CN110426295A - 接触面剪切三轴测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及接触面剪切三轴测试装置及方法，所述装置包括试样装置、压力室、加压装置和数据采集装置。试样装置的底座为复合型底座，空心圆柱体状试样的底座为固定型，与空心圆柱体状试样内部接触的芯柱状试样底座可以上下移动；加压装置由周围压力和反压力调节装置组成；数据采集装置用于土体的轴向位移及体积变形、轴向力、孔隙水压力的数据采集。试验过程中荷载的施加及控制、剪切速率的设定和轴向位移、体积变形、孔隙水压力的数据采集均由计算机控制。本发明装置及方法可测试不同土体接触面在复杂应力路径条件下的受力变形特性，实现土体接触面三轴剪切的室内试验研究，装置简单易操作，试验成本低。

Description

接触面剪切三轴测试装置及方法

技术领域

本发明属于接触面剪切试验装置技术领域，具体涉及一种接触面剪切三轴测试装置及方法。

背景技术

原位试验的场地条件完全真实，其试验结果相对可靠，但对于港口码头、高坝大库、桥梁隧道、地基基础、深海岩土等工程中的同种性质材料或不同性质材料的接触面问题，由于所处环境介质复杂、多相多场相互作用强烈、时空跨度大，进行现场全过程监测难度较大，而且成本较高。相比之下，室内模型试验在揭示接触面的作用机理、验证科学理论和解决工程技术难题时，更为灵活有效。

目前，在接触面三轴剪切的相互作用分析中，基本都是考虑桩-土相互作用问题，而且对于研究土体中水的渗流、土层固结、应力水平、初始状态等因素的影响存在较大难度。人们对接触面相互作用的研究已取得一定成就，上海交通大学陈锦剑等人针对基坑开挖卸荷会导致桩基承载力损失和引起桩身拉力作用所带来的安全问题，研制了一套可控制复杂应力状态变化的桩土接触面三轴模拟试验仪，可以实现复杂应力状态下桩土接触面相互作用特性研究，该试验仪三轴压力室内接触面的法向应力采用气压加载，最大荷载为600kPa。该设备不适用于岩土材料接触面在三轴剪切作用下的摩擦特性，而且三轴压力室的荷载较小，难以满足高坝大库的要求。目前，对于同种或不同种岩土体的接触面在三轴剪切作用下的摩擦特性研究较少，尚无相应的试验测试装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有试验技术缺陷，提供一种接触面剪切三轴测试装置及方法，用于在室内试验中测量同种性质材料或不同性质材料之间接触面在复杂应力路径条件下及不同初始状态下的受力变形特性，从而实现接触面三轴剪切的室内试验研究。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种接触面剪切三轴测试装置，包括试样装置、压力室、加压装置和数据采集装置；

所述试样装置设置于压力室内，包括试样底座、试样帽及设置于试样底座上的试样；所述底座为复合型底座，包括空心环状固定底座及中间的圆形底座，圆形底座相对于空心环状固定底座可以发生垂直位移；空心环状固定底座上放置空心圆柱体状试样，圆形底座上放置芯柱状试样；芯柱状试样和空心圆柱体状试样顶部设有试样帽；

所述压力室上方设有排气孔；

所述加压装置通过相应管路与空心环状固定底座相连并向试样施加压力，加压装置包括周围压力调节装置和反压力调节装置；

所述周围压力调节装置通过周围压力管路连接至空心环状固定底座，与压力室相连通，通过压力室向试样施加周围压力；

所述反压力调节装置通过反压力管路连接至空心环状固定底座，与试样相连通，向试样直接施加反压力；

所述数据采集装置用于采集试样在固结过程中的体积变形数据及剪切过程中的轴向位移、轴向力、孔隙水压力及体积变形数据。

本发明的装置，试样底座为复合型底座，空心圆柱体状试样的底座为固定型，与空心圆柱体状试样内部接触的圆形底座可以上下移动，继而可以实现芯柱状试样相对空心圆柱体状试样发生相对位移；压力室为透明有机玻璃，通过压力室施加周围压力使土样均匀受压；加压装置由周围压力调节装置和反压力调节装置组成，实现不同应力路径条件及不同初始状态下的接触面三轴剪切室内试验。

作为本发明的进一步改进，所述周围压力调节装置包括周围压力阀、压力源和周围压力控制器；所述压力源沿周围压力管路经周围压力阀向压力室输入压力，所述周围压力控制器用于控制压力源的大小、周围压力的加载及卸载。

作为本发明的进一步改进，所述反压力调节装置包括体压力源和反压力控制器；所述压力源沿反压力管路依次经体变量测管、体变量测管阀向试样输入压力；所述体变量测管通过管路连接至试样帽及空心环状固定底座与试样相连通，测量试样在固结过程及发生剪切过程中的体积变化；所述反压力控制器用于控制压力源的大小、反压力的加载及卸载。

作为本发明的进一步改进，所述数据采集装置包括孔隙水压力量测装置，孔隙水压力量测装置经孔隙水压力量测管路连接至空心环状固定底座，与试样相连通；所述孔隙水压力量测装置包括量管阀、量水管、孔隙水压力阀和孔隙水压力传感器；所述量水管由量管阀控制，用于排除孔隙水压力管路中的气体；所述孔隙水压力传感器由孔隙水压力阀控制，用于测量试验过程中产生的孔隙水压力。

作为本发明的进一步改进，所述数据采集装置包括升降装置和轴向力传感器，所述升降装置包括升降台、试验机主机，所述升降台设置于试验机主机上、试样底座底部；所述试验机主机，顶部设有横梁，轴向力传感器一端连接试验机主机横梁，另一端通过活塞与试样帽相连。

作为本发明的进一步改进，所述装置还包括乳胶膜，所述乳胶膜的直径与空心圆柱体状试样的外径一致，乳胶膜厚度为0.1mm~0.2mm；乳胶膜包裹于空心圆柱体状试样外侧，顶部与试样帽连接并用橡皮圈扎紧，下端与空心环状固定底座连接并用橡皮圈扎紧。采用乳胶膜可隔离压力室和试样内部的水。

作为本发明的进一步改进，所述空心圆柱体状试样上下设有与空心圆柱体状试样相同尺寸的环状透水板，所述芯柱状试样上下配备有与芯柱状试样相同尺寸的圆形透水板；所述环状透水板、圆形透水板分别镶嵌在对应的试样底座及顶部试样帽上。

作为本发明的进一步改进，所述空心环状固定底座和圆形底座齐平，内部安装有密封圈，确保试样底座密封良好；所述芯柱状试样高度小于外侧空心圆柱体状试样高度，芯柱状试样的试样帽与空心圆柱体状试样的试样帽连接处设有密封圈，确保试样顶部密封完好；芯柱状试样的试样帽高度大于空心圆柱体状试样的试样帽的高度，确保剪切过程中芯柱状试样有足够的空间发生相对位移。

作为本发明的进一步改进，所述芯柱状试样的试样帽与空心圆柱体状试样的试样帽连接处设有连接卡扣；所述压力室的活塞作用于芯柱状试样的试样帽上。

作为本发明的进一步改进，通过更换试样顶帽和底座，该装置即可进行常规的三轴剪切试验。

本发明还提供了上述装置用于接触面剪切三轴测试的方法，包括如下步骤：

（1）排除管路中空气；

（2）安装试样；

（3）将压力室与试样底座连接固定，打开排气孔，通过周围压力调节装置向压力室注水，待注满后关闭排气孔，启动电源，调节使活塞与轴向力传感器和试样帽接触。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（1）中，打开量管阀，量水管中的自由水将管路中的气体从空心环状固定底座排出，体变量测装置管路中的气体由反压力调节装置将体变量测管中的自由水沿管路从试样帽及空心环状固定底座排出。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（2）中，将空心圆柱体状试样下透水板放置于空心环状固定底座上，芯柱状试样下透水板放置于圆形底座上，安装空心圆柱体状试样和芯柱状试样，然后将空心圆柱体状试样上透水板放置在空心圆柱体状试样顶部，芯柱状试样上透水板放置在芯柱状试样顶部，同时将乳胶膜套在空心圆柱体状试样外侧，将乳胶膜底部扎在空心环状固定底座上，最后安装试样帽，并将乳胶膜顶部扎在试样帽上。

本发明的装置和方法可用以研究土层深度、固结度、渗流、应力水平、土体饱和度、密度、含水率等因素及多相多场耦合作用下的接触面相互作用，适用于同种岩土材料、不同种岩土材料、桩-土及混凝土-土等材料的接触面在三轴剪切作用下的摩擦特性，通过更换试样底座还可以用于开展常规三轴压缩试验、三轴渗流试验、流变试验、湿化试验等试验项目；可有效拓展现有三轴试验中研究接触面的三轴剪切特性，为深入研究复杂应力条件下及不同初始条件下接触面的相互作用机理提供技术支撑。其有益效果如下：

（1）设备结构简单。该装置可通过专业加工，实现与现有三轴试验控制装置的配套使用；

（2）水压加载。试验土样均匀受荷，而且加卸荷方便快捷；

（3）加载方式简单灵活。根据试验装置和条件，可选用调压筒等作为加载压力源，通过调压阀装置可精确控制压力的大小和加载速率，确保土样内部压力均匀传递，并可根据试验要求随时改变压力室内部压力大小；

（4）该设备也可作为常规三轴试验设备。通过调节试样底座及试样帽装置，实现土样的常规三轴压缩试验。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

其中，1.试验机主机，2.电源开关，3.轴向力传感器，4.试验机主机横梁，5.活塞，6.密封圈，7.排气孔，8.压力室，9.试样帽，10.密封圈；11.空心圆柱体状试样上透水板，12.芯柱状试样上透水板，13.芯柱状试样，14.空心圆柱体状试样，15.乳胶膜，16.芯柱状试样下透水板，17.圆形底座，18.密封圈，19.空心环状固定底座，20.空心圆柱体状试样下透水板，21.升降台，22.孔隙水压力量测装置，23.量管阀，24. 量水管，25.孔隙水压力阀，26.孔隙水压力传感器，27.周围压力调节装置，28.周围压力阀，29.压力源，30.周围压力控制器，31.排水管阀，32.排水管，33.体变量测管阀，34. 反压力调节装置，35.体变量测管，36.反压力控制器。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

如图1所示的试验装置，包括试样装置、压力室8、加压装置和数据采集装置；

试样装置设置于压力室8内，包括试样底座、试样帽9及设置于试样底座上的试样；试样底座为复合型底座，包括空心环状固定底座19及中间的圆形底座17，圆形底座17相对于空心环状固定底座19可以发生垂直位移；空心环状固定底座19上放置空心圆柱体状试样14，圆形底座17上放置芯柱状试样13；芯柱状试样13和空心圆柱体状试样14顶部设有试样帽9；空心圆柱体状试样14上下设有与空心圆柱体状试样14相同尺寸的环状透水板11、20，芯柱状试样13上下配备有与芯柱状试样13相同尺寸的圆形透水板12、16；环状透水板、圆形透水板分别镶嵌在对应的试样底座及顶部试样帽上。空心环状固定底座19和圆形底座17齐平，内部安装有密封圈18；芯柱状试样13高度小于外侧空心圆柱体状试样14的高度，芯柱状试样13的试样帽与空心圆柱体状试样14的试样帽连接处设有密封圈10；芯柱状试样13的试样帽高度大于空心圆柱体状试样14的试样帽的高度。芯柱状试样13的试样帽与空心圆柱体状试样14的试样帽连接处设有连接卡扣；压力室8的活塞5作用于芯柱状试样13的试样帽上，活塞5与压力室8连接处设有密封圈6。

空心圆柱体状试样14外侧包裹有乳胶膜15，乳胶膜15顶部与试样帽9连接并用橡皮圈扎紧，下端与空心环状固定底座19连接并用橡皮圈扎紧。乳胶膜15的直径与空心圆柱体状试样14的外径一致，乳胶膜15厚度为0.1mm~0.2mm；

压力室8采用透明有机玻璃材质，压力室8上方设有排气孔7。

加压装置通过相应管路与空心环状固定底座19相连并向试样施加压力，加压装置包括周围压力调节装置27和反压力调节装置34；

周围压力调节装置27通过周围压力管路连接至空心环状固定底座19，与压力室8相连通，通过压力室8向试样施加周围压力；周围压力调节装置27包括周围压力阀28、压力源29和周围压力控制器30；压力源29沿周围压力管路经周围压力阀28向压力室8输入压力，周围压力控制器30用于控制压力源29的大小、周围压力的加载及卸载。

反压力调节装置34通过反压力管路连接至空心环状固定底座19，与试样相连通，向试样直接施加反压力；反压力调节装置34包括压力源29和反压力控制器36；压力源29沿反压力管路依次经体变量测管35、体变量测管阀33向试样输入压力；体变量测管35通过管路连接至试样帽9和空心环状固定底座19与试样相连通，测量试样在固结过程及发生剪切过程中的体积变化；反压力控制器36用于控制压力源29的大小、反压力的加载及卸载。

数据采集装置用于采集试样在固结过程中的体积变形数据及剪切过程中的轴向位移、轴向力、孔隙水压力及体积变形数据。

孔隙水压力基于孔隙水压力量测装置22采集，孔隙水压力量测装置22经孔隙水压力量测管路连接至空心环状固定底座19，与试样相连通；孔隙水压力量测装置22包括量管阀23、量水管24、孔隙水压力阀25和孔隙水压力传感器26；量水管24由量管阀23控制，用于排除孔隙水压力管路中的气体；孔隙水压力传感器26由孔隙水压力阀25控制，用于测量试验过程中产生的孔隙水压力。

轴向位移和轴向力基于升降装置和轴向力传感器3采集，升降装置包括升降台21、试验机主机1，升降台21设置于试验机主机1上、空心环状固定底座19底部；试验机主机1顶部设有横梁4，轴向力传感器3一端连接试验机主机横梁4，另一端通过活塞5与试样帽9相连。

体积变化基于体变量测管35采集。

本实施例中，试验测试装置使用方法如下：

（1）排除管路中空气；

为确保试验过程中采集的孔隙水压力和体变数据真实可靠，应将所有管路中的空气排除。孔隙水压力量测装置管路中的气体通过打开量管阀23，量水管24中的自由水将管路中的气体从空心环状固定底座19排出，体变量测装置管路中的气体由反压力调节装置34将体变量测管35中的自由水沿管路从试样帽9及空心环状固定底座19排出。

（2）安装试样；

芯柱状试样13直径为50mm，高度为130mm；空心圆柱体状试样14外径为101mm，内径为50mm，高度为180mm。试验时，将空心圆柱体状试样下透水板20放置于空心环状固定底座19上，芯柱状试样下透水板16放置于圆形底座17上，然后安装空心圆柱体状试样14和芯柱状试样13，然后将空心圆柱体状试样上透水板11放置在空心圆柱体状试样14顶部，芯柱状试样上透水板12放置在芯柱状试样13顶部，同时将直径101mm的乳胶膜套在空心圆柱体状试样14外侧，将乳胶膜底部扎在空心环状固定底座19上，然后安装试样帽9，并将乳胶膜顶部扎在试样帽9上。

（3）安装压力室；

试样安装完毕后，将压力室8与空心环状固定底座19通过螺母连接并固定，打开排气孔7，通过周围压力调节装置27向压力室8注水，待注满后关闭排气孔7，打开电源开关2，通过调节升降台21使得活塞5与轴向力传感器3和试样帽9接触。

在非饱和试样的情况下，通过反压力调节装置34向试样加压注水进行反压饱和。

该试验装置可达到以下技术指标：

（1）周围压力量程：0~2MPa；

（2）反压力量程：0~2MPa；

（3）孔隙水压力量程：0~2MPa；

（4）轴向力传感器量程：0~30kN；

（5）位移传感器量程：0~50mm；

（6）试样尺寸：试样外径101mm，高度180mm，芯样直径50mm，高度130mm。

Claims (10)

1.一种接触面剪切三轴测试装置，其特征在于，包括试样装置、压力室（8）、加压装置和数据采集装置；

所述试样装置设置于压力室（8）内，包括试样底座、试样帽及设置于试样底座上的试样；所述底座为复合型底座，包括空心环状固定底座（19）及中间的圆形底座（17），圆形底座（17）相对于空心环状固定底座（19）可以发生垂直位移；空心环状固定底座（19）上放置空心圆柱体状试样（14），圆形底座（17）上放置芯柱状试样（13）；芯柱状试样（13）和空心圆柱体状试样（14）顶部设有试样帽（9）；

所述压力室（8）上方设有排气孔（7）；

所述加压装置通过相应管路与空心环状固定底座（19）相连并向试样施加压力，加压装置包括周围压力调节装置（27）和反压力调节装置（34）；

所述周围压力调节装置（27）通过周围压力管路连接至空心环状固定底座（19），与压力室（8）相连通，通过压力室（8）向试样施加周围压力；

所述反压力调节装置（34）通过反压力管路连接至空心环状固定底座（19），与试样相连通，向试样直接施加反压力；

所述数据采集装置用于采集试样在固结过程中的体积变形数据及剪切过程中的轴向位移、轴向力、孔隙水压力及体积变形数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述周围压力调节装置（27）包括周围压力阀（28）、压力源（29）和周围压力控制器（30）；所述压力源（29）沿周围压力管路经周围压力阀（28）向压力室（8）输入压力，所述周围压力控制器（30）用于控制压力源（29）的大小、周围压力的加载及卸载。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反压力调节装置（34）包括压力源（29）和反压力控制器（36）；所述压力源（29）沿反压力管路依次经体变量测管（35）、体变量测管阀（33）向试样输入反压力；所述体变量测管（35）通过管路连接至试样帽（9）和空心环状固定底座（19）与试样相连通，测量试样在固结过程及发生剪切过程中的体积变化；所述反压力控制器（36）用于控制压力源（29）的大小、反压力的加载及卸载。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集装置包括孔隙水压力量测装置（22），孔隙水压力量测装置（22）经孔隙水压力量测管路连接至空心环状固定底座（19），与试样相连通；所述孔隙水压力量测装置（22）包括量管阀（23）、量水管（24）、孔隙水压力阀（25）和孔隙水压力传感器（26）；所述量水管（24）由量管阀（23）控制，用于排除孔隙水压力管路中的气体；所述孔隙水压力传感器（26）由孔隙水压力阀（25）控制，用于测量试验过程中产生的孔隙水压力。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集装置包括升降装置和轴向力传感器（3），所述升降装置包括升降台（21）、试验机主机（1），所述升降台（21）设置于试验机主机（1）上、试样底座底部；所述试验机主机（1）顶部设有横梁（4），轴向力传感器（3）一端连接试验机主机横梁（4），另一端通过活塞（5）与试样帽（9）相连。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括乳胶膜（15），所述乳胶膜（15）的直径与空心圆柱体状试样（14）的外径一致，乳胶膜（15）厚度为0.1mm~0.2mm；乳胶膜（15）包裹于空心圆柱体状试样（14）外侧，顶部与试样帽（9）连接并用橡皮圈扎紧，下端与空心环状固定底座（19）连接并用橡皮圈扎紧。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空心圆柱体状试样（14）上下设有与空心圆柱体状试样（14）相同尺寸的环状透水板（11、20），所述芯柱状试样（13）上下配备有与芯柱状试样（13）相同尺寸的圆形透水板（12、16）；所述环状透水板、圆形透水板分别镶嵌在对应的试样底座及顶部试样帽上。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空心环状固定底座（19）和圆形底座（17）齐平，内部安装有密封圈（18）；所述芯柱状试样（13）高度小于外侧空心圆柱体状试样（14）高度，芯柱状试样（13）的试样帽与空心圆柱体状试样（14）的试样帽连接处设有密封圈（10）；芯柱状试样（13）的试样帽高度大于空心圆柱体状试样（14）的试样帽的高度。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述芯柱状试样（13）的试样帽与空心圆柱体状试样（14）的试样帽连接处设有连接卡扣；所述压力室的活塞（5）作用于芯柱状试样（13）的试样帽上。

10.权利要求1~9任一项所述装置用于接触面剪切三轴测试的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）排除管路中空气；

（2）安装试样；

（3）将压力室（8）与试样底座连接固定，打开排气孔（7），通过周围压力调节装置（27）向压力室（8）注水，待注满后关闭排气孔（7），启动电源，调节使活塞（5）与轴向力传感器（3）及试样帽（9）接触。