多套机构组合式结构面抗剪强度尺寸效应试验机技术领域
本发明涉及一种结构面抗剪强度尺寸效应试验机。
背景技术
尺寸效应是指事物的某种特性随研究对象的尺寸不同而变化的现象，是岩体力学
性质试验中常见的一种特征。岩石的力学性质随试件尺寸增大而降低的特性不仅存在于岩
体抗拉、抗压、抗剪、弹模和流变性质中，而且还存在于结构面抗剪特性中。为研究岩石的结
构面抗剪强度尺寸效应，需要用一个尺寸效应测试系统完成岩石结构面的测试，它需要建
立对不同尺寸的岩石结构面试样在不同载荷下进行直剪试验。
目前专门针对岩石尺寸效应的直剪试验研究设备中，杜时贵提出了结构面抗剪强
度尺寸效应试验机(CN201410149668.2)、多尺度岩石直剪仪(CN201310273743.1)，它们从
多尺度岩石试样的安装、运输、部件保护和测试机理等方面开展了结构设计。但是由于每一
种传感器存在测试荷载和测试范围的限制以及每一种作动器和控制器存在加载载荷范围
的限制。为此采用一套加载系统不能很好满足大范围载荷精度的要求。为此开发一种多套
机构组合式结构面抗剪强度大范围和高精度的直剪测试非常重要。
发明内容
为了克服已有直剪仪的无法满足多尺度试样的抗剪强度测试要求、可靠性较低的
不足，本发明提供了一种有效满足大跨度载荷下多尺度岩石结构面试样尺寸的测试、可靠
性良好的岩石结构面尺寸效应试验机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多套机构组合式结构面抗剪强度尺寸效应试验机，包括框架、水平向加载机
构、水平向支撑测力机构、垂向加载机构和用于放置多尺度岩石结构面试样的试样安装升
降台，所述水平向加载机构、水平向支撑测力机构和试样安装升降台安装在框架底部的平
台上，所述水平向加载机构和水平向支撑测力机构分别位于试样安装升降台的两侧，所述
多尺度岩石结构面试样以裂隙为界分为上部和下部，所述水平向加载机构加载位于多尺度
岩石结构面试样的上部，所述水平向支撑测力机构支撑多尺度岩石结构面试样的下部；所
述垂向加载机构位于多尺度岩石结构面试样上方，所述垂向加载机构可上下移动地安装在
框架上；
所述水平向加载机构包括至少两个的切向作动器，所述垂向加载机构包括至少两
个的垂向作动器组成的垂向作动器组。
进一步，所述水平向支撑测力机构包括至少两个测力传感器，所述至少两个测力
传感器上下布置。
更进一步，所述的垂向加载机构包括活动横梁、垂向作动器、链轮传动机构、电机、
垂向测力传感器、活动关节、加载板和导轨块，所述活动横梁两侧设有蜗轮，所述蜗轮外圈
可转动地套装在活动横梁的安装孔内，所述框架的四根立柱穿过蜗轮并与所述蜗轮的内圈
之间可转动地配合，所述链轮传动机构分别与电机和蜗杆的轴端连接，所述蜗杆与蜗轮啮
合，所述电机转动带动蜗轮转动使得活动横梁沿着立柱上下移动，所述活动横梁设置由2n+
1个对中分布的作动器组成的作动器组，n为自然数，每个垂向作动器的活塞杆上安装有垂
向测力传感器，所述垂向测力传感器另一端与活动关节连接，所述活动关节与加载板连接，
所述加载板底部安装有一组导轨块。
优选的，所述的垂向加载机构中，所述2n+1个垂向作动器呈一字型或“X”型分布。
当然，也可以是其他对中分布方式；当然，也可以是其他分布方式，例如阵列式等。
再进一步，所述的水平向支撑测力机构包括水平向第二测力传感器、水平向支撑
头、导向杆、第一导向座、第一测力传感器、第二导向座、卡环、支撑液压缸、安装架、导向杆、
直线轴承、千斤顶和底座，所述安装架高度上分为三层，所述安装架的底层两侧用直线轴承
安装四根导向杆，四根导向杆的底部安装底座上，中间安装千斤顶，所述千斤顶的动作端与
所述安装架的底部连接；
所述安装架的中间层安装有第一测力传感器；
所述安装架的顶层上安装有支撑液压缸，活塞杆与平向支撑头固定，平向支撑头
在支撑液压缸推动下可作为试验后上部试样的复位，同时平向支撑头前端安装连杆以用于
安装第二测力传感器。
优选的，所述平向支撑头两侧安装导向杆，导向杆穿过固定在安装架上的第一导
向座和第二导向座，所述导向杆尾端设置多组轴肩，移动到一定位置后用两个卡环套在第
二导向座两侧用于对导向杆的限位。
所述框架包括固定横梁、立柱和平台，所述框架采用四立柱机构，所述平台和固定
横梁两侧安装四根立柱，所述固定横梁位于立柱上方，平台位于立柱下方，立柱上半部分为
梯形螺纹。
所述的试样安装升降台包括试样限位座、试样加载板、L型板、试样安装板、切向导
轨、小车、二级伸缩油缸、升降液压缸、试样输送架和支撑杆，试样上下两部分分别对角型安
装L型板，所述试样安装在试样安装板上并用试样限位座限位，所述小车上安装切向导轨，
切向导轨上试样安装板；所述框架的平台一侧安装有试样输送架，二级伸缩油缸安装在平
台内部，二级伸缩油缸活塞杆上安装有支撑头，支撑头上安装有支撑杆；所述小车安装有固
定在小型短程液压缸上的4个车轮，所述车轮沿着试样输送架两侧的限位槽上移动，所述支
撑杆与小车连接，升降液压缸的动作端位于小车及试样安装板的下方。
所述的试样安装升降台还包括垫板、垫板推力液压缸、垫板框、推力杆、导向条、垫
板输送架、升降台、导向杆和支撑头，根据试样尺寸安装设定数量的垫板使得试样切缝在同
一高度上；所述框架的平台另一侧安装有垫板输送架，垫板输送架里面安装一个垫板升降
台，所述垫板升降台上安装有垫板，平台另一侧两边各安装一个垫板推力液压缸，两个垫板
推力液压缸活塞杆上安装推力杆，垫板正上方有一个垫板框并与推力杆固定，垫板框两边
可移动安装在垫板输送架上的导向条上。
所述的水平向剪切机构包括切向电机、丝杆、燕尾槽滑台、切向作动器、移动板、固
定架、水平向测力传感器和剪切头，所述移动板上安装至少两个对中分布的切向作动器，所
述移动板与固定架之间通过一组燕尾槽滑台连接，所述移动板底部安装丝杆安装座并与丝
杆连接，所述丝杆一端与切向电机连接；每个切向作动器的活塞杆上安装有水平向测力传
感器，水平向测力传感器上安装有剪切头。
本发明的技术构思为：直剪仪一般都是采用一套垂向加载机构和切向加载机构，
每套加载机构都有一个液压缸和一个测力传感器组成且使用一个控制器，由于液压加载系
统、测力传感器存在着测试载荷范围和测试精度的限制。当测试载荷范围无法用一套加载
机构完成时，需要有多套加载机构协调控制满足加载精度和载荷要求。为此在垂向加载机
构和切向加载机构中设置一组对中分布的多套加载机构，根据试样尺寸和载荷要求采用多
套加载机构联合控制的方案，同时为有效使得试样切缝的高度达到同一个高度并保证试样
在加载时其安装台的高刚性要求，采用一种自动化程度很高的试样输送和垫板安装装置。
为有效获得切向力的精度，采用支撑测力机构使得根据不同载荷选择不用的测力传感器。
本发明具有的有益效果：1、有效满足大范围载荷下同精度直剪测试、可靠性良好；
2、适合不同尺寸规格的多尺度岩石结构面试样的测试要求。
附图说明
图1为多套机构组合式结构面抗剪强度尺寸效应试验机为大岩石结构面试样时的
主视图。
图2为多套机构组合式结构面抗剪强度尺寸效应试验机为小岩石结构面试样时的
主视图。
图3为垂向加载机构主视图。
图4为一种垂向加载机构作动器安装位置俯视图。
图5为一种垂向加载机构作动器安装位置下作动器与加载板对应关系的俯视图。
图6为另一种垂向加载机构作动器与加载板安装位置俯视图。
图7水平向支撑测力机构主视图。
图8为框架主视图。
图9为试样安装升降台主视图。
图10为试样安装升降台右视图。
图11试样安装升降台试样安装板俯视图。
图12为水平向加载机构俯视图。
图13为水平向加载机构主视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图13，一种多套机构组合式结构面抗剪强度尺寸效应试验机，包括框架
3、水平向加载机构6、水平向支撑测力机构2、垂向加载机构1和试样安装升降台5，所述框架
3采用四立柱结构，水平向加载机构6、水平向支撑测力机构2和试样安装升降台5安装在框
架3底部的平台33上，水平向加载机构6和水平向支撑测力机构2分别位于试样安装升降台5
的两侧并安装在框架3底部的平台33两侧。多尺度岩石结构面试样4安装在试样安装升降台
5上，水平向加载机构6加载位于多尺度岩石试样的上部，水平向支撑测力机构2支撑多尺度
岩石结构面试样4的下部；垂向加载机构1位于多尺度岩石结构面试样4上方并安装在框架3
的立柱32上，同时可沿着立柱32上下移动。
所述的垂向加载机构1主要由活动横梁11、蜗轮12、垂向作动器13、链轮传动机构
14、电机15、垂向测力传感器16、活动关节17、加载板18和导轨块19组成。所述活动横梁11两
侧设有蜗轮12，所述蜗轮12外圈可转动地套装在活动横梁11的安装孔内，框架3的四根立柱
32穿过活动横梁11并与两侧的蜗轮12的内圈螺纹配合。链轮传动机构14分别与电机15和蜗
杆(附图中未画出)的轴端连接，电机15转动带动蜗杆和蜗轮12转动，从而使得活动横梁11
沿着立柱上下移动。活动横梁11设置由2n+1个对中分布的作动器13组成的作动器组，每个
垂向作动器13的活塞杆上安装有垂向测力传感器16，垂向测力传感器16另一端与活动关节
17连接，活动关节17与加载板18连接，加载板18底部安装有一组导轨块19。
所述的垂向加载机构1中的活动横梁11上设置的2n+1个对中分布的作动器13可根
据试样形状进行分布，n为自然数，针对正方向试样，可以在活动横梁11中间设置一个作动
器133，以它的中心为原点，设置“X”型作动器分布，以9个作动器为例，作动器131、作动器
132、作动器133、作动器138、作动器139构成一条直线和作动器136、作动器137、作动器133、
作动器134、作动器135构成的一条支撑呈以作动器133为原点的交叉安装，作动器上对应的
加载板设置如下：作动器131与加载板181匹配，作动器132与加载板182匹配，作动器133与
加载板183匹配，作动器134与加载板184匹配，作动器135与加载板185匹配，作动器136与加
载板186匹配，作动器137与加载板187匹配，作动器138与加载板188匹配，作动器139与加载
板189匹配。
所述的垂向加载机构1中的活动横梁11上设置的2n+1个对中分布的作动器13也可
直线安装，n为自然数，比如以活动横梁11上安装一排直线安装的作动器140，作动器141，作
动器142，作动器143，作动器144，分别对应的加载板为加载板190、加载板191、加载板192、
加载板193、加载板194。当然，也可以是其他对中分布方式；当然，也可以是其他分布方式，
例如阵列式等。
所述的水平向支撑测力机构2主要由水平向第二测力传感器20、水平向支撑头21、
导向杆22、第一导向座23、第一测力传感器24、第二导向座25、卡环26、支撑液压缸27、安装
架28、导向杆29、直线轴承201、千斤顶202、底座203组成。安装架28高度上分为三层，安装架
28的底层两侧用直线轴承201安装四根导向杆29，四根导向杆29的底部安装底座203上，中
间安装千斤顶30，安装架28在四根导向杆29上通过千斤顶30可上下移动。安装架28的中间
层安装有第一测力传感器24。安装架28的顶层上安装有支撑液压缸27，活塞杆与平向支撑
头21固定，平向支撑头21在支撑液压缸27推动下可作为试验后上部试样的复位，同时平向
支撑头21前端可安装连杆以用于安装第二测力传感器20。平向支撑头21两侧安装导向杆
22，导向杆22穿过固定在安装架28上的第一导向座23和第二导向座25。导向杆22尾端设置
多组轴肩，移动到一定位置后用两个卡环26套在第二导向座25两侧用于对导向杆22的限
位。
所述框架3包括横梁31、立柱32和平台33。所述框架3采用四立柱机构，平台33和横
梁31两侧安装4根立柱32，横梁31位于立柱11上方，平台33位于立柱32下方，立柱32上半部
分为梯形螺纹。
所述的试样安装升降台5主要由试样限位座50、试样加载板51、L型板52、试样安装
板53、切向导轨54、小车55、垫板56、二级伸缩油缸57、升降液压缸58、试样输送架59、支撑杆
70、限位杆71、位移传感器及安装座72、垫板推力液压缸73、垫板框74、推力杆75、导向条76、
垫板输送架77、垫板升降台78、导向杆79和支撑头80，试样上下两部分分别对角型安装L型
板52，安装在试样安装板53上并用试样限位座50限位，小车55上安装一定数量的切向导轨
54，切向导轨54上试样安装板53。根据试样尺寸安装一定数量的垫板56使得试样4切缝在同
一高度上。平台33一侧安装有试样输送架59，二级伸缩油缸57安装在平台33内部，二级伸缩
油缸57活塞杆上安装有支撑头80，支撑头80上安装有支撑杆70。小车55安装有固定在小型
短程液压缸上的4个车轮，可沿着试样输送架59两侧的限位槽上移动，支撑杆70可与小车55
连接，在二级伸缩油缸57的作用下推动小车55移动。升降液压缸58可将小车55及上面的试
样升起。平台33另一侧安装有垫板输送架77，垫板输送架77里面安装一个垫板升降台78，垫
板升降台78上安装有垫板56，平台33另一侧两边各安装一个垫板推力液压缸73，两个垫板
推力液压缸73活塞杆上安装推力杆75，垫板56正上方有一个垫板框74并与推力杆75固定，
垫板框74两边可沿着固定在垫板输送架77上的导向条76移动。
所述的水平向剪切机构主要由切向电机61、丝杆62、燕尾槽滑台63、切向作动器
64、移动板65、固定架66、水平向测力传感器67和剪切头68组成。移动板65上安装一组对中
分布的切向作动器64，移动板65与固定架66之间通过一组燕尾槽滑台63连接，移动板65底
部安装丝杆安装座并与丝杆62连接，丝杆一端与电机61连接。电机61转动带动移动板65左
右移动。每个切向作动器64的活塞杆上安装有水平向测力传感器67，水平向测力传感器67
上安装有剪切头68。
本实施例的工作过程如下：
小车55安装有4个车轮，可沿着试样输送架59两侧的限位槽运动，小车55上部安放
有L型板52、切向导轨54及试样安装板53，试样上下两部分分别对角型安装L型板52，参照图
9，试样安装板53上设置有一排限位槽和定位孔，将试样及L型板安放在试样安装板53上后
右侧用限位板锁定位置，左侧试样限位座50沿着槽压紧试样后固定，试样加载板51安放在
试样上部分的L型板52上。二级伸缩油缸57缩回使得支撑杆70将小车55推到框架3的平台33
上，小车55上的轮子缩回。四个升降液压缸58将小车55顶起到一定高度(试样的切缝处于某
个高度)，根据试样的尺寸，升降台78提升一定数量的垫板56并使其穿过垫板框74达到所需
高度，垫板推力液压缸73缩回并通过推力杆75将垫板框74及穿过垫板框74的垫板56输送到
小车55的正下方。四个升降液压缸58下降使得小车底部紧靠着最上面垫板56的正上方。四
个升降液压缸58的活塞杆随后完全缩回到初始位置。
根据试样加载载荷要求，水平向支撑测力机构2选择相应测力传感器，当是大试样
大载荷时采用第一测力传感器24，通过千斤顶202调整第一测力传感器24高度并安装支撑
杆。当是小试样时选用第二测力传感器20，在水平向支撑头21安装支撑杆后安装第二测力
传感器20，支撑液压缸27伸出到位后用卡环26卡住导向杆位置。从而使得下试样侧边用测
力传感器顶住准备测试。
根据试样的尺寸和载荷选择一定数量的垂向加载作动器及加载板进行加载，加载
前试样加载板51和加载板18之间通过一长软绳连接以防止试样加载板51掉落。当一组垂向
加载作动器加载到设定载荷后，选择选择一定数量的切向加载作动器64及剪切头68进行加
载。当测试完毕后，安装在试样安装板53左侧的限位杆71端部通过螺纹传动伸出顶住固定
架66以防止试样安装板53移动。如果是大试样用水平向支撑测力机构2的支撑液压缸27及
水平向支撑头21将试样退回到初始位置，如果是小试样可采用人工及辅助工具将其退回，
试验结束。