CN103149101A - 一种土体拉压扭剪多功能的三轴蠕变试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土体拉压扭剪多功能的三轴蠕变试验机，整体结构可以分为主体部分、供电设备、轴向加载与测量机构、扭矩加载与测量机构、体变水位控制及测量机构、围压加载与量测机构、孔压量测机构、蠕变加载机构、轴向位移测量机构和润滑机构。扭矩分离器能够施加任意组合的轴向作用与扭矩作用；多功能杠杆部件不仅能够通过杠杆对试样施加拉力作用，也能够通过杠杆对试样施加压力作用；可拆卸对开式体变测量水套结构，在土体试样体变测量方面有了显著的改变。本发明装置结构简单、操作方便，准确率和成功率较高。

Description

一种土体拉压扭剪多功能的三轴蠕变试验机

技术领域

本发明属于岩土工程测试设备技术领域，涉及一种土体拉压扭剪多功能的三轴蠕变试验机。

背景技术

目前关于土体的蠕变试验主要分为微观和宏观等两大研究课题，其中微观蠕变试验的研究是借助于光学显微镜或电子扫描显微镜来观察土体的微细观结构，用微细观机理来解释土体的蠕变特性，但目前只能做到定性说明，定量描述还有一定的难度。

宏观蠕变试验分现场蠕变实验和室内蠕变实验，是借助于试验仪器，通过一系列的试验步骤，研究土体的应力-应变-时间的关系，得到土体的蠕变力学特性。

现场蠕变试验是对现场岩土介质材料测试蠕变，如地基的长期沉降、边坡的位移等，现场蠕变试验结果能较好地反映岩土材料的结构性、裂隙等特征的影响，进行现场蠕变试验的仪器主要有承压板仪、大直剪仪、收敛仪、站孔多点位移计、测斜仪、扰度计等。现场蠕变试验能够提供第一手资料，因此对具体的工程有着重要的指导意义及价值。现场蠕变试验虽然具有仪器简单的特点，但其现场测试费用大、耗时长、受外界干扰也大，尤其无法主动控制土体的应力状态、应力路径和测试的边界条件，使得现场测试结果受到影响。

室内蠕变试验是在试验室内蠕变仪上对岩土试样进行相应的蠕变力学特性测试。室内蠕变试验能够控制应力、应变、排水等条件，而原位蠕变试验则很难控制这些条件，因而只有室内蠕变试验才能对土体进行复杂特性的研究。室内试验能够严格控制试验应力、应变、排水等条件、可重复性好、不受外界干扰、耗资相对较少等优点，故受到广大研究者的重视。在室内进行蠕变试验所采用的蠕变试验仪器分两大类：一类是直接施加剪力的试验仪器，如直接剪切仪和扭转剪切仪；一类是利用拉伸或压缩进行蠕变测试的仪器，有拉伸蠕变仪、压缩蠕变仪。现有这些蠕变设备存在着仪器功能单一、试验应力路径过于简单、人工分级加载、试验测试读数方式不规范等一系列问题。

在许多岩土工程中，土体受荷过程中会发生开裂，这些裂缝经常是由于土体的拉伸破坏引起的。例如，许多挡土墙后的粘性土及粘性土坡滑坡体都存在开裂现象，边坡土体发生一定的变形时，土体中会发生剪切破坏或拉伸破坏，因而产生裂缝，这些裂缝一般规模较大，深入边坡土体，对于土质边坡工程产生严重危害，尤其是具有结构性的黄土边坡工程，因其位移变形相对较小、破坏较为突然，往往会产生灾难性的后果。因此，土体的长期拉伸蠕变与剪切蠕变强度对土工建筑物及边坡稳定性影响很大。在地基中，土体受到荷载作用会导致地基失稳，这种失稳情况是土体在受压情况下产生剪切破坏引起的。例如在建设高层建筑的时候，地基会产生受压变形，土体中发生剪切破坏，导致地基失效。因此，土体的长期抗压蠕变、剪切蠕变强度对土体地基的稳定性影响很大。在地质构造的长期运动中，会产生引起地壳的变形，从而对地表土体会产生一定扭剪变形的影响，在此种情况下，研究土体的长期剪切蠕变强度有一定的意义。

在研究土体长期蠕变强度的同时，应该注重长期抗拉蠕变强度、长期抗压蠕变强度与长期抗剪蠕变强度等三方面的研究。目前对于土体的剪切蠕变强度和压缩蠕变强度的研究较为充分，而对研究单轴拉伸蠕变强度、三轴拉伸蠕变强度、单轴扭剪蠕变强度、三轴扭转剪切蠕变强度还没有相应的研究，进一步开展这些方面的研究，就非常有意义了。

发明内容

本发明的目的是提供一种土体拉压扭剪多功能的三轴蠕变试验机，解决了现有技术中的测试仪器功能单一、试验应力路径过于简单、人工分级加载、试验测试读数方式不规范的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种土体拉压扭剪多功能的三轴蠕变试验机，包括设备平台，设备平台上固定有蠕变加载机构操作柜；蠕变加载机构操作柜的上部固定有工作台，工作台上表面中心位置设置有压力室底座，工作台与压力室底座中心圆孔共同穿有一个下加载柱；工作台下表面连接有小支架与大支架，小支架和下加载柱同时与可转动的蠕变加载平衡杆铰接；另外，大支架与蠕变加载平衡杆铰接；蠕变加载平衡杆另外与杠杆传力连接杆铰接；杠杆传力连接杆和大支架的下端同时与长臂蠕变加载平衡杆铰接；长臂蠕变加载平衡杆的两端分别安装有压力砝码及拉力砝码；长臂蠕变加载平衡杆的一侧下表面安装有磁性限位开关；

在工作台上表面安装有多个中部支撑立柱，在中部支撑立柱的顶端共同固定安装有中部平台；在中部平台下端面中心位置安装有绝对式角位移传感器，绝对式角位移传感器信号输出端与角位移显示仪连接；在中部平台上表面安装有扭矩施力盘与扭矩电动机，扭矩施力盘与扭矩电动机传动连接，扭矩电动机与扭矩电动机控制器信号连接；在扭矩施力盘、中部平台、绝对式角位移传感器轴心处共同穿有传动轴；

在中部平台上表面另外安装有多个上部支撑立柱；在其中一个上部支撑立柱上套装有位移测量平台；所有上部支撑立柱的顶端共同安装有上部平台；在上部平台上安装有电控箱，在上部平台轴心位置穿有轴向电动机支架与丝杠套筒，轴向电动机支架与丝杠套筒中套装有轴向传动丝杠；在轴向电动机支架与丝杠套筒的上端安装有轴向电动机，轴向电动机与轴向传动丝杠传动连接；

沿工作台与压力室底座的轴心穿有一个下加载柱；下加载柱上端面用于放置试样，试样周围设置有体变测量水套，体变测量水套的内腔称为围压水体空腔，体变测量水套的上端面开有注水孔，围压水体空腔内安装有水位传感器；体变测量水套的外围设置有压力罩，压力罩上下分别嵌入位于压力室盖下部凹槽和压力室固定立柱基座上部凹槽中；压力罩、压力室盖与压力室底座之间的空间构成围压气体空腔；压力室盖的轴心开孔并在上端固定安装有轴心开孔的定位夹持器，定位夹持器与压力室盖内穿过有上加载柱，其中定位夹持器侧壁带有一个螺杆；

压力室底座内开有水位传感器连接通道、孔压测量通道、围压控制通道及体变测量通道，该四个通道分别与水位控制器、孔压测量仪、围压气压控制器、体变测量伺服缸对应连通；试样下端面通过孔压测量管与孔压测量通道连通；围压水体空腔通过体变测量管与体变测量通道连通；水位传感器与水位传感器连接通道通过信号导线连接；围压气体空腔通过围压控制通道与围压气压控制器连通，围压气压控制器与气压源连通；

轴向传动丝杠向下依次与轴向力传感器上端接头、S型轴向力传感器、轴向力传感器下端连接器、轴向力传感器下端接头、传力杆、扭矩分离器盒、扭矩分离器座、盘式扭矩传感器、传动轴同轴连接；盘式扭矩传感器基座固定在扭矩分离器座上，内部转动构件与传动轴固定连接；传动轴与扭矩分离器座通过轴承连接，并且分别与轴承的内圈、外圈固定连接；扭矩分离器座与扭矩分离器盒固定连接，在扭矩分离器座上端凸缘上沿水平方向固定安装有位移测量平台；传动轴的下端与上联轴器固定连接，上联轴器向下与下联轴器固定连接，下联轴器与上加载柱固定连接；上加载柱下端与试样上端粘接，试样下端与下加载柱顶端粘接；

盘式扭矩传感器与扭矩显示仪连接；S型轴向力传感器与轴向力显示仪连接；位移测量平台与位移测量仪接触连接；

电控箱分别与磁性限位开关、水位控制器、体变测量伺服缸、围压气压控制器、孔压测量仪、角位移显示仪、扭矩电动机、扭矩电动机控制器、扭矩显示仪、轴向电动机、轴向力显示仪和位移测量仪连接。

本发明的有益效果是，控制性能稳定、操作规范、测量方便，能够用于拉、压、扭、剪作用及其组合的各种条件下土体的蠕变试验，具体包括：

1）本发明采用立式加荷承载模式，采用多种可调速的电机驱动设计，实现了控制性能稳定的、操作规范的技术措施。本发明在解决了以往试验设备采用手动控制同时，实现了电动机控制与信号自动化调节指示功能，能够通过可调速的电机施加轴向或施加扭矩作用，在进行试验时能够有效地减小由于人为因素导致而产生的试验数据误差，使本发明的性能与操作都优于以往功能单一的相关试验设备。

2）本发明采用数显传感器和数显测量仪表的设计，实现了测量数据自动采集，使得数据采集方便且可靠。本发明所涉及的轴向力、轴向变形、扭矩、扭转角、孔压等多种物理量的测试，都采用了相应的传感器和测量仪表，在数据采集方面，减小了人为读数的误差，并且能够进行实时记录存储，方便对于数据的连续采集与处理，在数据的可靠性方面，有了显著的提高。

3）本发明采用可拆卸对开式体变测量水套方式实现了体变的测量问题，在土体试样体变测量方面有了显著的改变，有效地提高了土体试样体变的测量精度，有效地克服了以往设备采用玻璃排水管方案测试体变的方式，由于玻璃排水管方案只能用于测量饱和土体试样的体变，使得试验设备功能受到限制。本发明的可拆卸对开式体变测量水套方式在测量土体试样体变功能方面，不仅能够测量饱和土体试样的体变，而且对于非饱和土体试样的体变，也能精确地测量，使得本发明中可拆卸对开式体变测量水套功能大大地拓宽了本试验设备的使用范围。本发明采用自动控制可拆卸对开式体变测量水套内部的水位高度，减小了试验设备的机构误差，提高了试验精度。该可拆卸对开式体变测量水套能够测量饱和土与非饱和土的体积变化，不仅精度高，而且效果好，采用自动控制方式，能够有效的提高体变测量的精度，对于土体体积的连续变化的测量都具有很好的适应性。

4）本发明采用扭矩分离器这一关键部件的设计，不仅能够实现单独施加轴向力和单独施加扭矩的功能，而且能够同时施加任意组合的轴向作用与扭矩作用，能够分析拉扭耦合或压扭耦合复杂条件下土体的蠕变特性，显著拓宽了本发明装置的使用范围和功能。本发明所述的扭矩分离器是一种能够让扭矩传动主轴在传递扭矩的同时，不对扭矩分离器的另一连接端产生扭转影响，能够保证在施加扭矩的时候，轴向力的施加能够顺利进行，施加轴向力与施加扭矩两者之间能够任意施加和任意组合。这种实施方案的优点在于很好地解决了轴向力与扭矩在传动主轴上的干扰问题，从而能够进行施加任意组合的轴向力与扭矩，当然也能够实现轴向力或扭矩的单独施加，能够适用于不同的试验方案，都有良好的适用性。

5）本发明采用多功能杠杆这一关键部件的设计，不仅能够通过杠杆对试样施加拉力作用，也能够通过杠杆对试样施加压力作用。发明所述的多功能杠杆能够实现单独施加拉伸功能和单独施加压缩功能，而且也能够配合扭矩分离器同时施加任意组合的拉扭作用与压扭作用。轴向力的施加也能够通过蠕变杠杆直接施加，按照杠杆原理将预施加的荷载换算成等效荷载的砝码，然后通过调节中间控制插销，能够在多功能杠杆左端施加砝码以完成压力的施加，或右端施加砝码以完成拉力的施加。

6）本发明采用磁性限位开关的设计，能够通过电磁开关微调杠杆水平，保证了蠕变加载杠杆始终保持在水平位置，保证了土体试样的受力恒定状态。发明所述的磁性限位开关其功能是：当长臂蠕变加载平衡杆受力倾斜时，通过磁性限位开关驱动轴向力电动机，使长臂蠕变加载平衡杆回到水平状态，通过微调杠杆水平能够确保试样蠕变过程中受到的轴向力大小不变，对于蠕变特性测试时，土体的受力大小与受力方向都有很好的保证，提高了蠕变试验数据的可靠性。

7）本发明采用的围压气压控制器主要依靠空气压缩机和减压阀实施。本发明采用气压水压传递模式施加围压，方便了本发明前述的可拆卸对开式体变测量水套功能的实施。

8）采用土体试样和压力室上部加载轴底座、压力室下部底座采用化学胶结的设计，将土体试样与上下底座连接成一个整体，确保了拉伸试验、扭剪试验和拉扭剪试验的实施。

9）本发明采用润滑机构的设计，有效减小了机械摩擦阻力，提高了试验数据的可靠性。由于土体的强度较小，所以，所测得的各种物理量容易受到试验设备自身阻尼原因的干扰，润滑机构能够减小机械部件内部的摩擦阻力，对于试验所得的物理量的精度有显著的提高。

本发明装置能够用测定标准圆柱体土样处于各种围压（含零围压）条件下的轴向拉伸、轴向压缩、纯扭剪、拉扭耦合、压扭耦合作用等条件下土体的蠕变特性。对于拉、压、扭、剪及其组合条件下蠕变特性的测定，提供了一种可行的试验仪器与方法，并且试验准确率和成功率较高，具有较大的适用性；通过电动控制加载速率，采用数显传感器和数显仪表采集试验数据，具有结构简单、操作方便、控制稳定、数据可靠、安全经济等特点。

附图说明

图1是本发明装置的整体的正面结构示意图；

图2是本发明装置压力室的竖向剖面结构示意图；

图3是本发明装置在压力砝码14使用状态时的杠杆传动局部正面结构示意图；

图4是本发明装置在拉力砝码15使用状态时的杠杆传动局部正面结构示意图；

图5是本发明装置的中部平台21局部竖向剖面结构示意图；

图6是本发明装置的由扭矩分离器座33、轴承72和传动轴28组成的扭矩分离机构竖向剖面结构示意图；

图7是本发明的装置的轴向各个连接件的连接结构示意图；

图8是本发明装置的体变测量水套的竖向剖面结构示意图；

图9是本发明装置的左半水套正面结构示意图；

图10是本发明装置的右半水套正面结构示意图；

图11是本发明装置的体变测量水套分拆俯视结构示意图；

图12是本发明装置的体变测量水套组合俯视结构示意图；

图13是本发明装置的体变测量水套分拆仰视剖面示意图；

图14是本发明装置的体变测量水套组合仰视剖面示意图；

图15是本发明能够应用的10种试样受荷应力状态示意图。

图中，1.底座；2.设备平台；3.蠕变加载机构操作柜；4.工作台；5.压力室底座；6.小支架；7.大支架；8.下加载柱；9.短臂蠕变加载平衡杆；10.插销；11.杠杆传力连接杆；12.长臂蠕变加载平衡杆；13.磁性限位开关；14.压力砝码；15.拉力砝码；16.水位控制器；17.体变测量伺服缸；18.围压气压控制器；19.孔压测量仪；20.中部支撑立柱；21.中部平台；22.绝对式角位移传感器；23.角位移显示仪；24.扭矩施力盘；25.扭矩电动机；26.链条；27.扭矩电动机控制器；28.传动轴；29.上联轴器；30.上部支撑立柱；31.盘式扭矩传感器；32.扭矩显示仪；33.扭矩分离器座；34.上部平台；35.电控箱；36.轴向电动机支架与丝杠套筒；37.轴向电动机；38.轴向传动丝杠；39.润滑机构；40.S型轴向力传感器；41.轴向力显示仪；42.轴向力传感器上端接头；43.轴向力传感器下端连接器；44.传力杆；45.扭矩分离器盒；46.位移测量平台；47.轴向力传感器下端接头；48.位移测量仪支座；49.位移测量仪；50.上加载柱；51.压力室盖；52.下联轴器；53.包裹橡皮膜的试样；54.体变测量水套；55.水位传感器；56.围压水体空腔；57.压力罩；58.围压气体空腔；59.压力室固定立柱；60.定位夹持器；61.孔压测量管；62.体变测量管；63.注水孔；64.水位传感器连接通道；65.孔压测量通道；66.围压控制通道；67.体变测量通道；68.压力室固定螺栓；69.密封橡胶圈；70.密封橡胶圈；71.密封橡胶圈；72.轴承；73.左半水套；74.右半水套；75.水位传感器连接孔；76.固定螺栓；77.螺杆；78.埋头螺栓一；79.埋头螺杆；80.埋头螺栓二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的土体拉压扭剪多功能的三轴蠕变试验机的结构是，

参照图1、图2、包括设备平台2，设备平台2安装在主体底座1上，设备平台2上固定有蠕变加载机构操作柜3；蠕变加载机构操作柜3的上部固定有中心开有圆孔的工作台4，工作台4上表面中心位置设置有压力室底座5，工作台4与压力室底座5中心圆孔共同穿有一个下加载柱8；工作台4下表面连接有小支架6与大支架7，小支架6和下加载柱8同时通过各自的销钉与可转动的蠕变加载平衡杆9铰接；另外，大支架7通过插销10与蠕变加载平衡杆9铰接；蠕变加载平衡杆9另外与杠杆传力连接杆11铰接；杠杆传力连接杆11和大支架7的下端同时与长臂蠕变加载平衡杆12铰接；长臂蠕变加载平衡杆12的两端分别安装有能够灵活加重的压力砝码14及拉力砝码15；长臂蠕变加载平衡杆12的一侧下表面安装有磁性限位开关13；

在工作台4上表面安装有多个中部支撑立柱20，在其中的一个中部支撑立柱20上安装有角位移显示仪23；在中部支撑立柱20的顶端共同固定安装有中部平台21；在中部平台21下端面中心位置安装有绝对式角位移传感器22，绝对式角位移传感器22信号输出端与角位移显示仪23连接；在中部平台21上表面安装有扭矩施力盘24与扭矩电动机25，扭矩施力盘24与扭矩电动机25通过链条26传动连接，扭矩电动机25与扭矩电动机控制器27信号连接；在扭矩施力盘24、中部平台21、绝对式角位移传感器22轴心处共同穿有传动轴28；

在中部平台21上表面另外安装有多个上部支撑立柱30；在其中一个上部支撑立柱30上套装有位移测量平台46，位移测量平台46能够沿上部支撑立柱30的轴向自由移动；所有上部支撑立柱30的顶端共同安装有上部平台34；在上部平台34上安装有电控箱35，在上部平台34轴心位置穿有轴向电动机支架与丝杠套筒36，轴向电动机支架与丝杠套筒36中套装有轴向传动丝杠38；在轴向电动机支架与丝杠套筒36的上端安装有轴向电动机37，轴向电动机37与轴向传动丝杠38传动连接；轴向传动丝杠38与润滑机构39连通；润滑机构39能够根据需要给机械连接部分供给润滑剂，以确保在试验的过程中，产生的机械摩擦阻力最小，提高试验数据的精确度，在试验结束后，可将剩余的润滑剂自动收集存储；调节轴向电动机37，可以带动轴向传动丝杠38进行轴向运动，从而可以调节试样上下两端的加载柱之间的距离；

沿工作台4与压力室底座5的轴心穿有一个下加载柱8，压力室底座5与下加载柱8之间有密封橡胶圈69；下加载柱8上端面用于放置包裹橡皮膜的试样53，包裹橡皮膜的试样53周围设置有可拆卸对开式体变测量水套54，体变测量水套54的内腔称为围压水体空腔56，体变测量水套54的上端面开有注水孔63，围压水体空腔56内安装有水位传感器55；体变测量水套54的外围设置有有机玻璃材质的压力罩57，压力罩57上下分别嵌入位于压力室盖51下部凹槽和压力室固定立柱59基座上部凹槽中，压力室盖51与压力室固定立柱59固定连接时，压力罩57可以密封卡入压力室盖51与压力室固定立柱59之间，使三者成为一个整体，形成压力室外壳；压力室固定立柱59可以用压力室固定螺栓68与压力室底座5连接，并且两者之间有密封橡胶圈70；压力罩57、压力室盖51与压力室底座5之间的空间构成围压气体空腔58；压力室盖51的轴心开孔并在上端固定安装有轴心开孔的定位夹持器60，定位夹持器60与压力室盖51内穿过有上加载柱50，并在上加载柱50与压力室盖51之间有密封橡胶圈71，其中定位夹持器60侧壁带有一个螺杆77，拧紧螺杆77可以锁定上加载柱50，而松开螺杆77可以使得上加载柱50上下自由运动；

压力室底座5内开有水位传感器连接通道64、孔压测量通道65、围压控制通道66及体变测量通道67，该四个通道分别与水位控制器16、孔压测量仪19、围压气压控制器18、体变测量伺服缸17对应连通；试样53下端面通过孔压测量管61与孔压测量通道65连通；围压水体空腔56通过体变测量管62与体变测量通道67连通；水位传感器55与水位传感器连接通道64用可以传递信号的导线连接；围压气体空腔58通过围压控制通道66与围压气压控制器18连通，围压气压控制器18与气压源连通；

参照图6、图7，轴向传动丝杠38向下依次与轴向力传感器上端接头42、S型轴向力传感器40、轴向力传感器下端连接器43、轴向力传感器下端接头47、传力杆44、扭矩分离器盒45、扭矩分离器座33、盘式扭矩传感器31、传动轴28同轴连接；盘式扭矩传感器31基座固定在扭矩分离器座33上，内部转动构件与传动轴28固定连接；传动轴28与扭矩分离器座33通过轴承72连接，并且分别与轴承72的内圈、外圈固定连接，因此，由扭矩分离器座33、轴承72和传动轴28组成的扭矩分离机构，扭矩分离器座33与扭矩分离器盒45通过埋头螺栓一78固定连接，在扭矩分离器座33上端凸缘上通过埋头螺杆79沿水平方向固定安装有位移测量平台46，由于位移测量平台46另一端套在一个上部支撑立柱30上，从而扭矩分离器座33与位移测量平台46仅能够沿垂直方向（轴向）运动，而不能发生转动，在扭矩分离器座33不转动的情况下，传动轴28可以自由转动，盘式扭矩传感器31可以正常工作；传动轴28的下端与上联轴器29固定连接，上联轴器29向下与下联轴器52通过埋头螺栓二80固定连接，下联轴器52与上加载柱50固定连接；上加载柱50下端与包裹橡皮膜的试样53上端（化学）粘接，试样53下端与下加载柱8顶端（化学）粘接；由于传动轴28、上联轴器29、下联轴器52和上加载柱50同轴转动，同时由于下加载柱8通过销钉与蠕变加载平衡杆9铰接，因此下加载柱8不能发生轴向转动，从而可以给试样53施加扭矩；

盘式扭矩传感器31与安装在上部支撑立柱30上的扭矩显示仪32连接；S型轴向力传感器40与固定在上部平台34下表面的轴向力显示仪41连接；位移测量平台46与安装在中部平台21上位移测量仪支座48中的位移测量仪49接触连接；

电控箱35分别与磁性限位开关13、水位控制器16、体变测量伺服缸17、围压气压控制器18、孔压测量仪19、角位移显示仪23、扭矩电动机25、扭矩电动机控制器27、扭矩显示仪32、轴向电动机37、润滑机构39、轴向力显示仪41和位移测量仪49连接，并且可以分别控制这些部件的工作用电。

参照图8-图14，本发明装置中的可拆卸对开式体变测量水套54结构是，包括左半水套73、右半水套74以及水位传感器55，其中左半水套73顶端设置有水位传感器连接孔75和注水孔63，水位传感器55穿过该水位传感器连接孔75并固定于孔壁上，在围压水体空腔56内部变化的水位达到预先的设定值时，水位传感器55将会启动工作；可拆卸对开式体变测量水套54的左右两半部分嵌入下加载柱8顶端的凹槽中，并用不凝固的密封胶密封接缝，左半水套73和右半水套74的对接法兰处通过固定螺栓76固定连接，形成圆环形完整密封的体变测量水套54。

安装包裹橡皮膜的试样53时，试样53的上下两个端面采用强力胶与对应的加载接触部件(即下加载柱8与上加载柱50)端面粘接，橡皮膜与对应的加载接触部件（即下加载柱8与上加载柱50）绑扎牢固。

本发明的土体拉压扭剪多功能的三轴蠕变试验机，各个组成部分的工作原理是：

整体结构可以分为主体部分、供电设备、轴向加载与测量机构、扭矩加载与测量机构、体变水位控制及测量机构、围压加载与量测机构、孔压量测机构、蠕变加载机构、轴向位移测量机构和润滑机构。其中主体与加载机构是实现对圆柱体土体试样施加荷载的核心；体变水位控制机构是实现圆柱体土体试样的体变精确测量的保证；量测机构是对信号输入以及传感器量测信号的输出进行自动控制，从而转化为需要的物理参数并存储。

所述的主体部分主要包括底座、支架、平台等固定装置，为其它部件提供支撑；

所述的供电设备主要包括电控箱，为各个电动机、电动机控制器、磁性限位开关、各种测量传感器与测量仪表提供能够统一控制管理的电能；

所述的轴向加载与测量机构主要包括轴向电动机、轴向传动丝杠、传动轴、上加载柱、下加载柱、长短臂蠕变加载平衡杆、拉压荷载砝码、轴向力测量传感器和轴向力显示仪，轴向电动机带动轴向传动丝杠轴向运动，通过轴向力测量传感器与活动接头的连接，传力给传动轴，再传力给上加载柱，从而实现在试样的顶端施加荷载，通过给平衡杆施加压力砝码或者拉力砝码，通过杠杆原理，能够传力到下加载柱上，从而实现对试样的底部进行施加荷载；其中给试样施加拉力时，试样的上下两个端面要与试样上下两个加载柱端面用强力胶粘接，由于轴向力传感器与轴向力施加装置直接连接，所以在施加轴向力时，轴向力大小能够通过连接在轴向力传感器上的轴向力显示仪直接读出并存储；其中的轴向位移测量机构主要包括位移测量平台、位移测量仪支座和位移测量仪，位移测量平台固定在扭矩分离器座上，能够随着轴向传动装置的轴向运动而移动，这一位移能够通过位移测量仪测出，得到土体试样的轴向位移大小；

所述的扭矩加载与测量机构主要包括扭矩电动机控制器、扭矩电动机、链条、扭矩施力盘、扭矩分离器（由扭矩分离器座、轴承、传动轴组成）、上加载柱、绝对式角位移传感器、角位移显示仪、盘式扭矩传感器和扭矩显示仪，在扭矩电动机控制器的控制下，扭矩电动机能够提供适当大小的动能，通过链条传动，驱动扭矩施力盘转动，由于扭矩施力盘与扭矩传动主轴是依照滚动花键副原理制造，能够在传动轴传递轴向荷载的同时实现施加扭矩，扭矩传动主轴带动上加载柱转动，从而给试样施加一定的扭矩，固定在中部平台底部的绝对式角位移传感器能够直接测量转角，并通过与之连接的角位移显示仪读取转角并存储，固定在扭矩分离器座下方的盘式扭矩传感器能够直接测量提供给试样的扭矩，并通过扭矩显示仪读取扭矩并存储，其中给试样施加扭矩时，试样的上下两个端面要与试样上下两个加载柱端面用强力胶粘接；

所述的体变水位控制及测量机构主要包括可拆卸对开式体变测量水套、水位传感器、水位控制器与体变测量伺服缸，在包裹有橡皮膜的土体试样发生体胀或者体缩时，固定在可拆卸对开式体变测量水套顶端的水位传感器能够接受到可拆卸对开式体变测量水套内部水面的变化信息，从而控制体变测量伺服缸按照需求进行给排水操作，通过水套的给排水量和试样的轴向变形可以换算出土体试样的体变值；

所述的围压加载量测机构主要包括围压气压控制器、可拆卸对开式体变测量水套、可拆卸对开式体变测量水套内侧与试样橡皮膜外侧之间的水体、有机玻璃压力罩和橡皮膜，围压气压控制器能够往有机玻璃压力罩内部充入气体，有机玻璃压力罩内部的气体通过可拆卸对开式体变测量水套顶部的注水孔直接作用于可拆卸对开式体变测量水套内部的水面上，水体受到气体传递的气压，进一步传递给包裹在试样外表面的橡皮膜，从而实现给橡皮膜内部的土体试样施加一定大小的围压，这个围压的大小，能够通过围压气压控制器调节，并记录压力值；

所述的孔压量测机构主要包括直接与土体试样相连接的孔压传感器和显示仪表，孔压传感器通过下加载柱中的水孔直接与橡皮膜内部的土体试样相连接，能够直接测量孔压；

所述的蠕变加载机构主要包括下加载柱、磁性限位开关、长臂蠕变加载平衡杆、短臂蠕变加载平衡杆、拉压力砝码和杠杆传力连接杆，通过加载砝码，能够控制试样在变形过程中的轴向荷载恒定不变，磁性限位开关控制轴向电动机从而保持长短臂蠕变加载平衡杆的水平，保证了试样在变形中受到的轴向力不会偏心；

所述的润滑机构，能够减小仪器设备构件之间的摩擦阻力，提高试验数据的精确性。

本发明装置中的试样的安装方法是，

如图1、图2所示，接通传感器电源，记录显示仪表示数；拔掉插销10，在长臂蠕变加载平衡杆12两端加载砝码，观测磁性限位开关13，确保长臂蠕变加载平衡杆12处于水平状态，插入插销10；松开压力室固定螺栓68和定位夹持器60上的螺杆77，启动轴向电动机37将上加载柱50向上升起一段距离，向上推动由压力室盖51、压力罩57与压力室固定立柱59构成的压力室外壳，拧紧定位夹持器60上的螺杆77；将包裹橡皮膜的试样53用强力胶粘接在下加载柱8上端，橡皮膜绑扎在下加载柱8上，控制轴向电动机37将上加载柱50向下降落，使其刚好与包裹橡皮膜的试样53接触，把包裹橡皮膜的试样53用强力胶粘接在上加载柱50的下端面上，橡皮膜绑扎在上加载柱50上；安装可拆卸对开式体变测量水套54，并连接好水位传感器55，通过注水孔63往围压水体空腔56内部注水，在此过程中观测水位控制器16，当水位控制器16有反应时，停止注水；松开定位夹持器60上的螺杆77，向下推动压力室外壳，使压力室固定立柱59与压力室底座5接触，并用压力室固定螺栓68使得压力室固定立柱59与压力室底座5紧密连接；拧紧定位夹持器60上的螺杆77；通过围压气压控制器18往围压气体空腔58内部充气并逐步增加气压；对仪器仪表进行调整，随即进入加载与测量阶段。

本发明装置用于围压施加实验的方法是，

如图1、图2所示，围压的施加主要依靠围压气压控制器18实施。本发明采用的是气压水压传递模式，围压气压控制器18能够按照需要产生一定的气压，通过可拆卸对开式体变测量水套54上端的注水孔63传递到水面上，再通过水体传递到包裹橡皮膜的试样53上。围压气压控制器18能够增加或者减小内部气压，从而调节施加在包裹橡皮膜的试样53上的围压。关闭围压气压控制器18能够测试土体试样处于无围压的单轴拉伸、单轴压缩、纯扭剪和拉压扭剪耦合等受力状态下的蠕变特性。

本发明装置用于轴向力施加实验的方法是，

如图3、图4、图6、图7所示，轴向荷载的施加是通过蠕变杠杆直接施加的。按照杠杆原理将预施加的荷载换算成等效荷载的砝码，施加拉力或者压力。拔掉插销10，长臂蠕变加载平衡杆12会受砝码重力而倾斜，通过磁性限位开关13与轴向电动机37的配合作用，能够保持长臂蠕变加载平衡杆12处于水平状态，能够确保试样变形过程中受到的轴向大小和方向均不变。

本发明装置用于扭矩施加实验的方法是，

如图2、图5、图6、图7所示，通过扭矩电动机控制器27控制扭矩电动机25的转动，依靠连接扭矩电动机25与扭矩施力盘24的链条26，使扭矩施力盘24转动，带动轴向传动轴28发生转动，上联轴器29、下联轴器52、上加载柱50也会随着传动轴28转动而转动，从而给试样的顶端施加扭矩。

本发明装置的数据采集原理是，如图1所示，蠕变轴向力的施加，是依靠蠕变杠杆机构施加的，其值大小预先计算可得。通过连接在S型轴向力传感器40上的轴向力显示仪41能够直接显示并存储轴向力大小，当轴向力或位移发生突变时，是试样破坏的标志。轴向位移能够由位移测量仪49采集记录。扭矩的大小能够由盘式扭矩传感器31测量，并通过与之连接的扭矩显示仪32读取并存储。扭转角的大小能够由绝对式角位移传感器22测量，并通过与之连接的角位移显示仪23显示并记录。围压大小能够由围压气压控制器18控制，并读取记录围压值。通过孔压量测机构19能够获得土体试样内部孔压值。通过水位控制器16控制体变测量伺服缸17，以保持可拆卸对开式体变测量水套54内部水体的水位不变，这样，能够通过体变测量伺服缸17直接获得土体试样体变值的相关信息。

如图15所示，本发明装置能够分别按照单轴拉伸、单轴压缩、纯扭剪、拉扭、压扭、三轴拉伸、三轴压缩、三轴扭剪、三轴拉扭、三轴压扭等十种应力状态进行蠕变试验研究，对于每一种受力状态进行蠕变试验，获得相应的物理参数，按照应力-应变-时间进行试验数据分析。

Claims (4)

1.一种土体拉压扭剪多功能的三轴蠕变试验机，其特征在于：

包括设备平台（2），设备平台（2）上固定有蠕变加载机构操作柜（3）；蠕变加载机构操作柜（3）的上部固定有工作台（4），工作台（4）上表面中心位置设置有压力室底座（5）；工作台（4）下表面连接有小支架（6）与大支架（7），小支架（6）和下加载柱（8）同时与可转动的蠕变加载平衡杆（9）铰接；另外，大支架（7）与蠕变加载平衡杆（9）铰接；蠕变加载平衡杆（9）另外与杠杆传力连接杆（11）铰接；杠杆传力连接杆（11）和大支架（7）的下端同时与长臂蠕变加载平衡杆（12）铰接；长臂蠕变加载平衡杆（12）的两端分别安装有压力砝码（14）及拉力砝码（15）；长臂蠕变加载平衡杆（12）的一侧下表面安装有磁性限位开关（13）；

在工作台（4）上表面安装有多个中部支撑立柱（20），在中部支撑立柱（20）的顶端共同固定安装有中部平台（21）；在中部平台（21）下端面中心位置安装有绝对式角位移传感器（22），绝对式角位移传感器（22）信号输出端与角位移显示仪（23）连接；在中部平台（21）上表面安装有扭矩施力盘（24）与扭矩电动机（25），扭矩施力盘（24）与扭矩电动机（25）传动连接，扭矩电动机（25）与扭矩电动机控制器（27）信号连接；在扭矩施力盘（24）、中部平台（21）、绝对式角位移传感器（22）轴心处共同穿有传动轴（28）；

在中部平台（21）上表面另外安装有多个上部支撑立柱（30）；在其中一个上部支撑立柱（30）上套装有位移测量平台（46）；所有上部支撑立柱（30）的顶端共同安装有上部平台（34）；在上部平台（34）上安装有电控箱（35），在上部平台（34）轴心位置穿有轴向电动机支架与丝杠套筒（36），轴向电动机支架与丝杠套筒（36）中套装有轴向传动丝杠（38）；在轴向电动机支架与丝杠套筒（36）的上端安装有轴向电动机（37），轴向电动机（37）与轴向传动丝杠（38）传动连接；

沿工作台（4）与压力室底座（5）的轴心穿有一个下加载柱（8）；下加载柱（8）上端面用于放置试样（53），试样（53）周围设置有体变测量水套（54），体变测量水套（54）的内腔称为围压水体空腔（56），体变测量水套（54）的上端面开有注水孔（63），围压水体空腔（56）内安装有水位传感器（55）；体变测量水套（54）的外围设置有压力罩（57），压力罩（57）上下分别嵌入位于压力室盖（51）下部凹槽和压力室固定立柱（59）基座上部凹槽中；压力罩（57）、压力室盖（51）与压力室底座（5）之间的空间构成围压气体空腔（58）；压力室盖（51）的轴心开孔并在上端固定安装有轴心开孔的定位夹持器（60），定位夹持器（60）与压力室盖（51）内穿过有上加载柱（50），其中定位夹持器（60）侧壁带有一个螺杆（77）；

压力室底座（5）内开有水位传感器连接通道（64）、孔压测量通道（65）、围压控制通道（66）及体变测量通道（67），该四个通道分别与水位控制器（16）、孔压测量仪（19）、围压气压控制器（18）、体变测量伺服缸（17）对应连通；试样（53）下端面通过孔压测量管（61）与孔压测量通道（65）连通；围压水体空腔（56）通过体变测量管（62）与体变测量通道（67）连通；水位传感器（55）与水位传感器连接通道（64）通过信号导线连接；围压气体空腔（58）通过围压控制通道（66）与围压气压控制器（18）连通，围压气压控制器（18）与气压源连通；

轴向传动丝杠（38）向下依次与轴向力传感器上端接头（42）、S型轴向力传感器（40）、轴向力传感器下端连接器（43）、轴向力传感器下端接头（47）、传力杆（44）、扭矩分离器盒（45）、扭矩分离器座（33）、盘式扭矩传感器（31）、传动轴（28）同轴连接；盘式扭矩传感器（31）基座固定在扭矩分离器座（33）上，内部转动构件与传动轴（28）固定连接；传动轴（28）与扭矩分离器座（33）通过轴承（72）连接，并且分别与轴承（72）的内圈、外圈固定连接；扭矩分离器座（33）与扭矩分离器盒（45）固定连接，在扭矩分离器座（33）上端凸缘上沿水平方向固定安装有位移测量平台（46）；传动轴（28）的下端与上联轴器（29）固定连接，上联轴器（29）向下与下联轴器（52）固定连接，下联轴器（52）与上加载柱（50）固定连接；上加载柱（50）下端与试样（53）上端粘接，试样（53）下端与下加载柱（8）顶端粘接；

盘式扭矩传感器（31）与扭矩显示仪（32）连接；S型轴向力传感器（40）与轴向力显示仪（41）连接；位移测量平台（46）与位移测量仪（49）接触连接；

电控箱（35）分别与磁性限位开关（13）、水位控制器（16）、体变测量伺服缸（17）、围压气压控制器（18）、孔压测量仪（19）、角位移显示仪（23）、扭矩电动机（25）、扭矩电动机控制器（27）、扭矩显示仪（32）、轴向电动机（37）、轴向力显示仪（41）和位移测量仪（49）连接。

2.根据权利要求1所述的土体拉压扭剪多功能的三轴蠕变试验机，其特征在于：所述的体变测量水套（54）为可拆卸对开式结构，包括左半水套（73）、右半水套（74）以及水位传感器（55），其中左半水套（73）顶端设置有水位传感器连接孔（75）和注水孔（63），水位传感器（55）穿过该水位传感器连接孔（75）并固定于孔壁上；左半水套（73）、右半水套（74）同时嵌入下加载柱（8）顶端的凹槽中，并用不凝固的密封胶密封接缝，左半水套（73）和右半水套（74）的对接法兰处通过固定螺栓（76）固定连接。

3.根据权利要求1所述的土体拉压扭剪多功能的三轴蠕变试验机，其特征在于：所述的轴向传动丝杠（38）与润滑机构（39）连通。

4.根据权利要求1所述的土体拉压扭剪多功能的三轴蠕变试验机，其特征在于：所述的压力室底座（5）与下加载柱（8）之间有密封橡胶圈（69）；压力室固定立柱（59）基座与压力室底座（5）之间设置有密封橡胶圈（70）；在上加载柱（50）与压力室盖（51）之间设置有密封橡胶圈（71）。

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