CN112595582A - 一种变刚度侧限式岩土力学试验装置及方法 - Google Patents

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崔银祥
雷宏武
张汉生
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    • G01N3/12—Pressure testing

Abstract

本发明属于岩土介质力学行为实验测试技术领域，尤其涉及一种变刚度侧限式岩土力学试验装置及方法。本装置水平的两个方向不独立施加主动力，而是利用轴向荷载使试样产生侧向变形约束时产生侧向约束反力。利用本装置可完成多种岩土介质力学试验，成本低，结构简单，利用刚度可调节约束被动提供侧向应力，实现岩土介质真三轴应力状态，也可以开展单轴压缩试验，常规三轴压缩试验及真三轴压缩试验，利用率高。其中箍筒的顶部和底部分别固定有上压盖和下底板，且箍筒内壁均匀布置有四个约束体，每个约束体的外侧壁均与箍筒的内壁贴合，且每个约束体的内部均装有压力传感器和位移传感器。

Description

一种变刚度侧限式岩土力学试验装置及方法
技术领域
本发明属于岩土介质实验技术领域，尤其涉及一种变刚度侧限式岩土力学试验装置及方法。
背景技术
岩土力学参数是开展岩土力学理论研究、发展岩土工程技术的关键。而岩土力学参数的合理高效测定则需要可靠的测试装置和测试方法。因此，根据实际工程需要不断研发新型测试技术可推动岩土力学与工程发展。在岩土力学测试方法和测试技术领域，最常用的测试装置是三轴式测试装置，包括常规三轴和真三轴。常规三轴试验中，两个水平方向的应力独立控制并且保持相等。在土力学实验中，还有一种特殊的常规三轴试验方法，即完全侧限的三轴试验。在这种实验中，水平方向被完全约束，被试介质在轴向加载过程中只能发生轴向变形而不能发生侧向变形，这时侧向也会因为约束而产生各向相等的侧向应力。虽然常规三轴和地下岩土体的真实应力状态有一定差别，但是它抓住了主要矛盾并且使得仪器设备结构简单、造价较低，因而迄今无论是在土力学还是岩石力学领域都被广泛使用。随着岩土工程逐渐向深部以及更广的场景拓展，岩土体处于真三轴应力状态，即土体三个方向的应力不等。因此，能够实现真三轴应力状态的真三轴试验技术近年来获得重视，设备出货量也比过去增多。在真三轴实验中，三个方向的加载要求独立控制，因此，通常比同等条件下的常规三轴试验机器造价更高。
近年来，随着岩土工程需不断发展，模型实验的需求不断增多。模型试验往往要求试样尺寸不断加大，由于加载的吨位与试样尺寸的平方成正比，这进一步提高了真三轴试验的造价。因此，提供一种能够实现一定程度的三轴应力状态、又能降低造价，还能满足一些工程需求的试验技术是有重要价值的。
为实现这一目的，本发明提出了一种基于变刚度侧限技术的岩土力学试验装置及方法。即水平的两个方向不独立施加主动力，而是在施加轴向荷载、试样产生侧向变形约束时产生侧向约束反力。通过调节两个侧限方向的约束材料的材质、刚度，来实现这两个方向上存在不同的应力，从而实现真三轴应力状态。尽管这种实现真三轴应力状态的方式与三个方向完全独立加载的传统真三轴加载的相比应力控制自由度减小，但自然地层中仍然存在大量两个水平方向主应力差异不大的场景，而且减少了两个方向的加载配置，大幅降低了成本。值得指出的是，如果侧限材料选择相同，则退化为常规三轴试验，如果不加侧限材料，则退化为单轴试验。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种变刚度侧限式岩土力学试验装置及方法，本装置成本低，结构简单，利用约束被动提供侧向应力，实现岩土介质真三轴应力状态，可以实现单轴压缩试验，常规三轴压缩试验及真三轴压缩试验，利用率高。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种变刚度侧限式岩土力学试验装置，包括约束体1、箍筒2、上压盖3、下底板4、压力传感器和位移传感器，其中箍筒2的顶部和底部分别固定有上压盖3和下底板4，且箍筒2内壁均匀布置有四个约束体1，每个约束体1的外侧壁均与箍筒2的内壁贴合，且每个约束体1的内部均装有压力传感器和位移传感器。
所述箍筒2的内壁均匀设有四个定位条21，上压盖3的顶端设有方形通孔，方形通孔四周的上压盖3上设有四个引线孔31。
所述约束体1的外侧壁为用于与箍筒2内壁贴合的曲面，且约束体1的外侧壁上设有定位槽11，约束体1通过其外侧壁上的定位槽11与箍筒2内壁的定位条21配合连接，约束体1的内侧壁为平面，且约束体1的内侧壁上设有沟槽12，沟槽12内装有压力传感器和位移传感器，压力传感器和位移传感器的引线均沿着沟槽12延伸至上压盖3，并从上压盖3上的引线孔31穿出。
所述箍筒2、上压盖3和下底板4的材质均为金属或合金材料。
一种变刚度侧限式加载方法，采用上述一种变刚度侧限式岩土力学试验装置实现，包括如下步骤：
步骤一：选用刚度大于四个约束体1的岩石介质试样，将选用的岩石介质试样制备成方形，并将岩石介质试样找平、打磨，使得岩石介质试样的四个侧面分别能够与箍筒2内部的四个约束体1内壁贴合；
步骤二：将步骤一制得的岩石介质试样放置在箍筒2内，使岩石介质试样的四个侧面分别与箍筒2内部的四个约束体1内壁贴合；
步骤三：将不锈钢压头穿过上压盖3的方形通孔与箍筒2内的岩土介质试样的上端部接触，再将立式油压千斤顶的气缸杆与不锈钢压头接触，立式油压千斤顶的气缸杆通过不锈钢压头对岩土介质试样施加逐渐增大的载荷，直至岩石介质试样发生破坏；
步骤四：通过读取四个约束体1内部压力传感器及位移传感器的读数，获取岩石介质试样四面的受力及变形情况，完成岩石介质力学实验；
步骤五：
若箍筒2内的四个约束体1均为同种材料，本方法为针对岩石介质试样进行的常规三轴压缩试验；
若箍筒2内横向相对设置的两个约束体1均为一种材料，箍筒2内纵向相对设置的两个约束体1均为另一种材料，本方法即能针对岩石介质试样进行常规三轴压缩试验，也能够针对岩石介质试样进行真三轴压缩试验。
所述箍筒2内不放置约束体1，直接将岩石介质试样放置在箍筒2内，且岩石介质试样外侧壁与箍筒2内侧壁之间通过木质支撑杆连接，此时本方法为针对岩石介质试样进行的单轴压缩试验。
所述完成岩石介质力学实验后，还能够进一步获取岩石变形破坏特征和力学参数。
本发明的有益效果：
(1)相比于现有的三轴加载试验装置及方法，本发明设计了一种巧妙的加载方式及加载装置，结构简单，成本较低。
(2)本发明可以完成多种岩土力学试验，当x方向和y方向约束体为不同刚度材料时，可以完成真三轴试验；当x方向和y方向约束体为相同材料时，可以完成常规三轴试验，当不放置约束体时，可以完成单轴压缩试验。本装置一物多用，利用率高。
(3)本发明充分利用材料特点，实现单向加载，三向受力的试验条件，本发明可以根据所需侧向应力条件，更换不同刚度的约束体，满足不同应力条件下大尺寸岩土介质试样的力学试验。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图。
图2为本发明装置的的箍筒结构示意图；
图3为本发明装置的的箍筒俯视图；
图4为本发明装置的的上压盖结构示意图；
图5为本发明装置的的下底板结构示意图；
图6为本发明装置的的约束体结构示意图。
其中：1约束体、11定位槽、12沟槽、2箍筒、21定位条、3上压盖、31引线孔、4下底板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明的做进一步的详细说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
本发明原理：
岩土介质是弹塑性材料，赋存于地层环境，在垂直方向上，岩土介质受上层地层重力作用，在水平方向上，受相邻岩体挤压变形，进而产生三向受力的状态。考虑利用侧向约束被动提供侧向应力，在本三轴试验装置内，轴向力模拟上覆地层的重力作用，约束体模拟岩土介质周向岩土体，试样轴向加载向侧面膨胀，岩土介质挤压约束体被动产生侧向应力，当两个方向上约束刚度不同时，岩土介质试样三向应力不同。这一思路利用单向加载构造真三轴试验环境，受力情况符合地壳中岩体实际受力变形情况。
如图1-5所示，一种变刚度侧限式岩土力学试验装置，包括约束体1、箍筒2、上压盖3、下底板4及压力传感器，其中箍筒2的顶部和底部分别固定有上压盖3和下底板4，且箍筒2内壁均匀布置有四个约束体1，每个约束体1的外侧壁均与箍筒2的内壁贴合，且每个约束体1的内部均装有压力传感器和位移传感器。
如图2、图3和图4所示，所述箍筒2的内壁均匀设有四个定位条21，上压盖3的顶端设有方形通孔，方形通孔四周的上压盖3上设有四个引线孔31。
如图6所示，所述约束体1的外侧壁为用于与箍筒2内壁贴合的曲面，且约束体1的外侧壁上设有定位槽11，约束体1通过其外侧壁上的定位槽11与箍筒2内壁的定位条21配合连接，约束体1的内侧壁为平面，且约束体1的内侧壁上设有沟槽12，沟槽12内装有压力传感器和位移传感器，压力传感器和位移传感器的引线均沿着沟槽12延伸至上压盖3，并从上压盖3上的引线孔31穿出。
所述箍筒2、上压盖3和下底板4的材质均为金属或合金材料。
一种变刚度侧限式加载方法，采用上述一种变刚度侧限式岩土力学试验装置实现，包括如下步骤：
步骤一：选用刚度大于四个约束体1的岩石介质试样，将选用的岩石介质试样制备成方形，并将岩石介质试样找平、打磨，使得岩石介质试样的四个侧面分别能够与箍筒2内部的四个约束体1内壁贴合；
步骤二：将步骤一制得的岩石介质试样放置在箍筒2内，使岩石介质试样的四个侧面分别与箍筒2内部的四个约束体1内壁贴合；
步骤三：将不锈钢压头穿过上压盖3的方形通孔与箍筒2内的岩土介质试样的上端部接触，再将立式油压千斤顶的气缸杆与不锈钢压头接触，立式油压千斤顶的气缸杆通过不锈钢压头对岩土介质试样施加逐渐增大的载荷，直至岩石介质试样发生破坏；
步骤四：通过读取四个约束体1内部压力传感器及位移传感器的读数，获取岩石介质试样四面的受力及变形情况，完成岩石介质力学实验；
步骤五：
若箍筒2内的四个约束体1均为同种材料，本方法为针对岩石介质试样进行的常规三轴压缩试验；
若箍筒2内横向相对设置的两个约束体1均为一种材料，箍筒2内纵向相对设置的两个约束体1均为另一种材料，本方法即能针对岩石介质试样进行常规三轴压缩试验，也能够针对岩石介质试样进行真三轴压缩试验。
所述箍筒2内不放置约束体1，直接将岩石介质试样放置在箍筒2内，且岩石介质试样外侧壁与箍筒2内侧壁之间通过木质支撑杆连接，此时本方法为针对岩石介质试样进行的单轴压缩试验。
所述完成岩石介质力学实验后，还能够进一步获取岩石变形破坏特征和力学参数，如岩石抗压强度，其中抗压强度可通过公式(1)计算：
Figure BDA0002875469090000051
式中：σ1—岩石介质试样三轴抗压强度，MPa；
P1—岩石介质试样轴向破坏应力(轴向力为岩石介质试样轴向受到的力，也是立式油压千斤顶的气缸杆通过不锈钢压头对岩土介质试样施加的力，轴向力不断增大过程中，岩石介质试样发生破坏，此时岩石介质试样轴向受到的力突变减小，而在岩石介质试样轴向受到的力突变减小之前，也就是岩石介质试样发生破坏时岩石介质试样受到的轴向力即为轴向力最大值，也就是轴向破坏应力)，N；
S1—岩石介质试样初始截面积，m2。

Claims (7)

1.一种变刚度侧限式岩土力学试验装置，其特征在于包括约束体(1)、箍筒(2)、上压盖(3)、下底板(4)、压力传感器和位移传感器，其中箍筒(2)的顶部和底部分别固定有上压盖(3)和下底板(4)，且箍筒(2)内壁均匀布置有四个约束体(1)，每个约束体(1)的外侧壁均与箍筒(2)的内壁贴合，且每个约束体(1)的内部均装有压力传感器和位移传感器。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度侧限式岩土力学试验装置，其特征在于所述箍筒(2)的内壁均匀设有四个定位条(21)，上压盖(3)的顶端设有方形通孔，方形通孔四周的上压盖(3)上设有四个引线孔(31)。
3.根据权利要求2所述的一种变刚度侧限式岩土力学试验装置，其特征在于所述约束体(1)的外侧壁为用于与箍筒(2)内壁贴合的曲面，且约束体(1)的外侧壁上设有定位槽(11)，约束体(1)通过其外侧壁上的定位槽(11)与箍筒(2)内壁的定位条(21)配合连接，约束体(1)的内侧壁为平面，且约束体(1)的内侧壁上设有沟槽(12)，沟槽(12)内装有压力传感器和位移传感器，压力传感器和位移传感器的引线均沿着沟槽(12)延伸至上压盖(3)，并从上压盖(3)上的引线孔(31)穿出。
4.根据权利要求3所述的一种变刚度侧限式岩土力学试验装置，其特征在于所述箍筒(2)、上压盖(3)和下底板(4)的材质均为金属或合金材料。
5.一种变刚度侧限式加载方法，采用权利要求1所述的一种变刚度侧限式岩土力学试验装置实现，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：选用刚度大于四个约束体(1)的岩石介质试样，将选用的岩石介质试样制备成方形，并将岩石介质试样找平、打磨，使得岩石介质试样的四个侧面分别能够与箍筒(2)内部的四个约束体(1)内壁贴合；
步骤二：将步骤一制得的岩石介质试样放置在箍筒(2)内，使岩石介质试样的四个侧面分别与箍筒(2)内部的四个约束体(1)内壁贴合；
步骤三：将不锈钢压头穿过上压盖(3)的方形通孔与箍筒(2)内的岩土介质试样的上端部接触，再将立式油压千斤顶的气缸杆与不锈钢压头接触，立式油压千斤顶的气缸杆通过不锈钢压头对岩土介质试样施加逐渐增大的载荷，直至岩石介质试样发生破坏；
步骤四：通过读取四个约束体(1)内部压力传感器及位移传感器的读数，获取岩石介质试样四面的受力及变形情况，完成岩石介质力学实验；
步骤五：
若箍筒(2)内的四个约束体(1)均为同种材料，本方法为针对岩石介质试样进行的常规三轴压缩试验；
若箍筒(2)内横向相对设置的两个约束体(1)均为一种材料，箍筒(2)内纵向相对设置的两个约束体(1)均为另一种材料，本方法即能针对岩石介质试样进行常规三轴压缩试验，也能够针对岩石介质试样进行真三轴压缩试验。
6.根据权利要求5所述的一种变刚度侧限式加载方法，其特征在于所述箍筒(2)内不放置约束体(1)，直接将岩石介质试样放置在箍筒(2)内，且岩石介质试样外侧壁与箍筒(2)内侧壁之间通过木质支撑杆连接，此时本方法为针对岩石介质试样进行的单轴压缩试验。
7.根据权利要求6所述的一种变刚度侧限式加载方法，其特征在于所述完成岩石介质力学实验后，还能够进一步获取岩石变形破坏特征和力学参数。
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