一种岩石剪切加载系统的制作方法

本发明涉及实验测量仪器技术领域，具体涉及一种岩石剪切加载系统。

背景技术：

在矿山开采、核废料处置、水利水电、隧道、边坡等地下工程中，裂隙岩体是经常遇到的一类复杂岩体，它的强度和变形等特征，直接关系工程设计、施工和运营稳定性，而且这些特性具有显著的时间相关性。裂隙岩体剪切常常是造成岩体滑坡、围岩塌落、地下工程失稳等岩石工程事故的主要因素。因此开展对岩石裂隙剪切特性的试验研究，对于整个岩体工程的长期稳定性具有重要的指导价值。

岩石节理面应力剪切试验中涉及的主要参数包括最大法向加载力和最大剪切加载力等。国内外类似系统技术中，很难达到上述各参数同时具有较高水平。现有技术中存在以下问题：

最大法向加载力和最大剪切加载力很难同时达到较大值。过大的载荷将引起试验系统框架结构的不稳定，使得系统不易控制，容易出现压力不稳定，或者加载力无法达到设定值的情况。因此，为了保证试验系统的稳定性，一些研究者研制的设备的最大载荷都较小，见表1。

表1一些剪切试验设备的最大载荷

此外，如果将加载系统的设计最大加载力设定的过大，对试验系统整体加载框架的材料要求和结构要求更高，试验系统的制造成本和设计成本也会相应的增加，但是由于本试验系统主要是进行剪切试验，对于剪切试验机来说1000kN已经足够大。

由于存在上述问题，最大法向加载力和最大剪切加载力很难同时达到较高水平。此外，单独的剪切试验装置中，最大剪切加载力也无法达到更高水平。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种岩石剪切加载系统。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种岩石剪切加载系统，包括：用以容纳岩石试件的剪切盒，和用以向所述岩石试样施加剪切力的剪切加载系统；

所述剪切加载系统包括设于剪切盒内的用以对所述岩石试样的两侧施加剪切力的两个相互错开的主动加载端头，所述主动加载端头由主动液压系统控制，所述主动液压系统用以控制所述主动加载端头施力的活塞室设于所述剪切盒的内部，所述主动液压系统的油路管道穿过所述剪切盒的壳体与所述活塞室密封连通。

将剪切加载装置的活塞室和压头部分直接设置在了剪切盒内部，提高了试验结构的整体稳定性，可以使最大法向加载力和最大剪切加载力同时达到较大值。此外，剪切加载装置的活塞室和压头部分与剪切盒的集成设计，大大提高了剪切盒两端的约束强度，进而提高了剪切盒的整体刚度，克服了最大剪切加载力施加的限制性因素，可以使最大剪切加载力得以大幅度提高。将剪切加载装置集成在剪切盒内部，使得剪切系统的整体结构更加紧凑，对提高剪切盒的密封性也有显著效果，避免了施加剪切力过程中因加载问题而导致的剪切盒密封性问题。

所述主动加载端头的后端为主动加载轴，所述主动轴包括具有第一直径的第一主动轴部，所述第一主动轴部的侧壁与剪切盒的第一主动内壁滑动连接，并在所述第一主动轴部的后端形成用以施加剪切力的第一主动活塞腔，所述第一主动活塞腔与主动加载泵通过油路管道密封连接，所述第一主动轴部作为活塞在轴向方向上往复运动。

第一主动轴部的侧壁与剪切盒的第一主动内壁滑动连接，既能保证活塞腔的密封性，又能使第一主动轴部相对于第一主动内壁相对运动，主动液压系统通过控制第一主动活塞腔室容积的改变实现主动剪切力的加载。通过第一主动活塞腔的设置，可以实现活塞室和剪切盒的集成设计，提高了试验结构的整体稳定性，进而可以提高最大剪切加载力。

所述主动轴还包括位于所述第一主动轴部前方的具有第二直径的第二主动轴部，所述第二直径小于所述第一直径，所述第二主动轴部与剪切盒的第二主动内壁滑动连接，所述第二主动轴部的侧壁和剪切盒内壁与第一主动轴部的前端面形成用以卸载剪切力的第二主动活塞腔，所述第二主动活塞腔与所述主动加载泵通过油路管道密封连接。第二主动活塞腔的设计，可以实现剪切力的自动卸载。

所述剪切加载系统还包括设于剪切盒内的与相应的主动加载端头在加载端面错开的两个从动加载端头，所述从动加载端头由从动液压系统控制，所述从动液压系统用以控制所述从动加载端头施力的从动活塞室设于所述剪切盒的内部，所述从动液压系统的油路管道穿过所述剪切盒与所述从动活塞室密封连通。

设置从动加载端头，从动加载端施加预紧力，并带动主动加载端贴近岩石试样侧面，实现加载端和岩石试样的紧密贴合。加载端和试样的紧密贴合保证了加载的精确性，同时也保证了渗流过程中良好的密封性。

所述从动加载端头的后端为从动加载轴，所述从动加载轴包括具有第三直径的第一从动轴部，所述第一从动轴部的侧壁与剪切盒的第一从动内壁滑动连接，并在所述第一从动轴部的后端形成用以施加辅助剪切力的第一从动活塞腔，所述第一从动活塞腔与所述从动加载泵通过油路管道密封连接，所述第一从动轴部作为活塞在轴向方向上往复运动。

通过第一从动活塞腔的设置，可以实现从动活塞室和剪切盒的集成设计，提高了试验结构的整体稳定性，进而可以提高最大剪切加载力。

所述从动加载轴还包括位于所述第一从动轴部前方的具有第四直径的第二从动轴部，所述第四直径小于所述第三直径，所述第四主动轴部与剪切盒的第二从动内壁滑动连接，所述第二从动轴部的侧壁和剪切盒内壁及第一从动轴部的前端面形成用以卸载辅助剪切力的第二从动活塞腔，所述第二从动活塞腔与第二从动加载泵通过油路管道密封连接。第二从动活塞腔的设计，可以实现从动加载轴的自动卸载。

所述从动加载轴的长度大于所述主动轴的长度，所述主动轴上设有用以所述从动加载轴穿过的过孔。主动传动轴的长度较短，可以起到更好的传力效果，可以获得更大的最大剪切加载力。主动传动轴中的过孔对从动传动轴具有约束限制作用，可以保证从动传动轴的传力效果。

所述剪切盒包括盒体容纳部，和用以容纳所述剪切加载端头及相应的所述活塞室的剪切加载部，所述盒体容纳部和所述剪切加载部通过螺栓固定连接；

所述剪切加载部从内到外依次包括第一盒段、第二盒段和第三盒段，所述第一盒段与所述容纳部的外侧端连接，所述第一盒段具有所述第一主动内壁和所述第二主动内壁，所述第二盒段具有所述第二从动内壁，所述第三盒段具有所述第一从动内壁；

所述第二盒段的前端面构成所述第一主动活塞腔的后端面，所述第二盒段的后端面构成所述第二从动活塞腔的前端面；

所述第一盒段的前端设有第一凸缘，所述第一凸缘上设有用以连接所述第一盒体和所述容纳部的固定螺栓；

所述第三盒段上设有第二凸缘，所述第一凸缘和所述第二凸缘之间通过螺栓紧固连接。

剪切加载装置与剪切盒容纳部之间为可拆卸的结构设计，相应的部件均可购买，拆卸方便，便于维修。

所述剪切盒分为左盒体和右盒体，所述左盒体和右盒体的连接处作为放置岩石试件的入口，所述左、右盒体之间通过连接件固定连接。

传统的剪切盒，其剪切加载装置均为外置式的，相应的剪切盒分为可相对错动的上盒体和下盒体，剪切盒内部构成密闭空间：控制加载端头施力的活塞室均独立设于剪切盒的外部，设于两侧的活塞杆从活塞室内伸出、直接作用在相应的上、下剪切盒上，通过上下剪切盒的错动实现试件的剪切试验。当需要进行渗流剪切耦合试验时，这种方式的试验盒，一方面剪切盒是上下分体的，在上下剪切盒接触面处是密封的薄弱环节，这一薄弱环节导致这种结构的剪切盒的密封性很难达到更高的水平；另一方面是由于剪切加载端通过剪切盒作用在岩石试样上，过大的荷载将引起剪切盒框架结构的不稳定，使得系统不易控制，因此限制了最大剪切加载力的设置。

由于剪切加载系统集成到剪切盒的两侧，因此避免了采用传统的上、下盒体的设置，而可以采用左右盒体的设置方法。对于这种剪切加载装置，当需要进行渗流耦合试验时，由于避免了上下剪切盒接触面处的密封薄弱环节，因此具有更好的密封效果。

此外，剪切盒采用左右盒体来代替传统的上下盒体的连接方式，在形式上具有突破性的进步。

所述剪切盒包括盒体容纳部，和用以容纳所述剪切加载端头及相应的所述活塞室的剪切加载部，所述盒体容纳部和所述剪切加载部为一体式结构。左、右剪切盒盒体内部直接设置剪切加载压头和相应的活塞室，并在压头前端的相应位置设有盒体容纳部。左右两侧的盒体在接口处设有密封圈，二者通过螺栓固定连接。

有益效果为：

将剪切加载装置的活塞室和压头部分直接设置在了剪切盒内部，提高了试验结构的整体稳定性，可以使最大法向加载力和最大剪切加载力同时达到较大值。此外，剪切加载装置的活塞室和压头部分与剪切盒的集成设计，大大提高了剪切盒两端的约束强度，进而提高了剪切盒的整体刚度，克服了最大剪切加载力施加的限制性因素，可以使最大剪切加载力得以大幅度提高。

附图说明

图1为本发明实施例一A型岩石剪切加载系统的剖面图；

图2为本发明实施例二B型岩石剪切加载系统的剖面图；

图3为本发明实施例三C型岩石剪切加载系统的剖面图。

200、剪切盒，201、盒体容纳部，205、第一主动内壁，206、第二主动内壁，207、第一从动内壁，208、第二从动内壁，211、第一盒段，212、第二盒段，213、第三盒段，214、第一凸缘，215、第二凸缘；

301、左盒体，302、右盒体，303、试件入口，304、连接螺栓；

401、主动加载端头，403、从动加载端头，404、从动液压系统，405、主动液压系统，406、从动活塞室，408、加载段，409、加载辅助段，411、从动加载轴，412、主动加载轴，413、第一主动轴部，414、第一主动活塞腔，416、第二主动轴部，417、第二主动活塞腔，419、第一从动轴部，420、第一从动活塞腔，421、第二从动轴部，422、第二从动活塞腔，424、第三从动轴部。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

A型岩石剪切加载系统，包括：用以容纳岩石试件的剪切盒，和用以向岩石试样施加剪切力的剪切加载系统；

剪切加载系统包括设于剪切盒200内的用以对岩石试样的两侧施加剪切力的两个相互错开的主动加载端头401，主动加载端头401由主动液压系统控制，主动液压系统用以控制主动加载端头401施力的活塞室设于剪切盒的内部，主动液压系统的油路管道穿过剪切盒的壳体与活塞室密封连通。

将剪切加载装置的活塞室和压头部分直接设置在了剪切盒内部，提高了试验结构的整体稳定性，可以使最大法向加载力和最大剪切加载力同时达到较大值。此外，剪切加载装置的活塞室和压头部分与剪切盒的集成设计，大大提高了剪切盒两端的约束强度，进而提高了剪切盒的整体刚度，克服了最大剪切加载力施加的限制性因素，可以使最大剪切加载力得以大幅度提高。将剪切加载装置集成在剪切盒内部，使得剪切系统的整体结构更加紧凑，对提高剪切盒的密封性也有显著效果，避免了施加剪切力过程中因加载问题而导致的剪切盒密封性问题。

主动加载端头401的后端为主动加载轴412，主动轴包括具有第一直径的第一主动轴部413，第一主动轴部413的侧壁与剪切盒的第一主动内壁205滑动连接，并在第一主动轴部413的后端形成用以施加剪切力的第一主动活塞腔414，第一主动活塞腔414与主动加载泵通过油路管道密封连接，第一主动轴部413作为活塞在轴向方向上往复运动。

第一主动轴部413的侧壁与剪切盒的第一主动内壁205滑动连接，既能保证活塞腔的密封性，又能使第一主动轴部413相对于第一主动内壁205相对运动，主动液压系统405通过控制第一主动活塞腔414室容积的改变实现主动剪切力的加载。通过第一主动活塞腔414的设置，可以实现活塞室和剪切盒的集成设计，提高了试验结构的整体稳定性，进而可以提高最大剪切加载力。

主动轴还包括位于第一主动轴部413前方的具有第二直径的第二主动轴部416，第二直径小于第一直径，第二主动轴部416与剪切盒的第二主动内壁206滑动连接，第二主动轴部416的侧壁和剪切盒内壁与第一主动轴部413的前端面形成用以卸载剪切力的第二主动活塞腔417，第二主动活塞腔417与主动加载泵通过油路管道密封连接。第二主动活塞腔417的设计，可以实现剪切力的自动卸载。

实施例二

B型岩石剪切加载系统，包括：用以容纳岩石试件的剪切盒，和用以向岩石试样施加剪切力的剪切加载系统；

剪切加载系统包括设于剪切盒200内的用以对岩石试样的两侧施加剪切力的两个相互错开的主动加载端头401，主动加载端头401由主动液压系统405控制，主动液压系统405用以控制主动加载端头401施力的活塞室设于剪切盒的内部，主动液压系统405的油路管道穿过剪切盒的壳体与活塞室密封连通。

主动加载端头401的后端为主动加载轴412，主动轴包括具有第一直径的第一主动轴部413，第一主动轴部413的侧壁与剪切盒的第一主动内壁205滑动连接，并在第一主动轴部413的后端形成用以施加剪切力的第一主动活塞腔414，第一主动活塞腔414与主动加载泵通过油路管道密封连接，第一主动轴部413作为活塞在轴向方向上往复运动。

主动轴还包括位于第一主动轴部413前方的具有第二直径的第二主动轴部416，第二直径小于第一直径，第二主动轴部416与剪切盒的第二主动内壁206滑动连接，第二主动轴部416的侧壁和剪切盒内壁与第一主动轴部413的前端面形成用以卸载剪切力的第二主动活塞腔417，第二主动活塞腔417与主动加载泵通过油路管道密封连接。

主动轴还包括位于第一主动轴部413前方的具有第二直径的第二主动轴部416，第二直径小于第一直径，第二主动轴部416与剪切盒的第二主动内壁206滑动连接，第二主动轴部416的侧壁和剪切盒内壁与第一主动轴部413的前端面形成用以卸载剪切力的第二主动活塞腔417，第二主动活塞腔417与主动加载泵通过油路管道密封连接。第二主动活塞腔417的设计，可以实现剪切力的自动卸载。

剪切加载系统还包括设于剪切盒内的与相应的主动加载端头401在加载端面错开的两个从动加载端头403，从动加载端头403由从动液压系统404控制，从动液压系统404用以控制从动加载端头403施力的从动活塞室406设于剪切盒的内部，从动液压系统404的油路管道穿过剪切盒与从动活塞室406密封连通。

从动加载压头包括加载段408和在横截面上凸出于加载段408的加载辅助段409，加载辅助段409的前端面与主动剪切压头的后端面的至少部分面积相对应，以从后端对主动剪切压头施压预紧力。设置从动加载端头403，从动加载端施加预紧力，并带动主动加载端贴近岩石试样侧面，实现加载端和岩石试样的紧密贴合。加载端和试样的紧密贴合保证了加载的精确性，同时也保证了渗流过程中良好的密封性。

从动加载端头403的后端为从动加载轴411，从动加载轴411包括具有第三直径的第一从动轴部419，第一从动轴部419的侧壁与剪切盒的第一从动内壁207滑动连接，并在第一从动轴部419的后端形成用以施加辅助剪切力的第一从动活塞腔420，第一从动活塞腔420与从动加载泵通过油路管道密封连接，第一从动轴部419作为活塞在轴向方向上往复运动。

通过第一从动活塞腔420的设置，可以实现从动活塞室406和剪切盒的集成设计，提高了试验结构的整体稳定性，进而可以提高最大剪切加载力。

从动加载轴411还包括位于第一从动轴部419前方的具有第四直径的第二从动轴部421，第四直径小于第三直径，第四主动轴部与剪切盒的第二从动内壁208滑动连接，第二从动轴部421的侧壁和剪切盒内壁及第一从动轴部419的前端面形成用以卸载辅助剪切力的第二从动活塞腔422，第二从动活塞腔422与第二从动加载泵通过油路管道密封连接。第二从动活塞腔422的设计，可以实现从动加载轴411的自动卸载。

从动加载轴411的长度大于主动轴的长度，主动轴上设有用以从动加载轴411穿过的过孔。主动传动轴的长度较短，可以起到更好的传力效果，可以获得更大的最大剪切加载力。主动传动轴中的过孔对从动传动轴具有约束限制作用，可以保证从动传动轴的传力效果。

从动加载轴411的末端为第三从动轴部424，第三从动轴部424从剪切盒200外侧的端部预留孔209中伸出，并与端部预留孔209的侧壁滑动连接。

剪切盒包括盒体容纳部201，和用以容纳剪切加载端头及相应的活塞室的剪切加载部，盒体容纳部201和剪切加载部通过螺栓固定连接；

剪切加载部从内到外依次包括第一盒段211、第二盒段212和第三盒段213，第一盒段211与容纳部的外侧端连接，第一盒段211具有第一主动内壁205和第二主动内壁206，第二盒段212具有第二从动内壁208，第三盒段213具有第一从动内壁207；

第二盒段212的前端面构成第一主动活塞腔414的后端面，第二盒段212的后端面构成第二从动活塞腔422的前端面；

第一盒段211的前端设有第一凸缘214，第一凸缘214上设有用以连接第一盒体和容纳部的固定螺栓；

第三盒段213上设有第二凸缘215，第一凸缘214和第二凸缘215之间通过螺栓紧固连接。

剪切加载装置与剪切盒容纳部之间为可拆卸的结构设计，相应的部件均可购买，拆卸方便，便于维修。

实施例三

本实施例与实施例一和二的区别在于：

C型岩石剪切加载系统，其剪切盒分为左盒体301和右盒体302，左盒体和右盒体的连接处作为放置岩石试件的试件入口303，左、右盒体之间通过连接件，具体可为连接螺栓304固定连接。

剪切盒包括盒体容纳部201，和用以容纳剪切加载端头及相应的活塞室的剪切加载部，盒体容纳部201和剪切加载部为一体式结构。

剪切加载部具体可以包括主动加载轴412，位于主动加载轴412后方的第一主动活塞腔414，和位于主动加载轴412前方的第二主动活塞腔417。

传统的剪切盒，其剪切加载装置均为外置式的，相应的剪切盒分为可相对错动的上盒体和下盒体，剪切盒内部构成密闭空间：控制加载端头施力的活塞室均独立设于剪切盒的外部，设于两侧的活塞杆从活塞室内伸出、直接作用在相应的上、下剪切盒上，通过上下剪切盒的错动实现试件的剪切试验。当需要进行渗流剪切耦合试验时，这种方式的试验盒，一方面剪切盒是上下分体的，在上下剪切盒接触面处是密封的薄弱环节，这一薄弱环节导致这种结构的剪切盒的密封性很难达到更高的水平；另一方面由于是剪切盒直接作用在岩石试件上，过大的荷载将引起剪切盒框架结构的不稳定，使得系统不易控制，因此限制了最大剪切加载力的设置。

由于剪切加载系统集成到剪切盒的两侧，因此避免了采用传统的上、下盒体的设置，而可以采用左右盒体的设置方法。对于这种剪切加载装置，当需要进行渗流耦合试验时，由于避免了上下剪切盒接触面处的密封薄弱环节，因此具有更好的密封效果。

此外，剪切盒采用左右盒体来代替传统的上下盒体的连接方式，在形式上具有突破性的进步。

左、右剪切盒盒体内部直接设置剪切加载压头和相应的活塞室，并在压头前端的相应位置设有盒体容纳部201。左右两侧的盒体在接口处设有密封圈，二者通过螺栓固定连接。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。