CN110658084A - 一种高刚度多轴高应力加载框架装置 - Google Patents

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Abstract

一种高刚度多轴高应力加载框架装置，包括竖直框架单元、水平框架单元；所述竖直框架单元包括环形框架和环形框架支撑平台，环形框架支撑平台上表面通过螺栓螺接有环形框架；所述水平框架单元包括侧向辅助推拉框架、水平支撑平台和导轨，所述水平支撑平台位于环形框架支撑平台后端，水平支撑平台上对称安装有导轨，且导轨沿水平支撑平台长度方向设置，导轨延伸至环形框架，且末端伸出环形框架设置，所述侧向辅助推拉框架通过滑块与导轨滑动安装。本发明采用了本发明的高刚度多轴高应力加载框架结构的硬岩真三轴剪切试验机，试验过程通过不同液压缸的配合，实现了岩石试样所有端面均受力条件下的剪切试验，更加符合现场岩体的真三轴受力状态。

Description

一种高刚度多轴高应力加载框架装置
技术领域
本发明涉及岩石室内加载试验技术领域，具体是一种高刚度多轴高应力加载的框架装置。
背景技术
随着地下采矿及地下岩体工程开挖，深埋硬岩工程稳定性变得越来越重要。一般而言，岩石受真三向应力控制，而且对于含软弱结构面的硬岩，容易在剪切力的作用下发生不同程度的工程灾害。因此，开展真三轴应力条件下的剪切试验对研究地下工程灾害具有重要意义。
现有的剪切试验机所采用的加载框架结构，在试验过程中只能进行简单的直剪试验，即框架竖直方向提供法向应力，水平方向提供剪切应力。直剪试验假设侧向应力对岩石变形破坏无影响，而真实情况下，岩石侧向受周围岩体限制存在着一定的侧向应力。而且由于空间限制，在剪切方向，岩石试样始终有一半的截面未受力。而真实地下岩石工程中，岩石各个部位均受应力作用。只有对剪切试验的岩石所有截面均加载与现场岩体相同的真三向应力，这样才能通过室内试验最大程度的理解岩石在高应力下剪切破坏机理。
除此之外，现有的剪切试验机均采用立柱式或拉杆式框架，这些框架结构普遍刚度较低。对于吨位要求高达200吨以上的硬岩剪切试验机，使得剪切试验时，在岩样破坏前，加载框架积聚着很大的应变能，当岩石发生局部破坏时，刚度较低的加载框架将积聚的弹性应变能瞬间释放，使得岩石峰后破坏特征失真。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高刚度多轴高应力加载框架装置，可以施加高达1200Mpa的高应力，采用该加载框架结构的硬岩真三轴剪切试验机，能够实现岩石试样在真三向应力条件下的剪切试验，而且采用新的集成式框架结构，增加加载框架刚度，满足针对高压真三轴条件下硬岩剪切试验要求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高刚度多轴高应力加载框架装置，包括竖直框架单元、水平框架单元；所述竖直框架单元包括环形框架和环形框架支撑平台，环形框架支撑平台上表面通过螺栓螺接有环形框架；所述水平框架单元包括侧向辅助推拉框架、水平支撑平台和导轨，所述水平支撑平台位于环形框架支撑平台后端，水平支撑平台上对称安装有导轨，且导轨沿水平支撑平台长度方向设置，导轨延伸至环形框架，且末端伸出环形框架设置，所述侧向辅助推拉框架通过滑块和导轨与水平支撑平台滑动安装。
所述环形框架为圆环形，环形框架沿周向均匀开设有四个通孔，分别为环形框架左通孔、环形框架上通孔、环形框架右通孔及环形框架下通孔，环形框架上通孔与环形框架下通孔中心连线垂直于水平面，环形框架左通孔与环形框架右通孔中心连线平行于水平面，所述环形框架上通孔内通过螺钉设置有上法向加载油缸，环形框架下通孔内通过螺钉设置有下法向加载油缸，在下法向加载油缸的端盖和上法向加载油缸的端盖上均安装有位移传感器，环形框架左通孔内通过螺钉设置有左端组合切向加载油缸，环形框架右通孔内通过螺钉设置有右端组合切向加载油缸。
所述侧向辅助推拉框架是截面为工字形的柱状结构，在侧向推拉框架的周向分别开设有侧向辅助推拉框架矩形通孔、侧向辅助推拉框架上通孔及侧向辅助推拉框架下通孔，在侧向推拉框架的轴向分别开设有侧向辅助推拉框架前通孔及侧向辅助推拉框架后通孔，所述侧向辅助推拉框架矩形通孔的中心线与侧向辅助推拉框架上通孔及侧向辅助推拉框架下通孔中心之间的连线垂直设置，所述侧向辅助推拉框架上通孔及侧向辅助推拉框架下通孔中心之间的连线与侧向辅助推拉框架前通孔及侧向辅助推拉框架后通孔中心之间的连线垂直设置，在侧向辅助推拉框架前通孔内通过螺钉设置有前端侧向加载油缸，在侧向辅助推拉框架后通孔内通过螺钉设置有后端侧向加载油缸，在侧向辅助推拉框架矩形通孔的表面设置有试验箱，试验箱内安装有剪切盒，剪切盒内放置有岩石试样。
所述左端组合切向加载油缸包括左切向上加载油缸、左切向下加载油缸，所述左切向上加载油缸同轴套嵌于左切向下加载油缸内，在左切向上加载油缸的端盖上安装有位移传感器，所述左切向下加载油缸为空心油缸。
所述右端组合切向加载油缸包括右切向上加载油缸、右切向下加载油缸，所述右切向下加载油缸套同轴嵌于右切向上加载油缸内，且在右切向下加载油缸的端盖上安装有位移传感器，所述右切向上加载油缸为空心油缸。
所述前端组合侧向加载油缸包括前侧向上加载油缸、前侧向下加载油缸，所述前侧向下加载油缸套同轴嵌于前侧向上加载油缸内，且在前侧向下加载油缸的端盖上安装有位移传感器，所述前侧向上加载油缸空心油缸。
所述后端组合侧向加载油缸包括后侧向上加载油缸和后侧向下加载油缸，所述后侧向下加载油缸同轴套嵌于后侧向上加载油缸内，且在后侧向下加载油缸的端盖上安装有位移传感器，所述后侧向上加载油缸为空心油缸。
所述环形框架和侧向辅助推拉框架均采用整体铸造成型制造。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比，采用了本发明的高刚度多轴高应力加载框架结构的硬岩真三轴剪切试验机，试验过程通过不同液压缸的配合，实现了岩石试样所有端面均受力条件下的剪切试验，更加符合现场岩体的真三轴受力状态。而且本发明的环形框架和侧向辅助推拉框架摒弃了传统加载框架结构采用的低刚度拉杆和立柱式框架结构，均采用整体铸造工艺制造，在满足大荷载输出要求的同时，也使得设备整体刚度得到极大的提高，更有助于硬岩真实变形破坏特征的获取。
附图说明
图1为本发明高刚度多轴高应力加载框架装置示意图；
图2为本发明高刚度多轴高应力加载框架装置的环形框架结构示意图；
图3为本发明高刚度多轴高应力加载框架装置侧向辅助推拉框架结构示意图；
图4为本发明高刚度多轴高应力加载框架装置的正剖视图；
图5为本发明高刚度多轴高应力加载框架装置的侧剖视图；
图中，1-左切向上加载油缸，2-左切向下加载油缸，3-上法向加载油缸，4-右切向下加载油缸，5-右切向上加载油缸，6-下法向加载油缸，7-前侧向下加载油缸，8-前侧向上加载油缸，9-后侧向下加载油缸，10-后侧向上加载油缸，11-环形框架，12-侧向辅助推拉框架，13-导轨，14-水平支撑平台，15-环形框架支撑平台，16-位移传感器，17-试验箱，18-剪切盒，19-岩石试样，20-环形框架左通孔，21-环形框架上通孔，22-环形框架右通孔，23-环形框架下通孔，24-侧向辅助推拉框架前通孔，25-侧向辅助推拉框架后通孔，26-侧向辅助推拉框架上通孔，27-侧向辅助推拉框架下通孔，28-安装平台，29-侧向辅助推拉框架矩形通孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～5所示，一种高刚度多轴高应力加载框架装置，包括竖直框架单元、水平框架单元；所述竖直框架单元包括环形框架11和环形框架支撑平台15，环形框架支撑平台15上表面通过螺栓螺接有环形框架11，且环形框架支撑平台15通过螺栓固定安装于地面上；所述水平框架单元包括侧向辅助推拉框架12、水平支撑平台14和导轨13，所述水平支撑平台14位于环形框架支撑平台15后端且通过螺栓固定安装于地面上，水平支撑平台14上对称安装有导轨13，且导轨13沿水平支撑平台14长度方向设置，导轨13延伸至环形框架11中心孔上的平台，且末端伸出环形框架11设置，所述侧向辅助推拉框架12通过滑块和导轨13与水平支撑平台14滑动安装。
所述环形框架11为圆环形，环形框架11沿周向均匀开设有四个通孔，且四个通孔为沉头孔，沉头孔的大孔端较小孔端靠近环形框架11外侧设置，在沉头孔的大孔端的孔底面沿周向均匀开设有螺纹孔，四个通孔分别为环形框架左通孔20、环形框架上通孔21、环形框架右通孔22及环形框架下通孔23，环形框架上通孔21与环形框架下通孔23中心连线垂直于水平面，环形框架左通孔20与环形框架右通孔22中心连线平行于水平面，在环形框架11内壁加工有两个安装平台28，两个安装平台28相对于环形框架下通孔23的中心对称设置，安装平台28主要用于固定安装导轨13的延伸段，所述环形框架上通孔21内通过螺钉与螺纹孔配合安装有上法向加载油缸3，环形框架下通孔23内通过螺钉于螺纹孔配合安装有下法向加载油缸6，在下法向加载油缸6的端盖上和上法向加载油缸3的端盖上均安装有位移传感器16，环形框架左通孔20内通过螺钉与螺纹孔配合安装有左端组合切向加载油缸，环形框架右通孔22内通过螺钉与螺纹孔配合安装有右端组合切向加载油缸。
所述侧向辅助推拉框架12是截面为工字形的柱状结构，在侧向推拉框架的周向分别开设有侧向辅助推拉框架矩形通孔29、侧向辅助推拉框架上通孔26及侧向辅助推拉框架下通孔27，在侧向推拉框架的轴向分别开设有侧向辅助推拉框架前通孔24及侧向辅助推拉框架后通孔25，侧向辅助推拉框架前通孔24及侧向辅助推拉框架后通孔25为沉头孔，沉头孔的小孔端较大孔端靠近外侧设置，在沉头孔的大孔端孔底面沿周向均匀设置有螺纹孔，所述侧向辅助推拉框架矩形通孔29的中心线与侧向辅助推拉框架上通孔26及侧向辅助推拉框架下通孔27中心之间的连线垂直设置，所述侧向辅助推拉框架上通孔26及侧向辅助推拉框架下通孔27中心之间的连线与侧向辅助推拉框架前通孔24及侧向辅助推拉框架后通孔25中心之间的连线垂直设置，在侧向辅助推拉框架前通孔24内通过螺钉与螺纹孔配合安装有前端侧向加载油缸，在侧向辅助推拉框架后通孔25内通过螺钉与螺纹孔配合安装有后端侧向加载油缸，在侧向辅助推拉框架矩形通孔29的表面设置有试验箱17，试验箱17内安装有剪切盒18，剪切盒18内放置有岩石试样19。通过设置侧向辅助推拉框架上通孔26、侧向辅助推拉框架下通孔27、侧向辅助推拉框架矩形通孔29使得左端组合切向加载油缸、右端组合切向加载油缸、上法向加载油缸3及下法向油缸能直接对岩石试样19施加荷载。
所述左端组合切向加载油缸包括左切向上加载油缸1、左切向下加载油缸2，所述左切向上加载油缸1同轴套嵌于左切向下加载油缸2内，且在左切向上加载油缸1的端盖上安装有位移传感器16，所述左切向下加载油缸2为空心油缸。
所述右端组合切向加载油缸包括右切向上加载油缸5、右切向下加载油缸4，所述右切向下加载油缸4套同轴嵌于右切向上加载油缸5内，且在右切向下加载油缸4的端盖上安装有位移传感器16，所述右切向上加载油缸5为空心油缸。
所述前端组合侧向加载油缸包括前侧向上加载油缸8、前侧向下加载油缸7，所述前侧向下加载油缸7套同轴嵌于前侧向上加载油缸8内，且在前侧向下加载油缸7的端盖上安装有位移传感器16，所述前侧向上加载油缸8空心油缸。
所述后端组合侧向加载油缸包括后侧向上加载油10缸和后侧向下加载油缸9，所述后侧向下加载油缸9同轴套嵌于后侧向上加载油缸10内，且在后侧向下加载油缸9的端盖上安装有位移传感器16，所述后侧向上加载油缸10为空心油缸。采用套嵌形式加载油缸，节省了框架整体空间，且保证岩石试样19分上、下加载时刚性压块互不干涉，而且提高了整体框架的刚度。
所述环形框架11和侧向辅助推拉框架12均采用整体铸造成型制造。采用整体锻造技术，避免框架装配后装配处受压容易产生较大变形，从而使框架刚度降低。
一种高刚度多轴高应力加载框架装置的应力加载方法，采用一种高刚度多轴高应力加载框架装置，包括如下步骤：
步骤1，安装岩石试样19前，侧向辅助推拉框架12位于导轨13的最前端，伸出环形框架11设置，将岩石试样19放入侧向辅助推拉框架12的剪切盒18内，然后将装配了岩石试样19的侧向辅助推拉框架12推入环形框架11中心位置；
步骤2，施加法向预紧力，先对法向进行预应力加载，控制下法向加载油缸6中的活塞向上运动，使位于试验箱17内的岩石试样19移动至试验箱17的中心位置；之后控制上法向加载油缸3的活塞向下运动，使岩石试样19法向产生一定的预紧力；
步骤3，施加侧向预紧力，同时控制前端组合侧向加载油缸和后端组合侧向加载油缸的活塞同步运动，使岩样侧向截面获得相等的预紧力；
步骤4，试验加载过程，首先同步控制上法向加载油缸3和下法向加载油缸6中的活塞，以相等的力值等速加载至最小主应力目标值；然后同步控制前侧向上加载油缸8、前侧向下加载油缸7、后侧向上加载油缸10和后侧向下加载油缸9的活塞，以相等的力值等速加载至中间主应力目标值；最后对剪切力的加载也分两步进行，左切向上加载油缸1、左切向下加载油缸2、右切向上加载油缸5和右切向下加载油缸4的活塞，以相等的力值等速加载至中间主应力目标值，然后保持左切向下加载油缸2、右切向上加载油缸5荷载不变，而左切向上加载油缸1、右切向下加载油缸4始终以力控或变形控控制活塞向前运动，运动过程，左切向上加载油缸1和右切向下加载油缸4力值始终一样，直至岩石试样19发生剪切破坏，试验结束。

Claims (8)

1.一种高刚度多轴高应力加载框架装置，其特征在于，包括竖直框架单元、水平框架单元；所述竖直框架单元包括环形框架和环形框架支撑平台，环形框架支撑平台上表面通过螺栓螺接有环形框架；所述水平框架单元包括侧向辅助推拉框架、水平支撑平台和导轨，所述水平支撑平台位于环形框架支撑平台后端，水平支撑平台上对称安装有导轨，且导轨沿水平支撑平台长度方向设置，导轨延伸至环形框架，且末端伸出环形框架设置，所述侧向辅助推拉框架通过滑块和导轨与水平支撑平台滑动安装。
2.根据权利要求1所述的一种高刚度多轴高应力加载框架装置，其特征在于：所述环形框架为圆环形，环形框架沿周向均匀开设有四个通孔，分别为环形框架左通孔、环形框架上通孔、环形框架右通孔及环形框架下通孔，环形框架上通孔与环形框架下通孔中心连线垂直于水平面，环形框架左通孔与环形框架右通孔中心连线平行于水平面，所述环形框架上通孔内通过螺钉设置有上法向加载油缸，环形框架下通孔内通过螺钉设置有下法向加载油缸，在下法向加载油缸和上法向加载油缸的端盖上均安装有位移传感器，环形框架左通孔内通过螺钉设置有左端组合切向加载油缸，环形框架右通孔内通过螺钉设置有右端组合切向加载油缸。
3.根据权利要求1所述的一种高刚度多轴高应力加载框架装置，其特征在于：所述侧向辅助推拉框架是截面为工字形的柱状结构，在侧向推拉框架的周向分别开设有侧向辅助推拉框架矩形通孔、侧向辅助推拉框架上通孔及侧向辅助推拉框架下通孔，在侧向推拉框架的轴向分别开设有侧向辅助推拉框架前通孔及侧向辅助推拉框架后通孔，所述侧向辅助推拉框架矩形通孔的中心线与侧向辅助推拉框架上通孔及侧向辅助推拉框架下通孔中心之间的连线垂直设置，所述侧向辅助推拉框架上通孔及侧向辅助推拉框架下通孔中心之间的连线与侧向辅助推拉框架前通孔及侧向辅助推拉框架后通孔中心之间的连线垂直设置，在侧向辅助推拉框架前通孔内通过螺钉设置有前端组合侧向加载油缸，在侧向辅助推拉框架后通孔内通过螺钉设置有后端组合侧向加载油缸，在侧向辅助推拉框架矩形通孔的表面设置有试验箱，试验箱内安装有剪切盒，剪切盒内放置有岩石试样。
4.根据权利要求2所述的一种高刚度多轴高应力加载框架装置，其特征在于：所述左端组合切向加载油缸包括左切向上加载油缸、左切向下加载油缸，所述左切向上加载油缸同轴套嵌于左切向下加载油缸内，在左切向上加载油缸的端盖上安装有位移传感器，所述左切向下加载油缸为空心油缸。
5.根据权利要求2所述的一种高刚度多轴高应力加载框架装置，其特征在于：所述右端组合切向加载油缸包括右切向上加载油缸、右切向下加载油缸，所述右切向下加载油缸套同轴嵌于右切向上加载油缸内，且在右切向下加载油缸的端盖上安装有位移传感器，所述右切向上加载油缸为空心油缸。
6.根据权利要求3所述的一种高刚度多轴高应力加载框架装置，其特征在于：所述前端组合侧向加载油缸包括前侧向上加载油缸、前侧向下加载油缸，所述前侧向下加载油缸套同轴嵌于前侧向上加载油缸内，且在前侧向下加载油缸的端盖上安装有位移传感器，所述前侧向上加载油缸空心油缸。
7.根据权利要求3所述的一种高刚度多轴高应力加载框架装置，其特征在于：所述后端组合侧向加载油缸包括后侧向上加载油缸和后侧向下加载油缸，所述后侧向下加载油缸同轴套嵌于后侧向上加载油缸内，且在后侧向下加载油缸的端盖上安装有位移传感器，所述后侧向上加载油缸为空心油缸。
8.根据权利要求1所述的一种高刚度多轴高应力加载框架装置，其特征在于：所述环形框架和侧向辅助推拉框架均采用整体铸造成型制造。
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Application publication date: 20200107

Assignee: Changchun Zhangtuo Test Instrument Co.,Ltd.

Assignor: Northeastern University

Contract record no.: X2021210000046

Denomination of invention: A high stiffness multi axis high stress loading frame device

Granted publication date: 20200901

License type: Common License

Record date: 20211104