一种用于岩石节理剪切蠕变-冲击试验的加载装置

1.本发明属于岩石剪切试验技术领域，涉及一种用于岩石节理剪切蠕变-冲击试验的加载装置。


背景技术：

2.随着经济与科技的高速发张，基础设施建设正以前所未有的速度开展，隧道开挖必须考虑山体围岩的蠕变效应。爆破目前依然是主要开挖方式之一，其冲击作用对岩体稳定性的影响是开挖作业必须加以考虑的因素。自然界的岩石多含节理，深入研究含结构面岩石的蠕变尤其是剪切蠕变和冲击荷载下的特性，对于研究深部隧洞或地下工事的安全是非常重要的。
3.专利cn110687272a公布了一种基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置及试验方法，该装置通过法向加载装置对岩石试样的顶面施加静态或者动态的法向力，以模拟地热开采过程中断层所承受的静态或者动态的法向力；通过剪切加载装置在剪切方向对下剪切箱施加相对上剪切箱运动或者运动趋势的剪切力，以模拟地热开采过程中断层所承受的剪切力，剪切加载通过液压组件提供施力，液压组件组件在运作过程中由于油泵的压力驱动，加载控制的荷载不稳定，从而使加载过程中剪切力不稳定，使实验的结果不精准，同时液压组件成本较高，操作繁琐，降低了加载装置的实际使用效果。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于现有技术存在的缺点，设计提供一种用于岩石节理剪切蠕变-冲击试验的加载装置。
5.为实现上述目的，本发明所述用于岩石节理剪切蠕变-冲击试验的加载装置包括齿轮固定板、承台压盘、伸缩杆、剪力加载杆和摆锤支撑架，齿轮固定板左侧上端转动安装有同轴可调倍率扩力齿轮轴，同轴可调倍率扩力齿轮轴最前侧固定安装有同轴可调倍率扩力齿轮小径轮，同轴可调倍率扩力齿轮小径轮后侧固定安装有同轴可调倍率扩力齿轮中径轮，同轴可调倍率扩力齿轮中径轮后侧固定安装有同轴可调倍率扩力齿轮大径轮，齿轮固定板右侧上端开设有滑槽，滑槽内部嵌装有齿条收放轮，齿条收放轮侧壁绕装有齿条且齿条左端下侧固定连接砝码，齿轮固定板中心转动安装有反转齿轮轴，反转齿轮轴侧壁套装有反转齿轮，齿轮固定板右侧下端转动安装有同轴扩力齿轮轴，同轴扩力齿轮轴前侧套装有同轴扩力齿轮小径齿轮，同轴扩力齿轮小径齿轮后侧固定安装有同轴扩力齿轮大径齿轮，伸缩杆安装在齿轮固定板前侧，伸缩杆下端安装可调节的伸缩限位卡，伸缩杆上端转动安装有滚轮，剪力加载杆前后侧开设有防脱落滚轮槽且滚轮滑嵌在防脱落滚轮槽内，承台压盘固定安装在伸缩杆右侧地面，承台压盘上端插装有下剪切盒，下剪切盒上端安装有上剪切盒且前侧安装有应变片，上剪切盒上侧安装有滚轴，承台压盘两侧地面固定安装有竖向支柱，竖向支柱侧壁啮合套装有限位螺母，限位螺母外壁套装有压板，压板中心固定安装有液压轴力加载机，液压轴力加载机下端固定连接有压盘，下剪切盒右侧外壁固定连接有
空心套管，空心套管左侧壁固定安装有半球凹面撞击板，空心套管上侧固定安装有测速器，空心套管的右端固定安装有限位刚体，限位刚体内部设置有钢球导轨，钢球导轨右端口放置有钢球，钢球导轨后侧地面固定安装有摆锤支撑架，摆锤支撑架前侧通过摆线连接有撞锤。
6.优选的：所述齿条的齿块与同轴可调倍率扩力齿轮中径轮或者同轴可调倍率扩力齿轮大径轮的齿块皆相互啮合。
7.优选的：所述剪力加载杆上侧设有齿块与同轴扩力齿轮小径齿轮侧壁齿块相互啮合。
8.优选的：所述空心套管的直径尺寸与钢球的直径尺寸相互吻合。
9.优选的：所述竖向支柱外壁设有与限位螺母内壁螺纹相互啮合的螺纹。
10.优选的：所述滚轮的直径尺寸与防脱落滚轮槽的直径相互吻合。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：机械式的加载装置造价低、操作简单，并且这种方式能保证施加的剪切应力始终恒定，弥补了油泵加载控制产生的荷载不稳定的缺点，同时冲击加载装置可提供与剪力同向的冲击荷载，其原理简单，可量化度高，与动力加载杆方式相比，受波在杆中传播时的弥散效应影响小，提高了精准效果。
附图说明
12.图1为本发明的主体结构正视剖面图；
13.图2为本发明所述剪力加载杆的局部结构图；
14.图3为本发明同轴扩力齿轮小径齿轮和同轴扩力齿轮大径齿轮局部立体图。
15.图中：
16.1、同轴可调倍率扩力齿轮轴；2、滑槽；3、齿条收放轮；4、齿条；5、砝码；6、剪力加载杆；7、同轴可调倍率扩力齿轮小径轮；8、同轴可调倍率扩力齿轮中径轮；9、同轴可调倍率扩力齿轮大径轮；10、反转齿轮；11、反转齿轮轴；12、同轴扩力齿轮轴；13、同轴扩力齿轮小径齿轮；14、同轴扩力齿轮大径齿轮；15、伸缩杆；16、液压轴力加载机；17、限位螺母；18、压板；19、竖向支柱；20、滚轴；21、压盘；22、上剪切盒；23、下剪切盒；24、应变片；25、测速器；26、承台压盘；27、半球凹面撞击板；28、伸缩限位卡；29、空心套管；30、限位刚体；31、摆锤支撑架；32、钢球；33、滚轮；34、防脱落滚轮槽；35、撞锤；36、齿轮固定板；37、钢球导轨。
具体实施方式
17.下面通过实施例并结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
18.实施例：
19.本实施例所述用于岩石节理剪切蠕变-冲击试验的加载装置的结构如图1-3所示，包括齿轮固定板36、承台压盘26、伸缩杆15、剪力加载杆6和摆锤支撑架31，齿轮固定板36左侧上端转动安装有同轴可调倍率扩力齿轮轴1，同轴可调倍率扩力齿轮轴1最前侧固定安装有同轴可调倍率扩力齿轮小径轮7，同轴可调倍率扩力齿轮小径轮7后侧固定安装有同轴可调倍率扩力齿轮中径轮8，同轴可调倍率扩力齿轮中径轮8后侧固定安装有同轴可调倍率扩力齿轮大径轮9，齿轮固定板36右侧上端开设有滑槽2，所述滑槽2内部嵌装有齿条收放轮3，述齿条收放轮3侧壁绕装有齿条4且齿条4左端下侧固定连接砝码5，齿轮固定板36中心转动
安装有反转齿轮轴11，反转齿轮轴11侧壁套装有反转齿轮10，齿轮固定板36右侧下端转动安装有同轴扩力齿轮轴12，同轴扩力齿轮轴12前侧套装有同轴扩力齿轮小径齿轮13，同轴扩力齿轮小径齿轮13后侧固定安装有同轴扩力齿轮大径齿轮14，伸缩杆15安装在齿轮固定板36前侧，伸缩杆15下端安装可调节的伸缩限位卡28，伸缩杆15上端转动安装有滚轮33，剪力加载杆6前后侧开设有防脱落滚轮槽34且滚轮33滑嵌在防脱落滚轮槽34内，承台压盘26固定安装在伸缩杆15右侧地面，承台压盘26上端插装有下剪切盒23，下剪切盒23上端安装有上剪切盒22且前侧安装有应变片24，上剪切盒22上侧安装有滚轴20，承台压盘26两侧地面固定安装有竖向支柱19，竖向支柱19侧壁啮合套装有限位螺母17，限位螺母17外壁套装有压板18，压板18中心固定安装有液压轴力加载机16，液压轴力加载机16下端固定连接有压盘21，下剪切盒23右侧外壁固定连接有空心套管29，所述空心套管29左侧壁固定安装有半球凹面撞击板27，空心套管29上侧固定安装有测速器25，空心套管29的右端固定安装有限位刚体30，限位刚体30内部设置有钢球导轨37，钢球导轨37右端口放置有钢球32，钢球导轨37后侧地面固定安装有摆锤支撑架31，摆锤支撑架31前侧通过摆线连接有撞锤35；齿条4的齿块与同轴可调倍率扩力齿轮中径轮8或者同轴可调倍率扩力齿轮大径轮9的齿块皆相互啮合；便于高效的驱动形成剪力；剪力加载杆6上侧设有齿块与同轴扩力齿轮小径齿轮13侧壁齿块相互啮合；使剪力加载杆6高效的运作使用；空心套管29的直径尺寸与钢球32的直径尺寸相互吻合；便于钢球32更加稳定的移动进行；竖向支柱19外壁设有与限位螺母17内壁螺纹相互啮合的螺纹；便于根据需要调节下压组件的高度；滚轮33的直径尺寸与防脱落滚轮槽34的直径相互吻合；使剪力加载杆6移动更加稳定。
20.本实施例的工作流程及原理：齿条4自齿条收放轮3放出，与同轴可调倍率扩力齿轮大径轮9的齿咬合，与齿条4连接的砝码5的重力通过齿条4传递给同轴可调倍率扩力齿轮大径轮9，同轴可调倍率扩力齿轮大径轮9通过啮合效果获得切线方向的逆时针转动力，带动同轴可调倍率扩力齿轮小径轮7转动，同轴可调倍率扩力齿轮小径轮7啮合带动反转齿轮10以反转齿轮轴11为轴顺时针转动，反转齿轮10带动同轴扩力齿轮大径齿轮14逆时针转动，于是逆时针转动的同轴扩力齿轮小径齿轮13啮合带动剪力加载杆6向试块方向移动，伸缩限位卡28调节伸缩杆15的伸长高度，使滚轮33嵌于剪力加载杆6两侧的防脱落滚轮槽34内，从而使同轴扩力齿轮小径齿轮13带动剪力加载杆6向右移动进入上剪切盒22内的试块更加稳定的移动，通过扭动限位螺母17使其在竖向支柱19外部啮合调节压板18的高度位置从而调节液压轴力加载机16的高度位置，液压轴力加载机16向下对压盘21下压在上剪切盒22上侧的滚轴20上侧，从而将压力传递给上剪切盒22，调整摆锤支撑架31高度，以使撞锤35可以水平角度击中钢球32，使得钢球32沿钢球导轨37射入限位刚体30的预留孔洞，孔洞半径略大于钢球32半径，孔洞另一侧与空心套管29密接，空心套管29上方钻孔装设测速器25探头，穿空心套筒29与限位刚体30预留孔采用另置薄壁小套筒，并且封以密合剂，钢球32入射经过测速器25时速度被测速器25捕捉并记录，据此测算入射动能，合理选择半球凹面撞击板27广义波阻抗使之与钢球32广义波阻抗相等可使钢球32冲击动能被完美传递给试块，并且此时钢球32不会回弹，也可测量钢球32回弹速度，据此测算剩余动能、入射动能与剩余动能之差，即为输入冲击动能。
21.实施例2：
22.本实施例将将齿条收放轮3沿滑槽2调整位置至滑槽2底部，此时齿条4与同轴可调
倍率扩力齿轮中径轮8齿接，由此可降低扩力倍数，其余与实施例1相同，通过同轴齿轮内外径的不同，小径轮半径为l1大径轮半径为l2利用杠杆原理解释即为f1l1＝f2l2，由于l1《l2则大轮输入力f2经小轮输出时变为扩大了倍，实施例1中大轮直径为小轮8倍，经两级扩力可扩力约64倍，实施例2中中径轮直径为小轮4倍，经两级扩力可扩力约32倍。
23.以上内容是结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以作出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。