CN110987627A - 一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置，包括：滑动加载部件、橡胶薄膜；橡胶薄膜包裹在岩土试样外，用于封装岩土试样；滑动加载部件包括四个刚性加载板，由四个刚性加载板之间滑动连接形成一个容置空间，用于容纳岩土试样；容置空间的外侧设有四组加载部件；每组加载部件包括连接件、环形密封器、滑动部件和加载活塞，滑动部件连接于连接件与加载活塞之间，使加载活塞与刚性加载板通过滑动部件实现滑动连接；刚性加载板分别在加载活塞的作用下可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动，使加载活塞的作用力一直位于变形后的中部空间的中央位置，将载荷施加在岩土试样的中央位置，本发明实现岩土试样内部应力和应变的均匀分布。

Description

一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置

技术领域

本发明涉及岩土力学试验领域，具体地，涉及一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置。

背景技术

真三维仪的设计及试验研究一直是一个活跃并且具有挑战性的研究领域。许多学者利用真三维仪试验研究了第二主应力对于岩土材料应力–应变–强度特性的影响。对岩土的应力-应变强度特性的测量一般采用真三维系统。真三维试验的加载装置可以分为刚性加载方式、柔性加载方式和刚柔组合加载方式三种，目前运用最为广泛的是刚柔组合加载方式。

经检索发现，申请号为201610008691.9的中国专利，公开了一种滑动式变尺寸刚性三轴仪，包括底座、加载框架、加载箱、升降台和轴向加压设备，其中加载箱由上承压板、下承压板、左承压板、右承压板、前承压板和后承压板围成方形空间，所述左承压板和前承压板均通过连接装置一与所述加载框架相连，连接装置一滑动安装在所述左承压板和前承压板上，所述右承压板和后承压板通过连接装置二与所述加载框架连接，所述连接装置二的一端滑动安装在所述右承压板和后承压板上，另一端滑动安装在所述加载框架上；所述连接装置一包括设置在所述左承压板或前承压板板面上的导轨、滑动安装在导轨上的滑块、以及连接滑块和加载框架的连接杆，左承压板上的导轨沿X轴方向设置，前承压板上的导轨沿Z轴方向设置。该装置可使试样在压缩整个过程中保持规整，各个方向变形均匀，遍布试样的所所有部位都能加压至预定荷载值，消除了应力集中现象。

但是上述专利存在以下不足：首先采用了全刚性加载方式，该方式会产生钢板之间的碰撞和扰动，对试验结果产生影响；并且上述真三轴加载系统中，加载板之间留有缝隙，在实验过程中易产生挤土等现象，并且试样边缘处容易产生应力集中，导致实验过程中岩土试样的应力应变分布不均；除此之外，通过上述专利无法直接在实验过程中测得实时的孔隙水压变化情况。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置。

根据本发明提供一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置，包括：滑动加载部件、橡胶薄膜；其中，

所述滑动加载部件包括四个刚性加载板，由所述四个刚性加载板之间滑动连接形成一个横截面呈矩形的容置空间，所述容置空间用于容纳岩土试样；

所述容置空间的外侧设有四组加载部件，在所述加载部件的作用下四个所述刚性加载板可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动；

每组所述加载部件包括连接件、滑动部件、加载活塞和环形密封器，所述滑动部件连接于所述连接件与所述加载活塞之间，所述连接件设置于所述刚性加载板上，所述连接件的一端与所述刚性加载板的外侧固接，另一端与所述滑动部件固接；所述滑动部件包括滑动导槽、滑动轴承和滑动块，所述滑动块的一端与所述连接件固接，另一端通过所述滑动轴承与所述滑动导槽滑动连接；所述加载活塞与所述滑动导槽固连，实现所述加载活塞与所述刚性加载板之间的滑动连接；所述环形密封器套接于所述连接件上；

多个所述刚性加载板分别在所述加载活塞的作用下，可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动，通过所述滑动部件使所述加载活塞的作用力一直位于变形后的所述容置空间的中央位置，从而将载荷施加在所述岩土试样的中央位置，实现所述岩土试样内部应力的均匀分布；

所述橡胶薄膜包裹于四个所述刚性加载板及所述岩土试样的外部，且位于所述刚性加载板和所述环形密封器之间，通过所述环形密封器夹紧所述橡胶薄膜，从而起到密封所述岩土试样的作用，所述柔性薄膜沿垂直于所述滑动加载部件两侧的方向向所述岩土试样施加载荷。

优选地，四个所述刚性加载板分别朝四个方向彼此搭接围成所述容置空间，四个所述刚性加载板可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动。

优选地，每个所述刚性加载板上设置一组所述加载部件，所述加载部件与所述刚性加载板的长度方向垂直。

优选地，所述滑动块为矩形块；所述滑动轴承设置于所述滑动导槽内，所述滑动轴承贯穿于所述滑动块的中间，所述滑动块可在所述滑动导槽内沿着所述滑动轴承自由滑动。

优选地，所述滑动部件包括两个所述滑动轴承，两个所述滑动轴承分别平行设置于所述滑动导槽内，且分别贯穿于所述滑动块的中间，使所述滑动块可在所述滑动导槽内沿所述滑动轴承自由滑动。

优选地，所述连接件设有螺纹，所述环形密封器套接于所述连接件上，所述环形密封器可沿所述螺纹在所述连接件上移动，通过扭紧所述环形密封器，实现所述橡胶薄膜的开口封闭，使所述滑动加载部件和所述岩土试样整个封闭在所述橡胶薄膜内部。

优选地，所述加载装置还包括应力传感器和位移传感器，

所述应力传感器固结于所述加载活塞上，用于感测所述加载装置作用在所述岩土试样上的载荷大小；

所述位移传感器，用于感测载荷作用下所述岩土试样的应变。

优选地，所述加载装置还包括排水测量部件，所述排水测量部件包括第一导孔、第二导孔、第一软管和第二软管；

其中，所述第一导孔、所述第二导孔分别设置于所述橡胶薄膜上，所述第一软管的一端连接所述第一导孔，另一端与外部接通；所述第二软管的一端连接所述第二导孔，另一端与外部接通；用于测量所述岩土试样排出或进出的水量或土体孔隙中的水压；

所述第一软管、所述第二软管用于在排水剪切试验中测量排水，或者不排水试验中测量水的压力。

优选地，所述加载装置还包括电机系统，所述加载活塞通过所述电机系统驱动。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效：

本发明上述装置，通过在加载活塞与刚性加载板之间设置滑动装置，使得加载活塞一直位于变形后的中部空间的中央位置，可以保证将载荷施加在岩土试样的中央位置，确保了岩土内部应力的均匀分布；同时，橡胶薄膜将滑动加载板和岩土试样整个封闭在容置空间中，采用环形密封器来进行密封，通过扭紧环形密封器实现橡胶薄膜与刚性加载板之间密封，便于操作。

四个刚性加载板分别朝四个方向彼此搭接围成的横截面呈矩形的容置空间，四个刚性加载板可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动,以这样的方式搭接，使得它们在加载活塞的作用下，可沿水平方向和垂直方向彼此滑动，从而使得随着该岩土试样在载荷的作用下发生应变后，该容置空间也会随之变小，从而保证载荷一直施加在该岩土试样上。

本发明上述装置，通过改变橡胶薄膜的位置实现全π面应力路径试验。一般复合真三轴仪的橡胶薄膜只能包裹住土样，刚性加载板在橡胶薄膜外，水平方向刚性板施加在土样上的应力等于压力室水压与刚性加载板压力之和，不能小于围压室中水压，因此无法进行0～360度的任意Lode角试验。而本发明设计的加载装置巧妙地将橡胶薄膜设计与滑动加载板之外，通过与滑动加载板相连的加载活塞施加荷载，可以直接测得孔隙水压，并且可实现剪切时土样在该方向上所受压力小于围压室内水压，可以进行0～360度的任意Lode角试验。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例中加载装置的垂直剖面图；

图2a为本发明一优选实施例中滑动加载部件的正视图；

图2b为本发明一优选实施例中滑动加载部件的侧视图；

图2c为本发明一优选实施例中滑动加载部件的俯视图；

图3a为本发明一优选实施例中滑动部件的正视图；

图3b为本发明一优选实施例中滑动部件的侧视图；

图3c为本发明一优选实施例中滑动部件的仰视图；

图中标记分别表示为：岩土试样10、测试室20、第一导孔41、第二导孔42、第一软管43、第二软管44、刚性加载板301、302、303、304、连接件305、306、307、308、滑动块309、310、311、312、滑动轴承313、314、315、316、滑动导槽317、318、319、320、应力传感器321、322、323、324、加载活塞325、326、327、328、环形密封器329、330、331、332。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

参照图1所示，为本发明一优选实施例基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置的结构示意图，包括：滑动加载部件、橡胶薄膜；其中，滑动加载部件包括：

四个刚性加载板301、302、303、304之间滑动连接形成一个容置空间，该矩形容置空间用于容纳岩土试样10，通过滑动加载部件对岩土试样10施加载荷，从而实现刚性加载。

每个刚性加载板301、302、303、304的外侧设有一组加载部件，加载部件与刚性加载板301、302、303、304的长度方向垂直。本装置中包括四组加载部件，参照图1所示，四组加载部件是指四个加载活塞325、326、327、328、四个滑动部件、四个连接件305、306、307、308、四个环形密封器329、330、331、332。滑动部件包括滑动块309、310、311、312、滑动导槽317、318、319、320和四个滑动轴承313、314、315、316。

在加载部件的作用下四个刚性加载板301、302、303、304、可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动。参照图1所示，一组加载部件包括一连接件305、一滑动部件和一加载活塞325，其中，连接件305连接在刚性加载板301上，连接件305的一端与刚性加载板301的外侧固连，另一端与滑动部件固连；连接件305与刚性加载板301构成一个复合加载体系，连接件305与加载活塞325之间通过滑动部件连接，从而实现加载活塞325与刚性加载板301之间的滑动连接。

图2a、图2b及图2c所示，滑动部件包括一滑动导槽309、一滑动轴承313和一滑动块309，将加载活塞325与滑动导槽317固连，滑动块309的一端与连接件305固连，另一端与通过滑动轴承313与滑动导槽309，实现滑动连接。具体实施时，滑动导槽317与加载活塞325可以采用螺接，在滑动导槽317的中央位置设置螺纹孔，将滑动导槽317通过该螺纹孔与加载活塞325连接，从而实现加载活塞325与刚性加载板301的滑动连接，使加载活塞325作用于刚性加载板上301，对刚性加载板301施加荷载。

本实施例中加载活塞325、326、327、328可以通过电机系统驱动。

四个刚性加载板301、302、303、304分别在四个加载活塞325、326、327、328的作用下可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动，为了保证在刚性加载板301、302、303、304滑动之后，使加载活塞325、326、327、328仍然作用于岩土试样10的中心位置，从而保证该岩土试样10的应力均匀，如上述所述，在刚性加载板301、302、303、304、与加载活塞325、326、327、328之间设置滑动连接部件，通过设置滑动部件使得它们在加载活塞325、326、327、328的作用下，可沿水平方向和垂直方向彼此滑动，从而使得随着该岩土试样10在载荷的作用下发生应变后，该中央容置空间也会随之变小，从而保证载荷一直施加在该岩土试样10上，实现岩土试样10内部应力的均匀分布。

参照图1所示，将四个环形密封器329、330、331、332分别套接于四个连接件305、306、307、308上，用于夹紧密封，在四个连接件305、306、307、308上分别设有螺纹，该任意一环形密封器329、330、331、332沿螺纹在所在的连接件305、306、307、308上下移动，通过扭紧环形密封器329、330、331、332实现夹紧密封。

橡胶薄膜，将橡胶薄膜包裹于四个刚性加载板301、302、303、304及岩土试样10的外部，且将橡胶薄膜位于刚性加载板301、302、303、304和环形密封器329、330、331、332之间，通过分别扭紧环形密封器329、330、331、332将橡胶薄膜的开口封闭，使得滑动加载板和岩土试样10整个密封在容置空间中，从而起到密封岩土试样10的作用。将岩土试样10和四个刚性加载板301、302、303、304封装在一立方体形的橡胶薄膜(图中未示出)中，从而也形成一个立方体形，然后使岩土试样10由滑动加载部件所夹持。通过水压沿垂直于容置空间的上下两个方向(即没有设置刚性加载板301、302、303、304的其余两个方向)向岩土试样10施加柔性荷载，水压是直接作用在另外两个方向的橡胶薄膜上面的。在具体实施的过程中，将上述加载装置放置在测试室20内，实验过程是在该测试室20内中进行，在实验过程中该测试室20内会被水填满，用于施加另外两个方向的水压(也就是柔性荷载)。

在一具体实施例中，参照图1所示，四个刚性加载板301、302、303、304分别朝四个方向彼此搭接围成的容置空间，四个刚性加载板301、302、303、304可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动。具体的搭接方式为，将其中一块刚性加载板301、302、303、304的下端位于另一块刚性加载板301、302、303、304的上表面之上，而另一端悬置，从而其中一块刚性加载板301、302、303、304可以沿一块刚性加载板301、302、303、304的上表面滑动，其余两块刚性加载板301、302、303、304以同样的方式依次搭接。该四个滑动加载板以这样的方式搭接，使在加载活塞325、326、327、328的作用下，可沿水平方向和垂直方向彼此滑动，从而随着该岩土试样10在载荷的作用下发生应变后，该中央容置空间也会随之变小，从而保证载荷一直施加在该岩土试样10上。

在其他部分优选实施例中，滑动块309、310、311、312为矩形块，滑动块309、310、311、312上设有两个贯穿孔，该贯穿孔由滑动块309、310、311、312的一端贯穿于另一端。滑动导槽317、318、319、320垂直于其连接的加载活塞325、326、327、328设置，用于滑动轴承与加载活塞325、326、327、328固连。将滑动轴承313、314、315、316由滑动块309、310、311、312贯穿孔中穿过，然后将滑动轴承313、314、315、316固定在滑动导槽317、318、319、320上。每个滑动导槽317、318、319、320内固接有两个相互平行的滑动轴承313、314、315、316，滑动块309、310、311、312可在滑动导槽317、318、319、320内沿着滑动轴承313、314、315、316自由滑动。参照图1、图2a、图2b及图2c所示，其中第一个第一滑动块309在第一个滑动导槽317内沿着第一个滑动轴承313滑动；第二个滑动块310在第二个滑动导槽318沿着第二个滑动轴承314滑动；第三个滑动块311在第三个滑动导槽319内沿着第三个滑动轴承315滑动；第四个滑动块312在第四个滑动导槽320内沿着第四个滑动轴承316滑动。上述滑动轴承313、314、315、316限定了刚性加载板301、302、303、304仅可沿一个方向滑动，并且在刚性加载板301、302、303、304和加载活塞325、326、327、328之间保持了直角，同时在相邻的两个刚性加载板301、302、303、304之间保持了直角，四个刚性加载板301、302、303、304搭接成的容置空间，减小了刚性加载板301、302、303、304之间的摩擦力。

在其他部分优选实施例中，参照图3a、图3b及图3c所示，每个滑动部件包括两个滑动轴承；两个滑动轴承分别平行设置于滑动导槽317、318、319、320内，两个滑动轴承分别贯穿于滑动块309、310、311、312的中间，使滑动块309、310、311、312可在滑动导槽317、318、319、320内沿滑动轴承自由滑动，并且两个相互平行的滑动轴承贯穿于滑动块309、310、311、312，也保证滑动块309、310、311、312保持在一个平面上滑动，防止滑动块309、310、311、312发生倾翻。

在其他部分优选实施例中，加载装置还包括：应力传感器321、322、323、324和位移传感；其中，应力传感器321、322、323、324，用于感测加载装置作用在岩土试样10上的载荷大小；位移传感器，用于感测载荷作用下岩土试样10的应变。

参照图1所示，为了测定四个加载活塞325、326、327、328施加到四个刚性加载板301、302、303、304上的载荷，在测试室20内部设置四个应力传感器321、322、323、324，将其中两个设置于水平加载方向，另外两个设置于垂直加载方向。加载活塞325、326、327、328均呈环形，分别固结四个加载活塞325、326、327、328上。

另外，为了测量该岩土试样10在载荷作用下的应变，在加载活塞326、328分别设有位移传感器(图中未示出)，用于测量垂直方向的位移，在加载活塞325、327上分别同样也设有位移传感器(图中未示出)，用于测量水平方向的位移。在具体实施时上述应力传感器321、322、323、324和位移传感器发出的信号被传送到与测试室20连接的计算机，用于进行后续的分析计算。

在其他部分优选实施例中，加载装置还包括排水测量部件，排水测量部件包括第一导孔41、第二导孔42、第一软管43和第二软管44，其中，第一导孔41、第二导孔42分别设置于橡胶薄膜的两侧的上部和下部，第一软管43的一端连接第一导孔41，另一端连接到测试室20的外部；第二软管44的一端连接第二导孔42，另一端连接到测试室20的外部；用于测量岩土试样10排出或进出的水量或土体孔隙中的水压。

第一软管43、第二软管44用于在排水剪切试验中测量排水，或者不排水试验中测量水的压力。作为一优选方式，第一软管43、第二软管44可以选用塑料软管。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置，其特征在于：包括：滑动加载部件、橡胶薄膜；其中，

所述滑动加载部件包括四个刚性加载板，由所述四个刚性加载板之间滑动连接形成一个横截面呈矩形的容置空间，所述容置空间用于容纳岩土试样；

所述容置空间的外侧设有四组加载部件，在所述加载部件的作用下四个所述刚性加载板可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动；

每组所述加载部件包括连接件、滑动部件、加载活塞和环形密封器，所述滑动部件连接于所述连接件与所述加载活塞之间，所述连接件设置于所述刚性加载板上，所述连接件的一端与所述刚性加载板的外侧固接，另一端与所述滑动部件固接；所述滑动部件包括滑动导槽、滑动轴承和滑动块，所述滑动块的一端与所述连接件固接，另一端通过所述滑动轴承与所述滑动导槽滑动连接；所述加载活塞与所述滑动导槽固连，实现所述加载活塞与所述刚性加载板之间的滑动连接；所述环形密封器套接于所述连接件上；

多个所述刚性加载板分别在所述加载活塞的作用下，可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动，通过所述滑动部件使所述加载活塞的作用力一直位于变形后的所述容置空间的中央位置，从而将载荷施加在所述岩土试样的中央位置，实现所述岩土试样内部应力的均匀分布；

所述橡胶薄膜包裹于四个所述刚性加载板及所述岩土试样的外部，且位于所述刚性加载板和所述环形密封器之间，通过所述环形密封器夹紧所述橡胶薄膜，从而起到密封所述岩土试样的作用，所述柔性薄膜沿垂直于所述滑动加载部件两侧的方向向所述岩土试样施加载荷。

2.根据权利要求1所述的一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置，其特征在于：四个所述刚性加载板分别朝四个方向彼此搭接围成所述容置空间，四个所述刚性加载板可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动。

3.根据权利要求2所述的一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置，其特征在于：每个所述刚性加载板上设置一组所述加载部件，所述加载部件与所述刚性加载板的长度方向垂直。

4.根据权利要求1所述的一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置，其特征在于：所述滑动块为矩形块；所述滑动轴承设置于所述滑动导槽内，所述滑动轴承贯穿于所述滑动块的中间，所述滑动块可在所述滑动导槽内沿着所述滑动轴承自由滑动。

5.根据权利要求4所述的一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置，其特征在于：所述滑动部件包括两个所述滑动轴承，两个所述滑动轴承分别平行设置于所述滑动导槽内，且分别贯穿于所述滑动块的中间，使所述滑动块可在所述滑动导槽内沿所述滑动轴承自由滑动。

6.根据权利要求1所述的一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置，其特征在于：所述连接件设有螺纹，所述环形密封器套接于所述连接件上，所述环形密封器可沿所述螺纹在所述连接件上移动，通过扭紧所述环形密封器，实现所述橡胶薄膜的开口封闭，使所述滑动加载部件和所述岩土试样整个封闭在所述橡胶薄膜内部。

7.根据权利要求1-6中任一项中所述的一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置，其特征在于：所述加载装置还包括应力传感器和位移传感器，

所述应力传感器固结于所述加载活塞上，用于感测所述加载装置作用在所述岩土试样上的载荷大小；

所述位移传感器，用于感测载荷作用下所述岩土试样的应变。

8.根据权利要求1-6中任一项中所述的一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置，其特征在于：所述加载装置还包括排水测量部件，所述排水测量部件包括第一导孔、第二导孔、第一软管和第二软管；

其中，所述第一导孔、所述第二导孔分别设置于所述橡胶薄膜上，所述第一软管的一端连接所述第一导孔，另一端与外部接通；所述第二软管的一端连接所述第二导孔，另一端与外部接通；用于测量所述岩土试样排出或进出的水量或土体孔隙中的水压；

所述第一软管、所述第二软管用于在排水剪切试验中测量排水，或者不排水试验中测量水的压力。

9.根据权利要求1-6中任一项中所述的一种基于滑杆技术的刚柔组合真三维加载装置，其特征在于：所述加载装置还包括电机系统，所述加载活塞通过所述电机系统驱动。

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