CN105424505A - 一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置和方法，反力架的底部设置有动力源，动力源的顶部设置有可移动底座，可移动底座上部设置有下垫块，下垫块上设置有下透水垫，下透水板的顶部安装有试样，试样的外表面设置有乳胶膜，试样的顶部设置有上透水板，上透水板的顶部设置有上垫块，上垫块的顶部通过上定位销定位安装有自平衡球头装置，轴向传力杆穿过围压室上盖与自平衡球头装置的上顶面相接触配合，轴向传力杆和反力架之间设置有轴向传感器。此试验装置能够满足不同尺寸试样的三轴剪切试验，克服了传统三轴试验仪只能对一种尺寸的试样进行试验以及水平密封易造成密封圈损伤的缺陷。

Description

一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置和方法

技术领域

本发明涉及岩土工程土工试验的技术领域，是一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的试验装置和试验方。

背景技术

三轴试验是土力学方面最重要的试验之一，是岩土工程工作者考察土的工程力学性状、寻求合理设计参数、从事理论研究所不可缺少的试验手段。在进行土坝、边坡等土工建筑物的稳定性计算，土压力问题及地基承载力等问题的研究时，广泛采用的破坏准则为摩尔—库伦破坏准则，而三轴剪切试验是一种广泛应用的可利用摩尔—库伦准则求解相关参数的试验；常规三轴剪切试验及复杂的不同应力路径下三轴剪切试验是研究岩土工程材料的本构模型等问题的重要途径，各大高校和科研院所均在进行不同岩土材料的三轴试验研究。因此，三轴剪切试验仪的应用非常广泛。

传统的大型三轴剪切试验仪存在以下几个不足：

（1）三轴剪切试验仪的围压室与可移动底座一般通过螺栓进行连接，而螺栓虽然可以解决围压室与可移动底座的连接问题，但是将其运用在大型三轴剪切试验仪上时，普遍存在因螺栓个数较多，连接费时费力且不可避免的存在不同螺栓安装松紧程度不一的问题。

（2）在试样安装过程中，三轴剪切试验仪的围压室与可移动底座的密封措施，一般是通过在可移动底座上的水平面预留凹槽内放置密封圈与围压室的底面在水平方向上通过螺栓进行挤压密封，存在水平凹槽内的土颗粒不易清洗干净等不利因素。而水平凹槽的设计在清洗不彻底情况下，极易损伤密封圈，在造成密封效果差的同时，减少了密封圈的使用寿命。

（3）因研究需要对岩土工程材料进行三轴剪切试验时，传统的三轴剪切试验中试样的尺寸一般取直径高度为300×600mm、200×400mm、150×300mm的圆柱体，而由于传统的室内三轴剪切仪只能进行一种尺寸（如300×600mm）试样的试验，在科研人员或试验方案的需求而进行研究不同尺寸（如200×400mm）试样的力学特性、试样尺寸效应等问题时就需要特定试样尺寸（如200×400mm）的三轴剪切试验仪。因此购置相同试验原理，仅仅试样尺寸不同的三轴剪切试验仪造成了企业营运成本高，高校、科研院所科研经费利用率低，浪费了国家资源。

本发明提供的三轴剪切试验仪用一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的试验装置和试验方法，只需要利用同一台三轴试验剪切仪的轴向加荷系统、围压施加系统、计算量测等系统，克服了传统三轴试验仪只能对一种尺寸的试样进行试验以及水平密封易造成密封圈损伤的缺陷。

发明内容

本装置的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置和方法，此试验装置能够满足不同尺寸试样的三轴剪切试验，克服了传统三轴试验仪只能对一种尺寸的试样进行试验以及水平密封易造成密封圈损伤的缺陷。

为实现上述目的，本发明将采用以下材料和技术方案：一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置，它包括反力架，反力架的底部设置有动力源，动力源的顶部设置有可移动底座，可移动底座上部设置有下垫块，下垫块上设置有下透水垫，下透水板的顶部安装有试样，试样的外表面设置有乳胶膜，试样的顶部设置有上透水板，上透水板的顶部设置有上垫块，上垫块的顶部通过上定位销定位安装有自平衡球头装置，轴向传力杆穿过围压室上盖与自平衡球头装置的上顶面相接触配合，轴向传力杆和反力架之间设置有轴向传感器，围岩室钢壁的顶端通过上卡扣与围压室上盖固定相连，围岩室钢壁的底端通过下卡扣和可移动底座固定相连。

所述自平衡球头装置包括自平衡球头上立柱，自平衡球头上立柱与轴向传力杆的下端面相配合，多个对称布置的上螺纹杆固定安装在自平衡球头上立柱的外壁上，自平衡球头下立柱通过球形面与自平衡球头上立柱相配合，多个对称布置的下螺纹杆固定安装在自平衡球头下立柱的外壁上，拉伸弹簧分别设置在上螺纹杆和下螺纹杆之间，自平衡球头下立柱的底部端面加工有定位槽，定位槽内部安装有上定位销并与上垫块相配合。

所述上垫块的直径和高度能够根据试验需要定制加工，上垫块的上表面加工有上定位槽，上定位槽与上定位销相配合定位，上垫块的下表面加工有下定位槽。

所述上透水板内部加工有上排水孔，上透水板顶部的定位槽安装有一号定位销，上透水板的侧面加工有上密封槽，上密封环与上密封槽配合固定乳胶膜的上端，上透水板的底端面加工有上透水孔，上透水孔与试样的上端面相配合。

所述下透水板内部加工有下进水孔，下透水板的顶面加工有下透水孔，下透水板的侧面加工有下密封槽，下密封环与下密封槽配合固定乳胶膜的下端，下透水板的底面加工有定位槽，定位槽内部设置有二号定位销。

所述上卡扣和下卡扣采用相同的结构，都采用三段剖分式的结构，三段组合成整个圆周；所述下卡扣包括卡扣体，在卡扣体的一个端面设置有卡扣定位销，另一个端面加工有卡扣定位销孔，三段卡扣体首尾相组合构成整个下卡扣。

所述上卡扣的外部安装有上套环，所述上套环包括套环环体，套环环体的外壁对称安装有套环把手。

所述下卡扣的外部套装有下套环；所述下套环与上套环的结构相同。

所述可移动底座的外圆周加工有密封槽，密封槽内部安装有密封圈与围岩室钢壁的内部相配合，可移动底座的右侧加工有贯穿的下排水口和试样进水口，可移动底座的左侧加工有贯穿的围岩室进水口；所述试样进水口通过下进水管与下透水板的下进水孔相连通。

所述上透水板的上排水孔通过排水管与下排水口相连通。

采用上述三轴剪切试验装置的试验方法，它包括以下步骤：

1）根据试验要求的试样尺寸选择与其相匹配的上垫块、上透水板、下透水板和下垫块。

2）将乳胶膜的底端通过下密封环固定在下透水板的外壁上，然后将装样的成膜桶安装在乳胶膜的外侧，按照土工试验规程的要求进行制样，制样完成后将上透水板置于试样的顶部，并通过上密封环将乳胶膜的上端固定在上透水板的外侧，从而完成试验制备。

3）试样制备完成之后，选择合适尺寸的上垫块，将上垫块的上定位槽与上定位销相配合并与自平衡球头装置的自平衡球头下立柱定位配合，从而保证试样、上透水板、上垫块和自平衡球头装置的中心在同一中心线上。

4）将围岩室钢壁的上下两端分别通过上卡扣和下卡扣固定安装在围压室上盖和可移动底座上，对试样进行试样保护，再将上套环套装在上卡扣的外部，将下套环套装在下卡扣的外部。

5）将围岩室进水口与进水管相连，将试样进水口也与进水管相连通。

6）启动动力源再通过软件控制系统完成试验过程，记录实验过程中得到的试验数据，直到试验结束。

本发明的优点与有益效果在于：

1、不同尺寸的上透水板和下透水板能够满足不同尺寸试样的需求。根据进行试验的试样尺寸选择匹配的上透水板和下透水板。下透水板上设有下进水孔和下透水孔，下进水孔连接进水管；上透水板上设有上排水孔及上透水孔，上排水孔通过排水管连接至可移动底座上的下排水口，下排水口连接至三轴压力室外的体变量测系统，上、下透水板分别设置有上密封槽和下密封槽，通过安装上密封环和下密封环将乳胶膜固定在试样的外侧，起到密封作用。

2、不同尺寸的垫块能够满足不同尺寸试样的试验需求。根据进行试验的试样尺寸选择匹配的垫块。垫块中心设有上定位槽和下定位槽，通过安装定位稍将垫块安装在可移动底座上，定位槽可确保垫块与垫块连接的透水板和试样的中心位置位于三轴压力室的中心，从而保证试验过程中试样的受理平衡，保证试验的精度。

3、通过自平衡球头装置保证试验过程的加载力都集中在试样的中心。在试样的上垫块上方设置自平衡球头装置，通过定位槽和定位销之间的配合保证将平衡球头装置安装在试样的上方。自平衡球头装置由自平衡球头上立柱和自平衡球头下立柱组成，在上、下立柱的外壁各设有四根螺纹杆，通过拉伸弹簧对上下盘螺栓进行两两连接，完成上、下立柱的连接，保证了上、下立柱不会脱离。

4、在可移动底座的侧壁设置密封圈凹槽解决了密封处不易清洗的困难。侧面密封圈凹槽的设计解决了水平面密封颗粒不易清洗彻底进而对密封圈造成损伤的缺陷，利用围压室内壁与可移动底座侧壁对密封圈的相互挤压完成密封过程，保证了密封效果，同时提高了装置的稳定性和耐用性。

5、代替螺栓的卡扣连接件及辅助卡扣连接件套环提高了组装效率。连接件由三个呈120°的相同的卡扣组件构成，卡扣的两端分别设置有定位孔和定位稍，套环设置有两个把手，方便安装和拆卸。

上述的试样装置能够适用于不同尺寸试样的三轴剪切试验，而且试样安装过程简单方便，提高了试验装置的适应性和耐用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的整体结构剖视图。

图2是本发明的自平衡球头装置结构示意图。

图3是本发明的自平衡球头上立柱的俯视图。

图4是本发明的上透水板试样以及下透水板的安装结构示意图。

图5是本发明的上垫块的结构示意图。

图6是本发明的上套环的结构示意图。

图7是本发明的图6中上套环的C-D剖视图。

图8是本发明的下卡扣的结构示意图。

图9是本发明的可移动底座的结构示意图。

图中：反力架1、轴向传感器2、轴向传力杆3、围压室上盖4、围压室上出水口5、上卡扣6、上套环7、自平衡球头装置8、上定位销9、上垫块10、上透水板11、试样12、围岩室钢壁13、乳胶膜14、排水管15、下透水板16、下进水管17、下垫块18、下套环19、下卡扣20、可移动底座21、动力源22。

自平衡球头上立柱801、上螺纹杆802、拉伸弹簧803、球头面804、下螺纹杆805、自平衡球头下立柱806。

一号定位销1101、上排水孔1102、上密封槽1103、上密封环1104、上透水孔1105。

下透水孔1601、下密封槽1602、下密封环1603、下进水孔1604、二号定位销1605。

上定位槽1001、下定位槽1002。

套环环体701、套环把手702。

卡扣体2001、卡扣定位销2002、卡扣定位销孔2003。

密封圈2101、下排水口2102、试样进水口2103、围岩室进水口2104。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置，它包括反力架1，反力架1的底部设置有动力源22，通过动力源22为试验过程中的试样12提高动力，在动力源22的顶部设置有可移动底座21，可移动底座21上部设置有下垫块18，下垫块18上设置有下透水垫16，下透水板16的顶部安装有试样12，试样12的外表面设置有乳胶膜14，试样12的顶部设置有上透水板11，上透水板11的顶部设置有上垫块10，上垫块10的顶部通过上定位销9定位安装有自平衡球头装置8，轴向传力杆3穿过围压室上盖4与自平衡球头装置8的上顶面相接触配合，轴向传力杆3和反力架1之间设置有轴向传感器2，围岩室钢壁13的顶端通过上卡扣6与围压室上盖4固定相连，围岩室钢壁13的底端通过下卡扣20和可移动底座21固定相连。在试验过程中按照图中所示的安装结构将试样12和试验设备的各个组件进行安装，进而保证试验的试验的正常进行。

如图2-3，所述自平衡球头装置8包括自平衡球头上立柱801，自平衡球头上立柱801与轴向传力杆3的下端面相配合，多个对称布置的上螺纹杆802固定安装在自平衡球头上立柱801的外壁上，自平衡球头下立柱806通过球形面804与自平衡球头上立柱801相配合，多个对称布置的下螺纹杆805固定安装在自平衡球头下立柱806的外壁上，拉伸弹簧803分别设置在上螺纹杆802和下螺纹杆805之间，自平衡球头下立柱806的底部端面加工有定位槽，定位槽内部安装有上定位销9并与上垫块10相配合。

进一步的，通过自平衡球头装置8能够保证试验过程中试样12所受到的挤压力始终沿着试样12的中心轴线位置。

如图5，所述上垫块10的直径和高度能够根据试验需要定制加工，上垫块10的上表面加工有上定位槽1001，上定位槽1001与上定位销9相配合定位，上垫块10的下表面加工有下定位槽1002。

如图4，所述上透水板11内部加工有上排水孔1102，上透水板11顶部的定位槽安装有一号定位销1101，上透水板11的侧面加工有上密封槽1103，上密封环1104与上密封槽1103配合固定乳胶膜14的上端，上透水板11的底端面加工有上透水孔1105，上透水孔1105与试样12的上端面相配合。

进一步的，所述下透水板16内部加工有下进水孔1604，下透水板16的顶面加工有下透水孔1601，下透水板16的侧面加工有下密封槽1602，下密封环1603与下密封槽1602配合固定乳胶膜14的下端，下透水板16的底面加工有定位槽，定位槽内部设置有二号定位销1605。

如图8，所述上卡扣6和下卡扣20采用相同的结构，都采用三段剖分式的结构，三段组合成整个圆周；所述下卡扣20包括卡扣体2001，在卡扣体2001的一个端面设置有卡扣定位销2002，另一个端面加工有卡扣定位销孔2003，三段卡扣体2001首尾相组合构成整个下卡扣20。

进一步的，通过采用剖分式结构能够替代传统的螺纹连接方式，提高了可移动底座21与围岩室钢壁13之间的连接效率，同时也提高了其安装效果，保证了受力平衡，提高了试验精度。

进一步的，所述上卡扣6的外部安装有上套环7，所述上套环7包括套环环体701，套环环体701的外壁对称安装有套环把手702。

进一步的，所述下卡扣20的外部套装有下套环19；所述下套环19与上套环7的结构相同。

如图9，所述可移动底座21的外圆周加工有密封槽2101，密封槽2101内部安装有密封圈与围岩室钢壁13的内部相配合，可移动底座21的右侧加工有贯穿的下排水口2102和试样进水口2103，可移动底座21的左侧加工有贯穿的围岩室进水口2104；所述试样进水口2103通过下进水管17与下透水板16的下进水孔1604相连通。通过采用侧面的密封槽2101在保证了可移动底座21与围岩室钢壁13之间密封效果的同时，也方便了其后续的清洗过程。

进一步的，所述上透水板11的上排水孔1102通过排水管15与下排水口2102相连通。

实施例2：

采用上述三轴剪切试验装置的试验方法，它包括以下步骤：

1、根据试验要求的试样尺寸选择与其相匹配的上垫块10、上透水板11、下透水板16和下垫块18。

2、将乳胶膜14的底端通过下密封环1603固定在下透水板16的外壁上，然后将装样的成膜桶安装在乳胶膜14的外侧，按照土工试验规程的要求进行制样，制样完成后将上透水板11置于试样12的顶部，并通过上密封环1104将乳胶膜14的上端固定在上透水板11的外侧，从而完成试验制备。

3、试样制备完成之后，选择合适尺寸的上垫块10，将上垫块10的上定位槽1001与上定位销9相配合并与自平衡球头装置8的自平衡球头下立柱806定位配合，从而保证试样12、上透水板11、上垫块10和自平衡球头装置8的中心在同一中心线上。

4、将围岩室钢壁13的上下两端分别通过上卡扣6和下卡扣20固定安装在围压室上盖4和可移动底座21上，对试样12进行试样保护，再将上套环7套装在上卡扣6的外部，将下套环19套装在下卡扣20的外部。

5、将围岩室进水口2104与进水管相连，将试样进水口2103也与进水管相连通。

6、启动动力源22再通过软件控制系统完成试验过程，记录实验过程中得到的试验数据，直到试验结束。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置，它包括反力架（1），反力架（1）的底部设置有动力源（22），其特征在于：动力源（22）的顶部设置有可移动底座（21），可移动底座（21）上部设置有下垫块（18），下垫块（18）上设置有下透水垫（16），下透水板（16）的顶部安装有试样（12），试样（12）的外表面设置有乳胶膜（14），试样（12）的顶部设置有上透水板（11），上透水板（11）的顶部设置有上垫块（10），上垫块（10）的顶部通过上定位销（9）定位安装有自平衡球头装置（8），轴向传力杆（3）穿过围压室上盖（4）与自平衡球头装置（8）的上顶面相接触配合，轴向传力杆（3）和反力架（1）之间设置有轴向传感器（2），围岩室钢壁（13）的顶端通过上卡扣（6）与围压室上盖（4）固定相连，围岩室钢壁（13）的底端通过下卡扣（20）和可移动底座（21）固定相连；

所述自平衡球头装置（8）包括自平衡球头上立柱（801），自平衡球头上立柱（801）与轴向传力杆（3）的下端面相配合，多个对称布置的上螺纹杆（802）固定安装在自平衡球头上立柱（801）的外壁上，自平衡球头下立柱（806）通过球形面（804）与自平衡球头上立柱（801）相配合，多个对称布置的下螺纹杆（805）固定安装在自平衡球头下立柱（806）的外壁上，拉伸弹簧（803）分别设置在上螺纹杆（802）和下螺纹杆（805）之间，自平衡球头下立柱（806）的底部端面加工有定位槽，定位槽内部安装有上定位销（9）并与上垫块（10）相配合。

2.根据权利要求1所述的一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置，其特征在于：所述上垫块（10）的直径和高度能够根据试验需要定制加工，上垫块（10）的上表面加工有上定位槽（1001），上定位槽（1001）与上定位销（9）相配合定位，上垫块（10）的下表面加工有下定位槽（1002）。

3.根据权利要求1所述的一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置，其特征在于：所述上透水板（11）内部加工有上排水孔（1102），上透水板（11）顶部的定位槽安装有一号定位销（1101），上透水板（11）的侧面加工有上密封槽（1103），上密封环（1104）与上密封槽（1103）配合固定乳胶膜（14）的上端，上透水板（11）的底端面加工有上透水孔（1105），上透水孔（1105）与试样（12）的上端面相配合。

4.根据权利要求1所述的一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置，其特征在于：所述下透水板（16）内部加工有下进水孔（1604），下透水板（16）的顶面加工有下透水孔（1601），下透水板（16）的侧面加工有下密封槽（1602），下密封环（1603）与下密封槽（1602）配合固定乳胶膜（14）的下端，下透水板（16）的底面加工有定位槽，定位槽内部设置有二号定位销（1605）。

5.根据权利要求1所述的一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置，其特征在于：所述上卡扣（6）和下卡扣（20）采用相同的结构，都采用三段剖分式的结构，三段组合成整个圆周；所述下卡扣（20）包括卡扣体（2001），在卡扣体（2001）的一个端面设置有卡扣定位销（2002），另一个端面加工有卡扣定位销孔（2003），三段卡扣体（2001）首尾相组合构成整个下卡扣（20）。

6.根据权利要求1或5所述的一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置，其特征在于：所述上卡扣（6）的外部安装有上套环（7），所述上套环（7）包括套环环体（701），套环环体（701）的外壁对称安装有套环把手（702）。

7.根据权利要求1所述的一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置，其特征在于：所述下卡扣（20）的外部套装有下套环（19）；所述下套环（19）与上套环（7）的结构相同。

8.根据权利要求1所述的一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置，其特征在于：所述可移动底座（21）的外圆周加工有密封槽（2101），密封槽（2101）内部安装有密封圈与围岩室钢壁（13）的内部相配合，可移动底座（21）的右侧加工有贯穿的下排水口（2102）和试样进水口（2103），可移动底座（21）的左侧加工有贯穿的围岩室进水口（2104）；所述试样进水口（2103）通过下进水管（17）与下透水板（16）的下进水孔（1604）相连通。

9.根据权利要求4所述的一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置，其特征在于：所述上透水板（11）的上排水孔（1102）通过排水管（15）与下排水口（2102）相连通。

10.采用权利要求1-9任意一项三轴剪切试验的装置的试验方法，其特征在于，它包括以下步骤，

1）根据试验要求的试样尺寸选择与其相匹配的上垫块（10）、上透水板（11）、下透水板（16）和下垫块（18）；

2）将乳胶膜（14）的底端通过下密封环（1603）固定在下透水板（16）的外壁上，然后将装样的成膜桶安装在乳胶膜（14）的外侧，按照土工试验规程的要求进行制样，制样完成后将上透水板（11）置于试样（12）的顶部，并通过上密封环（1104）将乳胶膜（14）的上端固定在上透水板（11）的外侧，从而完成试验制备；

3）试样制备完成之后，选择合适尺寸的上垫块（10），将上垫块（10）的上定位槽（1001）与上定位销（9）相配合并与自平衡球头装置（8）的自平衡球头下立柱（806）定位配合，从而保证试样（12）、上透水板（11）、上垫块（10）和自平衡球头装置（8）的中心在同一中心线上；

4）将围岩室钢壁（13）的上下两端分别通过上卡扣（6）和下卡扣（20）固定安装在围压室上盖（4）和可移动底座（21）上，对试样（12）进行试样保护，再将上套环（7）套装在上卡扣（6）的外部，将下套环（19）套装在下卡扣（20）的外部；

5）将围岩室进水口（2104）与进水管相连，将试样进水口（2103）也与进水管相连通；

6）启动动力源（22）再通过软件控制系统完成试验过程，记录实验过程中得到的试验数据，直到试验结束。