CN108871933B - 真三轴压力室的楔形齿双板平面应变机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真三轴压力室的楔形齿双板平面应变机构，真三轴仪压力室包括压力室底板、压力室顶盖及压力室外筒，在真三轴仪压力室内对称设置两组楔形齿双板平面应变机构，楔形齿双板平面应变机构包括楔形齿钢架板、楔形齿光面刚性挡板、卸载螺栓、加载螺栓和压力盒；本发明在传统的三向独立加载真三轴仪压力室内设置楔形齿双板平面应变机构，通过楔形齿钢架板与楔形齿光面刚性挡板的第一楔形齿组和第二楔形齿组相错动完成楔形齿光面刚性挡板的水平施压移动，该结构结合现有的真三轴压力室对岩土材料进行平面应变试验，可准确并稳定的进行平面应变方向上主应力的独立控制和量测，从而获得反映该岩土材料的在平面应变状态条件下的强度和变形特性。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程测试设备技术领域，涉及一种用于真三轴试验研究中平面应变条件下土力学性质测试的装置，具体为一种真三轴压力室的楔形齿双板平面应变机构。
背景技术
在实际工程中，很多工程问题（如深基坑、挡土墙、高填方路堤、大坝、隧道）都处于或近似处于平面应变状态，而目前对于平面应变问题的工程，在设计时，参数的选择一般都是按照常规三轴或直剪试验来确定，未考虑平面应变条件下中主应力方向的约束和应力的变化对土的强度贡献。因此，依据平面应变试验来确定土体的力学特性可充分发挥土的强度，提高工程经济性。
自从Kjellman（1936）对其所研制的3组互相平行的刚性挡板加载方式的真三轴仪进行改造，通过限制主应力方向一对刚性挡板的位移即可对立方体试样施加平面应变应力状态，该装置在被认为是最早的平面应变装置，但该仪器的加载机构复杂，并且相邻两个方向的加载板相互干扰。之后Hambly、Jakobson和Roscoe等以Kjellman所研制平面应变装置为基础开发出了类似的平面应变试验仪，但该类仪器仍然较难克服各刚板之间交叉而产生的应力、应变边角干涉效应。随后，Wood在此基础上改进了压力室，试样为长条形，该仪器基本实现了平面应变条件，由于将作用面长度加大，增大了该面上的摩擦力，导致试验过程中对中主应力作用面上存在剪应力，且量测精度下降。Green开发了小尺寸试样的平面应变仪，虽降低了加载板和试样之间的摩擦力，但同时使得加载装置移动的范围较大，导致试验过程实现起来较困难。这类平面应变仪共同的缺点是刚、柔界面的相互挤压问题及试样与约束板之间的摩擦均会影响试验结果的准确性。基于常规三轴压力室及真三轴仪压力室进行相应的平面应该改造是平面应变仪发展的重要趋势之一。在三轴压力室内加入两块钢板，实现平面应变状态的剪切真三轴仪的蓬勃发展带动了平面应变仪的快速发展，这类平面应变仪大多是在真三轴仪的压力室及应力控制系统上进行改造，或者直接采用真三轴仪来完成平面应变试验。参见图6，在加载过程中有独立的装置来保证方向的应变=0，方向为刚性约束，方向为刚性加载，方向采用柔性水囊加载。这两类改装后的压力室缺点在于刚性板与土样之间的摩擦会影响轴向力的测量和试验结果，且大多不能实现σ2方向上应力的量测。
现有的基于真三轴压力室改造的平面应变系统，原理简单可行，虽实现了方向的应变=0，但实际工程中的平面应变状态对应着明确的应变条件=0，不对应着明确的应力条件。现有的改造只满足了变形条件，且由于刚性挡板装入压力室后无法对其水平位移进行调控，所以会造成在试样固结阶段无法对σ2方向施加固结围压，使得平面应变方向上的主应力σ2在固结阶段未达到固结应力，导致土体在开始剪切初始阶段时，σ2方向上的主应力实为小主应力，随着剪切变形的不断发展，才逐步发展为中主应力，此时，土体才真正进入平面应变状态。正是由于这种差异，导致现有的仪器不能完全模拟实际工程中土的平面应变状态。
发明内容
本申请提供一种真三轴压力室的楔形齿双板平面应变机构，消除现存的缺陷，使得改进后新的压力室平面应变机构既能保证良好的可操作性，又能使土的平面应变状态更符合实际工程情况。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下:
真三轴压力室的楔形齿双板平面应变机构，所述真三轴仪压力室包括压力室底板、压力室顶盖及压力室外筒，在所述真三轴仪压力室内对称设置两组楔形齿双板平面应变机构，所述楔形齿双板平面应变机构包括楔形齿钢架板、楔形齿光面刚性挡板、卸载螺栓、加载螺栓和压力盒；所述楔形齿钢架板的后端面与压力室外筒抵接，楔形齿钢架板前端面上设置有第一楔形齿组；所述楔形齿光面刚性挡板的后端面上设置有第二楔形齿组，楔形齿光面刚性挡板的前端面上嵌设两组压力盒；所述楔形齿钢架板与楔形齿光面刚性挡板通过第一楔形齿组和第二楔形齿组抵接，第一楔形齿组和第二楔形齿组的楔形齿的齿面相错，所述卸载螺栓和加载螺栓分别穿过压力室底板和压力室顶盖与楔形齿钢架板的顶端和底端相接；楔形齿钢架板通过卸载螺栓和加载螺栓的旋动在所述真三轴仪压力室内竖直运动，运动过程中第一楔形齿组与第二楔形齿组相互错动使楔形齿光面刚性挡板水平运动。
进一步的，所述压力盒为振弦式土压力盒。
进一步的，所述楔形齿钢架板与楔形齿光面刚性挡板均由不锈钢材质制成。
进一步的，所述压力室外筒上设置空心螺栓，压力盒的数据线通过空心螺栓内孔外接。
本发明的有益效果：
1.本发明在传统的三向独立加载真三轴仪压力室内设置楔形齿双板平面应变机构，楔形齿双板包括楔形齿钢架板和嵌有两枚振弦式土压力盒的楔形齿光面刚性挡板，通过楔形齿钢架板与楔形齿光面刚性挡板的第一楔形齿组和第二楔形齿组相错动完成楔形齿光面刚性挡板的水平施压移动，该结构结合现有的真三轴压力室对岩土材料进行平面应变试验，可准确并稳定的进行平面应变方向上主应力的独立控制和量测，从而获得反映该岩土材料的在平面应变状态条件下的强度和变形特性。
2.本发明在两块楔形齿光面刚性挡板中心位置开两孔并各嵌入一枚振弦式土压力盒，通过四枚土压力盒测量土体与其接触时产生的应力来记录该方向主应力数值变化，并且选取尺寸较大的振弦式土压力盒以使压力盒能够与土体试样表面充分接触，以消除现有平面应变仪在试验过程中由土样侧面不平整造成的平面应变方向主应力测量不准确问题。
附图说明
图1是本发明机构安装在真三轴仪压力室的结构示意图；
图2是发明机构安装在真三轴仪压力室内的侧剖视图；
图3是本发明楔形齿钢架板的结构示意图；
图4是本发明楔形齿光面刚性挡板的结构示意图；
图5是楔形齿钢架板和楔形齿光面刚性挡板的配合示意图；
图6是试样在平面应变应力路径下受荷状态示意图；
图中，1-压力室底板，2-压力室顶盖，3-压力室外筒，4-楔形齿钢架板，5-楔形齿光面刚性挡板，6-卸载螺栓，7-加载螺栓，8-压力盒，9-空心螺栓。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
参见图1-图5的一种真三轴压力室的楔形齿双板平面应变机构，真三轴仪压力室包括有不锈钢支撑的压力室底板1、压力室顶盖2及压力室外筒3，在真三轴仪压力室内对称设置两组楔形齿双板平面应变机构，楔形齿双板平面应变机构包括不锈钢材质的楔形齿钢架板4和楔形齿光面刚性挡板5，以及卸载螺栓6、加载螺栓7和压力盒8，该压力压力盒8为振弦式土压力盒；楔形齿钢架板4的高度小于真三轴仪压力室的内室高度，楔形齿钢架板4的后端面为光滑面并与压力室外筒3抵接，楔形齿钢架板4前端面上设置有第一楔形齿组，第一楔形齿组包括多组在同一直线上的楔形齿；楔形齿光面刚性挡板5的高度与真三轴仪压力室的内室高度相同，楔形齿光面刚性挡板5的后端面上设置有第二楔形齿组，第二楔形齿组包括多组在同一直线上的楔形齿，楔形齿光面刚性挡板5的前端面上嵌设两组压力盒8，两组压力盒8的数据线通过空心螺栓9内孔外接；楔形齿钢架板4与楔形齿光面刚性挡板5通过第一楔形齿组和第二楔形齿组抵接，第一楔形齿组和第二楔形齿组的楔形齿的齿面相错，卸载螺栓6和加载螺栓7分别穿过压力室底板1和压力室顶盖2上的螺孔与楔形齿钢架板4的顶端和底端相抵接；楔形齿钢架板4通过卸载螺栓和加载螺栓的旋动进而在真三轴仪压力室内竖直运动，在其运动过程中第一楔形齿组与第二楔形齿组相互错动使楔形齿光面刚性挡板5水平运动。
下面介绍本发明楔形齿双板平面应变机构的工作过程:
试样在真三轴仪压力室装好后，在平面应变方向的压力室两侧各垂直放入一对楔形齿钢架板4和楔形齿光面刚性挡板5，小主应力方向围压施加方式与现有真三轴仪操作一致；盖上压力室顶盖2，以一侧为例，先将卸载螺栓6顺时针拧出压力室底板1为楔形齿钢架板4垂直向下移动留出空间，再将加载螺栓7放入压力室顶盖2的螺孔中顺时针旋转，加载螺栓7垂直下降直至顶到楔形齿钢架板4顶端并顶着其垂直向下移动，从而使楔形齿钢架板4与楔形齿光面刚性挡板5之间的第一楔形齿组和第二楔形齿组产生相互错动，使楔形齿光面刚性挡板5向压力室内运动，从而推动楔形齿光面刚性挡板5向内和试样紧密接触，对试样施加围压。
如果手动旋转加载螺栓7缩施加的围压时比设定围压略大时，先逆时针旋转加载螺栓7为楔形齿钢架板4垂直向上移动留出空间，再逆时针旋转压力室底板1上的卸载螺栓6，使卸载螺栓6垂直上升顶到楔形齿钢架板4底端，推动楔形齿钢架板4垂直向上移动，使楔形齿钢架板4和楔形齿光面刚性挡板5之间的第一楔形齿组与第二楔形齿组产生空隙，从而释放围压，待围压达到设定值后立即停止旋转卸载螺栓6，同时顺时针旋转加载螺栓7使楔形齿钢架板4重新固定，限制楔形齿光面刚性挡板5的水平移动，保持该方向上的平面应变应力应变状态。
试验时，随着轴向压力的增大，土体变形对楔形齿光面刚性挡板5产生的压应力也会导致楔形齿产生相互错动对，使楔形齿钢架板4产生垂直向上移动的趋势，但由于加载螺栓7固定不动使楔形齿钢架板4无法垂直向上移动，从而保证了在试验过程中方向的应变始终为零。
图1中可见，将楔形齿光面刚性挡板5的前端宽度增大尽量封堵与真三轴仪压力室的缝隙，这样有利于保证小主应力方向乳胶模在试验中的正常使用。
本发明是在原有真三轴仪的基础之上做出的改进，在上述楔形齿双板平面应变机构设计之外，本发明其他的改进内容包括：
、平面应变压力室外围结构
真三轴仪压力室由压力室底板、压力室顶盖及压力室外筒构成，材质都属于光面不锈钢材料。压力室顶盖改造之处在于对顶板和底板平面应变方向的两侧正对楔形齿钢架板中心的垂直上下两端开M10螺孔，并安装长度为45mm的M10螺栓；外筒的设计与现有真三轴仪保持一致。
、平面应变压力室内部结构
压力室内部结构改造在于取消了原真三轴仪内用于阻隔柔性水囊的四块隔板，通过在平面应变对称方向加设一对楔形齿双板机构限制该方向上的应变发展以模拟平面应变状态，并加长刚性挡板的宽度封闭去掉隔板后留下的缝隙，防止注水加压后的乳胶囊钻入缝隙发生破损，确保楔形齿光面刚性挡板和乳胶囊可以直接与土体试样接触，从而使侧向围压可以正常传递到土体试样。
③、中主应力加、卸载机构
在土样开始固结时，中主应力σ2是由人工控制背面有楔形齿的光面刚性挡板向内水平移动，挤压土体试块而产生的压力所提供。楔形齿光面刚性挡板的水平移动方式是通过手动顺时针旋转压力室顶板上的两颗螺母使螺母垂直向下移动，直至顶到楔形齿光面刚性挡板外侧的楔形齿钢架板使钢架板垂直向下移动，从而使钢架板与刚性挡板之间的楔形齿产生相互错动。由于钢架板外侧的压力室外筒限制了楔形齿错动产生向外侧的水平位移，因此水平位移只会向压力室内发展，从而推动刚性挡板向内挤压土体试块施加围压。在进行压剪试验时，土体变形对刚性挡板的产生的压应力也会在钢架板与刚性挡板之间的楔形齿产生相互错动对，但由于螺母位置不动使钢架板无法垂直向上移动，从而在试验过程中一直限制土体在该方向上的应变发展来模拟ɛ2=0的平面应变状态。此外，如平面应变方向上的应力出现偏大情况，可以通过手动旋转压力室底板上的两颗螺母使螺母垂直向上移动，从而使楔形齿双板产生逆向错动以卸载围压，保证试验的合理性。
小主应力σ3方向固结加压系统与原真三轴仪保持一致。由微机控制，固结压力由伺服步进电机推动液压缸活塞产生液压，液压通过管道传递于柔性液压乳胶囊后施加到土体试样。为避免液压囊在试验过程中挤入中主应力方向刚性板和压力室缝隙发生破坏，故在液压囊和土样之间放置一层薄橡胶膜，将液压囊包裹，以封闭缝隙。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (1)
1.真三轴压力室的楔形齿双板平面应变机构，所述真三轴压力室包括压力室底板（1）、压力室顶盖（2）及压力室外筒（3），其特征在于，在所述真三轴压力室内对称设置两组楔形齿双板平面应变机构，所述楔形齿双板平面应变机构包括楔形齿钢架板（4）、楔形齿光面刚性挡板（5）、卸载螺栓（6）、加载螺栓（7）和压力盒（8）；所述楔形齿钢架板（4）的后端面与压力室外筒（3）抵接，楔形齿钢架板（4）前端面上设置有第一楔形齿组；所述楔形齿光面刚性挡板（5）的后端面上设置有第二楔形齿组，楔形齿光面刚性挡板（5）的前端面上嵌设两组压力盒；所述楔形齿钢架板（4）与楔形齿光面刚性挡板（5）通过第一楔形齿组和第二楔形齿组抵接，第一楔形齿组和第二楔形齿组的楔形齿的齿面相错，所述卸载螺栓和加载螺栓分别穿过压力室底板（1）和压力室顶盖（2）与楔形齿钢架板的顶端和底端相接；楔形齿钢架板（4）通过卸载螺栓和加载螺栓的旋动在所述真三轴压力室内竖直运动，运动过程中第一楔形齿组与第二楔形齿组相互错动使楔形齿光面刚性挡板（5）水平运动；所述压力盒（8）为振弦式土压力盒；
所述楔形齿钢架板（4）与楔形齿光面刚性挡板（5）均由不锈钢材质制成；
所述压力室外筒（3）上设置空心螺栓（9）。
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