CN102621012A - 多功能真三轴岩石蠕变仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能真三轴岩石蠕变仪，包括底座、设置于底座上的试件安装座、两组结构相同的水平方向应力加载系统、竖直方向应力加载系统和蠕变数据测量系统；本发明不仅可以进行单轴拉、压蠕变实验，还可进行较真实地模拟自然地质岩体、工程岩体三维受力状态和加卸载应力路径的真三轴压缩、拉压组合蠕变和卸荷-蠕变实验，以及持续卸荷至岩石的一个或两个方向受拉应力状态；实验功能更全面、实用性更强，而且实现了拉压组合蠕变和压拉应力平稳转换的卸荷-蠕变实验。且其拉压力加载系统能提供足够大的拉压力以满足绝大多数岩石等材料的蠕变实验要求；还能提供长时恒定的荷载。还具有结构较为简单、实验过程中基本不耗能源，实验成本低等特点。

Description

多功能真三轴岩石蠕变仪

技术领域

本发明涉及一种实验仪器，特别涉及一种用于岩石、混凝土等材料单轴拉压，真三轴压缩、拉压组合、卸荷-蠕变实验的蠕变实验装置。

背景技术

蠕变是材料流变效应的最主要形式，指在常应力的持续作用下，材料变形随试件增长而不断增大的现象。大量的现场试验和室内试验表明建筑及岩土工程材料普遍具有一定的蠕变性质。而大多工程岩体往往处于复杂的三维应力状态，仅单轴受力状态和单一应力路径下的流变研究并不能真实准确地反映工程岩体的实际应力状态，因此开展复杂应力状态下工程材料蠕变特性研究对工程设计施工及稳定性评价与控制具有重要意义。而且岩体工程开挖是一个或多个方向应力卸载的过程，但大规模开挖并非连续开挖施工，而是分阶段间断开挖，因此在开挖期和阶段间断期工程岩体分别处于卸荷和近似蠕变应力状态，故开展卸荷-蠕变试验研究对施工期工程岩体稳定具有重要的理论和应用价值。

目前岩石、混凝土类材料的三轴压缩蠕变试验装置，大多数使用刚性液压伺服实验机进行加载，虽然这些仪器装置在载荷幅度控制和数据采集方面性能优越，但其也具有明显的缺点：一是不能真实地反映工程岩体的三维受力状态，均是常规三轴应力状态（围压为环形液压加载，试件四周应力状态完全一致）；二是不但仪器造价非常高，而且试验过程中这种仪器耗电量大，且蠕变试验耗时长，因此试验成本也大大增加；三、伺服系统加载的拉压力稳定性不够，导致实验精度不够。另一方面，实际的工程岩体可因开挖卸荷致使差异回弹变形强烈（特别是高应力状态），应力重新分布，当在卸荷至某一程度后岩体受力转化为拉压复合或单向甚至两向受拉应力状态，而至今仍未有实验仪器可实现从三维压缩应力状态向拉压组合或单向甚至两向受拉应力状态平稳过渡的流变实验装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有蠕变实验存在的不足，提供一种既能进行较准确地反映工程岩体三维应力状态及加载应力路径的三维压缩、拉压组合蠕变和卸荷-蠕变实验，也能进行单轴拉、压蠕变实验的真三轴多功能蠕变试验装置，此装置也兼具施加荷载量程较大且稳定、使用操作方便、制造和实验成本相对低廉等优点。

本发明多功能真三轴岩石蠕变仪，包括底座、设置于底座上的试件安装座、两组结构相同的水平方向应力加载系统、竖直方向应力加载系统和蠕变数据测量系统，两组水平方向应力加载系统以试验力方向相互垂直的方式布置于底座上；

所述水平方向应力加载系统包括：活塞杆水平设置的第一油缸、用于向第一油缸的活塞杆传递压力的第一压力加载板、设置于第一油缸活塞杆端部向试件传力的第一传载装置、用于驱动第一压力加载板移动的水平压应力加载系统和设置于底座上的第一支架，第一油缸、第一压力加载板和水平压应力加载系统设置于第一支架上，第一支架包括与第一油缸活塞杆平行的第一导向杆，所述第一压力加载板设置于第一导向杆上并与其单自由度滑动配合；

所述水平压应力加载系统包括第一加载物、第一导向轮和由定滑轮、动滑轮、以及拉绳组成的第一滑轮组，所述第一滑轮组的拉绳的一端绕过第一导向轮后固定于第一压力加载板上、拉绳的另一端与第一加载物连接，位于第一压力加载板和第一导向轮之间的拉绳与第一油缸的活塞杆平行；

所述竖直方向应力加载系统包括：活塞杆竖直设置的第二油缸、设置于第二油缸的活塞杆端部向试件传力的第二传载装置、用于向第二油缸活塞杆传递压力的第二压力加载板、设置于第二压力加载板上的第二加载物和设置于底座上的第二支架，第二油缸和第二压力加载板设置于第二支架上；第二支架包括竖直设置的第二导向杆，第二压力加载板和第二导向杆单自由度滑动配合；

所述蠕变数据测量系统包括：用于检测试件应力的应力传感器、用于检测试件应变的应变检测器、数据采集器和微机，应力传感器和应变检测器将检测数据输入数据采集器，数据采集器将获得的数据输入微机。

进一步，所述水平方向应力加载系统还包括用于驱动第一传载装置移动的水平拉应力加载系统，所述水平拉应力加载系统包括第三加载物、第二导向轮和由定滑轮、动滑轮、以及拉绳组成的第二滑轮组，所述第二滑轮组的拉绳的一端通过第二导向轮后固定于第一传载装置上、拉绳的另一端与第三加载物连接，位于第一传载装置和第二导向轮之间的拉绳与第一油缸的活塞杆平行；

进一步，所述水平方向应力加载系统还包括缸径小于第一油缸的第三油缸，第三油缸的油腔和第一油缸的油腔相通，第一压力加载板和第三油缸的活塞杆连接；

进一步，所述竖直方向应力加载系统还包括缸径小于第二油缸的第四油缸，第四油缸的油腔和第二油缸的油腔相通，第二压力加载板和第四油缸的活塞杆连接；

进一步，所述应变检测器为检测第一传载装置和第二传载装置位移的电子千分表或位移传感器；

进一步，所述第一传载装置为与第一油缸活塞杆垂直的第一传载板；第二传载装置为与第二油缸活塞杆垂直的第二传载板；

进一步，所述第一传载装置包括与第一油缸活塞杆垂直的第一传载板和与第一传载板可拆卸式连接的试件连接板Ⅰ，所述试件连接板Ⅰ和第一传载板平行分离设置；

进一步，所述第一压力加载板上固定设置有第一直线轴承，第一压力加载板通过第一直线轴承和第一导向杆单自由度滑动配合；所述第二压力加载板上固定设置有第二直线轴承，第二压力加载板通过第二直线轴承和第二导向杆单自由度滑动配合；

进一步，所述第二导向杆上还设置有缓冲套，缓冲套位于第二压力加载板的下方；

进一步，所述试件安装座包括与水平方向应力加载系统对应设置的承载组件，承载组件包括固定设置于底座上的受力板、设置于受力板上的水平传力杆和与水平传力杆可拆卸式连接的试件连接板Ⅱ。

本发明的有益效果：

1、本发明的多功能真三轴岩石蠕变仪，不仅可以进行单轴拉、压蠕变实验，还可进行较真实地模拟自然地质岩体、工程岩体三维受力状态和加卸载应力路径的真三轴压缩、拉压组合蠕变和卸荷-蠕变实验，以及持续卸荷至岩石的一个或两个方向受拉应力状态；因此相比已有的相关实验仪器，实验功能更全面、实用性更强，而且实现了拉压组合蠕变和压拉应力平稳转换的卸荷-蠕变实验。

2、本发明的多功能真三轴岩石蠕变仪，水平方向应力加载系统和竖直方向应力加载系统具有放大加载物荷载的作用，加载物荷载通过动滑轮组荷载被放大数倍（放大倍数为动滑轮数目的2倍），并且压力经小直径油缸传递到大直径油缸后压力也会被放大（放大倍数为大直径油缸横截面积与小直径油缸面积之比），因而本拉压力加载系统能提供足够大的拉压力以满足绝大多数岩石等材料的蠕变实验要求；同时加载力直接通过增减加载物调节，不仅荷载调节方便，且能提供长时恒定的荷载。

3、本发明的多功能真三轴岩石蠕变仪，结构较为简单、制造成本低，且实验过程中基本不耗能源，实验成本也低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明多功能真三轴岩石蠕变仪的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明多功能真三轴岩石蠕变仪的结构示意图，图1中只画出了一个方向的水平方向应力加载系统。

如图所示，本实施例多功能真三轴岩石蠕变仪，包括底座1、设置于底座1上的试件安装座、两组结构相同的水平方向应力加载系统、竖直方向应力加载系统和蠕变数据测量系统，两组水平方向应力加载系统以试验力方向相互垂直的方式布置于底座上；

所述水平方向应力加载系统包括：活塞杆水平设置的第一油缸2、用于向第一油缸2的活塞杆传递压力的第一压力加载板3、设置于第一油缸活塞杆端部向试件传力的第一传载装置、用于驱动第一压力加载板3移动的水平压应力加载系统和设置于底座1上的第一支架4，第一油缸2、第一压力加载板3和水平压应力加载系统设置于第一支架4上，第一支架4包括与第一油缸活塞杆平行的第一导向杆4a，所述第一压力加载板3设置于第一导向杆4a上并与其单自由度滑动配合；

所述水平压应力加载系统包括第一加载物5、第一导向轮6和由定滑轮、动滑轮、以及拉绳组成的第一滑轮组7，所述第一滑轮组7的拉绳的一端绕过第一导向轮6后固定于第一压力加载板3上、拉绳的另一端与第一加载物5连接，位于第一压力加载板3和第一导向轮6之间的拉绳与第一油缸2的活塞杆平行；本实施例中的第一加载物5为砝码，加载方便，便于计量，当然在不同实施方式中，第一加载物5还可以为其它可计量的重力加载物。

所述竖直方向应力加载系统包括：活塞杆竖直设置的第二油缸8、设置于第二油缸8的活塞杆端部向试件传力的第二传载装置9、用于向第二油缸活塞杆传递压力的第二压力加载板10、设置于第二压力加载板10上的第二加载物11和设置于底座1上的第二支架12，第二油缸8和第二压力加载板10设置于第二支架12上；第二支架12包括竖直设置的第二导向杆12a，第二压力加载板10和第二导向杆12a单自由度滑动配合；本实施中的第二加载物11为盛水水箱，通过向水箱中加水来改变加载力，当然在不同实施方式中第二加载物11也可采用砝码；

所述蠕变数据测量系统包括：用于检测试件应力的应力传感器13、用于检测试件应变的应变检测器14、数据采集器15和微机16，应力传感器13和应变检测器14将检测数据输入数据采集器15，数据采集器15将获得的数据输入微机16。

本实施例中，所述第一传载装置包括与第一油缸活塞杆垂直的第一传载板22和与第一传载板22可拆卸式连接的试件连接板Ⅰ23，所述试件连接板Ⅰ23和第一传载板22平行分离设置，本第一传载装置的结构便于设置应变检测器14，同时也便于更换试件连接板Ⅰ23；当然在不同实施方式中，第一传载装置也可直接为与第一油缸活塞杆垂直可拆卸连接的第一传载板23。本实施例中的第二传载装置9为与第二油缸活塞杆垂直的第二传载板。

作为对本实施方案的改进，所述水平方向应力加载系统还包括用于驱动第一传载装置移动的水平拉应力加载系统，所述水平拉应力加载系统包括第三加载物17、第二导向轮18和由定滑轮、动滑轮、以及拉绳组成的第二滑轮组19，所述第二滑轮组19的拉绳的一端通过第二导向轮18后固定于第一传载装置上、拉绳的另一端与第三加载物17连接，位于第一传载装置和第二导向轮18之间的拉绳与第一油缸2的活塞杆平行。本实施例中的第三加载物17为砝码，加载方便，便于计量，当然在不同实施方式中，第三加载物17还可以为其它可计量的重力加载物。

作为对本实施方案的改进，所述水平方向应力加载系统还包括缸径小于第一油缸2的第三油缸20，第三油缸20的油腔和第一油缸2的油腔相通，第一压力加载板3和第三油缸20的活塞杆连接。所述竖直方向应力加载系统还包括缸径小于第二油缸8的第四油缸21，第四油缸21的油腔和第二油缸8的油腔相通，第二压力加载板10和第四油缸21的活塞杆连接。

本结构通过小缸径油缸和大缸径油缸的组合，可放大第一加载物5、第二加载物11和第三加载物17的荷载，从而能满足绝大多数岩石等材料的蠕变实验要求。

作为对本实施方案的改进，所述应变检测器14为检测第一传载装置和第二传载装置9位移的电子千分表，测量准确，安装方便；当然在不同实施方式中，应变检测器14还可为位移传感器等检测装置。

作为对本实施方案的改进，所述第一压力加载板3上固定设置有第一直线轴承24，第一压力加载板3通过第一直线轴承24和第一导向杆4a单自由度滑动配合；所述第二压力加载板10上固定设置有第二直线轴承25，第二压力加载板10通过第二直线轴承25和第二导向杆12a单自由度滑动配合。直线轴承可降低第一压力加载板3和第一导向杆4a之间、以及第二压力加载板10和第二导向杆12a的摩擦力，可提高检测精度。

作为对本实施方案的改进，所述第二导向杆12a上还设置有缓冲套26，缓冲套26位于第二压力加载板10的下方，缓冲套26可缓冲第二压力加载板10的下坠力，起到保护第二压力加载板10的作用。

作为对本实施方案的改进，所述试件安装座包括与水平方向应力加载系统对应设置的承载组件，承载组件包括固定设置于底座1上的受力板27、设置于受力板27上的水平传力杆28和与水平传力杆28可拆卸式连接的试件连接板Ⅱ29，本结构便于更换试件连接板Ⅱ29。当然在不同实施方式中，试件安装座还可做成其它结构。

下面以较为复杂的真三轴卸荷-蠕变试验为例说明本多功能真三轴岩石蠕变仪的工作过程：

第一步，试件摆放。

将试件放置于试件安装座上，并采用高强树脂将试件15与试件连接板Ⅰ23和试件连接板Ⅱ29粘结，调整第一压力加载板3和第二压力加载板10使其分别压在第三油缸20和第四油缸21的活塞杆端部上，并轻滑第二压力加载板10使位于第二压力加载板10下表面上的应力传感器13和试件接触； 

第二步，蠕变数据测量系统安装。

在底座1上安装电子千分表14；将电子千分表14、应力传感器13通过数据电缆与数据采集器15连接；将应力传感器13、千分表14的初始实验数据清零。

第三步，压缩荷载施加及卸荷实验过程。

根据试验设计要求先在第一滑轮组7上施加砝码至初始应力状态，稳定荷载一定时间待蠕变变形至某设计状态时，设计方向（水平加载方向某一个或两个方向）卸一定砝码重量，循环卸载-蠕变过程。

第四步：水平应力转换为拉应力。

当水平应力卸荷至设计值时，全部卸除加载砝码，再在第二滑轮组19上施加拉应力砝码，实验进入竖向压缩、水平一向或二向拉伸组合应力状态下蠕变。

第五步，测试结束后，卸掉砝码，归位活塞，取出试件，提取实验数据。

进行单轴压缩蠕变实验仅启动竖向加载系统即可；进行单轴拉伸蠕变实验时仅在某一水平方向通过第二滑轮施加拉应力即可；进行真三轴压蠕变实验时不要上述实施例中的第四步，且加载砝码恒定或逐级增载；进行拉压组合蠕变实验时在某一或两个水平方向上施加拉应力即可，加载砝码恒定或逐级增载。

本发明的多功能真三轴岩石蠕变仪，只是在单轴拉伸蠕变实验、真三轴卸荷-蠕变实验时需进行至拉伸应力状态和拉压组合蠕变试验时，才需要将试件所受水平拉应力方向的拉压板与试件采用高强树脂粘结起来。

试验结束后，水平方向可通过在第二滑轮组上施加小砝码，让活塞归位实验前的状态；竖向方向可通过手动或者千斤顶将活塞归位实验前位置，然后在第二油缸8的活塞杆下方用铁块或其他物体支撑即可。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种多功能真三轴岩石蠕变仪，其特征在于：包括底座、设置于底座上的试件安装座、两组结构相同的水平方向应力加载系统、竖直方向应力加载系统和蠕变数据测量系统，两组水平方向应力加载系统以试验力方向相互垂直的方式布置于底座上；

所述水平方向应力加载系统包括：活塞杆水平设置的第一油缸、用于向第一油缸的活塞杆传递压力的第一压力加载板、设置于第一油缸活塞杆端部向试件传力的第一传载装置、用于驱动第一压力加载板移动的水平压应力加载系统和设置于底座上的第一支架，第一油缸、第一压力加载板和水平压应力加载系统设置于第一支架上，第一支架包括与第一油缸活塞杆平行的第一导向杆，所述第一压力加载板设置于第一导向杆上并与其单自由度滑动配合；

所述水平压应力加载系统包括第一加载物、第一导向轮和由定滑轮、动滑轮、以及拉绳组成的第一滑轮组，所述第一滑轮组的拉绳的一端绕过第一导向轮后固定于第一压力加载板上、拉绳的另一端与第一加载物连接，位于第一压力加载板和第一导向轮之间的拉绳与第一油缸的活塞杆平行；

所述竖直方向应力加载系统包括：活塞杆竖直设置的第二油缸、设置于第二油缸的活塞杆端部向试件传力的第二传载装置、用于向第二油缸活塞杆传递压力的第二压力加载板、设置于第二压力加载板上的第二加载物和设置于底座上的第二支架，第二油缸和第二压力加载板设置于第二支架上；第二支架包括竖直设置的第二导向杆，第二压力加载板和第二导向杆单自由度滑动配合；

所述蠕变数据测量系统包括：用于检测试件应力的应力传感器、用于检测试件应变的应变检测器、数据采集器和微机，应力传感器和应变检测器将检测数据输入数据采集器，数据采集器将获得的数据输入微机。

2.根据权利要求1所述的多功能真三轴岩石蠕变仪，其特征在于：所述水平方向应力加载系统还包括用于驱动第一传载装置移动的水平拉应力加载系统，所述水平拉应力加载系统包括第三加载物、第二导向轮和由定滑轮、动滑轮、以及拉绳组成的第二滑轮组，所述第二滑轮组的拉绳的一端通过第二导向轮后固定于第一传载装置上、拉绳的另一端与第三加载物连接，位于第一传载装置和第二导向轮之间的拉绳与第一油缸的活塞杆平行。

3.根据权利要求1或2所述的多功能真三轴岩石蠕变仪，其特征在于：所述水平方向应力加载系统还包括缸径小于第一油缸的第三油缸，第三油缸的油腔和第一油缸的油腔相通，第一压力加载板和第三油缸的活塞杆连接。

4.根据权利要求3所述的多功能真三轴岩石蠕变仪，其特征在于：所述竖直方向应力加载系统还包括缸径小于第二油缸的第四油缸，第四油缸的油腔和第二油缸的油腔相通，第二压力加载板和第四油缸的活塞杆连接。

5.根据权利要求4所述的多功能真三轴岩石蠕变仪，其特征在于：所述应变检测器为检测第一传载装置和第二传载装置位移的电子千分表或位移传感器。

6.根据权利要求5所述的多功能真三轴岩石蠕变仪，其特征在于：所述第一传载装置为与第一油缸活塞杆垂直的第一传载板；第二传载装置为与第二油缸活塞杆垂直的第二传载板。

7.根据权利要求5所述的多功能真三轴岩石蠕变仪，其特征在于：所述第一传载装置包括与第一油缸活塞杆垂直的第一传载板和与第一传载板可拆卸式连接的试件连接板Ⅰ，所述试件连接板Ⅰ和第一传载板平行分离设置。

8.根据权利要求7所述的多功能真三轴岩石蠕变仪，其特征在于：所述第一压力加载板上固定设置有第一直线轴承，第一压力加载板通过第一直线轴承和第一导向杆单自由度滑动配合；所述第二压力加载板上固定设置有第二直线轴承，第二压力加载板通过第二直线轴承和第二导向杆单自由度滑动配合。

9.根据权利要求8所述的多功能真三轴岩石蠕变仪，其特征在于：所述第二导向杆上还设置有缓冲套，缓冲套位于第二压力加载板的下方。

10.根据权利要求9所述的多功能真三轴岩石蠕变仪，其特征在于：所述试件安装座包括与水平方向应力加载系统对应设置的承载组件，承载组件包括固定设置于底座上的受力板、设置于受力板上的水平传力杆和与水平传力杆可拆卸式连接的试件连接板Ⅱ。

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