CN103698492B - 高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪 - Google Patents

Abstract

一种高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪，其特征是包括下压盘（1）、压力室底座（2）、压力室（8）、支柱（10）、上压盘（11）、压力水体积自平衡装置（12）、加载杆（15）、导向密封套（16）和刚性连杆（25）。本发明的高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪能在同一台设备上研究堆石料动力特性的缩尺效应，有效解决了不同设备间系统误差将对测试结果的影响。本发明的高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪基本消除了因系统刚度不足、密封胶条和机械转动机构间隙等引起的系统变形，实现了高频循环荷载下堆石料试样体积变形动态变化过程的精确测量。

Description

高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪

技术领域

本发明属于试验装置技术领域，涉及一种高土石坝筑坝堆石料的抗震性能测试设备，具体是一种高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪。特别适用于测量堆石料在地震荷载作用下的动态力学性能，同时还具备进行高土石坝堆石料动力缩尺效应及地震后流变、湿化试验研究功能。

背景技术

堆石料是构筑高土石坝的主要材料，其在地震作用下的强度变形特性直接影响着高土石坝的地震安全，因此，研制能准确测试堆石料在地震荷载作用下强度变形指标的试验设备显得十分必要。目前国内已研制出少数几台用于测试堆石料动力特性的大型高压试验设备，

但存在以下主要问题：

（1）不能合理考虑堆石料缩尺效应对其动力强度变性特性影响。随着施工水平及碾压工艺的提高，堆石料的最大粒径已经达到1200mm国内外常用的试验设备允许试验的最大粒径通常仅为60mm，需对其进行缩尺处理，目前通常采用不同的试验设备来测试研究缩尺效应，不同设备间系统误差将对影响测试结果的准确性。

（2）很难兼顾高应力与低应力状态下堆石料强度变形特性的测控精度。高土石坝震害调查表明，地震常导致其坝顶和坝体表面浅层等低应力状态部位发生破坏，因此，研究低应力状态下堆石料的强度变形特性显得尤为重要，而现有仪器为追求高土石坝堆石料高应力状态试验要求，压力传感器量程都较大，导致低应力状态（围压≤50kPa）下的测试精度较差，一般仅能进行围压≥150kPa试样的试验。

（3）变形量测试结果误差较大。现有仪器设备所量测到的堆石料试样变形包含因系统刚度不足、密封胶条和机械转动机构间隙等引起的较大系统变形。

（4）不能进行堆石料在经受地震荷载作用后的流变和湿化变形特性。高土石坝经受强震后，堆石料将发生颗粒破碎和结构重组，宏观上变现为坝体产生明显变形，防渗系统出现损伤或破坏，库水进入堆石体，导致其产生流变和湿化变形。

因此，研究堆石料经受地震荷载作用后的流变和湿化变形特性很有必要，而现有仪器没有这一功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪，以克服上述缺陷。

本发明的技术方案是：

一种高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪，下压盘1、压力室底座2、压力室8、试样9、支柱10、上压盘11、加载杆15、导向密封套16、压力室上部密封圈17，所述下压盘1设置在压力室底座2上，试样9置于上压盘11和下压盘1之间，支柱10一端通过上顶盘连接压力室8上部，另一端连接下底盘2，上压盘11与加载杆15连接，加载杆15与压力室8之间设有导向密封套16。

所述高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪还包括通过更换不同尺寸的底盘，能在同一台设备上研究堆石料动力特性的缩尺效应，有效解决了不同设备间系统误差将对测试结果的影响。

根据试验要求选择不同尺寸的下压盘1，下压盘1为直径为200mm的下压盘101或直径为300mm的下压盘102，下压盘1设置在压力室底座2上，下压盘1与压力室底座2之间设有转换盘密封圈4，通过下压盘固定螺钉7与压力室底座2连接。压力室底座2内设有径向设置的连通下压盘1内部试样下排水口3与上排水口6，压力室底座2与压力室8通过压力室底座固定螺钉5连接。

所述高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪还包括围压动态平衡装置，围压动态平衡装置包括压力水体积自平衡装置12、压力自动调节阀13、轴向负荷传感器14和围压传感器19，所述压力水体积自平衡装置12设置在压力室8内，压力水体积自平衡装置12与压力自动调节阀13连接，轴向负荷传感器14设置在加载杆15上，围压传感器19与压力室底座2的围压加压口5连接。

所述高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪还包括动体变测量装置，动体变测量装置包括内体变测量缸20、内体变磁致液位移传感器21和体变测量连接管22，所述内体变测量缸20与内体变磁致液位移传感器21连接，内体变磁致液位移传感器21通过体变测量连接管22与压力室底座2的试样下排水口3及上排水口6连接。

所述高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪还包括试样内部轴向变形测量装置，试样内部轴向变形测量装置包括轴向动态活塞杆23、轴向变形传感器24、轴向变形测量刚性连杆25和液压升降锁紧油缸26，所述轴向动态活塞杆23与试样9通过加载杆15连接，轴向变形测量刚性连杆25一端与压力室底座2连接，另一端连接轴向变形传感器24，液压升降锁紧油缸26设置在压力室底座2下方。

所述高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪还包括流变系统，流变系统包括串联液压缸61、伺服电机62、同步带传动轮63、滚珠丝杠64、电机65、自封式吸油滤油器66、定量液压泵67、手动溢流阀68、单向阀69、高压滤油器610、压力表611、伺服阀612、第一截止阀613、第二截止阀614和液压缸615，所述液压缸615分别通过第一截止阀613和第二截止阀614连接伺服阀612，伺服阀612依次通过高压滤油器610和压力表611连接手动溢流阀68和单向阀69，单向阀69连接电机65和定量液压泵67，定量液压泵67连接自封式吸油滤油器66，伺服电机62通过同步带传动轮63连接滚珠丝杠64，滚珠丝杠64通过串联液压缸61连接液压缸615。

所述高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪还包括外体变测量装置，外体变测量装置包括标定压力表27、围压加压水缸28、外体变传感器29、围压作动器31和压力连接管32，所述外体变传感器29设置在围压加压水缸28下方，标定压力表27设置在围压加压水缸28上，围压加压水缸28通过压力连接管32与压力室8相连通。

本发明的有益效果是：

本发明的高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪具有以下优点：

本发明的高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪能在同一台设备上研究堆石料动力特性的缩尺效应，有效解决了不同设备间系统误差将对测试结果的影响。

本发明的高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪应力变化范围宽，能进行围压0.05-4.0MPa堆石料试样的动力特性试验。

本发明的高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪基本消除了因系统刚度不足、密封胶条和机械转动机构间隙等引起的系统变形，实现了高频循环荷载下堆石料试样体积变形动态变化过程的精确测量。

本发明的高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪可进行堆石料经受地震荷载作用后的流变和湿化变形特性的试验研究。

本发明的高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪试验数据测试精度和系统测控自动化程度高。

附图说明

图1是本发明的200mm试样压盘的剖视结构示意图。

图2是本发明的300mm试样压盘的剖视结构示意图。

图3是本发明的压力室底座的剖视结构示意图。

图4是本发明的压力室底座的俯视结构示意图。

图5是本发明的围压动态平衡装置的结构示意图。

图6是本发明的体变测量装置的结构示意图。

图7是本发明的试样轴向变形测量装置的结构示意图。

图8是本发明的流变系统原理图。

图9是本发明的外体变测量装置的结构示意图。

图中：1为下压盘、2为压力室底座、3为下孔压测量口、4为转换盘密封圈、5为压力室底座固定螺钉、6为上孔压测量口、7为试样下压盘固定螺钉、8为压力室、9为试样、10为支柱、11为上压盘、12为压力水体积自平衡装置、13为压力自动调节阀、14为轴向负荷传感器、15为加载杆、16为导向密封套、17为上部密封圈、18为围压加压口、19为围压传感器、20为内体变测量缸、21为内体变磁致液位移传感器、22为体变测量刚性连杆、23为轴向动态活塞杆、24为轴向变形传感器、25为轴向变形测量刚性连杆、26为液压升降锁紧油缸、27为标定压力表、28为围压加压水缸、29为外体变传感器、30为磁致位移传感器、31为围压作动器、32为压力连接管、61为串联液压缸、62为伺服电机、63为同步带传动轮、64为滚珠丝杠、65为电机、66为自封式吸油滤油器、67为定量液压泵、68为手动溢流阀、69为单向阀、610为高压滤油器、611为压力表、612为伺服阀、613为第一截止阀、614为第二截止阀、615为液压缸、101为直径为200mm的下压盘、102为直径为300mm的下压盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

本项发明通过以下几项关键技术得以实现：

一种高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪，包括下压盘1、压力室底座2、压力室8、试样9、支柱10、上压盘11、加载杆15、导向密封套16、压力室上部密封圈17，所述下压盘1设置在压力室底座2上，试样9置于上压盘11和下压盘1之间，支柱10一端通过上顶盘连接压力室8上部，另一端连接下底盘2，上压盘11与加载杆15连接，加载杆15与压力室8之间设有导向密封套16。

如图1、图2、图3、图4，分别是本发明的200mm试样压盘的结构示意图和本发明的300mm试样压盘的结构示意图。

下压盘1为直径为200mm的下压盘101或直径为300mm的下压盘102，设置在压力室底座2上，下压盘1与压力室底座2之间设有转换盘密封圈4，通过下压盘固定螺钉7与压力室底座2连接。压力室底座2内设有径向设置的连通下压盘1内部试样下排水口3与上排水口6，压力室底座2与压力室8通过压力室底座固定螺钉5连接。

在主机上设计适用于不同试样尺寸的可转换底座，且根据试验要求可灵活更换，实现了在同一台设备上研究堆石料动力特性的缩尺效应的设想，有效解决了缩尺效应研究中不同试验机的系统误差对试验结果的影响。

根据试样件规格不同，试验时选取与试样相对应的压盘，用6件高强度的不锈钢螺钉将试样下压盘固定在压力室底座上，试样上压盘利用自身的外螺纹旋入加载杆的内螺纹，制作上下压盘时考虑了试样高度不同而造成的试验空间变化，方便试验装样、操作，而且不同规格试样上下压盘具有良好的互换性，完全能够满足该型号试验机上各种不同规格试样的试验需求。

如图5，是本发明的围压动态平衡装置的结构示意图。围压动态平衡装置包括压力水体积自平衡装置12、压力自动调节阀13、轴向负荷传感器14和围压传感器19，所述压力水体积自平衡装置12设置在压力室8内，压力水体积自平衡装置12与压力自动调节阀13连接，轴向负荷传感器14设置在加载杆15上，围压传感器19与压力室底座2的通过围压加压口5连接。

采用压力水体积自平衡技术来降低活塞动作引起的围压波动，将轴压及围压分为低、中、高三档分别测控，以满足高应力与低应力状态试验结果的测控精度，实现了不更换加载设备而适应宽应力变化范围的试验能力。

为实现堆石料低围压条件下动力试验的要求，采用压力水体积自平衡装置来消除加载活塞动作引起的围压波动，并根据围压的大小通过安装在压力水体积自平衡装置上的压力自动调节阀来自动调节平衡装置中压力的大小，以满足堆石料试样在不同周围压力，特别是低围压下的测控精度。轴压及围压分为低、中、高三档分别测控，实现了该试验设备适应宽应力变化范围的试验能力。

如图6，是本发明的动体变测量装置的结构示意图。动体变测量装置包括内体变测量缸20、内体变磁致液位移传感器21和体变测量连接管22，所述内体变测量缸20与内体变磁致液位移传感器21连接，内体变磁致液位移传感器21通过体变测量连接管22与压力室底座2的试样上下排水口3连接。

在体变缸中引入内体变磁致液位移传感器，在压力室底座上设置刚性连杆，通过量测活塞相对于连杆的动位移，基本消除了因系统刚度不足、密封胶条和机械转动机构间隙等引起的系统变形，实现了高频循环荷载下堆石料试样体积变形和轴向变形动态变化过程的精确测量。

在体变缸中引入内体变磁致液位移传感器，实现了循环荷载下堆石料试样体积变形动态变化过程的实时同步量测记录。

如图7，是本发明的试样内部轴向变形测量装置的结构示意图。试样内部轴向变形测量装置包括轴向动态活塞杆23、轴向变形传感器24、轴向变形测量刚性连杆25和液压升降锁紧油缸26，所述轴向动态活塞杆23与试样9通过加载杆15连接，轴向变形测量刚性连杆25一端与压力室底座2连接，另一端连接轴向变形传感器24，液压升降锁紧油缸26设置在压力室底座2下方。

采用液压升降，底盘升起后采用液压锁紧抱箍装置锁紧，通过液压锁止阀关闭油路，保持锁紧状态，油路系统无泄漏，大大提高了整个试验系统的刚性，消除了以往机械传动机构有传动间隙的缺陷；在压力室底座与加载杆之间设置刚性连接件，中间安装试样轴向变形传感器，有效消除了试验系统变形对试验结果的影响，显著提高了堆石料试样体积变形和轴向变形动态变化过程的量测精度。

开展堆石料经受地震荷载作用后的流变和湿化特性试验，试验系统必需能对堆石料试样提供长期且稳定的压力，同时具备实现试样内、外体积变形测量的功能。

如图8，本发明的流变系统原理图。流变系统包括串联液压缸61、伺服电机62、同步带传动轮63、滚珠丝杠64、电机65、自封式吸油滤油器66、定量液压泵67、手动溢流阀68、单向阀69、高压滤油器610、压力表611、伺服阀612、第一截止阀613、第二截止阀614和液压缸615，所述液压缸615分别通过第一截止阀613和第二截止阀614连接伺服阀612，伺服阀612依次通过高压滤油器610和压力表611连接手动溢流阀68和单向阀69，单向阀69连接电机65和定量液压泵67，定量液压泵67连接自封式吸油滤油器66，伺服电机62通过同步带传动轮63连接滚珠丝杠64，滚珠丝杠64通过串联液压缸61连接液压缸615。

本发明在液压系统中增设了高精度伺服电机、同步带传动轮、滚珠丝杠及串联液压缸保载系统。当系统需要长期保载时，图8中第一截止阀613、第二截止阀614关闭，伺服电机通过同步带轮使得滚珠丝杠推动串联液压缸活塞，将串联液压缸内液压油直接供给液压缸，保持液压缸荷载稳定，此时可停止油泵电机组供油。通过伺服电机控制液压缸荷载的加载、保持及卸载。保证了液压源压力以维持系统长期运行，从而确保了堆石料试样压力的长期稳定性，同时解决了系统长时间工作发热量过大的问题，实现了在恒压时间内，间歇停泵、节省电力及延长系统寿命的目的。

如图9，是本发明的外体变测量装置的结构示意图。外体变测量装置包括外体变测量装置，外体变测量装置包括标定压力表27、围压加压水缸28、外体变传感器29、围压作动器31和压力连接管32，所述外体变传感器29设置在围压加压水缸28下方，标定压力表27设置在围压加压水缸28上，围压加压水缸28通过压力连接管32与压力室8相连通。

开展堆石料经受地震荷载作用后湿化变形试验的关键在于试验过程中需实现试样内外体积变形的测量。试样内体变的测量可由动体变测量装置得以实现，试样外体变的测量通过如图9的方案实现：连接压力室与围压加压水缸，在试验过程中保持试样围压的恒定不变，利用小量程高精度位移传感器实时对围压加压水缸活塞位移进行测量，即可得到试样外体积变形量大小。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (5)

1.一种高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪，其特征是包括下压盘（1）、压力室底座（2）、压力室（8）、试样（9）、支柱（10）、上压盘（11）、加载杆（15）、导向密封套（16）、压力室上部密封圈（17），所述下压盘（1）设置在压力室底座（2）上，试样（9）置于上压盘（11）和下压盘（1）之间，支柱（10）一端通过上顶盘连接压力室（8）上部，另一端连接压力室底座（2），上压盘（11）与加载杆（15）连接，加载杆（15）与压力室（8）之间设有导向密封套（16）；所述下压盘（1）设置在压力室底座（2）上，下压盘（1）与压力室底座（2）之间设有转换盘密封圈（4），通过下压盘固定螺钉（7）与压力室底座（2）连接；压力室底座（2）内设有径向设置的连通下压盘（1）内部试样下排水口（3）与上排水口（6），压力室底座（2）与压力室（8）通过压力室底座固定螺钉（5）连接；所述高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪还包括动体变测量装置，动体变测量装置包括内体变测量缸（20）、内体变磁致液位移传感器（21）和体变测量连接管（22），所述内体变测量缸（20）与内体变磁致液位移传感器（21）连接，内体变磁致液位移传感器（21）通过体变测量连接管（22）与压力室底座（2）的试样下排水口（3）及上排水口（6）连接。

2.根据权利要求2所述的高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪，其特征在于所述高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪还包括围压动态平衡装置，围压动态平衡装置包括压力水体积自平衡装置（12）、压力自动调节阀（13）、轴向负荷传感器（14）和围压传感器（19），所述压力水体积自平衡装置（12）设置在压力室（8）内，压力水体积自平衡装置（12）与压力自动调节阀（13）连接，轴向负荷传感器（14）设置在加载杆（15）上，围压传感器（19）与压力室底座（2）的通过围压加压口（18）连接。

3.根据权利要求1所述的高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪，其特征在于所述高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪还包括试样内部轴向变形测量装置，试样内部轴向变形测量装置包括轴向动态活塞杆（23）、轴向变形传感器（24）、轴向变形测量刚性连杆（25）和液压升降锁紧油缸（26），所述轴向动态活塞杆（23）与试样（9）通过加载杆（15）连接，轴向变形测量刚性连杆（25）一端与压力室底座（2）连接，另一端连接轴向变形传感器（24），液压升降锁紧油缸（26）设置在压力室底座（2）下方。

4.根据权利要求1所述的高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪，其特征在于所述高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪还包括流变系统，流变系统包括串联液压缸（61）、伺服电机（62）、同步带传动轮（63）、滚珠丝杠（64）、电机（65）、自封式吸油滤油器（66）、定量液压泵（67）、手动溢流阀（68）、单向阀（69）、高压滤油器（610）、压力表（611）、伺服阀（612）、第一截止阀（613 ）、第二截止阀（614）和液压缸（615），所述液压缸（615）分别通过第一截止阀（613 ）和第二截止阀（614）连接伺服阀（612），伺服阀（612）依次通过高压滤油器（610）和压力表（611）连接手动溢流阀（68）和单向阀（69），单向阀（69）连接电机（65）和定量液压泵（67），定量液压泵（67）连接自封式吸油滤油器（66），伺服电机（62）通过同步带传动轮（63）连接滚珠丝杠（64），滚珠丝杠（64）通过串联液压缸（61）连接液压缸（615）。

5.根据权利要求1所述的高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪，其特征在于所述高土石坝堆石料抗震特性多功能试验仪还包括外体变测量装置，外体变测量装置包括标定压力表（27）、围压加压水缸（28）、外体变传感器（29）、围压作动器（31）和压力连接管（32），所述外体变传感器（29）设置在围压加压水缸（28）下方，标定压力表（27）设置在围压加压水缸（28）上，围压加压水缸（28）通过压力连接管（32）与压力室（8）相连通。