CN110967264A - 一种基于杠杆原理的动-静态耦合加载试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于杠杆原理的动‑静态耦合加载试验系统，包括顶梁、球端凹槽、压杆、立柱、压头、两个动荷载传感器、位移传感器、底座、垫块、传力杆、加载杆、冲击平台、限位夹、数据采集系统、数字照相系统、冲击锤和计算机。本发明荷载量程小、灵敏度高，能够稳定施加静荷载、定量施加动荷载，且在不破坏弱胶结岩体物理及力学性质的情况下，对其做动静加载试验，并能够实时记录静力和扰动应力耦合作用下试验试样应力和变形演化规律，以有效研究复杂应力条件下弱胶结岩体工程稳定性。

Description

一种基于杠杆原理的动-静态耦合加载试验系统

技术领域

本发明涉及一种试验系统，具体是一种基于杠杆原理的动-静态耦合加载试验系统，属于力学试验设备技术领域。

背景技术

目前，常规单轴和三轴试验可得到岩土体的静力学性质，可以对工程岩体稳定性做出定量评价，但实际上工程岩体不仅受到上覆岩层自重和构造应力作用，还要受到远场爆破、机械振动以及近场开挖等动力扰动影响，因此，研究动荷载作用下岩土体的力学性质对客观评价其工程稳定性具有重要意义。而对于泥质弱胶结岩体，由于其强度低，结构性差，单轴极限荷载小于2MPa，微小的动力扰动都会造成结构损伤，常规试验仪器量程小，控制精度无法满足实验强度要求，从而无法有效地研究其力学性质。

基于以上原因，亟需一种能够结合弱胶结岩体物理及力学性质，且量程小、灵敏度高、能够稳定施加静荷载、定量施加动荷载的试验系统。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于杠杆原理的动-静态耦合加载试验系统，量程小、灵敏度高，能够稳定施加静荷载、定量施加动荷载，且在不破坏低强度弱胶结岩体物理及力学性质的情况下，对其做动-静态耦合加载试验，并能够实时记录静力和扰动应力耦合作用下试验试样应力和变形演化规律，以有效研究复杂应力条件下泥质弱胶结岩体工程稳定性。

本发明一种基于杠杆原理的动-静态耦合加载试验系统，包括顶梁、压杆、立柱、底座、垫块、传力杆、数据采集仪、数字照相系统、冲击锤；

其中，立柱垂直固定连接于底座一侧两端，顶梁固结于两立柱顶端，传力杆一端活动连接于顶梁中部，另一端固定连接有带有刻度的加载杆；加载杆上套有冲击平台和冲击锤，冲击平台通过限位夹固定加载杆上；

压杆顶端与传力杆活动连接，且连接点靠近顶梁，压杆底端安装有压头，压杆与压头之间、以及冲击平台上分别安装有动荷载传感器，压头上安装有位移传感器，底座上安装有垫块，试验试样放置在压头与垫块之间；

数字照相系统包括数码照相机、固定支架以及图像处理模块，数码照相机的镜头正对试验试样，图像处理模块用于处理数码照相机采集的图像信息；

数据采集仪分别与动荷载传感器、位移传感器和计算机相连。

进一步，压头由凸面压头、弹簧以及凹面压头构成，凸面压头的半球形凸起嵌于凹面压头的三分之一球形凹槽中，两个压头外围由三个等间距弹簧连接起来。

进一步，传力杆靠近顶梁的一端设有球端凹槽，压杆顶端为与球端凹槽相配合的球形凸起，球形凸起嵌于球端凹槽中，形成活动球形连接。

优选地，加载杆的杆身为光滑结构，加载杆的0刻度位于加载杆上端。

优选地，动态数据采集仪为TST3826F动静态应变测试分析系统，动荷载传感器为高精度动态膜片压向式平面荷重传感器，型号为BSHM-2。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明数字照相系统可以实时记录静力和动力作用下泥质弱胶结岩体试样变形规律，再结合岩土工程数字照相量测软件系统得出应力作用下试验试样变形云图，进而得出了试样在加载过程中诺的横向、纵向应变以及泊松比。数字照相系统还可以通过采集试验试样表面各测点的位移情况，有效地追踪试验试样表面裂隙起裂、扩展和汇聚等过程，从而更加有利于揭示动力作用下岩石变形破坏机理。

同时，本发明采用动态数据采集仪通过采集动荷载传感器和位移传感器的电信号，获得试验所需的动荷载作用时间和强度，进而计算出冲击能量，建立冲击能量与岩石式样变形之间的关系，从而为研究复杂应力条件下泥质弱胶结岩体工程稳定性提供理论依据。

2)本发明加载系统量程小，灵敏度高，尤其适用于对泥质弱胶结岩体进行动-静态加载试验，在对泥质弱胶结岩体试样进行动静加载试验时，对试验试样结构变形控制程度高，延长损伤结构变化过程，从而实现了对泥质弱胶结岩体扰动变形规律的研究。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是图1的侧面结构示意图；

图3是本发明压头结构示意图。

图中：1、顶梁，2、球端凹槽，3、压杆，31、球形凸起，4、立柱，5、压头，6、动荷载传感器，7、位移传感器，8、底座，9、垫块，10、传力杆，11、加载杆，12、冲击平台，13、限位夹，14、动态数据采集仪，15、数码照相机，151、固定支架，16、冲击锤， 17、凸面压头，18、弹簧，19、凹面压头，20、试验试样。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明一种基于杠杆原理的动静加载试验系统，包括顶梁1、压杆 3、立柱4、底座8、垫块9、传力杆10、数据采集仪14、数字照相系统、冲击锤16和计算机；

其中，立柱4垂直固结于水平底座8一侧两端，顶梁1固结于两立柱4顶端，传力杆10一端铰接于顶梁1中部，且能够绕着铰接点自由转动，另一端固定连接有带有刻度的加载杆11；加载杆11上套有冲击平台12和冲击锤16，冲击平台12通过限位夹13固定加载杆11上，限位夹13可以在任意位置固定冲击平台12；

压杆3顶端与传力杆10铰接，且位置靠近顶梁1，压杆3底端安装有压头5，压杆3与压头5之间、以及冲击平台12上分别安装有动荷载传感器6，

压头5上安装有位移传感器7，用于检测压头5的位移情况，底座8上安装有垫块9，试验试样20放置在压头5与垫块9之间；

数字照相系统包括数码照相机、固定支架151以及图像处理模块，数码照相机的镜头正对试验试样20，用于采集试验试样20的变形量，图像处理模块用于处理数码照相机15采集的图像信息，图像处理模块优选岩土工程数字照相量测软件系统(图中未显示)。

数据采集仪14分别与动荷载传感器6、位移传感器7和计算机相连；数据采集仪14为 TST3826F动静态应变测试分析系统，两个动荷载传感器6类型为高精度动态膜片压向式平面荷重传感器，型号为BSHM-2。

如图3所示，作为本发明对上述技术方案的改进，压头5由凸面压头17、弹簧18以及凹面压头19构成，凸面压头17的半球形凸起31嵌于凹面压头19的三分之一球形凹槽中，凸面压头17和凹面压头19外围由三个等间距弹簧18连接起来，可以使得试验试样20端面始终与压头5断面耦合接触，有效地补偿了传力杆10转动过程中产生的偏压。

作为本发明对上述技术方案的改进，传力杆10靠近顶梁1的一端设有球端凹槽2，压杆3顶端为与球端凹槽2相配合的球形凸起31，球形凸起31嵌于球端凹槽2中，形成活动球形连接，压杆3与球端凹槽2的接触点随传力杆10旋转而发生变化，使得受力保持竖直向下，避免产生偏压。

作为本发明对上述技术方案的优选方式，加载杆11的杆身为光滑结构，加载杆11的0 刻度位于加载杆11上端。

实验前，首先需要对静荷载和动荷载进行标定

静荷载标定：利用聚氨酯材料制成的标准试件(φ50×100mm)测定不同静荷载作用下动静组合荷载加载试验系统的稳定性。基于聚氨酯均匀性好，可认为是各向同性材料，且强度低，弹性好，可发生较大变形而不破坏，且泊松比相对较高，从环向变形明显。试验前在标准试件表面对称布置四个应变片，通过比较不同位置应变片的变形量，定量化说明试验加载系统的稳定性。标准试件在静载荷作用下发生变形，变形量随着静荷载的增加而发生变化，荷载越大，变形量越大。

动荷载标定：在静荷载标定的基础上施加动荷载，检测动力监测系统的稳定性。冲击锤 16重量1kg，固定冲击锤16高度0.5mm，试验荷载不超过聚氨酯试样的弹性极限，每次冲击对标准试件不产生损伤，及不存在耗散能，认为作用于标准试件的冲击能全部转换为弹性能，并通过弹性应变释放，因此，相同冲击条件下测定的荷载变化量相同。

本实施例：试验试样20为泥质弱胶结岩体试样。

首先，将试验试样20放置在压头5与底座8之间，然后选择合适质量的冲击锤16套入加载杆11，依据加载杆11上的刻度将冲击平台12通过限位夹13固定在加载杆11的下端。

施加预应力(静力)荷载加载时，将冲击锤16放在冲击平台12上，冲击平台12受力向下运动，带动传力杆10一端向下倾斜，传力杆10另一端绕横梁向下转动，对压杆3施加一个向下的力，压杆3底端的压头5随之向下运动，向试验试样20施加压载，试验试样20受压变形；不同质量的冲击锤16对试验试样20产生不同的扰动荷载，从而使试验试样 20产生不同程度的变形响应。

施加扰动(冲击)应力荷载时，将冲击锤16放置到相应的刻度位置，使之自由下落，对冲击平台12产生冲击荷载，通过传力杆10对压杆3施加一个向下的力，对试验试样20 施加动荷载，试验试样20产生变形响应；不同刻度位置、不同质量的冲击锤16对试验试样产生不同的冲击荷载，从而使试验试样20产生不同程度的变形相应。

在进行动静荷载加载试验时，数码照相机15实时记录试验试样20在静力和动力作用下试验试样20表面各测点的位置，利用岩土工程数字照相量测软件系统，比较不同时刻同一测点位置变化，进而推算试验试样20变形规律，得到荷载作用下试样变形云图；数码照相机15不仅可以实时记录试验试样20表面各测点的位移，还可以通过采集试验试样20表面各测点的位移情况，追踪试验试样20表面裂隙起裂、扩展和汇聚等过程，更有利于揭示动力作用下岩石变形破坏机理。

同时，数据采集仪14实时读取位移传感器7和两个动荷载传感器6电信号，并将读取的电信号输入到计算机中，即可获得试验所需的动荷载作用时间和动荷载强度，进而计算出冲击能量，以有效研究复杂应力条件下泥质弱胶结岩体工程稳定性。

Claims (5)

1.一种基于杠杆原理的动-静态耦合加载试验系统，其特征在于，包括顶梁(1)、压杆(3)、立柱(4)、底座(8)、垫块(9)、传力杆(10)、数据采集仪(14)、数字照相系统、冲击锤(16)；

其中，立柱(4)垂直固定连接于底座(8)一侧两端，顶梁(1)固结于两立柱(4)顶端，传力杆(10)一端活动连接于顶梁(1)中部，另一端固定连接有带有刻度的加载杆(11)；加载杆(11)上套有冲击平台(12)和冲击锤(16)，冲击平台(12)通过限位夹(13)固定加载杆(11)上；

压杆(3)顶端与传力杆(10)活动连接，且连接点靠近顶梁(1)，压杆(3)底端安装有压头(5)，压杆(3)与压头(5)之间、以及冲击平台(12)上分别安装有动荷载传感器(6)，压头(5)上安装有位移传感器(7)，底座(8)上安装有垫块(9)，试验试样(20)放置在压头(5)与垫块(9)之间；

数字照相系统包括数码照相机(15)、固定支架(151)以及图像处理模块，数码照相机的镜头正对试验试样(20)，图像处理模块用于处理数码照相机(15)采集的图像信息；

数据采集仪(14)分别与动荷载传感器(6)、位移传感器(7)和计算机相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于杠杆原理的动-静态耦合加载试验系统，其特征在于，压头(5)由凸面压头(17)、弹簧(18)以及凹面压头(19)构成，凸面压头(17)的半球形凸起(31)嵌于凹面压头(19)的三分之一球形凹槽中，凸面压头(17)和凹面压头(19)外围由三个等间距弹簧(18)连接起来。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于杠杆原理的动-静态耦合加载试验系统，其特征在于，传力杆(10)靠近顶梁(1)的一端设有球端凹槽(2)，压杆(3)顶端为与球端凹槽(2)相配合的球形凸起(31)，球形凸起(31)嵌于球端凹槽(2)中，形成活动球形连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于杠杆原理的动-静态耦合加载试验系统，其特征在于，加载杆(11)的杆身为光滑结构，加载杆(11)的0刻度位于加载杆(11)上端。

5.根据权利要求1所述的一种基于杠杆原理的动-静态耦合加载试验系统，其特征在于，动态数据采集仪(14)为TST3826F动静态应变测试分析系统，动荷载传感器(6)为高精度动态膜片压向式平面荷重传感器，型号为BSHM-2。

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