本发明涉及冻土截割试验。具体地说是适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置及试验方法。
背景技术：
1、西部资源开发和城市地铁隧道建设过程中遇到的富水地层越来越多，尤其是西部弱胶结地层其富水性极强，在此类地层中开展资源开发和井筒建设的难度极高。为实现井巷建设的无人化、智能化、机械化，在此类地层中采用冻结条件下的机械法施工是当前重要的发展方向。其中截割破碎是机械法施工的重要一环。无论是井筒的冻结还是隧道的冻结，岩土的截割破碎过程均为低温条件下的岩石破碎，岩石的力学性质相比于常温条件下发生了极大的改变，传统机械设计准则及理论已经无法直接应用于低温环境下岩石截割刀具的设计。
技术实现思路
1、为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够在低温冻结条件下进行截割试验的适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置及试验方法。
2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，包括支撑框架、垂直加载油缸、移动平台和岩样箱，所述岩样箱安装在所述移动平台上，所述岩样箱内插入有冷凝铁管，所述岩样箱内装有岩样，所述支撑框架设置在岩样箱的上方，所述垂直加载油缸固定安装在所述支撑框架上，所述支撑框架内滑动配合有支撑平台，所述支撑平台上安装有三向应力传感器，所述垂直加载油缸的缸杆端部与所述三向应力传感器连接，所述支撑平台上安装有可拆卸刀齿夹具，所述可拆卸刀齿夹具上安装有截齿刀具，所述截齿刀具朝向所述岩样设置。
3、上述适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，所述支撑框架包括第一侧立柱、第二侧立柱、连接板和侧立柱底座，所述第一侧立柱和所述第二侧立柱分别设置在所述移动平台的两侧，所述第一侧立柱的底端和所述第二侧立柱的底端均固定连接有所述侧立柱底座，所述连接板固定安装在所述第一侧立柱和所述第二侧立柱之间，所述垂直加载油缸固定安装在所述连接板上，所述支撑平台的两侧均固定连接有固定板，所述支撑平台两侧的固定板分别与所述第一侧立柱的侧壁和所述第二侧立柱的侧壁滑动连接。
4、上述适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，所述移动平台包括试验台底座、试验台导轨、导轨平台和水平推进油缸，所述试验台导轨沿所述试验台底座的长度方向固定安装在所述试验台底座上，所述导轨平台与所述试验台导轨滑动连接，所述岩样箱通过截割间距调节组件安装在所述导轨平台上，所述水平推进油缸固定安装在所述试验台底座上，所述水平推进油缸的缸杆端与所述导轨平台的底壁固定连接。
5、上述适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，所述垂直加载油缸和所述水平推进油缸均与液压泵控制台连接。
6、上述适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，所述三向应力传感器与数据采集仪相连接。
7、上述适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，所述冷凝铁管的一端通过冷凝软管连接有盐水泵，所述冷凝铁管的另一端通过冷凝软管连接有制冷机，所述制冷机和所述盐水泵分别通过冷凝软管与盐水箱连接。
8、上述适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，所述截割间距调节组件包括第一楔块、第二楔块、丝杆和驱动轮，所述导轨平台的顶部两端均沿其宽度方向固定连接有所述第一楔块，所述岩样箱的底壁两端上均沿其宽度方向固定连接有所述第二楔块，所述第二楔块滑动配合在所述第一楔块上，所述第一楔块的最高位置处固定连接有第一限位块，所述第二楔块的最低位置处固定连接有第二限位块；所述岩样箱的一端上通过连接杆固定连接有弹簧伸缩杆，所述弹簧伸缩杆的端部上固定连接有摩擦块，所述摩擦块贴合在所述试验台底座的顶壁上，所述导轨平台与所述摩擦块相对的一端上固定连接有挡板；所述导轨平台和所述岩样箱之间具有安装间隙，所述丝杆沿所述导轨平台的宽度方向设置在安装间隙内，所述导轨平台的两侧均固定连接有轴座，所述丝杆两端的光杆部分分别转动连接在两个轴座内，所述丝杆的两端上均安装有单向轴承，所述驱动轮安装在所述单向轴承上，且所述驱动轮的轮面与所述试验台底座的顶部紧密贴合；所述导轨平台的顶部上与所述丝杆平行开设有限位滑槽，所述限位滑槽内滑动配合有驱动块，所述丝杆穿过所述驱动块并与所述驱动块螺纹连接，所述驱动块的两侧上均贴合有驱动板，所述驱动板的顶部与所述岩样箱的底部固定连接。
9、适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验方法，包括以下步骤：
10、步骤a：将述岩样箱通过截割间距调节组件安装在所述移动平台上，在岩样箱内插入有冷凝铁管，并向岩样箱内装入岩样；
11、步骤b：将支撑框架设置在岩样箱的上方，将垂直加载油缸固定安装在所述支撑框架上，将支撑框架内滑动配合安装支撑平台，在支撑平台上安装有三向应力传感器，将垂直加载油缸的缸杆端部与所述三向应力传感器连接；
12、步骤c：在支撑平台上安装有可拆卸刀齿夹具，在可拆卸刀齿夹具上安装有截齿刀具，并且使截齿刀具朝向所述岩样设置；
13、步骤d：设置冻结温度，打开制冷机对盐水进行制冷，再打开盐水泵，使得盐水通过冷凝软管进入到岩样箱中的冷凝铁管中，对岩样进行冻结；
14、步骤e：通过控制移动平台带动岩样箱移动，并通过控制垂直加载油缸控制截齿刀具与冻结的岩样接触，进行截割试验。
15、上述适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验方法，所述支撑框架包括第一侧立柱、第二侧立柱、连接板和侧立柱底座，所述第一侧立柱和所述第二侧立柱分别设置在所述移动平台的两侧，所述第一侧立柱的底端和所述第二侧立柱的底端均固定连接有所述侧立柱底座，所述连接板固定安装在所述第一侧立柱和所述第二侧立柱之间，所述垂直加载油缸固定安装在所述连接板上，所述支撑平台的两侧均固定连接有固定板，所述支撑平台两侧的固定板分别与所述第一侧立柱的侧壁和所述第二侧立柱的侧壁滑动连接；所述移动平台包括试验台底座、试验台导轨、导轨平台和水平推进油缸，所述试验台导轨沿所述试验台底座的长度方向固定安装在所述试验台底座上，所述导轨平台与所述试验台导轨滑动连接，所述岩样箱通过截割间距调节组件安装在所述导轨平台上，所述水平推进油缸固定安装在所述试验台底座上，所述水平推进油缸的缸杆端与所述导轨平台的底壁固定连接；所述垂直加载油缸和所述水平推进油缸均与液压泵控制台连接；所述三向应力传感器与数据采集仪相连接。
16、上述适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验方法，所述冷凝铁管的一端通过冷凝软管与盐水泵连接，所述冷凝铁管的另一端通过冷凝软管与制冷机连接，所述制冷机和所述盐水泵分别通过冷凝软管与盐水箱连接；所述截割间距调节组件包括第一楔块、第二楔块、丝杆和驱动轮，所述导轨平台的顶部两端均沿其宽度方向固定连接有所述第一楔块，所述岩样箱的底壁两端上均沿其宽度方向固定连接有所述第二楔块，所述第二楔块滑动配合在所述第一楔块上，所述第一楔块的最高位置处固定连接有第一限位块，所述第二楔块的最低位置处固定连接有第二限位块；所述岩样箱的一端上通过连接杆固定连接有弹簧伸缩杆，所述弹簧伸缩杆的端部上固定连接有摩擦块，所述摩擦块贴合在所述试验台底座的顶壁上，所述导轨平台与所述摩擦块相对的一端上固定连接有挡板；所述导轨平台和所述岩样箱之间具有安装间隙，所述丝杆沿所述导轨台的宽度方向设置在安装间隙内，所述导轨平台的两侧均固定连接有轴座，所述丝杆两端的光杆部分分别转动连接在两个轴座内，所述丝杆的两端上均安装有单向轴承，所述驱动轮安装在所述单向轴承上，且所述驱动轮的轮面与所述试验台底座的顶部紧密贴合；所述导轨平台的顶部上与所述丝杆平行开设有限位滑槽，所述限位滑槽内滑动配合有驱动块，所述丝杆穿过所述驱动块并与所述驱动块螺纹连接，所述驱动块的两侧上均贴合有驱动板，所述驱动板的顶部与所述岩样箱的底部固定连接。
17、本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
18、1、本发明，便于冻结岩土截割机理的研究；该试验平台能够满足岩样冻结条件下进行截割破碎试验，解决现有试验平台缺少冻结条件的问题，为分析冻结条件下岩土体的截割破碎机理提供了重要的试验条件；可以开展不同温度、不同截齿深度、不同截割速度、不同截割间距、不同截齿形貌的冻结岩土体截割破碎试验，满足了当前冻结环境下岩土体截割破碎规律的研究，为研发高效截割冻结岩土体刀具提供了重要基础。
19、2、本发明，通过设置截割间距调节组件，能够实现自动的调整岩样的位置，实现在不同宽度位置进行不间断的自动试验，并且在岩样返回时，能够自动下降与截齿刀具分离，减少刀具对岩样的影响，并减少刀具的磨损。
1.适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，其特征在于，包括支撑框架、垂直加载油缸(1)、移动平台和岩样箱(12)，所述岩样箱(12)通过截割间距调节组件(7)安装在所述移动平台上，所述岩样箱(12)内插入有冷凝铁管(3)，所述岩样箱(12)内装有岩样(13)，所述支撑框架设置在岩样箱(12)的上方，所述垂直加载油缸(1)固定安装在所述支撑框架上，所述支撑框架内滑动配合有支撑平台(24)，所述支撑平台(24)上安装有三向应力传感器(17)，所述垂直加载油缸(1)的缸杆端部与所述三向应力传感器(17)连接，所述支撑平台(24)上安装有可拆卸刀齿夹具(15)，所述可拆卸刀齿夹具(15)上安装有截齿刀具(14)，所述截齿刀具(14)朝向所述岩样(13)设置。
2.根据权利要求1所述的适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，其特征在于，所述支撑框架包括第一侧立柱(2)、第二侧立柱(18)、连接板(23)和侧立柱底座(6)，所述第一侧立柱(2)和所述第二侧立柱(18)分别设置在所述移动平台的两侧，所述第一侧立柱(2)的底端和所述第二侧立柱(18)的底端均固定连接有所述侧立柱底座(6)，所述连接板(23)固定安装在所述第一侧立柱(2)和所述第二侧立柱(18)之间，所述垂直加载油缸(1)固定安装在所述连接板(23)上，所述支撑平台(24)的两侧均固定连接有固定板(16)，所述支撑平台(24)两侧的固定板(16)分别与所述第一侧立柱(2)的侧壁和所述第二侧立柱(18)的侧壁滑动连接。
3.根据权利要求1所述的适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，其特征在于，所述移动平台包括试验台底座(8)、试验台导轨(10)、导轨平台(11)和水平推进油缸(9)，所述试验台导轨(10)沿所述试验台底座(8)的长度方向固定安装在所述试验台底座(8)上，所述导轨平台(11)与所述试验台导轨(10)滑动连接，所述岩样箱(12)通过截割间距调节组件(7)安装在所述导轨平台(11)上，所述水平推进油缸(9)固定安装在所述试验台底座(8)上，所述水平推进油缸(9)的缸杆端与所述导轨平台(11)的底壁固定连接。
4.根据权利要求3所述的适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，其特征在于，所述垂直加载油缸(1)和所述水平推进油缸(9)均与液压泵控制台(4)连接。
5.根据权利要求1所述的适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，其特征在于，所述三向应力传感器(17)与数据采集仪(5)相连接。
6.根据权利要求1所述的适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，其特征在于，所述冷凝铁管(3)的一端通过冷凝软管(22)连接有盐水泵(19)，所述冷凝铁管(3)的另一端通过冷凝软管(22)连接有制冷机(20)，所述制冷机(20)和所述盐水泵(19)分别通过冷凝软管(22)与盐水箱(21)连接。
7.根据权利要求1所述的适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验装置，其特征在于，所述截割间距调节组件(7)包括第一楔块(701)、第二楔块(702)、丝杆(709)和驱动轮(710)，所述导轨平台(11)的顶部两端均沿其宽度方向固定连接有所述第一楔块(701)，所述岩样箱(12)的底壁两端上均沿其宽度方向固定连接有所述第二楔块(702)，所述第二楔块(702)滑动配合在所述第一楔块(701)上，所述第一楔块(701)的最高位置处固定连接有第一限位块(703)，所述第二楔块(702)的最低位置处固定连接有第二限位块(704)；所述岩样箱(12)的一端上通过连接杆(705)固定连接有弹簧伸缩杆(706)，所述弹簧伸缩杆(706)的端部上固定连接有摩擦块(707)，所述摩擦块(707)贴合在所述试验台底座(8)的顶壁上，所述导轨平台(11)与所述摩擦块(707)相对的一端上固定连接有挡板(714)；所述导轨平台(11)和所述岩样箱(12)之间具有安装间隙，所述丝杆(709)沿所述导轨台(11)的宽度方向设置在安装间隙内，所述导轨平台(11)的两侧均固定连接有轴座(708)，所述丝杆(709)两端的光杆部分分别转动连接在两个轴座(708)内，所述丝杆(709)的两端上均安装有单向轴承(711)，所述驱动轮(710)安装在所述单向轴承(711)上，且所述驱动轮(710)的轮面与所述试验台底座(8)的顶部紧密贴合；所述导轨平台(11)的顶部上与所述丝杆(709)平行开设有限位滑槽(715)，所述限位滑槽(715)内滑动配合有驱动块(712)，所述丝杆(709)穿过所述驱动块(712)并与所述驱动块(712)螺纹连接，所述驱动块(712)的两侧上均贴合有驱动板(713)，所述驱动板(713)的顶部与所述岩样箱(12)的底部固定连接。
8.适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验方法，其特征在于，所述支撑框架包括第一侧立柱(2)、第二侧立柱(18)、连接板(23)和侧立柱底座(6)，所述第一侧立柱(2)和所述第二侧立柱(18)分别设置在所述移动平台的两侧，所述第一侧立柱(2)的底端和所述第二侧立柱(18)的底端均固定连接有所述侧立柱底座(6)，所述连接板(23)固定安装在所述第一侧立柱(2)和所述第二侧立柱(18)之间，所述垂直加载油缸(1)固定安装在所述连接板(23)上，所述支撑平台(24)的两侧均固定连接有固定板(16)，所述支撑平台(24)两侧的固定板(16)分别与所述第一侧立柱(2)的侧壁和所述第二侧立柱(18)的侧壁滑动连接；所述移动平台包括试验台底座(8)、试验台导轨(10)、导轨平台(11)和水平推进油缸(9)，所述试验台导轨(10)沿所述试验台底座(8)的长度方向固定安装在所述试验台底座(8)上，所述导轨平台(11)与所述试验台导轨(10)滑动连接，所述岩样箱(12)通过截割间距调节组件(7)安装在所述导轨平台(11)上，所述水平推进油缸(9)固定安装在所述试验台底座(8)上，所述水平推进油缸(9)的缸杆端与所述导轨平台(11)的底壁固定连接；所述垂直加载油缸(1)和所述水平推进油缸(9)均与液压泵控制台(4)连接；所述三向应力传感器(17)与数据采集仪(5)相连接。
10.根据权利要求8所述的适用于岩土冻结条件下的截割破碎试验方法，其特征在于，所述冷凝铁管(3)的一端通过冷凝软管(22)与盐水泵(19)连接，所述冷凝铁管(3)的另一端通过冷凝软管(22)与制冷机(20)连接，所述制冷机(20)和所述盐水泵(19)分别通过冷凝软管(22)与盐水箱(21)连接；所述截割间距调节组件(7)包括第一楔块(701)、第二楔块(702)、丝杆(709)和驱动轮(710)，所述导轨平台(11)的顶部两端均沿其宽度方向固定连接有所述第一楔块(701)，所述岩样箱(12)的底壁两端上均沿其宽度方向固定连接有所述第二楔块(702)，所述第二楔块(702)滑动配合在所述第一楔块(701)上，所述第一楔块(701)的最高位置处固定连接有第一限位块(703)，所述第二楔块(702)的最低位置处固定连接有第二限位块(704)；所述岩样箱(12)的一端上通过连接杆(705)固定连接有弹簧伸缩杆(706)，所述弹簧伸缩杆(706)的端部上固定连接有摩擦块(707)，所述摩擦块(707)贴合在所述试验台底座(8)的顶壁上，所述导轨平台(11)与所述摩擦块(707)相对的一端上固定连接有挡板(714)；所述导轨平台(11)和所述岩样箱(12)之间具有安装间隙，所述丝杆(709)沿所述导轨台(11)的宽度方向设置在安装间隙内，所述导轨平台(11)的两侧均固定连接有轴座(708)，所述丝杆(709)两端的光杆部分分别转动连接在两个轴座(708)内，所述丝杆(709)的两端上均安装有单向轴承(711)，所述驱动轮(710)安装在所述单向轴承(711)上，且所述驱动轮(710)的轮面与所述试验台底座(8)的顶部紧密贴合；所述导轨平台(11)的顶部上与所述丝杆(709)平行开设有限位滑槽(715)，所述限位滑槽(715)内滑动配合有驱动块(712)，所述丝杆(709)穿过所述驱动块(712)并与所述驱动块(712)螺纹连接，所述驱动块(712)的两侧上均贴合有驱动板(713)，所述驱动板(713)的顶部与所述岩样箱(12)的底部固定连接。
