軸部419，第一從動軸部419的側(cè)壁與剪切盒200的第一從動內(nèi)壁207滑動連接，并在第一從動軸部419的后端形成用以施加輔助剪切力的第一從動活塞腔420，第一從動活塞腔420與從動液壓系統(tǒng)404的從動加載泵通過油路管道密封連接，第一從動軸部419作為活塞在軸向方向上往復(fù)運(yùn)動。通過第一主動活塞腔414和第一從動活塞腔420的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)活塞室和剪切盒200的集成設(shè)計(jì)，提高了試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，進(jìn)而可以提高最大剪切加載力。

從動傳動軸411的長度大于主動傳動軸412的長度，主動傳動軸412上設(shè)有用以從動傳動軸411穿過的過孔。主動傳動軸412的長度較短，可以起到更好的傳力效果，可以獲得更大的最大剪切加載力。主動傳動軸412中的過孔對從動傳動軸411具有約束限制作用，可以保證從動傳動軸411的傳力效果。

主動傳動軸412還包括位于第一主動軸部413前方的具有第二直徑的第二主動軸部416，第二直徑小于第一直徑，第二主動軸部416與剪切盒200的第二主動內(nèi)壁206滑動連接，第二主動軸部416的側(cè)壁和剪切盒200內(nèi)壁與第一主動軸部413的前端面形成用以卸載剪切力的第二主動活塞腔417，第二主動活塞腔417與主動液壓系統(tǒng)405的主動加載泵通過油路管道密封連接。第二主動活塞腔417的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)剪切力的自動卸載。

從動傳動軸411還包括位于第一從動軸部419前方的具有第四直徑的第二從動軸部421，第四直徑小于第三直徑，第四主動軸部與剪切盒200的第二從動內(nèi)壁208滑動連接，第二從動軸部421的側(cè)壁和剪切盒200內(nèi)壁及第一從動軸部419的前端面形成用以卸載輔助剪切力的第二從動活塞腔422，第二從動活塞腔422與第二從動加載泵通過油路管道密封連接。第二從動活塞腔422的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的自動卸載。

從動傳動軸411的末端為第三從動軸部424，第三從動軸部424從剪切盒200外側(cè)的端部預(yù)留孔209中伸出，并與端部預(yù)留孔209的側(cè)壁滑動連接。

一種剪切試驗(yàn)預(yù)緊力加載方法，包括以下步驟：

由從動加載壓頭403帶動主動剪切壓頭401施加預(yù)緊力；當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到設(shè)定值后，從動加載壓頭403的施力值不變，由主動剪切壓頭401施加剪切力。

實(shí)施例二

一種b型剪切試驗(yàn)預(yù)緊力加載裝置，包括剪切盒200和用以對巖石試樣施加剪切荷載的主動剪切壓頭401，和在加載端面與相應(yīng)的主動剪切壓頭401錯開的用以對巖石試樣施加預(yù)緊力的從動加載壓頭403，主動剪切壓頭401和從動加載壓頭403在試件的兩側(cè)交叉布置；從動加載壓頭403包括加載段408和在橫截面上凸出于加載段408的加載輔助段409，加載輔助段409的前端面與主動剪切壓頭401的后端面的至少部分面積相對應(yīng)，以從后端對主動剪切壓頭401施壓預(yù)緊力。

使從動輔助加載端帶動主動加載端貼近巖石試樣表面，實(shí)現(xiàn)剪切端面與巖石側(cè)面的緊密貼合，從而保證剪切荷載的平穩(wěn)施加、保證加載的精確，如果沒有施加預(yù)緊力這一步，則剛開始剪切加載時可能會出現(xiàn)加載端面與巖樣側(cè)面存在間隙的情況，這樣可能會出現(xiàn)載荷突然施加的情況，將導(dǎo)致加載不穩(wěn)定，導(dǎo)致試樣突然破壞。剪切加載中控制巖石試樣上下兩部分不發(fā)生錯動、扭曲，保證剪切過程順利進(jìn)行。

主動剪切壓頭401和從動加載壓頭403均通過連接件分別與主動傳動軸412和從動傳動軸411固定連接。采用連接件連接，拆卸方便，便于操作。

加載輔助段409覆蓋主動剪切壓頭401的整個后端面，加載輔助段409上設(shè)有用以主動剪切壓頭401的傳動軸穿過的主動預(yù)留孔，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能充分保證從動加載壓頭403對主動剪切壓頭401預(yù)緊力的有效施加。

與主動傳動軸412和/或從動傳動軸411連接的活塞室相對于剪切盒200是外置式的，主動傳動軸412和從動傳動軸411通過傳動軸與加載系統(tǒng)425連接。結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，安裝方便。

一種剪切試驗(yàn)預(yù)緊力加載方法，包括以下步驟：

由從動加載壓頭403帶動主動剪切壓頭401施加預(yù)緊力；當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到設(shè)定值后，從動加載壓頭403的施力值不變，由主動剪切壓頭401施加剪切力。

以上描述僅為本申請的較佳實(shí)施例以及對所運(yùn)用技術(shù)原理的說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本申請中所涉及的發(fā)明范圍，并不限于上述技術(shù)特征的特定組合而成的技術(shù)方案，同時也應(yīng)涵蓋在不脫離所述發(fā)明構(gòu)思的情況下，由上述技術(shù)特征或其等同特征進(jìn)行任意組合而形成的其它技術(shù)方案。例如上述特征與本申請中公開的(但不限于)具有類似功能的技術(shù)特征進(jìn)行互相替換而形成的技術(shù)方案。