CN102410958A - 一种大型平面应变试验测试设备及测试方法 - Google Patents

一种大型平面应变试验测试设备及测试方法 Download PDF

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程展林
左永振
丁红顺
张继勋
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Abstract

本发明提供一种大型平面应变试验测试设备，包括容器底座、试样底座、试样筒，试样底座固定在容器底座上部，试样筒与试样底座密封连接，试样安装在试样底座上，试样的短边方向设置两块侧面板，侧面板与试样预固定，侧面板内部与试样接触，外部依此与侧向活塞、传感器、调整杆连接，调整杆连接在加压端板上，四根拉杆穿过试样筒后与两端的加压端板连接固定，在试样筒的顶部设置轴向活塞，轴向活塞通过密封铜套与试样筒密封连接。本发明还提供一种大型平面应变试测试方法。本发明不仅可以使围压满足高压力的要求，而且相比现有技术加载更容易、实施更方便，满足高土石坝力学性的试验研究的要求。

Description

一种大型平面应变试验测试设备及测试方法
技术领域
本发明涉及土工试验方法及设备技术领域，具体是一种大型平面应变测试设备及测试方法。
背景技术
对土石坝土体进行变形研究，任一点的受力状态都是三相的，存在大主应力σ1，小主应力σ3和中主应力σ2。进行试验研究既是对土体施加轴向压力(大主应力σ1)、小主应力σ3、中主应力σ2，测定不同应力状态下试样轴向压力(大主应力σ1)和中主应力σ2、轴向应变ε1和体应变εv，至试样破坏，求得试样抗剪强度和应力应变关系。
目前，高土石坝土料进行力学特性试验研究的一个重要手段是使用高压三轴试验系统，而三轴试验系统的侧向力相等(即小主应力σ3＝中主应力σ2)，不能反映中主应力σ2的变化，开展复杂应力状态与复杂应力路径下大坝填料的本构特征研究，因此需要进行平面应变试验，大型平面应变仪在对粗粒料的力学特性研究中占有重要的作用。
国内目前现有的平面应变试验仪器，都是刚性框架结构，加载方式为利用囊袋加压，加载时中主应力和小主应力的接触边角难处理，存在加载困难，囊袋易破，围压不能满足高压力的要求。因此需要对大尺寸的平面应变试验仪器进行技术革新，采用新的加载方式，使之满足高土石坝力学性的试验研究。
发明内容
本发明提供一种大型平面应变试验测试设备及测试方法，可以在加载时能够提供高围压，满足高土石坝力学性的试验研究。
一种大型平面应变试验测试设备，包括容器底座、试样底座、试样筒，试样底座固定在容器底座上部，试样筒与容器底座密封连接，试样安装在试样底座上，试样的短边方向设置两块侧面板，侧面板与试样预固定，侧面板内部与试样接触，外部依此与侧向活塞、传感器、调整杆连接，调整杆连接在加压端板上，四根拉杆穿过试样筒后与两端的加压端板连接固定，在试样筒的顶部设置轴向活塞，轴向活塞通过密封铜套与试样筒密封连接。
一种大型平面应变试测试方法，应用上述大型平面应变试验测试设备进行试验，包括如下步骤：
(a)将乳胶膜与试样底座密封连接，安装制样成膜筒，制作尺寸600×300×600mm的矩形方块形状的试样后，在试样顶部安装试样加压帽，并将乳胶膜与试样加压帽密封连接，容器底座设有下孔压输入口、围压输入口及排水口，试样加压帽设有上孔压输出口，试验时关闭下孔压输入口，通过上部上孔压输出口连接真空泵，抽气使试样内部形成负压；
(b)拆除成膜筒，在试样的短边方向安装侧面板，并将其与试样预固定；
(c)安装试样筒，拧紧连接螺母，通过围压输入口对试样筒内部进行充水；
(d)安装加压端板，调节调整杆，推动传感器、侧面活塞、侧面板，使侧面板挤靠在试样上，并使传感器的力值达到预设值；
(e)对试样施加保护压力，然后对试样进行饱和固结；
(f)试样饱和固结完成后，开动油源泵，通过轴向活塞对试样施加偏应力，测记轴向偏应力值、轴向变形值、体积变形值、传感器的数值，直到试验结束。
本发明去除现有技术中采用的小尺寸平面应变的加压囊袋，将试样筒与底座密封连接后，直接在试样筒内贮满水，对试样施加水压力(即小主应力σ3)，然后通过外部加压端板对侧面板(即中主应力σ2方向)进行限制其变形，从而实现平面应变状态小主应力σ3和中主应力σ2不相等的条件，最后通过轴向活塞施加轴向压力(即大主应力σ1)，从而使试样在受力过程中达到平面应变状态，不仅可以使围压满足高压力的要求，而且相比现有技术加载更容易、实施更方便，满足高土石坝力学性的试验研究的要求。
附图说明
图1是本发明大型平面应变试验测试设备的正立面剖视图；
图2是本发明大型平面应变试验测试设备的侧立面剖视图；
图3是本发明大型平面应变试验测试设备的俯视图；
图4是本发明大型平面应变试验测试设备部分结构的俯视图；
图5是本发明大型平面应变试验测试设备的侧面加压端板示意图；
图6是应用本发明大型平面应变试验测试设备的平面应变试验结果；
图7是应用本发明大型平面应变试验测试设备的三轴试验结果；
图8是图6和图7中平面应变试验结果和三轴试验结果对比。
图中：1-轴向活塞；2-密封铜套；3-试样筒；4-试样试样加压帽；5-侧面板；6-侧向活塞；7-传感器；8-加压端板；9-调整杆；10-试样底座；11-容器底座；12-下孔压输入口；13-上孔压输出口；14-围压输入口；15-排水口；16-拉杆；17-侧向密封套；18-拉杆就位孔；19-调整杆就位孔；20-滚轴；21-拉杆孔。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参考图1至图3，本发明大型平面应变试验测试设备包括容器底座11、试样底座10、试样筒3，试样底座10固定在容器底座11上部，试样筒3与容器底座11密封连接。具体的，在容器底座11上可设置面积600×300mm的试样底座10，试样底座10上设导轨条用以密封乳胶膜。试样安装在试样底座10上，试样的短边方向设置两块侧面板5，侧面板5的宽度400mm、高度685mm、厚度80mm，侧面板5与试样预固定。侧面板5内部与试样接触，外部依此与侧向活塞6、传感器7、调整杆9连接。调整杆9连接在加压端板8上，通过调整杆9可以调节加载在侧面板5的压力。
四根拉杆16穿过试样筒3后与两端的加压端板8连接固定。具体的，试样筒3上设置供四根拉杆16横向穿过的拉杆孔21(如图4所示)，四根拉杆16与试样筒3用侧向密封套17密封，拉杆16通过拉杆孔21后与加压端板8连接固定形成中主应力方向反力框架。在试样筒3的顶部设置轴向活塞1，轴向活塞1通过密封铜套2与试样筒3密封连接。加压端板8上设置有用于固定拉杆16的拉杆就位孔18和用于固定调整杆9的调整杆就位孔19(如图5所示)。
加压端板8的底部设有滚轴20，使得加压端板8可在在容器底座11上滑动。
试验过程如下：
1、将乳胶膜与试样底座10密封连接，安装制样成膜筒，制作尺寸600×300×600mm的矩形方块形状的试样后，在试样顶部安装试样加压帽4，并将乳胶膜与试样加压帽4密封连接。容器底座11设有下孔压输入口12、围压输入口14及排水口15，试样加压帽4设有上孔压输出口13。试验时关闭下孔压输入口12，通过上孔压输出口13连接真空泵，抽气使试样内部形成负压。
2、拆除成膜筒，在试样300×600mm的侧面(即试样的短边方向)安装侧面板5，并将其与试样预固定。
容器底座11设有排水口15，将上孔压输出口13与排水口15用软管连接，用以测量试验过程中的体积变形值。
3、安装试样筒3，拧紧连接螺母，通过围压输入口14对试样筒3内部进行充水。
4、安装加压端板8。调节调整杆9，推动传感器7、侧面活塞6、侧面板5，使侧面板5挤靠在试样上，并使传感器7的力值达到预设值。
5、对试样施加保护压力，然后按常规要求对试样进行饱和固结。具体的，可通过下孔压输入口12加水，通过排水口15排出气泡，进而使得试样实现饱和固结。
6、试样饱和固结完成后，开动油源泵，通过轴向活塞1对试样施加偏应力，测记轴向偏应力值、轴向变形值、体积变形值、传感器7的数值，直到试验结束。由轴向偏应力值和轴向变形值可得到应力应变关系曲线，见图6(a)所示，由体积变形值和轴向变形值可得到体变应变关系曲线，见图6(b)所示。图6(c)是根据图6(a)整理的摩尔库仑包线图。
本发明去除现有技术中采用的小尺寸平面应变的加压囊袋，将试样筒与底座密封连接后，直接在试样筒内贮满水，对试样施加水压力(即小主应力σ3)，然后通过外部加压端板对侧面板(即中主应力σ2方向)进行限制其变形，从而实现平面应变状态小主应力σ3和中主应力σ2不相等的条件，最后通过轴向活塞施加轴向压力(即大主应力σ1)，从而使试样在受力过程中达到平面应变状态，不仅可以使围压满足高压力的要求，而且相比现有技术加载更容易、实施更方便，满足高土石坝力学性的试验研究的要求。
本发明人进行了大型平面应变试验和大型三轴剪切试验的对比试验。平面应变试样尺寸600×300×600mm，大型三轴试验尺寸Ф300×600mm，试验围压相同，均为0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa、2.0MPa，最大粒径相同，均为60mm，剪切速率相同，均为0.05mm/min(0.3％/h)，得到的试验结果见图6和图7所示。
由图6、图7和图8可见，平面应变试验结果和三轴试验结果在规律是近似的，但是平面应变的轴向偏应力比三轴试验的轴向偏应力值高，表现在强度方面即摩擦力C值近似，而平面应变状态的内摩擦角Ф值比三轴试验的高3°左右，符合一般性规律。试验证明，本发明的试验方法和试验仪器是合理的，得到的试验参数符合理论推导。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种大型平面应变试验测试设备，其特征在于：包括容器底座(11)、试样底座(10)、试样筒(3)，试样底座(10)固定在容器底座(11)上部，试样筒(3)与容器底座(11)密封连接，试样安装在试样底座(10)上，试样的短边方向设置两块侧面板(5)，侧面板(5)与试样预固定，侧面板(5)内部与试样接触，外部依此与侧向活塞(6)、传感器(7)、调整杆(9)连接，调整杆(9)连接在加压端板(8)上，四根拉杆(16)穿过试样筒(3)后与两端的加压端板(8)连接固定，在试样筒(3)的顶部设置轴向活塞(1)，轴向活塞(1)通过密封铜套(2)与试样筒(3)密封连接。
2.如权利要求1所述的大型平面应变试验测试设备，其特征在于：试样筒(3)上设置供四根拉杆(16)横向穿过的拉杆孔(21)，四根拉杆(16)与试样筒(3)用侧向密封套(17)密封，拉杆(16)通过拉杆孔(21)后与加压端板(8)连接固定形成中主应力方向反力框架。
3.如权利要求2所述的大型平面应变试验测试设备，其特征在于：加压端板(8)上设置有用于固定拉杆(16)的拉杆就位孔(18)和用于固定调整杆(9)的调整杆就位孔(19)。
4.如权利要求1所述的大型平面应变试验测试设备，其特征在于：容器底座(11)设有下孔压输入口(12)、围压输入口(14)及排水口(15)，试验时在试样顶部安装试样加压帽(4)，试样加压帽(4)设有上孔压输出口(13)。
5.如权利要求1所述的大型平面应变试验测试设备，其特征在于：加压端板(8)的底部设有滚轴(20)。
6.如权利要求1所述的大型平面应变试验测试设备，其特征在于：试样为矩形方块形状，尺寸为600×300×600mm。
7.如权利要求1所述的大型平面应变试验测试设备，其特征在于：试验围压最大可达到3.0MPa。
8.一种大型平面应变试测试方法，其特征在于应用如权利要求1所述的大型平面应变试验测试设备进行试验，包括如下步骤：
(a)将乳胶膜与试样底座(10)密封连接，安装制样成膜筒，制作尺寸600×300×600mm的矩形方块形状的试样后，在试样顶部安装试样加压帽(4)，并将乳胶膜与试样加压帽(4)密封连接，容器底座(11)设有下孔压输入口(12)、围压输入口(14)及排水口(15)，试样加压帽(4)设有上孔压输出口(13)，试验时关闭下孔压输入口(12)，通过上部上孔压输出口(13)连接真空泵，抽气使试样内部形成负压；
(b)拆除成膜筒，在试样的短边方向安装侧面板(5)，并将其与试样预固定；
(c)安装试样筒(3)，拧紧连接螺母，通过围压输入口(14)对试样筒(3)内部进行充水；
(d)安装加压端板(8)，调节调整杆(9)，推动传感器(7)、侧面活塞(6)、侧面板(5)，使侧面板(5)挤靠在试样上，并使传感器(7)的力值达到预设值；
(e)对试样施加保护压力，然后对试样进行饱和固结；
(f)试样饱和固结完成后，开动油源泵，通过轴向活塞(1)对试样施加偏应力，试样饱和固结完成后，开动油源泵，通过轴向活塞(1)对试样施加偏应力，测记轴向偏应力值、轴向变形值、体积变形值、传感器(7)的数值，直到试验结束。
9.如权利要求8所述的大型平面应变试测试方法，其特征在于：步骤(e)中对试样进行饱和固结的具体方式为：通过下孔压输入口(12)加水，通过排水口(15)排出气泡，进而使得试样实现饱和固结。
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