CN102323154B - 一种高压真三轴测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压真三轴测试系统，包括第一加载装置、第二加载装置、真三轴压力室、底座和提升部件。底座设置有多级轨道，位于多级轨道上的第一加载装置、第二加载装置和真三轴压力室可沿相应的轨道相对运动。第一加载装置和第二加载装置的内壁一侧均设置有加载装置，另一侧设置有反力装置。真三轴压力室可由提升部件进行开合。本发明采用多级轨道设计，系统内第一加载装置、第二加载装置和真三轴压力室能够相互运动，方便安装试样和传感器；受到的框架自重的影响较小；便于高荷载高刚度的框架的设计；进行双轴无油压实验时可进行实时观察。

Description

一种高压真三轴测试系统

技术领域

本发明涉及一种压力试验系统，更具体涉及一种高压真三轴测试系统，用于获得岩石试样在真三轴应力状态下的变形与破坏特性。

背景技术

岩石力学试验的主要目的是模拟在自然应力状态下岩石的力学形为。众所周知，自然界的岩体，尤其是在构造应力作用下，往往是三个方向应力不等，而目前流行的常规三轴试验只能模拟中间主应力和最小主应力相等的圆柱试样的力学特性。模拟三轴应力条件下岩石的力学特性采用真三轴试验系统(True triaxial testing system: TTS)。大部分真三轴试验的试样为长方体（或者立方体），有6个面，可以在三个方向受到不同均匀的荷载，真三轴测试系统即是施加此三个方向上的三对载荷并测量在该荷载作用下应力与应变关系，同时也可以测量试样的渗透系数。

主流的真三轴试验系统的加载结构包括以下几种类型：

1、三个方向三对液压油缸加载的固定式加载结构。该类型的加载结构基本采用立方试样，在试样的6个面采用6个液压油缸来安装。该结构的不足是，成本高，并且试样受多个加载空白角和非对称加载（很难保证一对液压油缸的荷载一致）的影响，其应用分布很不均匀，且渗透系数测量很不方便。

2、二个方向二对液压油缸加载和一个方向油压加载的固定式加载结构。该种结构较第一种已有改善，且可以测量渗透系数，但液压油缸加载的两个方向仍存在应力分布不均匀问题，以及4个液压油缸及配套管路和控制设备带来过高的成本，并且由于垂直框架的影响，不便于高荷载高刚度的框架的设计，并且压力室的安装调试不方便。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺点，本发明的目的是在于提供了一种高压真三轴测试系统，第一加载装置、第二加载装置以及真三轴压力室可以无冲突的相互运动，真三轴压力室可通过多级轨道滑动至加载装置内进行加载；真三轴压力室可以滑出加载装置，方便安装试样和传感器；由于没有传统垂直框架的影响，便于高荷载高刚度的框架设计；只需要两个液压油缸和真三轴压力室的油压加载，降低真三轴系统制造成本。 

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

    一种高压真三轴系统，包括第一加载装置，第二加载装置，真三轴压力室，底座，提升部件，所述的底座包括第一支撑平台、第二支撑平台、第三支撑平台、压力室支撑平台、第一加载装置轨道支架、压力室轨道支架、第一加载装置轨道、第二加载装置轨道、压力室轨道和轨道端板，第一加载装置轨道、第二加载装置轨道、压力室轨道分别设置在第一加载装置轨道支架、第三支撑平台和压力室轨道支架上；第一加载装置、第二加载装置和真三轴压力室分别设置在第一加载装置轨道、第二加载装置轨道和压力室轨道上；压力室轨道高于第一加载装置轨道，第一加载装置轨道高于第二加载装置轨道。

如上所述的第一加载装置包括第一框架，第一框架内部的下端面设置有与第一加载装置轨道延伸方向平行的第一固定轨道和第二固定轨道，第一固定轨道和第二固定轨道上设置有通过第一线性滑块连板相互连接的第一线性滑块和第二线性滑块，第一固定轨道和第二固定轨道上还设置有通过第二线性滑块连板相互连接的第三线性滑块和第四线性滑块，在第一线性滑块连板和第二线性滑块连板上分别固定有第一滑动轨道和第二滑动轨道，第一滑动轨道和第二滑动轨道延伸方向分别与压力室轨道的两侧轨道水平对齐。

如上所述的第二加载装置包括第二框架，第二框架内部的下端面设置有第三固定轨道和第四固定轨道，第三固定轨道和第四固定轨道延伸方向分别与第一加载装置轨道的两侧轨道水平对齐。

如上所述的第一加载装置底部两端设置有第一轴承和第二轴承，第一轴承两端固定着第一槽式车轮和第二平式车轮，第二轴承两端固定着第二槽式车轮和第一平式车轮；所述第二加载装置底部两端分别设置有第三轴承和第四轴承，第三轴承两端固定着第三槽式车轮和第四平式车轮，第四轴承两端固定着第四槽式车轮和第三平式车轮；真三轴压力室设置于一车板上，车板一侧设置有第一压力室槽式车轮和第二压力室槽式车轮，另一侧设置有第一压力室平式车轮和第二压力室平式车轮。

如上所述的第一支撑平台的外端安装有用来限制第一加载装置滑动行程的第一端定位支座，第二支撑平台的外端安装有用来限制第一加载装置滑动行程的第一端定位板；第三支撑平台的两端分别安装有用来限制第二加载装置滑动行程的第二端定位支座和第二端定位板。

如上所述的第一加载装置内壁一侧设置有第一加载部件，另一侧设置有第一反力部件，第一加载部件包括第一液压油缸、第一载荷传感器、第一加载垫块和第一加载球头，第一加载球头通过第一加载垫块固定在第一液压油缸的加压端上，第一加载垫块与第一液压油缸的加压端之间还设有第一载荷传感器，第一液压油缸设置在第一加载装置内壁上，第一反力部件包括第一反力座、第一反力垫块和第一反力球头，第一反力座设置在第一加载装置内壁上，第一反力垫块设置在第一反力座和第一反力球头之间；所述的第二加载装置内壁一侧设置有第二加载部件，另一侧设置有第二反力部件，第二加载部件包括第二液压油缸、第二载荷传感器、第二加载垫块和第二加载球头，第二加载球头通过第二加载垫块固定在第二液压油缸加压端上，第二加载垫块与第二液压油缸的加压端之间还设置有第二载荷传感器，第二液压油缸设置在第二加载装置内壁上，第二反力部件包括第二反力座、第二反力垫块和第二反力球头，第二反力垫块设置在第二反力球头和第二反力座之间，第二反力座设置在第二加载装置内壁上。

如上所述的真三轴压力室，其内部设置有一个固定可升降的试样定位装置，在二个横向加载装置预加载时使得试样固定。

压力室轨道，第一加载装置轨道，第二加载装置轨道，第一固定轨道，第二固定轨道，第三固定轨道，第四固定轨道，第一滑动轨道，第二滑动轨道构成多级轨道。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、本发明的加载系统采用多级轨道设计，使得第一加载装置，第二加载装置与真三轴压力室可以相互运动而避免空间上的冲突，便于高荷载高刚度的框架的设计；2、由于没有采用传统垂直框架，受到的框架自重的影响较小；3、真三轴压力室可以滑出加载装置，方便安装试样和传感器，同时在进行双轴无油压实验时可进行实时观察；4、本发明的两个加载装置，因能和真三轴压力室发生相对运动，所以只需要两个液压油缸和真三轴压力室的油压加载，简化了真三轴的系统的结构和控制系统以及降低真三轴系统制造成本；5、试样两端所受的载荷大小一致，保证了试样的对中。

附图说明

图1为一种高压真三轴系统俯视图；

图2为一种高压真三轴系统前视图；

图3为一种第一加载装置正视图；

图4为一种第二加载装置正视图；

图5为一种提升部件正视图；

其中：1、第一加载装置；2、第二加载装置；3、真三轴压力室；1-1、第一框架；1-2、第一液压油缸；1-3、第一负荷传感器；1-4、第一加载垫块；1-5、第一加载球头；1-6、第一反力座；1-7、第一反力垫块；1-8、第一反力球头；1-9a、第一固定轨道；1-10a、第一滑动轨道；1-10b、第二滑动轨道； 1-11a、第一线性滑块；1-11b、第二线性滑块；1-12a、第一线性滑块连板；1-13a、第一轴承；1-13b、第二轴承；1-14a、第一槽式车轮；1-14b、第二槽式车轮；1-15a、第一平式车轮；1-15b、第二平式车轮； 

2-1、第二框架；2-2、第二液压油缸；2-3、第二载荷传感器；2-4、第二加载垫块；2-5、第二加载球头；2-6、第二反力座；2-7、第二反力垫块；2-8、第二反力球头；2-9a、第三固定轨道；2-9b、第四固定轨道；2-10a、第三轴承；2-10b、第四轴承；2-11a、第三槽式车轮；2-11b、第四槽式车轮；2-12a、第三平式车轮；2-12b、第四平式车轮。

3-1、压力室筒；3-2a、第一自平衡活塞；3-2b、第二自平衡活塞；3-2c、第三自平衡活塞；3-2d、第四自平衡活塞；3-3、压力室上盖；3-4、压力室底座；3-5、上固定瓦；3-6、下固定瓦；3-7、车板；3-8a、第一压力室槽式车轮；3-8b、第二压力室槽式车轮；3-9a、第一压力室平式车轮；3-9b、第二压力室平式车轮；3-10、吊环；

4-1a、第一支撑平台；4-1b、第二支撑平台；4-2、第三支撑平台；4-3压力室支撑平台；4-4a、第一轨道支架；4-4b、第二轨道支架；4-4c、第三轨道支架；4-4d、第四轨道支架；4-4e、第五轨道支架；4-4f、第六轨道支架；4-4g、第七轨道支架； 4-5a、第一压力室轨道支架；4-5b、第二压力室轨道支架；4-6a、第一轨道；4-6b、第二轨道；4-6c、第三轨道；4-6d、第四轨道；4-6e、第五轨道；4-6f、第六轨道；4-7a、第七轨道；4-7b、第八轨道；4-7c、第九轨道；4-7d、第十轨道；4-8a、第一压力室轨道；4-8b、第二压力室轨道；4-9、轨道端板；4-10、第一端定位支座；4-11、第一端定位板；4-12、第二端定位支座；4-13、第二端定位板；

5-1、支柱；5-2a、第一悬臂；5-2b、第二悬臂；5-3、端垫；5-4、支撑臂；5-5、工程油缸；5-6、吊头；5-7a、第一调高垫；5-7b、第二调高垫；5-7c、第三调高垫；5-8、穿销。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，本发明的高压真三轴测试系统主要由第一加载装置1、第二加载装置2、真三轴压力室3、底座、提升部件构成。本发明的第一加载装置1、第二加载装置2和真三轴压力室3底部均安装车轮并安放在多级轨道上，使其可以相互滑动。

如图3所示，第一加载装置1部件的组成关系为：在第一框架1-1的内壁一侧为第一加载部件（第一加载部件包括第一液压油缸1-2、第一载荷传感器1-3和第一加载垫块1-4和第一加载球头1-5），而内壁另一侧为第一反力部件（第一反力部件包括第一反力座1-6、第一反力垫块1-7和第一反力球头1-8）；第一框架1-1底部两端设置有第一轴承1-13a和第二轴承1-13b，第一轴承1-13a两端固定着第一槽式车轮1-14a和第二平式车轮1-15b，第二轴承1-13b两端固定着第二槽式车轮1-14b和第一平式车轮1-15a；第一框架1-1内部的下端固定着与第一加载装置轨道的延伸方向平行第一固定轨道1-9a和第二固定轨道，第一固定轨道1-9a上安装有由第一线性滑块连板1-12a相连接的第一线性滑块1-11a和第二线性滑块1-11b，与此相同，第二固定轨道上安装有由第二线性滑块连板相连接的第三线性滑块和第四线性滑块；在第一线性滑块连板1-12a和第二线性滑块连板上分别固定着第一滑动轨道1-10a和第二滑动轨道1-10b，这样，由第一滑动轨道1-10a和第二滑动轨道1-10b、第一线性滑块连板1-12a、第二线性滑块连板以及第一线性滑块1-11a、第二线性滑块1-11b、第三线性滑块和第四线性滑块组成的框件可在第一固定轨道1-9a和第二固定轨道上滑动。第一滑动轨道1-10a和第二滑动轨道1-10b延伸方向与压力室轨道的两侧轨道（第一压力室轨道4-8a和第二压力室轨道4-8b）水平对齐。

如图4所示，第二加载装置2部件的组成关系为：在第二框架2-1的内壁一侧为第二加载部件（第二加载部件包括第二液压油缸2-2、第二载荷传感器2-3、第二加载垫块2-4和第二加载球头2-5）；而内壁另一侧则为第二反力部件（第二反力部件包括第二反力座2-6、第二反力垫块2-7和第二反力球头2-8）；第二框架2-1底部两端分别设置有第三轴承2-10a和第四轴承2-10b，第三轴承2-10a两端固定着第三槽式车轮2-11a和第四平式车轮2-12b，第四轴承2-13b两端固定着第四槽式车轮2-11ba和第三平式车轮2-12a；第二框架2-1内部的下侧固定着与第一加载装置轨道的延伸方向平行第三固定轨道2-9a和第四固定轨道2-9b。

如图3所示，真三轴压力室3包括压力室筒3-1、第一自平衡活塞3-2a、第二自平衡活塞3-2b、第三自平衡活塞3-2c、第四自平衡活塞3-2d、压力室上盖3-3、压力室底座3-4、上固定瓦3-5、下固定瓦3-6及吊环3-10。设置在压力室筒3-1上的第二自平衡活塞3-2b和第四自平衡活塞3-2d传递第一加载装置1的载荷，第一自平衡活塞3-2a和第三自平衡活塞3-2c传递第二加载装置2的载荷。

如图5所示，提升部件包括支柱5-1、第一悬臂5-2a、第二悬臂5-2b、端垫5-3、支撑臂5-4、工程油缸5-5、吊头5-6、调高垫（调高垫包括第一调高垫5-7a、第二调高垫5-7b、第三调高垫5-7c）和穿销5-8组成。第一悬臂5-2a、第二悬臂5-2b可以很方便的将真三轴压力室3的上固定瓦3-6水平打开，在此之后，可由工程油缸5-5通过吊头5-6和穿销5-8与真三轴压力室3的吊环3-10连结将压力室上盖3-3打开。

如图1和2所示，第一支撑平台4-1a和第二支撑平台4-1b分别置于第三支撑平台4-2两侧，而压力室支撑平台4-3放置于第二支撑平台4-1b的一侧。

第三支撑平台4-2上固定着第二加载装置轨道（第二加载装置轨道包括设置在第二加载装置一端的第七轨道4-7a和第八轨道4-7b、设置在第二加载装置另一端的第九轨道4-7c和第十轨道4-7d），第二加载装置轨道上设置有第二加载装置2，第三支撑平台4-2的两侧分别固定着第二端定位支座4-12和第二端定位板4-13，从而限制第二加载装置2的滑动行程。

第一支撑平台4-1a和第二支撑平台4-1b上固定着第一加载装置轨道支架（第一加载装置轨道支架包括第一轨道支架4-4a、第二轨道支架4-4b、第三轨道支架4-4c、第四轨道支架4-4d、第五轨道支架4-4e、第六轨道支架4-4f、第七轨道支架4-4g），并在第一加载装置轨道支架上设置第一加载装置轨道（第一加载装置轨道包括设置在一侧依次连接的第一轨道4-6a、第二轨道4-6b、第三轨道4-6c和设置在另一侧依次连接的第四轨道4-6d、第五轨道4-6e、第六轨道4-6f），用以放置第一加载装置1。第一支撑平台4-1a和第二支撑平台4-1b的外端分别固定着第一端定位支座4-10和第一端定位板4-11，用以限制第一加载装置1的滑动行程。压力室支撑平台4-3上设置有压力室轨道支架（压力室轨道支架包括第一压力室轨道支架4-5a和第二压力室轨道支架4-5b），压力室轨道上通过车板3-7放置有真三轴压力室3。在压力室轨道端部安装轨道端板4-9，防止真三轴压力室3滑出；除此之外，压力室支撑平台4-3上还固定有真三轴压力室3的提升部件。

如图1、2、3和4所示，第一加载装置1上第一滑动轨道1-10a和第二滑动轨道1-10b与压力室轨道的两侧轨道水平对齐，真三轴压力室3可以通过压力室轨道、第一滑动轨道1-10a和第二滑动轨道1-10b滑送至第一加载装置1内；第二加载装置2上的第三固定轨道2-9a和第四固定轨道2-9b与第一加载装置轨道的两侧轨道水平对齐，第一加载装置1可以沿第一加载装置轨道、第三固定轨道2-9a和第四固定轨道2-9b穿过第二加载装置2从而进入实验状态。

如图1所示，真三轴压力室3滑出第一加载装置1并位于压力室轨道上时，可以利用提升部件进行真三轴压力室3的开合，且此处无任何阻挡便于操人员安置试样和传感器。另外，在进行无油压的双轴试验时，只需第一加载装置1和第二加载装置2加载，则无需盖上压力室上盖3-3，这样在实验过程中可以对试样的变形与破坏过程进行全程的观察。

如图1、2、3和4所示，在试验状态时，第一加载装置1沿第一加载装置轨道和第三固定轨道2-9a和第四固定轨道2-9b穿过第二加载装置2，而将真三轴压力室3置于第一加载装置1之中并同时处在第一加载装置1和第二加载装置2的轴心位置。另外，第一加载装置1和第二加载装置2在试验初始时处在与第一端定位支座4-10和第二端定位支座4-12接触的位置。在第一加载装置1的第一液压油缸1-3加载时，推动真三轴压力室3下的由第一滑动轨道1-10a、第二滑动轨道1-10b、第一线性滑块1-11a、第二线性滑块1-11b、第三线性滑块和第四线性滑块构成的框件沿第一加载装置1的第一固定轨道1-9a和第二固定轨道滑动，即真三轴压力室3上可相对于第一加载装置1发生滑动。当真三轴压力室3与第一加载装置1的第一反力球头1-8接触后，即由第一反力部件提供与第一液压油缸1-3加载的大小一致而方向相反的反作用力。在第二加载装置2的第二液压油缸2-3加载时，由于真三轴压力室3受第一加载装置1的夹持不能滑动，因此第二加载装置2自身沿第二加载装置轨道发生滑移，从而形成作用力与反作用力。

本发明第一加载装置1和第二加载装置2由于没有传统垂直框架的空间上的限制，便于高荷载高刚度的框架设计。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种高压真三轴系统，其特征在于：包括第一加载装置（1），第二加载装置（2），真三轴压力室（3），底座，提升部件，所述的底座包括第一支撑平台（4-1a）、第二支撑平台（4-1b）、第三支撑平台（4-2）、压力室支撑平台（4-3）、第一加载装置轨道支架、压力室轨道支架、第一加载装置轨道、第二加载装置轨道、压力室轨道和轨道端板（4-9），第一加载装置轨道、第二加载装置轨道、压力室轨道分别设置在第一加载装置轨道支架、第三支撑平台（4-2）和压力室轨道支架上；第一加载装置（1）、第二加载装置（2）和真三轴压力室（3）分别设置在第一加载装置轨道、第二加载装置轨道和压力室轨道上；压力室轨道高于第一加载装置轨道，第一加载装置轨道高于第二加载装置轨道；

第一加载装置（1）包括第一框架（1-1），第一框架（1-1）内部的下端面设置有与第一加载装置轨道延伸方向平行的第一固定轨道（1-9a）和第二固定轨道，第一固定轨道（1-9a）和第二固定轨道上设置有通过第一线性滑块连板（1-12a）相互连接的第一线性滑块（1-11a）和第二线性滑块（1-11b），第一固定轨道（1-9a）和第二固定轨道上还设置有通过第二线性滑块连板相互连接的第三线性滑块和第四线性滑块，在第一线性滑块连板（1-12a）和第二线性滑块连板上分别固定有第一滑动轨道（1-10a）和第二滑动轨道（1-10b），第一滑动轨道（1-10a）和第二滑动轨道（1-10b）延伸方向分别与压力室轨道的两侧轨道水平对齐；

第一框架（1-1）的内壁一侧设置有第一加载部件，另一侧设置有第一反力部件，第一加载部件包括第一液压油缸（1-2）、第一载荷传感器（1-3）、第一加载垫块（1-4）和第一加载球头（1-5），第一加载球头（1-5）通过第一加载垫块（1-4）固定在第一液压油缸（1-2）的加压端上，第一加载垫块（1-4）与第一液压油缸（1-2）的加压端之间还设有第一载荷传感器（1-3），第一液压油缸（1-2）设置在第一加载装置（1）内壁上，第一反力部件包括第一反力座（1-6）、第一反力垫块（1-7）和第一反力球头（1-8），第一反力座（1-6）设置在第一加载装置（1）内壁上，第一反力垫块（1-7）设置在第一反力座（1-6）和第一反力球头（1-8）之间；所述的第二加载装置（2）内壁一侧设置有第二加载部件，另一侧设置有第二反力部件，第二加载部件包括第二液压油缸（2-2）、第二载荷传感器（2-3）、第二加载垫块（2-4）和第二加载球头（2-5），第二加载球头（2-5）通过第二加载垫块（2-4）固定在第二液压油缸（2-2）加压端上，第二加载垫块（2-4）与第二液压油缸（2-2）的加压端之间还设置有第二载荷传感器（2-3），第二液压油缸（2-2）设置在第二加载装置（2）内壁上，第二反力部件包括第二反力座（2-6）、第二反力垫块（2-7）和第二反力球头（2-8），第二反力垫块（2-7）设置在第二反力球头（2-8）和第二反力座（2-6）之间，第二反力座（2-6）设置在第二加载装置（2）内壁上；

第二加载装置（2）包括第二框架（2-1），第二框架（2-1）内部的下端面设置有第三固定轨道（2-9a）和第四固定轨道（2-9b），第三固定轨道（2-9a）和第四固定轨道（2-9b）延伸方向分别与第一加载装置轨道的两侧轨道水平对齐；

    第一框架（1-1）的底部两端设置有第一轴承（1-13a）和第二轴承（1-13b），第一轴承（1-13a）两端固定着第一槽式车轮（1-14a）和第二平式车轮（1-15b），第二轴承（1-13b）两端固定着第二槽式车轮（1-14b）和第一平式车轮（1-15a）；所述第二加载装置（2）底部两端分别设置有第三轴承（2-10a）和第四轴承（2-10b），第三轴承（2-10a）两端固定着第三槽式车轮（2-11a）和第四平式车轮（2-12b），第四轴承（2-10b）两端固定着第四槽式车轮（2-11b）和第三平式车轮（2-12a）；真三轴压力室（3）设置于一车板（3-7）上，车板（3-7）一侧设置有第一压力室槽式车轮（3-8a）和第二压力室槽式车轮（3-8b），另一侧设置有第一压力室平式车轮（3-9a）和第二压力室平式车轮（3-9b）。

2.根据权利要求1所述的一种高压真三轴系统，其特征在于：所述的第一支撑平台（4-1a）的外端安装有用来限制第一加载装置滑动行程的第一端定位支座（4-10），第二支撑平台（4-1b）的外端安装有用来限制第一加载装置滑动行程的第一端定位板（4-11）；第三支撑平台（4-2）的两端分别安装有用来限制第二加载装置（2）滑动行程的第二端定位支座（4-12）和第二端定位板（4-13）。

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