CN102435503A - 一种大型真三轴试验测试方法及测试设备 - Google Patents

Abstract

一种大型真三轴试验测试设备，在压力室底座上设第一轴向活塞，第一轴向活塞通过密封铜套与压力室底座密封连接，第一轴向活塞下部连接平衡盘，第一轴向活塞上部焊接试样底座，试样安装在试样底座上，试样两侧分别依次放置可随试样变形的压缩传力板和侧向传力板，外部依次与侧向活塞、σ₂载荷传感器、σ₂加压油缸连接，σ₂加压油缸固定在侧向反力梁上，四根拉杆穿过压力室后与两端的侧向反力梁连接固定，压力室的顶部设置第二轴向活塞，第二轴向活塞通过密封铜套与压力室密封连接。本发明还提供一种大型真三轴试验测试方法。本发明可对试样的σ₁、σ₂、σ₃方向分别施加压力，实现了真三轴试验的测试技术要求。

Description

一种大型真三轴试验测试方法及测试设备

技术领域

本发明涉及土工试验方法及设备技术领域，具体是一种大型真三轴试验测试方法及测试设备。

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。进行试验研究即是对土体施加轴向压力(大主应力σ₁)、中主应力σ₂、小主应力σ₃，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ε_v，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和高压平面应变系统，但是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；而高压平面应变系统的中主应力σ₂是一种被动力，不能施加主动应力。因此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，需要进行真三轴试验，大型真三轴试验设备在对高土石坝土料的力学特性研究中占有重要的作用。为了研究粒径更大的土料力学性质，需要较大尺寸的大型真三轴仪。

目前土石坝常用的堆石料最大粒径达1米量级，利用现有的大型试验仪器还不能对原型级配土石料进行力学试验。因而，室内试验用料的最大粒径受到限制，需要对超过试验容许最大粒径的部分进行必要的缩尺处理。对直径300～1000mm范围内试样的普通高压三轴试验研究表明，堆石料试验采用直径为300mm的试样即可，现在国内外一般都以直径300mm的三轴压缩仪作为粗粒料的常规试验设备。

现有技术中公开的真三轴仪器，一是西安理工大学申请的一种三向独立加载压力室结构的真三轴仪(专利号：CN200710019066.5)，其试验尺寸是75mm*75mm*150mm，小主应力σ₃和中主应力σ₂加载采用4个液压囊，边角处采用刚性板隔开，其存在最大加载量较小只有1.0MPa，而且加载囊易吹破等问题；二是河海大学申请的变形不受侧向干扰的真三轴仪(专利申请号：CN200810243975.1)的试验尺寸是120mm*120mm*60mm，也属于小尺寸真三轴仪，大主应力σ₁和中主应力σ₂方向加载方式属于刚性加载，尽管在中主应力σ₂方向增加了刚柔混合体，但只能减小竖向摩擦，不能减小水平向摩擦力；小主应力σ₃采用液压囊加载，其存在小主应力σ₃最大加载量只有0.8MPa，同时边角力学概念不明确，边角处理困难、σ₃液压囊易撕破等问题。这两种专利介绍的真三轴仪的试样尺寸均较小，只能进行12mm以下粒径的土样，均不能利用在大型粒径尺寸的真三轴研究上，而且均存在加载困难，囊袋易破，围压不能满足高压力的要求，因此需要对现有的真三轴加载方式进行技术革新，发明一种适应大型粒径尺寸的真三轴仪是亟需的。

发明内容

本发明提供一种大型真三轴试验测试方法及测试设备，可以对试样的六个面分别施加应力，满足高土石坝坝料复杂应力路径的试验研究。

一种大型真三轴试验测试设备，在压力室底座上设置第一轴向活塞，第一轴向活塞通过密封铜套与压力室底座密封连接，第一轴向活塞下部连接平衡盘，第一轴向活塞上部焊接试样底座，试样安装在试样底座上，试样两侧分别依次放置可压缩传力板和侧向传力板，外部依次与侧向活塞、σ₂载荷传感器、σ₂加压油缸连接，σ₂加压油缸固定在侧向反力梁上，四根拉杆穿过压力室后与两端的侧向反力梁连接固定，在压力室的顶部设置第二轴向活塞，第二轴向活塞通过密封铜套与压力室密封连接。

一种大型真三轴试验测试方法，应用上述大型真三轴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，压力室底座设有围压进口、孔压进口、反压进口、排水口，试验时关闭排水口，通过反压进口连接真空泵，抽气使试样内部形成负压；

(b)拆除成膜筒，在试样的前后两个方向安装可压缩传力板和侧向传力板，并将其与试样预固定；

(c)安装压力室，拧紧连接螺母，通过围压进口对压力室内部进行充水；

(d)安装侧向反力梁，将σ₂应力式加载同步控制系统与σ₂加压油缸连接，启动σ₂应力式加载同步控制系统，依次推动σ₂传感器、侧向活塞、侧向传力板、可压缩传力板，使可压缩传力板与试样接触，当σ₂传感器出现力值时，关闭σ₂应力式加载同步控制系统；

(e)对试样施加保护压力，然后对试样进行饱和；将σ₁应变加载同步控制系统与σ₁下加压油缸和σ₁上加压油缸连接，σ₁上加压油缸与第二轴向活塞连接；将排水口与体变量筒连接；在σ₁下加压油缸内部安装σ₁下油缸载荷传感器，在压力室底座和第一轴向活塞之间安装σ₁下油缸位移计，在σ₁上加压油缸内部安装σ₁上油缸载荷传感器，在第二轴向活塞和压力室之间安装σ₁上油缸位移计，在侧向活塞和压力室之间安装σ₂方向位移计，试验准备工作完成；

(f)将σ₃加载控制系统与围压进口连接，试样饱和完成后，启动σ₃加载控制系统，对试样施加预定σ₃应力值；

(g)试样饱和固结完成后，启动σ₂应力式加载同步控制系统，对试样施加预定σ₂方向应力；启动平衡压力控制系统，施加平衡力后使平衡盘承受试样底座和试样的重量，启动σ₁应变加载同步控制系统，通过第二轴向活塞和第一轴向活塞对试样施加σ₁轴向偏应力，控制σ₁上油缸位移计和σ₁下油缸位移计等速率增加，直到试验结束，试验过程中测记σ₁上油缸载荷传感器荷载值、σ₁上油缸位移计变形值、σ₁下油缸载荷传感器荷载值、σ₁下油缸位移计变形值、σ₂方向传感器荷载值、σ₂方向位移计变形值、体积变形值。

本发明去除现有技术中采用的小尺寸真三轴仪的加压囊袋，将试样筒与底座密封连接后，采用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σ₂应力式加载同步控制系统和σ₁应变加载同步控制系统对试样前后上下四个面施加主应力，实现了真三轴试验对各个方向施加应力的技术要求，同时在中主应力σ₂方向增加了可压缩传力板，在竖向和水平向分别放置了滚珠排，克服了试样沿σ₁和σ₂方向变形时与σ₂侧向加压板的摩阻力。另外本发明的大型真三轴仪的试样尺寸达到300×300×700mm，其小主应力σ₃可达到3.0MPa，与普通大型三轴仪的试样尺寸和围压相近，可以满足粒径要求。本发明可以使围压满足高压力的要求，而且加载容易、实施方便，满足高土石坝复杂应力和不同应力路径的试验研究的要求。

附图说明

图1是本发明大型真三轴试验测试设备的系统原理图；

图2是本发明大型真三轴试验测试设备的系统主视图；

图3是本发明大型真三轴试验测试设备的系统俯视图；

图4是本发明大型真三轴试验测试设备的压力室底座俯视图；

图5是本发明大型真三轴试验测试设备的平衡盘布置图；

图6是本发明真三轴试验测试设备的可压缩传力板结构图；

图中：1-主机油缸；2-σ₁下加压油缸；3-σ₁下油缸内置载荷传感器；4-平衡油缸；5-平衡支撑调节杆；6-侧向反力梁；7-平衡盘；8-σ₁下油缸位移计；9-压力室底座；10-第一轴向活塞；11-侧向传力垫板；12-试样底座；13-σ₂加压油缸；14-拉杆；15-侧向传力板；16-σ₂方向传感器；17-σ₂油缸位移计；18-侧向活塞；19-可压缩传力板；20-试样；21-试样加压帽；22-压力室；23-第二轴向活塞；24-σ₁上油缸位移计；25-σ₁上油缸内置载荷传感器；26-σ₁上加压油缸；27-拉杆孔；28-连接螺栓；29-围压进口；30-孔压进口；31-反压进口；32-排水口；33-特制传力柱；34-泡沫垫柔性材料。

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～图3，本发明大型真三轴试验测试设备包括σ₁应变加载同步控制系统、σ₂应力式加载同步控制系统、σ₃加载控制系统、平衡压力控制系统、真空饱和系统、主机加载系统。具体的，压力室22与压力室底座9用螺栓密封连接，压力室底座9上设置第一轴向活塞10，第一轴向活塞10通过密封铜套与压力室底座9密封连接。第一轴向活塞10上部焊接面积300×300mm的试样底座12，试样20安装在试样底座12上，试样20两侧分别依次放置可压缩传力板19和侧向传力板15，可压缩传力板19的宽度350mm、高度700mm、厚度40mm，侧向传力板15的宽度400mm、高度710mm、厚度58mm，可压缩传力板19和侧向传力板15与试样20预固定，侧向传力板15的外部依次与侧向活塞18、σ₂载荷传感器16、σ₂加压油缸13连接，σ₂加压油缸13与σ₂应力式加载同步控制系统连接，σ₂加压油缸13固定在侧向反力梁6上，四根拉杆14穿过压力室22后与两端的侧向反力梁6连接固定。在压力室22的顶部设置第二轴向活塞23，第二轴向活塞23通过密封铜套与压力室22密封连接。压力室底座9下增加平衡油缸4和平衡盘7，用于试验中平衡试样底座12和试样20的重量，平衡压力控制系统与平衡油缸4连接。

在主机油缸1上部的平台上放置σ₁下加压油缸2，在其周边对称放置三个平衡油缸4和三个平衡支撑调节杆5，平衡盘7放置在平衡油缸4和σ₁下加压油缸2的上部，平衡支撑调节杆5穿过平衡盘7，第一轴向活塞10放置在平衡支撑调节杆5上部。第二轴向活塞23与σ1上加压油缸26连接，σ1下加压油缸2和σ1上加压油缸26与σ₁应变加载同步控制系统连接。

请参考图4，本发明大型真三轴试验测试设备的压力室底座9上设有围压进口29、孔压进口30、反压进口31、排水口32，与试样加压帽21连接后，可以根据试验需要对试样20进行抽真空、饱和、加反压等操作。

请参考图6，本发明大型真三轴试验测试设备的可压缩传力板19由特制传力柱33和泡沫垫柔性材料34间隔组合而成，特制传力柱33的结构为传力柱两端设置滚珠排，两端的滚珠排呈“十”字型布置，即在可压缩传力板19的竖向和水平向分别放置了滚珠排，可以在水平方向传递荷载的同时保证垂直方向进行压缩变形，有效减小了竖向和水平向的摩阻力。

试验过程如下：

1、将乳胶膜与试样底座12密封连接，安装制样成膜筒，制作尺寸300×300×700mm的矩形方块形状的试样20后，在试样20顶部安装试样加压帽21，并将乳胶膜与试样加压帽21密封连接。压力室底座9设有围压进口29、孔压进口30、反压进口31、排水口32，试验时关闭排水口32，通过反压进口31连接真空泵，抽气使试样20内部形成负压；

2、拆除成膜筒，在试样20的前后两个方向安装可压缩传力板19和侧向传力板15，并将其与试样20预固定；

3、安装压力室22，拧紧连接螺母，通过围压进口29对压力室22内部进行充水；

4、安装侧向反力梁6，将σ₂应力式加载同步控制系统与σ₂加压油缸13连接，启动σ₂应力式加载同步控制系统，通过σ₂加压油缸13依次推动σ₂传感器16、侧向活塞18、侧向传力板15、可压缩传力板19，使可压缩传力板19与试样20接触，当σ₂传感器16出现力值时，关闭σ₂应力式加载同步控制系统；

5、对试样20施加保护压力，然后对试样20进行饱和固结；具体的，可采用水头饱和方法，通过孔压进口30加水，通过排水口32排出气泡，进而使试样20实现饱和固结。在σ1下加压油缸2内部安装σ₁下油缸载荷传感器3，在压力室底座9和第一轴向活塞10之间安装σ₁下油缸位移计8，在σ1上加压油缸26内部安装σ₁上油缸载荷传感器25，在第二轴向活塞23和压力室22之间安装σ₁上油缸位移计24，在σ₂加压油缸13和侧向活塞18之间安装σ₂方向传感器16，在侧向活塞18和压力室22之间安装σ₂方向位移计17，试验准备工作完成；

6、将σ₃加载控制系统与围压进口29连接，试样20饱和固结完成后，启动σ₃加载控制系统，对试样20施加预定σ₃应力值；

7、试样20饱和固结完成后，启动σ₂应力式加载同步控制系统，对试样施加预定σ₂方向应力；启动平衡压力控制系统，施加平衡力后使平衡盘7承受试样底座12和试样20的重量；启动σ₁应变加载同步控制系统，通过第二轴向活塞23和第一轴向活塞10对试样施加σ₁轴向偏应力，控制σ₁上油缸位移计24和σ₁下油缸位移计8等速率增加，直到试验结束。试验过程中测记σ₁上油缸载荷传感器25荷载值、σ₁上油缸位移计24变形值、σ₁下油缸载荷传感器3荷载值、σ₁下油缸位移计8变形值、σ₂方向传感器16荷载值、σ₂方向位移计17变形值、体积变形值。

本发明采用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σ₂应力式加载同步控制系统和σ₁应变加载同步控制系统对试样前后上下四个面施加主应力，实现了真三轴试验对各个方向施加应力的技术要求。本发明可以使围压满足高压力的要求，而且加载容易、实施方便，满足高土石坝复杂应力和不同应力路径的试验研究的要求。

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 (10)

1.一种大型真三轴试验测试设备，其特征在于：在压力室底座(9)上设置第一轴向活塞(10)，第一轴向活塞(10)通过密封铜套与压力室底座(9)密封连接，第一轴向活塞(10)下部连接平衡盘(7)，第一轴向活塞(10)上部焊接试样底座(12)，试样(20)安装在试样底座(12)上，试样(20)两侧分别依次放置可压缩传力板(19)和侧向传力板(15)，外部依次与侧向活塞(18)、σ₂载荷传感器(16)、σ₂加压油缸(13)连接，σ₂加压油缸(13)固定在侧向反力梁(6)上，四根拉杆(14)穿过压力室(22)后与两端的侧向反力梁(6)连接固定，在压力室(22)的顶部设置第二轴向活塞(23)，第二轴向活塞(23)通过密封铜套与压力室(22)密封连接。

2.如权利要求1所述的大型真三轴试验测试设备，其特征在于：在主机油缸(1)上部的平台上放置σ₁下加压油缸(2)，在其周边对称放置三个平衡油缸(4)和三个平衡支撑调节杆(5)，平衡盘(7)放置在平衡油缸(4)和σ₁下加压油缸(2)的上部，平衡支撑调节杆(5)穿过平衡盘(7)，第一轴向活塞(10)放置在平衡支撑调节杆(5)上部。

3.如权利要求1所述的大型真三轴试验测试设备，其特征在于：压力室(22)上设置供四根拉杆(14)横向穿过的拉杆孔(27)，四根拉杆(14)通过拉杆孔(27)后与侧向反力梁(6)连接固定形成σ₂方向反力框架。

4.如权利要求1所述的大型真三轴试验测试设备，其特征在于：压力室底座(9)设有围压进口(29)、孔压进口(30)、反压进口(31)、排水口(32)。

5.如权利要求1所述的大型真三轴试验测试设备，其特征在于：在试样与侧向传力板(15)之间设置刚柔组合的可压缩传力板(19)，可压缩传力板(19)由特制传力柱(33)和泡沫垫柔性材料(34)间隔组合而成，特制传力柱(33)的结构为传力柱两端设置滚珠排，两端的滚珠排呈“十”字型布置。

6.如权利要求1所述的大型真三轴试验测试设备，其特征在于：试样(20)为矩形方块形状，尺寸为300×300×700mm，试验最小主应力可达到3.0MPa。

7.一种大型真三轴试验测试方法，其特征在于应用上述大型真三轴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(12)密封连接，安装制样成膜筒，制作试样(20)后，在试样(20)顶部安装试样加压帽(21)，并将乳胶膜与试样加压帽(20)密封连接，压力室底座(9)设有围压进口(29)、孔压进口(30)、反压进口(31)、排水口(32)，试验时关闭排水口(32)，通过反压进口(31)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(20)的前后两个方向安装可压缩传力板(19)和侧向传力板(15)，并将其与试样(20)预固定；

(c)安装压力室(22)，拧紧连接螺母，通过围压进口(29)对压力室(22)内部进行充水；

(d)安装侧向反力梁(6)，将σ₂应力式加载同步控制系统与σ₂加压油缸(13)连接，启动σ₂应力式加载同步控制系统，依次推动σ₂传感器(16)、侧向活塞(18)、侧向传力板(15)、可压缩传力板(19)，使可压缩传力板(19)与试样接触，当σ₂传感器(16)出现力值时，关闭σ₂应力式加载同步控制系统；

(e)对试样(20)施加保护压力，然后对试样(20)进行饱和；将σ₁应变加载同步控制系统与σ1下加压油缸(2)和σ1上加压油缸(26)连接，σ1上加压油缸(26)与第二轴向活塞(23)连接；将排水口(32)与体变量筒连接；在σ1下加压油缸(2)内部安装σ₁下油缸载荷传感器(3)，在压力室底座(9)和第一轴向活塞(10)之间安装σ₁下油缸位移计(8)，在σ1上加压油缸(26)内部安装σ₁上油缸载荷传感器(25)，在第二轴向活塞(23)和压力室(22)之间安装σ₁上油缸位移计(24)，在侧向活塞(18)和压力室(22)之间安装σ₂方向位移计(17)，试验准备工作完成；

(f)将σ₃加载控制系统与围压进口(29)连接，试样饱和完成后，启动σ₃加载控制系统，对试样施加预定σ₃应力值；

(g)试样饱和固结完成后，启动σ₂应力式加载同步控制系统，对试样施加预定σ₂方向应力；启动平衡压力控制系统，施加平衡力后使平衡盘(7)承受试样底座(12)和试样(20)的重量，启动σ₁应变加载同步控制系统，通过第二轴向活塞(23)和第一轴向活塞(10)对试样施加σ₁轴向偏应力，控制σ₁上油缸位移计(24)和σ₁下油缸位移计(8)等速率增加，直到试验结束，试验过程中测记σ₁上油缸载荷传感器(25)荷载值、σ₁上油缸位移计(24)变形值、σ₁下油缸载荷传感器(3)荷载值、σ₁下油缸位移计(8)变形值、σ₂方向传感器(16)荷载值、σ₂方向位移计(17)变形值、体积变形值。

8.如权利要求7所述的大型真三轴试验测试方法，其特征在于：应用σ₁应变加载同步控制系统对试样(20)进行轴向加载或卸载，应用σ₂应力式加载同步控制系统对试样(20)进行σ₂方向加载或卸载。

9.权利要求7所述的大型真三轴试验测试方法，其特征在于：步骤(e)中对试样进行饱和固结的具体方式为：采用水头饱和方法，通过孔压进口(30)加水，通过排水口(32)排出气泡，进而使试样(20)实现饱和。

10.权利要求7所述的大型真三轴试验测试方法，其特征在于：试样(20)为矩形方块形状，尺寸为300×300×700mm，试验最小主应力可达到3.0MPa。

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