CN112432850A - 一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，属于室内土工试验设备技术领域，包括设置在试样大主应力σ₁方向的半刚性加载系统(1)，设置在试样中主应力σ₂方向的混合型加载系统(2)和设置在小主应力σ₃方向的柔性加载系统(3)。本发明可保证σ₂方向加载装置与试样同步变形，防止土颗粒嵌入，同时减弱σ₂方向加载装置产生的附加剪应力；σ₁和σ₂的加载系统为半刚性，σ₃的加载系统为柔性，可完全消除刚性面加载对剪破面的影响。本发明提供的一种新型混合边界真三轴仪，在应力空间三个方向独立加载无相互干扰，可实现复杂应力路径下的真三轴试验，得出土体真实剪切面和应力应变关系。

Description

一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪

技术领域

本发明涉及一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，属于室内土工试验设备技术领域。

背景技术

真三轴试验加载传力装置是土木工程领域的一种室内土工试验设备，真三轴仪的试样为立方体，在立方体的三个面上分别施加主应力分量σ₁、σ₂、σ₃，以真实模拟土体的三向受力状态，将三个主应力任意组合，即可得出任意应力状态下土体的三向应力应变关系。相较于常规三轴试验，真三轴试验可研究复杂应力状态下土体的力学特性，是研究土体的本构模型的主要仪器。

真三轴试验仪的研发与改进已历经数十年之久，目前，在三向独立加载的真三轴仪中，根据加载方式的不同，可大致分为三类：(1)全刚性加载；(2)全柔性加载；(3)半刚性加载，上述类型真三轴试验仪对土体本构模型，特别是各向异性本构模型的发展起到了关键的作用，但目前的真三轴仪仍有一定的不足之处：(1)全刚性加载型真三轴仪，三个独立加载装置都为刚性体，在加载过程中不免互相干扰、碰撞，目前研究设计人员试图通过在仪器可能会发生碰撞的部位预留孔隙解决该问题，但该方法会导致试样边角处受力不均，影响试验结果的可靠性；(2)全柔性加载型真三轴仪，其加载装置为充气或充水的橡胶囊体，当试样发生变形时，试样边角处的橡胶囊体会发生偏转，导致试样边角处受力复杂不明，影响了试验结果的可靠性；(3)半刚性加载型真三轴仪，该类型真三轴仪的大主应力(σ₁)方向为刚性加载，中主应力(σ₂)方向为半刚性加载，小主应力方向(σ₃)为柔性加载，该类型仪器一定程度上解决了三向加载相互干扰的问题，但仍存在很多问题，可归为内外两个原因，内因是土体的固有性质，在不同应力条件下土体的变形具有不均匀性，外因是仪器设备自身的复杂性，导致传力装置的加载端产生较大的摩阻力，而摩阻力会对试样产生附加剪应力，影响了试验结果的准确性；同时，现有研究表明：刚性加载会影响试样剪破面出现的角度和位置，不能完全反映土体的真实破坏状态。

因此，减小甚至消除加载端处摩阻力影响和消除刚性加载等边界条件对试验结果的影响作用，是在设计和改进真三轴仪时亟待考虑的问题。在半刚性加载真三轴试验中，试样与σ₂方向的加载传力装置直接接触，为了避免σ₂方向的加载传力装置干扰σ₁方向的刚性加载面，要求σ₂方向的加载传力装置可以适应土体在σ₁方向的变形；σ₂方向的加载传力装置与土体接触面处的摩擦力要求尽量减小甚至消除；同时，刚性加载面对剪破面的影响应尽量避免。在此条件下，发明一种可适应土体变形、减小端部摩擦并避免刚性加载对剪破面影响的真三轴试验加载传力装置，可有效提高真三轴仪试验结果的精度，促进土体本构的发展。

目前，真三轴仪的加载传力装置通常有如下几种：①固定的刚性板，在刚性板与试样接触面涂抹润滑试剂如凡士林、黄油等，或是在接触面间增加垫片；②滑动的刚性板，该刚性板通过轨道装置与加载系统连接，同时涂抹润滑试剂；③半刚性复合加压块；④双向变形的微摩擦荷载传力板。

虽然上述装置在一定程度上可减弱棱角和摩阻效应，但是在使用过程中依然存在不足之处，如固定刚性板和滑动刚性板无法完全适应土体的变形，在棱角处发生冲突，半刚性复合加压块的端部摩阻效应，双向变形的微摩擦荷载传力板结构复杂，滑块之间易变形损坏，且上述已有加载传力装置皆无法完全消除刚性边界的影响，尤其是固定刚性板和滑动刚性板的传力形式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供了一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，通过该装置可以实现加载传力装置配合土体变形，避免干扰其他方向加载，并有效解决加载端摩阻效应、刚性板对剪破面影响的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，包括设置在试样大主应力σ₁方向的半刚性加载系统，设置在试样中主应力σ₂方向的混合型加载系统和设置在小主应力σ₃方向的柔性加载系统；

所述半刚性加载系统包括上加载系统和下支撑系统，所述上加载系统包括第一活塞刚性加载板，所述第一活塞刚性加载板内嵌有测力传感器，所述测力传感器通过试样帽与半刚性透水板相接触；所述第一活塞刚性加载板的下表面两侧设置有同步变形加载板，所述测力传感器与所述同步变形加载板互相独立；所述下支撑系统包括刚性底座，所述刚性底座的沿中主应力方向两侧设置有轴承底座；所述下支撑系统与所述试样之间设置有所述半刚性透水板；

所述混合型加载系统包括第二活塞刚性加载板和半刚性压缩块；

所述柔性加载系统包括压力控制系统和柔性加载单元；

所述半刚性压缩块包括若干承载板，所述承载板的加载端设置有2个轴对称的第一凹槽，所述第一凹槽内安装有与所述第二活塞刚性加载板的加载面相接触的滚轴；

所述承载板的试样触土端设置有翼缘；

所述承载板内部开中心对称的4个贯通的圆孔，所述圆孔的上下两端均设置有同心圆卡槽，所述同心圆卡槽与所述圆孔相连通；

全部所述承载板相对应的所述圆孔均由刚性杆相连，所述刚性杆的顶端设置有内螺纹，所述内螺纹顶端活动设置有螺丝；所述刚性杆的底端设置有外螺纹，所述外螺纹上螺纹连接有螺母；

所述承载板包括顶层承载板、若干中间层承载板和底层承载板，所述顶层承载板的中部设置有第二凹槽，所述第二凹槽内放置有若干钢珠，所述钢珠的直径大于所述第二凹槽的深度，所述底层承载板的底端与所述轴承底座的顶面滚动式接触；

所述同心圆卡槽包括用于容纳所述螺丝的顶层同心圆卡槽和用于容纳弹簧的若干中间层同心圆卡槽；所述顶层同心圆卡槽的深度大于所述螺丝的高度。

所述翼缘的垂向截面为梯形，所述梯形的下底角为45°，上底角为60°；所述梯形的两腰分别为翼缘底部与翼缘顶部，所述翼缘顶部与所述承载板的顶面之间设置有距离，所述距离为搭接面，所述翼缘底部向下延伸并凸出于所述承载板的下表面；所述翼缘底部位于与其相邻的下层的所述承载板的所述搭接面上；当未加载时，所述翼缘底部搭接在下层的所述承载板的搭接面顶端，当加载至最大压缩量时，所述翼缘底部与其相邻的下层所述承载板的翼缘顶部完全接触。

所述螺丝包括沉头螺丝或平头螺丝，当所述螺丝与所述刚性杆通过内螺纹连接后，所述顶层承载板表面无凸出部分。

所述顶层承载板的上表面放置有空心方管型的同步变形垫块，所述同步变形垫块的上表面与所述同步变形加载板相接触，所述同步变形垫块的下表面与所述顶层承载板中的钢珠相接触。

所述试样的顶部和底部均放置有半刚性透水板，所述半刚性透水板包括由若干方格组成的柔性框体，所述方格为通槽，所述通槽内放置有刚性方盒，所述刚性方盒由刚性片和亚克力方框黏结组成，所述亚克力方框内放置有若干磁性钢珠；所述通槽的内壁与所述刚性方盒之间设置有透水缝隙。

所述柔性框体的材质为柔性硅胶体或凝胶；所述刚性方盒的材质包括亚克力板材和磁吸性的钢材；磁性钢珠内置于所述刚性方盒，所述磁性钢珠与所述刚性方盒磁吸连接，所述磁性钢珠直径大于所述亚克力方框的深度；或者，所述磁性钢珠由无磁吸性的普通钢珠替代，当采用普通钢珠时，在所述刚性方盒内涂抹凡士林，与所述普通钢珠进行黏连。

所述柔性加载单元包括水囊框，所述水囊框包括通过螺栓相连的外钢板和内钢框，所述外钢板和内钢框之间夹有水囊袋，所述水囊袋正对所述外钢板的一侧为敞口，所述外钢板中上部设置有排气孔，所述外钢板的中心部位设置有贯通孔，密封法兰座与所述贯通孔四周外缘的所述外钢板通过吊环螺丝连接，位移测杆的外端与位移传感器相连，所述位移测杆依次穿过所述密封法兰座、所述外钢板后与所述水囊袋内侧相接触，所述外钢板上设置有水囊加压注水孔；所述外钢板上设置有与所述外钢板的顶端一体连接的连接板，所述连接板的左右两侧均设置有连接槽，螺杆穿过两个所述连接板相对应侧的所述连接槽后将两个所述水囊框固定。

所述水囊袋在中主应力方向上的尺寸大于所述试样在中主应力方向的尺寸。

所述排气孔上可拆卸连接有堵头螺丝。

所述密封法兰座与所述外钢板之间设置由密封圈连接，所述位移测杆与所述水囊袋接触一端为光圆的平底状，所述位移测杆与所述位移传感器连接端设置有一纵向的贯通圆孔，弹簧件穿过所述贯通圆孔后，两端分别与所述吊环螺丝上的吊环相连。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，该真三轴仪可保证各层承载板与试样竖直方向同步变形，并且在承载板发生变形位移时，其加载端的滚轴可有效减弱承载板与加载系统的摩阻效应，减小甚至消除加载端产生的附加剪应力；此外，承载板的触土端设置倒角翼缘，当承载板发生变形位移时，可以通过倒角翼缘将土颗粒排出，防止土颗粒嵌入承载板内，影响试验的精准度；同时，施加大主应力σ₁和中主应力σ₂的加载系统为半刚性复合加压型，施加小主应力σ₃方向的加载系统为柔性加载系统，因此，在完全消除刚性面加载对剪破面的影响作用的同时，避免了全柔性加载的应力复杂不明等问题。因此，本发明的三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，可以有效地将正应力荷载传递于试样上，减弱端部摩阻效应和刚性加载面对试验结果的影响。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中半刚性压缩块的结构立体示意图；

图3是本发明中承载板的加载端的结构立体示意图；

图4是图2的正视图；

图5是图2的俯视图；

图6是本发明中顶层承载板、中间层承载板和底层承载板的结构示意图；

图7是本发明中同步变形垫块的结构示意图；

图8是本发明中半刚性透水板的结构示意图；

图9是本发明中柔性框体的结构示意图；

图10是本发明中柔性加载单元的结构示意图；

图11是本发明中位移测杆的结构示意图；

图12是本发明中外钢板的结构示意图；

图13是图1的侧视图；

图14是图1的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪作进一步详细说明。

如图1、图13和图14所示，一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，包括设置在试样大主应力σ₁方向的半刚性加载系统1，设置在试样中主应力σ₂方向的混合型加载系统2和设置在小主应力σ₃方向的柔性加载系统3。

将本实施例的真三轴仪放于长方体试样的上下两侧、前后两侧和左右两侧，分别给试样施加大主应力σ₁、中主应力σ₂和小主应力σ₃。

所述半刚性加载系统1包括上加载系统105和下支撑系统106，所述上加载系统105包括第一活塞刚性加载板101，所述第一活塞刚性加载板101内嵌有测力传感器104，所述测力传感器104通过试样帽107与半刚性透水板102相接触；所述第一活塞刚性加载板101的下表面两侧设置有同步变形加载板103，所述测力传感器104与所述同步变形加载板103互相独立；所述下支撑系统106包括刚性底座108，所述刚性底座108的两侧设置有轴承底座109；所述下支撑系统106与所述试样之间设置有所述半刚性透水板102，即所述试样的顶面和底面均设置有半刚性透水板102。

所述混合型加载系统2包括第二活塞刚性加载板201和半刚性压缩块202。

所述柔性加载系统3包括压力控制系统和柔性加载单元302，压力控制系统用于给柔性加载单元302加水压。

如图2、图3、图4所示，所述半刚性压缩块202包括若干承载板21，所述承载板21的加载端22设置有2个轴对称的第一凹槽23，所述第一凹槽23内安装有与所述第二活塞刚性加载板201的加载面相接触的滚轴24，滚轴24与第二活塞刚性加载板201的加载面接触，以尽量减小半刚性压缩块202在压缩过程中产生的竖向摩擦力。

所述承载板21的试样触土端25设置有翼缘26。

所述承载板21内部开中心对称的4个贯通的圆孔27，所述圆孔27的上下两端均设置有同心圆卡槽28，所述同心圆卡槽28与所述圆孔27相连通。

全部所述承载板21相对应的所述圆孔27均由刚性杆29相连，刚性杆29的个数为4根，所述刚性杆29的顶端设置有内螺纹，所述内螺纹顶端活动设置有螺丝212；所述刚性杆29的底端设置有外螺纹，所述外螺纹上螺纹连接有螺母213。

如图5和图6所示，所述承载板21包括1块顶层承载板214、14块中间层承载板215和1块底层承载板216，所述顶层承载板214的中部设置有矩形的第二凹槽210，所述第二凹槽210内放置有若干钢珠211，所述钢珠211的直径大于所述第二凹槽210的深度，所述底层承载板216的底端与所述轴承底座109的顶面滚动式接触。

优选地，第二凹槽210的深度为3mm，钢珠211的直径为4mm。

所述同心圆卡槽28包括用于容纳所述螺丝212的顶层同心圆卡槽和用于容纳弹簧的若干中间层同心圆卡槽；所述顶层同心圆卡槽的深度大于所述螺丝212的高度。

承载板21的组装方法为：首先将刚性杆29穿过底层承载板216后旋紧底部螺母213固定，然后用刚性杆29和弹簧对承载板21进行层间连接，每层之间有4个弹簧，安装过程中，弹簧嵌入中间层同心圆卡槽进行固定。刚性杆29的末端设置内螺纹，当完成顶层承载板214的安装后，用螺丝212旋紧刚性杆29顶部，螺丝212完全嵌入顶层承载板214中的28同心圆卡槽内，保证半刚性压缩块202的整体稳定性，在完成上述安装顺序后，在顶层承载板214的第二凹槽210内放置钢珠211。当上述构件全部连接完成后，将安装完成后的半刚性压缩块202放置于试样前后两侧，同步变形垫块4通过钢珠211与大主应力σ₁方向的半刚性加载系统1接触，翼缘26与试样的前后两侧直接接触，再将柔性加载系统3与试样的左右两侧直接接触，完成真三轴加载系统的放置安装。

刚性杆29底端的外螺纹和螺母213，可以达到调整半刚性压缩块202的高度的目的；刚性杆29顶端的内螺纹和螺丝212，可以保证顶层承载板214的顶面是平滑的。

圆孔27的内径较刚性杆29的外径略大，从而达到不影响承载板21压缩，同时保持承载板21水平的作用。

弹簧的内径与刚性杆29匹配，弹簧的外径位于中间层同心圆卡槽内，组装后，各承载板21之间的间隙相同，并且极限压缩时，每块承载板21可以近似贴合。

全部承载板21的边缘光圆，从而避免刺破试样的橡皮膜。

所述翼缘26的垂向截面为梯形，所述梯形的下底角为45°，上底角为60°；所述梯形的两腰分别为翼缘底部261与翼缘顶部262，所述翼缘顶部262与所述承载板21的顶面之间设置有距离，所述距离为搭接面263，所述翼缘底部261向下延伸并凸出于所述承载板21的下表面；所述翼缘底部261位于与其相邻的下层的所述承载板21的所述搭接面263上；当未加载时，所述翼缘底部261搭接在下层的所述承载板21的搭接面263顶端，当加载至最大压缩量时，所述翼缘底部261与其相邻的下层所述承载板21的翼缘顶部262完全接触。

本实施例翼缘26的设置，可保证各层承载板21与试样竖直方向同步变形，并且在承载板21发生变形位移时，试样变形后的土颗粒不嵌入各承载板之间影响试验结果；滚轴24可有效减弱承载板21与第二活塞刚性加载板201的摩阻效应，减小甚至消除加载端22产生的附加剪应力；同时，施加大主应力σ₁和中主应力σ₂的加载系统为半刚性复合加压型，施加小主应力σ₃方向的加载系统为柔性加载系统，可消除刚性面加载对剪破面的影响作用。

本实施例的滚轴24可在第二活塞刚性加载板201上自由滚动，承载板21的试样触土端25设有翼缘26，翼缘26用于与试样直接接触，各层承载板21可沿刚性杆29在弹簧压缩范围内自由滑动。本发明可实现在真三轴试验中对试样进行竖向、前后向和左右向加载，与试样接触面处的翼缘26可防止土颗粒嵌入半刚性压缩块202，与试样大主应力σ₁方向的半刚性加载系统1相接触的钢珠211可保证半刚性压缩块202跟随试样同步变形，有效地减弱了承载板21与第二活塞刚性加载板201和试样接触面处的摩擦效应，该半刚性复合加载装置(即半刚性压缩块202)可有效避免刚性加载对剪破面影响作用，同时，该半刚性压缩块202上的同步变形的刚性杆29可保证竖向与侧向的加载系统与试样完全同步变形，避免了相互干扰的问题。

所述螺丝212包括沉头螺丝或平头螺丝，当所述螺丝212与所述刚性杆29通过内螺纹连接后，所述顶层承载板214表面无凸出部分。

如图7所示，所述顶层承载板214的上表面放置有空心方管型的同步变形垫块4，所述同步变形垫块4的上表面与所述同步变形加载板103相接触，所述同步变形垫块4的下表面与所述顶层承载板214中的钢珠211相接触，从而减轻摩阻效应。同步变形垫块4可保证半刚性压缩块202和试样高度一致，当半刚性压缩块202压缩时，水囊袋34的顶角处会露出，空心方管型的同步变形垫块4的两侧可以将露出的水囊袋34封堵，从而防止水囊袋34破漏。

如图8所示，所述试样的顶部和底部均放置有半刚性透水板102，所述半刚性透水板102包括由若干方格组成的柔性框体51，所述方格为通槽53，所述通槽53内放置有刚性方盒54，所述刚性方盒54由刚性片和亚克力方框黏结组成，所述亚克力方框内放置有若干磁性钢珠55，磁性钢珠55的个数优选为4个；所述通槽53的内壁与所述刚性方盒54之间设置有透水缝隙52。刚性片优选为薄钢片。柔性框体51优选为柔性硅胶。

如图9所示，所述柔性框体51的材质为柔性硅胶体或凝胶；所述刚性方盒54的材质包括亚克力板材和磁吸性的钢材，磁吸性的钢材优选为薄钢片；磁性钢珠55内置于所述刚性方盒54，所述磁性钢珠55与所述刚性方盒54磁吸连接，所述磁性钢珠55直径大于所述亚克力方框的深度；或者，所述磁性钢珠55由无磁吸性的普通钢珠替代，当采用普通钢珠时，在所述刚性方盒54内涂抹凡士林，与所述普通钢珠进行黏连。

本实施例中，半刚性透水板102放置于试样顶部和底部，可以达到消除刚性加载面，得出真实剪破面的作用效果。同时，半刚性透水板102由多个小的刚性片组成，刚性片和亚克力方框组合成方框体，内置磁性钢珠55，可在微摩擦(滚动摩擦)下自由随土体变形位移，同时，磁性钢珠55的作用是保证在安装过程中磁性钢珠55不会轻易滚动，提高安装的便携性。此外，小的刚性片的位置通过柔性框体51定位，以确保每个小的刚性方盒54都有微滑动的预留空间，同时方便装样，柔性硅胶弹性好，可压缩性大，不会限制刚性方盒54的滑动。

如图10、图11和图12所示，所述柔性加载单元302包括水囊框31，所述水囊框31包括通过螺栓相连的外钢板32和内钢框33，所述外钢板32和内钢框33之间夹有水囊袋34，所述水囊袋34正对所述外钢板32的一侧为敞口，所述外钢板32中上部设置有排气孔35，排气孔35的作用是注水过程中排出水囊袋34内的气体，排气孔35可由堵头螺丝拧住不漏水，所述外钢板32的中心部位设置有贯通孔313，密封法兰座36与所述贯通孔313四周外缘的所述外钢板32通过吊环螺丝312连接，位移测杆37的外端与位移传感器相连，所述位移测杆37依次穿过所述密封法兰座36、所述外钢板32后与所述水囊袋34内侧相接触，位移测杆37的外径优选为3mm，位移测杆37可密闭式在贯通孔313内自由滑动，贯通孔313光圆，位移测杆37用于测量小主应变的变形，所述外钢板32上设置有水囊加压注水孔38；所述外钢板32上设置有与所述外钢板32的顶端一体连接的连接板39，所述连接板39的左右两侧均设置有连接槽310，螺杆311穿过两个所述连接板39相对应侧的所述连接槽310后将两个所述水囊框31固定。

所述水囊袋34在中主应力方向上的尺寸大于所述试样在中主应力方向的尺寸。优选地，水囊袋34尺寸在水平方向上比试样两侧各多出5mm，以避免多个部件交角在同一点处，导致试样破损，提高试验成功率。

所述排气孔35上可拆卸连接有堵头螺丝。

所述密封法兰座36与所述外钢板32之间设置由密封圈连接，所述位移测杆37与所述水囊袋34接触一端为光圆的平底状，所述位移测杆37与所述位移传感器连接端设置有一纵向的贯通圆孔371，弹簧件穿过所述贯通圆孔371后，两端分别与所述吊环螺丝312上的吊环相连。

本发明提供了一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，当全部系统安装好后的具体操作步骤为：1、制样盒内套橡皮膜，将所述半刚性透水板102置于成样盒底部，半刚性透水板102内的钢珠55与刚性底座108接触，将土料装入橡皮膜击实，在击实后的土样顶部放置半刚性透水板102，此时半刚性透水板102的刚性方盒54与试样顶面接触，再将试样帽107装入橡皮膜中与顶部半刚性透水板102内的钢珠55接触，密封试样橡皮膜，随后将制备好的试样置入加载系统中，上述为大主应力方向的操作说明；2、将半刚性压缩块101置于轴承底座109上，半刚性压缩块的翼缘26与试样直接接触，滚轴24与第二活塞加载板201接触，调节第二活塞加载板201将半刚性压缩块101与试样完全接触，于顶层承载板214中第二凹槽210内放置钢珠211，再将同步变形垫块4放置于钢珠211和同步变形加载板103之间,调节第一活塞加载板101高度与试样帽107连接，此时同步变形垫块4与同步变形加载板103完全接触，上述为中主应力方向的操作说明；3、将柔性加载系统3紧贴试样两侧，于连接槽310通过螺栓固定连接，然后通过加压注水孔38向水囊注水，当排气孔35冒水时停止注水，于排气孔35处旋拧堵头螺丝，上述为小主应力方向的操作说明。以上为本发明提供的一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪的全部操作步骤。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，其特征在于，包括设置在试样大主应力σ₁方向的半刚性加载系统(1)，设置在试样中主应力σ₂方向的混合型加载系统(2)和设置在小主应力σ₃方向的柔性加载系统(3)；

所述半刚性加载系统(1)包括上加载系统(105)和下支撑系统(106)，所述上加载系统(105)包括第一活塞刚性加载板(101)，所述第一活塞刚性加载板(101)内嵌有测力传感器(104)，所述测力传感器(104)通过试样帽(107)与半刚性透水板(102)相接触；所述第一活塞刚性加载板(101)的下表面两侧设置有同步变形加载板(103)，所述测力传感器(104)与所述同步变形加载板(103)互相独立；所述下支撑系统(106)包括刚性底座(108)，所述刚性底座(108)沿中主应力方向的两侧设置有轴承底座(109)；所述下支撑系统(106)与所述试样之间设置有所述半刚性透水板(102)；

所述混合型加载系统(2)包括第二活塞刚性加载板(201)和半刚性压缩块(202)；

所述柔性加载系统(3)包括压力控制系统和柔性加载单元(302)；

所述半刚性压缩块(202)包括若干承载板(21)，所述承载板(21)的加载端(22)设置有2个轴对称的第一凹槽(23)，所述第一凹槽(23)内安装有与所述第二活塞刚性加载板(201)的加载面相接触的滚轴(24)；

所述承载板(21)的试样触土端(25)设置有翼缘(26)；

所述承载板(21)内部开中心对称的4个贯通的圆孔(27)，所述圆孔(27)的上下两端均设置有同心圆卡槽(28)，所述同心圆卡槽(28)与所述圆孔(27)相连通；

全部所述承载板(21)相对应的所述圆孔(27)均由刚性杆(29)相连，所述刚性杆(29)的顶端设置有内螺纹，所述内螺纹顶端活动设置有螺丝(212)；所述刚性杆(29)的底端设置有外螺纹，所述外螺纹上螺纹连接有螺母(213)；

所述承载板(21)包括顶层承载板(214)、若干中间层承载板(215)和底层承载板(216)，所述顶层承载板(214)的中部设置有第二凹槽(210)，所述第二凹槽(210)内放置有若干钢珠(211)，所述钢珠(211)的直径大于所述第二凹槽(210)的深度，所述底层承载板(216)的底端与所述轴承底座(109)的顶面滚动式接触；

所述同心圆卡槽(28)包括用于容纳所述螺丝(212)的顶层同心圆卡槽和用于容纳弹簧的若干中间层同心圆卡槽；所述顶层同心圆卡槽的深度大于所述螺丝(212)的高度。

2.根据权利要求1所述的一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，其特征在于，所述翼缘(26)的垂向截面为梯形，所述梯形的下底角为45°，上底角为60°；所述梯形的两腰分别为翼缘底部(261)与翼缘顶部(262)，所述翼缘顶部(262)与所述承载板(21)的顶面之间设置有距离，所述距离为搭接面(263)，所述翼缘底部(261)向下延伸并凸出于所述承载板(21)的下表面；所述翼缘底部(261)位于与其相邻的下层的所述承载板(21)的所述搭接面(263)上；当未加载时，所述翼缘底部(261)搭接在下层的所述承载板(21)的搭接面(263)顶端，当加载至最大压缩量时，所述翼缘底部(261)与其相邻的下层所述承载板(21)的翼缘顶部(262)完全接触。

3.根据权利要求1所述的一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，其特征在于，所述螺丝(212)包括沉头螺丝或平头螺丝，当所述螺丝(212)与所述刚性杆(29)通过内螺纹连接后，所述顶层承载板(214)表面无凸出部分。

4.根据权利要求1所述的一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，其特征在于，所述顶层承载板(214)的上表面放置有空心方管型的同步变形垫块(4)，所述同步变形垫块(4)的上表面与所述同步变形加载板(103)相接触，所述同步变形垫块(4)的下表面与所述顶层承载板(214)中的钢珠(211)相接触。

5.根据权利要求1所述的一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，其特征在于，所述试样的顶部和底部均放置有半刚性透水板(102)，所述半刚性透水板(102)包括由若干方格组成的柔性框体(51)，所述方格为通槽(53)，所述通槽(53)内放置有刚性方盒(54)，所述刚性方盒(54)由刚性片和亚克力方框黏结组成，所述亚克力方框内放置有若干磁性钢珠(55)；所述通槽(53)的内壁与所述刚性方盒(54)之间设置有透水缝隙(52)。

6.根据权利要求5所述的一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，其特征在于，所述柔性框体(51)的材质为柔性硅胶体或凝胶；所述刚性方盒(54)的材质包括亚克力板材和磁吸性的钢材；磁性钢珠(55)内置于所述刚性方盒(54)，所述磁性钢珠(55)与所述刚性方盒(54)磁吸连接，所述磁性钢珠(55)直径大于所述亚克力方框的深度；或者，所述磁性钢珠(55)由无磁吸性的普通钢珠替代，当采用普通钢珠时，在所述刚性方盒(54)内涂抹凡士林，与所述普通钢珠进行黏连。

7.根据权利要求1所述的一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，其特征在于，所述柔性加载单元(302)包括水囊框(31)，所述水囊框(31)包括通过螺栓相连的外钢板(32)和内钢框(33)，所述外钢板(32)和内钢框(33)之间夹有水囊袋(34)，所述水囊袋(34)正对所述外钢板(32)的一侧为敞口，所述外钢板(32)中上部设置有排气孔(35)，所述外钢板(32)的中心部位设置有贯通孔(313)，密封法兰座(36)与所述贯通孔(313)四周外缘的所述外钢板(32)通过吊环螺丝(312)连接，位移测杆(37)的外端与位移传感器相连，所述位移测杆(37)依次穿过所述密封法兰座(36)、所述外钢板(32)后与所述水囊袋(34)内侧相接触，所述外钢板(32)上设置有水囊加压注水孔(38)；所述外钢板(32)上设置有与所述外钢板(32)的顶端一体连接的连接板(39)，所述连接板(39)的左右两侧均设置有连接槽(310)，螺杆(311)穿过两个所述连接板(39)相对应侧的所述连接槽(310)后将两个所述水囊框(31)固定。

8.根据权利要求7所述的一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，其特征在于，所述水囊袋(34)在中主应力方向上的尺寸大于所述试样在中主应力方向的尺寸。

9.根据权利要求7所述的一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，其特征在于，所述排气孔(35)上可拆卸连接有堵头螺丝。

10.根据权利要求7所述的一种三向独立加载的新型混合边界真三轴仪，其特征在于，所述密封法兰座(36)与所述外钢板(32)之间设置由密封圈连接，所述位移测杆(37)与所述水囊袋(34)接触一端为光圆的平底状，所述位移测杆(37)与所述位移传感器连接端设置有一纵向的贯通圆孔(371)，弹簧件穿过所述贯通圆孔(371)后，两端分别与所述吊环螺丝(312)上的吊环相连。

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