CN104458428A - 一种大型流-固-热多场耦合试验加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型流-固-热多场耦合试验加载系统。由加载框架主体、加载平台、压力室进出平台及数据采集系统组成；本发明的优点：第一、通过可调节的中央横梁，改变试验加载空间，不同类型试样选取不同压力室后，实现不同类型、不同尺寸试样的多场耦合试验。第二、在不使用压力室的情况下，可以开展高水压下混凝土、岩石的水力劈裂试验，也可以测定材料的常规材料参数。第三、压力室起吊装置和车轮进出平台装置的设置，可以方便地实现不同试样、不同压力室的更换。第四、通过数据采集装置、数据存储软件，实现全自动、全过程、实时、互不干扰地采集、显示、存储水压、围压、轴压、温度变化等数据；同时也可以根据反馈信息实时改变加载要求。

Description

一种大型流-固-热多场耦合试验加载系统

技术领域

本发明涉及一种适用于土料、混凝土、岩石的大型流-固-热多场耦合试验加载系统。

背景技术

在“十二五”规划以及西部大开发战略大步实施以来，我国大型水利水电工程的建设不断发展，一批300m级的土石坝、混凝土坝正在建设或已投入运行。

受气候环境、设计及施工养护方面的影响，大坝出现裂缝几乎不可避免。为确保水库、大坝的正常运行，在变温、高水压、复杂应力等条件下裂纹的萌生、扩展机理，已经成为时下学界的研究热点。一大批学者致力于开展大量关于土料、混凝土、岩石的流-固-热多场耦合试验。由于问题本身的复杂性，已有的试验仪器在高水压力的模拟、温度变化的控制、复杂应力的实现以及三者之间的组合作用方面都没有得到很好的实现。针对已有试验仪器的不足，开发研制了一种大型流-固-热耦合试验加载系统，通过使用更换不同的压力室，可以分别实现土料、混凝土、岩石的多场耦合试验，由此能够更加深入地研究在耦合作用下，裂缝萌生、扩展机理。

发明内容

本发明针对现有流-固-热多场耦合试验加载系统的缺陷与不足，开发研制了一套适用于混凝土、土料、岩石等不同类型、不同尺寸的大型流-固-热多场耦合试验加载系统，以研究耦合状况下裂缝的萌生、扩展机理。

本发明的技术方案是：一种大型流-固-热多场耦合试验加载系统，包括：

压力室及其移动部件；

所述压力室及其移动部件包括相对平行的两个轨道支架，轨道支架之间用桁架固定；轨道支架上铺设有轨道，还包括一移动钢板，所述移动钢板底部设置滚轮，所述滚轮设置在所述轨道上；移动钢板上放置压力室；

框架反力部件；

包括顶盖、框架底座及设置在所述顶盖、框架底座之间的四根螺纹钢立柱，所述四根螺纹钢立柱上穿射有中部横梁，并且所述中部横梁可在所述四根螺纹钢立柱上水平升降；顶盖的上部安装有用于起吊压力室的起吊装置；中部横梁的下部设有可伸缩凸形液压加载轴；所述可伸缩凸形液压加载轴与液压油泵相连；所述液压油泵与中央控制台相连；框架底座上固定有大直径钢块，大直径圆钢块的上部中心位置螺纹连接有试验基座，试验基座通过支柱连接有加载平台；加载平台上放置试样；所述框架底座与所述两个轨道支架固接；

以及用于收集、反馈信息的实验数据采集存储部件；包括：

安装在试样表面的应变传感器、水压传感器；布置在凸形液压加载轴上的轴压传感器及位移传感器；上述传感器均与中央控制台、试验参数控制柜相连。

所述中部横梁在四个角上贯穿的安装有四个齿轮螺栓，所述四个齿轮螺栓的内螺纹与螺纹钢立柱的外螺纹紧密咬合在一起；四个齿轮螺栓中靠同一侧的两个齿轮螺栓通过传动轴与电动机相连，同时又分别通过两根传动链条（5）与另外一侧的两个齿轮螺栓相连。

所述起吊装置包括电动机、可伸缩钢臂、定滑轮及钢丝绳，其中，可伸缩钢臂上设置有定滑轮，定滑轮上设有钢丝绳，钢丝绳的一端连接挂钩，另一端与电动机的动力端相连。

所述加载平台外侧周围有环状凹槽，环状凹槽两侧分别设有一个排水孔，所述排水孔与皮管相接，用以排除流-固耦合、水力劈裂等试验过程中的渗水。

在试样的上、下表面分别设置下垫块和上垫块，且上垫块朝向所述可伸缩凸形液压加载轴的一面上具有弧形凹面。

所述凸形液压加载轴顶端设有小孔，小孔内设置十字钢架，在所述十字钢架上固定有位移计，位移计内设有位移传感器。

与现有技术相比，本发明的优点：

第一、本发明可以通过可调节的中央横梁，改变试验加载空间，不同类型试样选取不同压力室后，实现混凝土、土料、岩石等不同类型、不同尺寸的试样的多场耦合试验，节省了大量设备研发成本。

第二、在不使用压力室的情况下，可以开展高水压下混凝土、岩石的水力劈裂试验，也可以测定材料的常规材料参数。

第三、压力室起吊装置和车轮进出平台装置的设置，可以方便地实现不同试样、不同压力室的更换。

第四、试验过程中，通过数据采集装置、数据存储软件，实现全自动、全过程、实时、互不干扰地采集、显示、存储水压、围压、轴压、温度变化等数据；同时也可以根据反馈信息实时改变加载要求。

附图说明

附图1为加载系统整体示意图；

附图2为液压加载棒及常规试验台示意图；

附图3为液压加载棒及常规试验台剖面图；

附图4为混凝土岩石压力室的结构示意图；

其中：1、压力室起吊装置；2、电动机；3、顶盖；4、传动轴；5、传动链条；6、齿轮螺栓；7、螺纹钢立柱；8、中部横梁；9、加载平台；10、凸形液压加载轴；11、位移计；12、凹形垫块；13、试验基座；14、大直径圆钢块；15、框架底座；16、锚杆；17、轨道支架；18、轨道；19、滚轮；20、移动钢板；21、螺栓；22、土料压力室；23、混凝土岩石压力室；24、液油压泵；25、试验参数控制柜；26、中央控制台；27、支柱；28、环形凹槽；29、排水孔；30、皮管；31、试样；32、十字钢架；33、桁架。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，以便对本发明做出清楚、完整的说明。需要强调的是，附图说明对于本发明来说是示意性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制；此外，本发明中自始至终相同或相类似的标号表示相同或类似的元件，所用的术语“连接”、“相连”、“安装”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接 ；可以是机械连接，也可以是电连接 ；可以是直接连接，也可以是通过中间介质间接连接，甚至可以是两个元件的内部连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明一种大型流-固-热多场耦合试验加载系统包括：

加载系统框架主体的组成：加载系统的框架主体由四根螺纹钢立柱7穿过中部横梁8，连接框架底座15和顶盖3组成，框架底座15通过锚杆16固定在试验大厅的水平水泥地上。所述中部横梁8在四个角上贯穿的安装有四个齿轮螺栓6，所述四个齿轮螺栓6的内螺纹与螺纹钢立柱7的外螺纹紧密咬合在一起；四个齿轮螺栓中靠同一侧的两个齿轮螺栓6通过传动轴4与电动机2相连，同时又分别通过两根传动链条5与另外一侧的两个齿轮螺栓6相连。从而使电动机2启动后，四个齿轮螺栓6能以相同的速度转动，实现中部横梁8水平升降。

顶盖3上部安装有压力室起吊装置1，由可伸缩钢臂、定滑轮、钢丝绳及电动机2组成。压力室起吊装置1由电动机2控制启动，用于起吊压力室。

中部横梁8的升降、压力室起吊装置1的启闭均由中央控制台26控制。

试验加载平台的组成：大直径圆钢块14通过螺栓21固定于框架底座15上，用以将上部加载装置的轴力传递至框架底座15，进而扩散至试验大厅地面；大直径圆钢块14上部中心安装有试验基座13，两者通过螺纹相互结合，并实现试验基座13的升降。加载平台9通过支柱27固定于试验基座13上。加载平台9外侧周围有环形凹槽28，环形凹槽28两侧有两个排水孔29与皮管30相接，用以排除流-固耦合、水力劈裂等试验过程中的渗水。

加载平台9中心放置试样31，为使试样均匀加载同时增加试验成功率，需在试样上、下分别放入垫块，且上垫块12的上表面上具有弧形凹面。

中部横梁8下部装有可以伸缩的凸形液压加载轴10。框架底座15内充满着液压油，通过管道与液压油泵24相连。实验过程中，通过中央控制台26操作，由液压油泵24驱动，升高试验基座13，下降凸形液压加载轴10，使凸形液压加载轴10与上垫块12的弧形凹面正好接触后，即可施加轴压进行试验。

位移计11固定于与凸形液压加载轴10顶端小孔相接的十字钢架，用于测定试验过程中试样的位移情况。

压力室进出平台的组成：压力室进出平台主体为两个轨道支架17，与框架底座15相固接。两个轨道支架17之间用桁架33连接固定，底部分别通过螺栓21与实验室大厅水泥地面相接。4个滚轮19通过轨道支架17上的轨道18滚动，从而可以使移动钢板20左右滑动。利用加载系统主体顶盖3上固定的压力室起吊装置1，将土料试样压力室22吊起放置于移动钢板上，在土料试样压力室22底部用螺栓21与移动钢板连接固定。推动移动钢板20使土料试样压力室22至凸形液压加载轴10正下方并固定，凸形液压加载轴10通过土料试样压力室22顶部的上垫块12对土料试样压力室22施加轴力，从而可以实现土料试样在三轴复杂应力条件下多场耦合试验。同样的，对于混凝土岩石压力室23也完全适用。

试验数据采集系统：包括安装在试样31表面的应变传感器、水压传感器；布置在凸形液压加载轴10上的轴压传感器及位移传感器；上述传感器均与中央控制台26、试验参数控制柜25相连。

试样31内部水压采用耦合试验机提供，并且可以调整水压加载梯度；压力室内部的铜圈可以实现内部系统的温度变化；利用应变片、夹式引伸计等可以测得试样裂缝的开展状况。在利用压力室进行多场耦合试验时，利用参数控制柜25控制试验环境变量，如围压、温度大小及变化速率等；在加载平台9上进行不涉及温度的耦合试验或水力劈裂试验时，试验环境变量如轴压、高水压及加载梯度等由中央控制台26直接控制。同时，利用数据采集系统，可以将实验过程中采集到的数据实时地输出至中央控制台26显示并存储。

Claims (6)

1.一种大型流-固-热多场耦合试验加载系统，其特征在于包括：

压力室及其移动部件；

所述压力室及其移动部件包括相对平行的两个轨道支架（17），轨道支架（17）之间用桁架（33）固定；轨道支架（17）上铺设有轨道（18），还包括一移动钢板（20），所述移动钢板（20）底部设置滚轮（19），所述滚轮（19）设置在所述轨道（18）上；移动钢板（20）上放置压力室；

框架反力部件；

包括顶盖（3）、框架底座（15）及设置在所述顶盖（3）、框架底座（15）之间的四根螺纹钢立柱（7），所述四根螺纹钢立柱（7）上穿射有中部横梁（8），并且所述中部横梁（8）可在所述四根螺纹钢立柱（7）上水平升降；顶盖（3）的上部安装有用于起吊压力室的起吊装置（1）；中部横梁（8）的下部设有可伸缩凸形液压加载轴（10）；所述可伸缩凸形液压加载轴（10）与液压油泵（24）相连；所述液压油泵（24）与中央控制台（26）相连；框架底座（15）上固定有大直径钢块（14），大直径圆钢块（14）的上部中心位置螺纹连接有试验基座（13），试验基座（13）通过支柱连接有加载平台（9）；加载平台（9）上放置试样（31）；所述框架底座（15）与所述两个轨道支架（17）固接；

以及用于收集、反馈信息的实验数据采集存储部件；包括：

安装在试样（31）表面的应变传感器、水压传感器；布置在凸形液压加载轴（10）上的轴压传感器及位移传感器；上述传感器均与中央控制台（26）、试验参数控制柜（25）相连。

2.根据权利要求1所述的一种大型流-固-热多场耦合试验加载系统，其特征在于所述中部横梁（8）在四个角上贯穿的安装有四个齿轮螺栓（6），所述四个齿轮螺栓（6）的内螺纹与螺纹钢立柱（7）的外螺纹紧密咬合在一起；四个齿轮螺栓（6）中靠同一侧的两个齿轮螺栓（6）通过传动轴（4）与电动机（2）相连，同时又分别通过两根传动链条（5）与另外一侧的两个齿轮螺栓（6）相连。

3.根据权利要求2所述的一种大型流-固-热多场耦合试验加载系统，其特征在于所述起吊装置（1）包括电动机、可伸缩钢臂、定滑轮及钢丝绳，其中，可伸缩钢臂上设置有定滑轮，定滑轮上设有钢丝绳，钢丝绳的一端连接挂钩，另一端与电动机的动力端相连。

4.根据权利要求3所述的一种大型流-固-热多场耦合试验加载系统，其特征在于所述加载平台（9）外侧周围有环状凹槽（28），环状凹槽（28）两侧分别设有一个排水孔（29），所述排水孔（29）与皮管（30）相接，用以排除流-固耦合、水力劈裂等试验过程中的渗水。

5.根据权利要求4所述的一种大型流-固-热多场耦合试验加载系统，其特征在于在试样（31）的上、下表面分别设置下垫块和上垫块（12），且上垫块（12）朝向所述可伸缩凸形液压加载轴（10）的一面上具有弧形凹面。

6.根据权利要求5所述的一种大型流-固-热多场耦合试验加载系统，其特征在于所述凸形液压加载轴（10）顶端设有小孔，小孔内设置十字钢架，在所述十字钢架上固定有位移计（11），位移计（11）内设有位移传感器。