CN111811950A - 一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置及其试验方法，解决了现有应变试验装置的中主应力调节依赖人工，精度难以保证的问题。该试验装置包括：一压力室，具有一内部空腔；一平面应变压力室，位于压力室的内部空腔中，其内部也具有一空腔并用于放置待测土样，其包括两个液压囊和两块挡板；两个千斤顶，每个千斤顶的底部固定于压力室上，每个千斤顶的伸缩端连接至挡板，用于带动挡板往复移动，从而实现对待测土样中主应力的加载或卸载；至少两个土压力盒，分别嵌设于两块挡板的内壁上，用于采集待测土样的中主应力数据。

Description

一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置

技术领域

本发明属于岩土工程测试设备技术领域，具体涉及一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置。

背景技术

实际工程中的很多工程问题(如深基坑、挡土墙、高填方路堤、大坝、隧道等)都处于或近似处于平面应变状态，而目前针对平面应变问题的工程，在设计时，土的强度参数一般按照常规三轴或直剪试验结果来确定，未考虑平面应变应力路径条件下中主应力方向的约束和应力的变化对土强度的贡献。因此，依据平面应变试验来确定土的强度参数可充分发挥土的强度，提高工程经济性，与实际工程中土的应力应变状态更加吻合。

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σ₂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σ₂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σ₂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。在加载过程中有独立的装置来保证σ₂方向的应变ε₂＝0，σ₂方向为刚性约束，σ₁方向为刚性加载，σ₃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，实现了σ₂方向的应变ε₂＝0，但实际工程中的平面应变状态只对应着明确的应变条件ε₂＝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，导致试样在固结阶段σ₂方向上的主应力达不到固结围压大小，只能被动受力，从而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，侧向土体挤压刚性板，σ₂方向被动受力后，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。即有的σ₂方向主应力调节机构也以人工控制为主，很难保证精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置，以解决现有应变试验装置的中主应力调节依赖人工，精度难以保证的问题。

本发明采用以下技术方案：一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置，包括：

一压力室，具有一内部空腔；

一平面应变压力室，位于压力室的内部空腔中，其内部也具有一空腔并用于放置待测土样，其包括两个液压囊和两块挡板，具体为：

两个液压囊，相对设置在压力室内，且两个液压囊的相对距离为固定值，用于在其为充水膨胀状态下，对与其接触的待测土样的表面施加压力；

两块挡板，均为光面刚性板，相对地设置在压力室内、两个液压囊之间，且与两个液压囊均相交，两块挡板用于相向移动，以对与其接触的待测土样的表面施加压力；

两个千斤顶，每个千斤顶的底部固定于压力室上，每个千斤顶的伸缩端连接至挡板，用于带动挡板往复移动，从而实现对待测土样中主应力的加载或卸载；

至少两个土压力盒，分别嵌设于两块挡板的内壁上，用于采集待测土样的中主应力数据。

进一步的，还包括两个千斤顶的底部均通过螺栓固连至压力室的外壁上。

进一步的，压力室的底部设有压力室底座，以将压力室的底部封闭，用于作为待测土样的底部支撑。

进一步的，压力室的顶部可拆卸地设置压力室顶盖，以将压力室的顶部封闭。

本发明采用的第二种技术方案是，一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置的试验方法，采用一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置，试验方法为：

S1、将待测土体放入挡板和液压囊围成的平面应压力变室内，通过液压囊的水压力，对待测土样的表面施加压力P并保持，该方向的压力即为小主应力；通过两块挡板的相向移动，对待测土样的表面施加压力P，并继续相向移动，对待测土样的表面继续主动施加压力，使该方向的压力为中主应力；

S2、通过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。

进一步的，S1中，保持两块挡板的相对位置不变，通过控制液压囊增加其压力，在试验过程中控制液压囊方向上的应力始终大于刚性挡板上的压力，使得中主应力的方向由两块挡板的连线方向切换到两个液压囊的连线方向。

本发明的有益效果是：1、增加千斤顶和螺栓的结构设计，使得待测土样在σ₂方向上的主应力可以实现自动控制调整，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，中主应力测量精度和控制精度更高，具有良好的应用价值。

2、通过控制两块挡板的间距，以及控制液压囊的压力变化，可以根据需要很方便的实现待测土样上中主应力方向的切换，可适应实际工程中土体出现堆载或者卸载时应力状态的变化，能贴切的反映土的真实应力状态。

附图说明

图1为本发明一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置的俯视图；

图2为本发明一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置的纵向剖视图；

图3为本发明一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置的试样在平面应变应力路径下受荷状态。

其中，1、压力室底座，2、压力室顶盖，3、压力室，4、挡板，5、千斤顶，6、土压力盒，7、螺栓，8、液压囊。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置，如图1-2所示，包括平面应变压力室和中主应力加、卸载机构。包括一压力室3，其内部具有一空腔。还包括一平面应压力变室位于所述压力室3的内部空腔中，其内部也具有一空腔并用于放置待测土样，该平面应压力变室具体包括两块挡板4以及与两个液压囊8，共同围成用于放置待测土样的空间。

其中，两个液压囊8，相对设置在所述压力室3内，且两个液压囊8的相对距离为固定值，用于在其为充水膨胀状态下，对与其接触的待测土样的表面施加小主应力压力。两块挡板4，均为光面刚性板，相对地设置在所述压力室3内、两个所述液压囊8之间，且与两个所述液压囊8均相交，优选的状态是与两个所述液压囊8均垂直。两块挡板4可移动的设置在压力室3内，在液压超薄千斤顶5推力的作用下，两块挡板4可以相向移动以对待测土样施加中主应力压力，还可以相离运动以卸载对待测土样施加的压力。将至少两个土压力盒6分别嵌设于两块所述挡板4的内壁上，用于采集待测土样的中主应力。可以选取尺寸较大的钢弦式土压力盒以使土压力盒6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。

本发明的技术方案还可以包括两个千斤顶5，每个千斤顶5的底部固定于所述压力室3上，每个千斤顶5的伸缩端连接至所述挡板4，用于带动所述挡板4往复移动，从而实现对待测土样中主应力的加载或卸载。其中，千斤顶5可以为电脑控制液压超薄千斤顶。两个所述千斤顶5的底部均通过螺栓7固连至所述压力室3的外壁上。

本发明的技术方案还可以在压力室3的底部设置压力室底座1，以将所述压力室3的底部封闭，用于作为待测土样的底部支撑；在压力室3的顶部可拆卸地设置压力室顶盖2，以将所述压力室3的顶部封闭。

1、平面应变压力室外围结构

其可以由压力室顶盖2、压力室3本体和压力室底座1组成，材质都属于光面不锈钢材料。压力室3的外壁改造之处在于外筒中心开M10螺孔，可通过长度40mm的M10螺栓，通过螺栓使液压超薄千斤顶5固定于压力室3外壁，实现千斤顶5对光面刚性挡板4的推进与拉回，可实现光面刚性挡板4在中主应力方向上的加载与卸载；并且压力室3外筒下部开20mm的方孔，使液压超薄千斤顶5及土压力盒6的外接管线伸出；其余部分与现有真三轴保持一致。

2、平面应变压力室内部结构

其改造在于通过在平面应变对称方向加设一对凹型光面刚性挡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，防止注水加压后的液压囊8钻入缝隙发生破损，确保凹型光面刚性挡板和液压囊8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

如图3所示，在土样开始固结时，中主应力σ₂是由电脑控制液压超薄千斤顶5推动两个凹型光面刚性挡板4向内水平移动，挤压土体试块而产生的压力所提供。凹型光面刚性挡板4的水平移动方式是通过自动加载液压超薄千斤顶5的伸长推进，从而使刚性挡板4与压力室3外筒之间的水平距离产生变化。由于千斤顶5外侧的压力室3外筒限制了千斤顶5伸长产生向外侧的水平位移，因此水平位移只会向压力室3内发展，从而推动刚性挡板4向内挤压土体试块施加围压。在进行剪切试验时，土体变形对刚性挡板挤压所产生的压力会对千斤顶5产生反力，有使刚性挡板4发生移动的可能性，但由于千斤顶5为单向阀使得光面挡板无法移动，从而保证在试验过程中一直限制土体在该方向上的应变来模拟ε₂＝0的平面应变状态。此外，如平面应变方向上的固结应力出现偏大情况，可以通过电脑控制千斤顶5缩回，从而使凹型刚性挡板4产生逆向移动以卸载围压，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囊8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。

4、主应力测量装置

至少两个土压力盒6，嵌设于两块所述挡板4的内壁上，用于采集待测土样的中主应力数据。实际中也可以是四个土压力盒6，比如每个挡板4上在1/3和2/3处各设置一个。

在两块对称的挡板4中心开孔并各嵌入一枚钢弦式土压力盒6。通过与挡板4接触的千斤顶5来推动挡板4对待测土体产生压力，此时通过土压力盒6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，并选取尺寸较大的钢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。

本发明一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置的平面应变方向主应力的试验方法为，S1、将待测土体放入挡板4和液压囊8围成的平面应压力变室内，通过液压囊8的水压力，对待测土样的表面施加压力P并保持，该方向的压力即为小主应力；通过两块挡板4的相向移动，对待测土样的表面施加压力P，并继续相向移动，对待测土样的表面继续主动施加压力，使该方向的压力为中主应力；S2、通过土压力盒6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。其中，当我们想切换待测土体的中主应力方向时，保持两块挡板4的相对位置不变，通过控制液压囊8增加其压力，在试验过程中控制液压囊8方向上的应力始终大于刚性挡板4上的压力，使得中主应力的方向由两块挡板4的连线方向切换到两个液压囊8的连线方向。

在土样固结阶段，控制液压囊8方向上的应力并保持恒定数值，通过液压自动控制千斤顶推动两块刚性挡板4，使得两块刚性挡板4上的压力与液压囊8的压力相等。在平面应变试验过程中，液压囊8上的小主应力保持不变，土体在竖向荷载下产生变形后挤压刚性挡板4，使得刚性挡板4上的压力增长，始终为中主应力；或在剪切过程中通过控制液压囊8上的压力值始终大于两块刚性挡板4上的主应力，使得剪切过程中液压囊8方向上的主应力始终保持为中主应力，两块刚性挡板4上的主应力保持为小主应力，可实现中主应力主轴的旋转。土体剪切工程中中主应力的旋转，可适应实际工程中土体出现堆载或者卸载时应力状态的变化，能贴切的反映土的真实应力状态。

实施例：

将待测土体放入挡板4和液压囊8围成的平面应压力变室内，在两块对称的挡板4中心开孔并各嵌入一枚钢弦式土压力盒6。试样装好后，在平面应变方向的压力室3内将液压超薄千斤顶5通过长度为40mm的M10加载螺栓7旋转固定在压力室外筒，垂直放入两对凹型光面刚性挡板4，并且把千斤顶5的两翼嵌入光面刚性挡板4背面的凹槽中从而固定液压超薄千斤顶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，通过电脑操作推进液压超薄千斤顶5伸长，使光面刚性挡板4向压力室3内运动，从而推动光面刚性挡板4向内和试样紧密接触，对试样施加围压。通过土压力盒6可以采集待测土样的中主应力。

由于液压超薄千斤顶5外侧的压力室3外筒以及液压超薄千斤顶5的单向阀限制了反作用力导致光面刚性挡板4向外侧的水平位移，使得在土体固结和剪切过程中位移只能向压力室内发展，从而推动光面刚性挡板4向内和试样紧密接触，对试样施加围压。当液压超薄千斤顶5施加围压时比设定围压略大时，先让通过电脑控制让液压超薄千斤顶5自动回缩一定程度，释放凹型光面刚性挡板4对土样产生的压力，达到固结围压设定值，由于该系统双重限制位移特点，阻止了凹型光面刚性挡板4的水平移动，保持该方向上的平面应变状态。

试验时，随着轴向压力的增大，由于千斤顶5单向阀特点，使得土体变形对光面刚性挡板4产生的压应力不会导致千斤顶5产生移动，从而保证了在试验过程中σ₂方向的应变ε₂始终为零。为保证小主应力方向乳胶模在试验中的正常使用，通常将凹型光面刚性挡板4的宽度增大减小缝隙。

本发明为实现一种可自动调控平面应变方向主应力大小的往复加载机构而设计的，在土样固结阶段可直接调节平面应变方向上主应力大小的平面应变机构。该种平面应变机构通过合理的设计，使其能够达到使用操作简便，并有效自动调节和测量平面应变方向上主应力大小的功能，有效的克服现有刚性挡板模拟平面应变状态下土体应力状态的缺陷和不足。即自动调节平面应变方向上主应力的大小，保证平面应变方向的主应力在剪切试验开始时即为中主应力，土体处于平面应变状态，更符合工程实际情况，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。

Claims (6)

1.一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置，其特征在于，包括：

一压力室(3)，具有一内部空腔；

一平面应变压力室，位于所述压力室(3)的内部空腔中，其内部也具有一空腔并用于放置待测土样，其包括两个液压囊(8)和两块挡板(4)，具体为：

两个液压囊(8)，相对设置在所述压力室(3)内，且两个液压囊(8)的相对距离为固定值，用于在其为充水膨胀状态下，对与其接触的待测土样的表面施加压力；

两块挡板(4)，均为光面刚性板，相对地设置在所述压力室(3)内、两个所述液压囊(8)之间，且与两个所述液压囊(8)均相交，所述两块挡板(4)用于相向移动，以对与其接触的待测土样的表面施加压力；

两个千斤顶(5)，每个千斤顶(5)的底部固定于所述压力室(3)上，每个千斤顶(5)的伸缩端连接至所述挡板(4)，用于带动所述挡板(4)往复移动，从而实现对待测土样中主应力的加载或卸载；

至少两个土压力盒(6)，分别嵌设于两块所述挡板(4)的内壁上，用于采集待测土样的中主应力数据。

2.如权利要求1所述的一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置，其特征在于，还包括两个所述千斤顶(5)的底部均通过螺栓(7)固连至所述压力室(3)的外壁上。

3.如权利要求1或2所述的一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置，其特征在于，所述压力室(3)的底部设有压力室底座(1)，以将所述压力室(3)的底部封闭，用于作为待测土样的底部支撑。

4.如权利要求1或2所述的一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置，其特征在于，所述压力室(3)的顶部可拆卸地设置压力室顶盖(2)，以将所述压力室(3)的顶部封闭。

5.一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置的试验方法，其特征在于，采用权利要求1-4中任意一项所述的一种自动加、卸载液压型平面应变试验装置，试验方法为：

S1、将待测土体放入挡板(4)和液压囊(8)围成的平面应压力变室内，通过液压囊(8)的水压力，对待测土样的表面施加压力P并保持，该方向的压力即为小主应力；通过两块挡板(4)的相向移动，对待测土样的表面施加压力P，并继续相向移动，对待测土样的表面继续主动施加压力，使该方向的压力为中主应力；

S2、通过土压力盒(6)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。

6.如权利要求6所述的试验方法，其特征在于，所述S1中，保持两块挡板(4)的相对位置不变，通过控制液压囊(8)增加其压力，在试验过程中控制液压囊(8)方向上的应力始终大于刚性挡板(4)上的压力，使得中主应力的方向由两块挡板(4)的连线方向切换到两个液压囊(8)的连线方向。

Images