CN114088534A - 一种三向刚性加载真三轴仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三向刚性加载真三轴仪，包括固定架，固定架中设置有压力室，压力室用于放置土样，压力室的前后左右均设置有水平加载机构，水平加载机构用于对土样进行水平方向施加荷载，压力室的顶部设置有纵向加载机构，纵向加载机构用于对土样进行竖向施加荷载，压力室上还设置有测量机构，测量机构用于测量土样的变形强度特性。解决了现有技术中存在的真三轴仪三向加载时存在干扰的问题。

Description

一种三向刚性加载真三轴仪
技术领
本发明属于岩土工程测试设备技术领域，涉及一种三向刚性加载真三轴仪。
背景技术
目前进行土工试验的设备较多，现有测定土剪切变形强度特性的试验仪器设备包括直剪仪、单剪仪、三轴仪、扭剪仪、平面应变仪和真三轴仪，另外动力剪切仪还包括动单剪仪、动三轴仪和动扭剪仪。
当前广泛应用的常规三轴试验可以模拟不同的围压和排水状态，可以反映土样从受力变形到试样破坏的全过程。但是，常规三轴试验模拟的是理想的轴对称状态，这在实际工程中是不真实的。而真三轴试验能够能模拟土体三向应力状态并能独立地改变试样上三个主应力大小，从而更准确的模拟实际应力状态，用以测定土的强度和变形特性。
真三轴仪主要由压力室、加载机构、测量系统和控制系统组成。压力室是用来放置试验土样的部位；加载机构是接触土样并且向土样释放应力，使土样变形的关键部位；测量系统多由传感器组成用以测量土样在整个试验中的应力和应变特性的系统；控制系统是由计算机控制整个试样加载进程的。
目前真三轴仪的加载机构主要分为三类：刚性加载机构、柔性加载机构、刚柔性复合加载机构。如剑桥大学研制的三向刚性板加载的真三轴仪；科罗拉多大学研制的侧向柔性囊加载的真三轴仪；日本京都大学研制的两向刚性一向柔性加载的真三轴仪等，现有的真三轴仪均存在加载时存在应力干扰的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种三向刚性加载真三轴仪，解决了现有技术中存在的真三轴仪三向加载时存在应力干扰的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种三向刚性加载真三轴仪，包括固定架，固定架中设置有压力室，压力室用于放置土样，压力室的前后左右均设置有水平加载机构，水平加载机构用于对土样进行水平方向施加荷载，压力室的顶部设置有纵向加载机构，纵向加载机构用于对土样进行竖向施加荷载，压力室上还设置有测量机构，测量机构用于测量土样的变形强度特性。
本发明的特点还在于：
压力室包括四个水平加载机构，四个水平加载机构前后左右设置组成一个腔体，腔体的顶部设置有上垫框，腔体的底部设置有下垫框，上垫框上设置有纵向加载机构，下垫框的底部固接有底板，下垫框的上设置有活动底座，活动底座上设置有承载板，活动底座与底板之间设置有内水压导出管，底板与内水压导出管的接触面装有O型圈。
底板的底部设置有工作台支架。
工作台支架与底板之间配设有若干柱脚，柱脚的两端均固接有内六角螺栓，内六角螺栓上配设有六角螺帽，柱脚与底板之间、柱脚与工作台支架之间均通过内六角螺栓配合六角螺帽的方式相连接。
纵向加载机构包括顶板，顶板的上开有凹槽，凹槽贯穿顶板，上垫框固接在凹槽内，顶板上固接有油缸A，油缸A的主轴与上垫框相对，上垫框内设置有陶瓷板，陶瓷板上设置有上试件座。
承载板采用透水陶瓷板。
水平加载机构包括L型加载板，四个L型加载板组成一个矩形腔体，L型加载板底部设置有线性导轨B，线性导轨B位于靠近L型加载板的端部处，相邻两个L型加载板之间通过将L型加载板的侧壁卡接在线性导轨B内的方式相连接，L型加载板的内壁设置有加载板滑槽，加载板滑槽上配设有滑块支座，滑块支座远离加载板滑槽的一端固接有传力杆，传力杆远离滑块支座的一端固接有油缸B，油缸B固接在油缸座板上，油缸座板固接在固定架上。
滑块支座与加载板滑槽之间、上试件座与油缸A的主轴之间均设置有钢球。
滑块支座远离L型加载板的侧壁和滑块支座的端部均配设有导轨线性导轨A，两个导轨线性导轨A分别固接在加载板滑槽与固定架上。
L型加载板、陶瓷板上均设置有应力应变传感器，内水压导出管内设置有孔压传感器，应力应变传感器与孔压传感器均连接有上位机，上位机连接油缸A与油缸B。
本发明的有益效果是：本发明一种三向刚性加载真三轴仪，解决了现有技术中存在的真三轴仪三向加载时存在干扰的问题。使用操作简便，实现了在复杂土体应力状态下，更加准确的模拟现场的许多实际加载条件，降低了试验中的误差，使其更加准确的模拟土的实际受力状态，可以实现更加精确的应力路径，从而更加便利的了解土的应力应变和强度本构关系。
附图说明
图1是本发明一种三向刚性加载真三轴仪的主机部分主视剖面示意图；
图2是本发明一种三向刚性加载真三轴仪的主机部分俯视剖面示意图；
图3是本发明一种三向刚性加载真三轴仪的俯视剖面图；
图4是本发明一种三向刚性加载真三轴仪的L型加载板的示意图；
图5是本发明一种三向刚性加载真三轴仪的原理示意图；
图6是本发明一种三向刚性加载真三轴仪的加载机构原理示意图。
图中，1.顶板，2.L型加载板，3.油缸A，4.上试件座，5.上垫框，6.线性导轨A，7.滑块支座，8.油缸座板，9.油缸B，10.底板，11.下垫框，12.活动底座，13.内水压导出管，14.柱脚，15.工作台支架，16.线性导轨B，17.加载板滑槽；18.O型圈，19.内六角螺栓，20.六角螺帽，21.陶瓷板，22.钢球。
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。
本发明一种三向刚性加载真三轴仪，如图1所示，包括固定架，固定架中设置有压力室，压力室用于放置土样，压力室的前后左右均设置有水平加载机构，水平加载机构用于对土样进行水平方向施加荷载，压力室的顶部设置有纵向加载机构，纵向加载机构用于对土样进行竖向施加荷载，压力室上还设置有测量机构，测量机构用于测量土样的变形强度特性。如图2和图3所示，压力室包括四个水平加载机构，四个水平加载机构前后左右设置组成一个腔体，腔体的顶部设置有上垫框5，腔体的底部设置有下垫框11，上垫框5上设置有纵向加载机构，下垫框11的底部固接有底板10，下垫框11的上设置有活动底座12，活动底座12上设置有承载板，活动底座12与底板10之间设置有内水压导出管13，底板10与内水压导出管13的接触面、活动底座12与内水压导出管13的接触面均装有O型圈18。底板10的底部设置有工作台支架15。工作台支架15与底板10之间配设有若干柱脚14，干柱脚14的两端均固接有内六角螺栓19，内六角螺栓19上配设有六角螺帽20，柱脚14与底板10之间、柱脚14与工作台支架15之间均通过内六角螺栓19配合六角螺帽20的方式相连接。纵向加载机构包括顶板1，顶板1的上开有凹槽，凹槽贯穿顶板1，上垫框5固接在凹槽内，固定架顶部固接有油缸A3，油缸A3的主轴与上垫框5相对，上垫框5内设置有陶瓷板21，陶瓷板21上设置有上试件座4。承载板采用透水陶瓷板。如图4所示，水平加载机构包括L型加载板2，四个L型加载板2组成一个矩形腔体，L型加载板2底部设置有线性导轨B16，线性导轨B16位于靠近L型加载板2的端部处，相邻两个L型加载板2之间通过将L型加载板2的侧壁卡接在线性导轨B16内的方式相连接，L型加载板2的内壁设置有加载板滑槽17，加载板滑槽17上配设有滑块支座7，滑块支座7远离加载板滑槽17的一端固接有传力杆，传力杆远离滑块支座7的一端固接有油缸B9，油缸B9固接在油缸座板8上，油缸座板8固接在固定架上。滑块支座7与加载板滑槽17之间、上试件座4与油缸A3的主轴之间均设置有钢球22。滑块支座7远离L型加载板2的侧壁和滑块支座7的端部均配设有导轨线性导轨A6，两个导轨线性导轨A6分别固接在加载板滑槽17与固定架上。L型加载板2、陶瓷板21上均设置有应力应变传感器，内水压导出管13内设置有孔压传感器，应力应变传感器与孔压传感器均连接有上位机，上位机连接油缸A3与油缸B9。
本发明一种三向刚性加载真三轴仪中量测系统包括应力量测、变形量测和孔隙水压力量测。三个主应力方向均为刚性板加压，因此应力和变形传感器可以直接安装在压力室盖板上。孔隙水压力在排水通道处安装孔压传感器量测。控制系统由应力应变传感器、电阻应变仪、控制调节电路及上位机控制系统组成。土体试样的应力应变，由对应的传感器做相应的输出，输出作为反馈的信号与给定的信号闭环负反馈调节，应力控制与应变控制由切换开关转换，相应的传感器输出信号经放大后输入A/D卡中，由上位机完成试验数据的高速采集，以数据文件方式存放于上位机中。
如图5、图6所示，本发明一种三向刚性加载真三轴仪原理及使用方法为，底板及活动底座作为下板、水平方向的4个L型加载板以及其导轨组作为水平方向的侧板、顶板及其透水陶瓷板作为上板，结合上下垫框共同围成了一个立方体空间，成为压力室的试样腔，试样腔内放置时应当分别与上述的六个面分别紧贴。滑块支座里的钢球来控制传力杆在各个方向自由转动施加荷载，通过L型加载板2两侧的线性导轨A和线性导轨B来控制L型加载板2在水平方向上的自由运动；在竖直方向上由油缸A3来提供竖向荷载所需要的的机械能，仪器的底板10和L型加载板2的线性导轨B16之间水平运动，活动底座12和试样腔之间由透水陶瓷板隔开，由O型圈18起密封作用，试样透出的水流出收集在内水压导出盘13内；水平向的4块L型加载板2和试样盖板之间的缝隙由上垫框5填充，与试样底板之间的缝隙由下垫框11填充。在整个仪器中刚性板下部为滚动摩擦，摩擦力很小；采用的钢板均为高强度钢板，在施加荷载过程中不考虑钢板的变形；钢板与试样之间为光面摩擦，钢板具有极高的光滑度，并且在试验时应当在土样表面套乳胶膜并且涂抹凡士林或者机油，降低钢板和试样之间的摩擦力。仪器中的线性导轨中装有滚轮，提供滚动摩擦，并涂抹机油，能够最大程度上减少水平移动方向的摩擦力，同时，在加载板运动的过程中，加载杆施加荷载的方向始终指向土样的中心。制样时，应当高于试样腔的高度，高出的部分试样伸入试样盖板中，当向下加载时，伸入盖板中的土样变形被压入水平方向相对滑动的加载板中，这样就消除了加载时水平向和竖直向的相互干扰问题。
压力室的试样腔呈立方体，试样35的尺寸优选70mm×70mm×160mm，试样的表面包裹一层乳胶膜并且涂抹凡士林或机油起到便于装卸和降低摩擦的作用。
本发明一种三向刚性加载真三轴仪中所有加载机构均采用油压缸控制系统作为液压源，与油缸A3连通，油缸A3将竖向的荷载通过方柱及上试件座4传递到试样上表面；与侧向两套油缸B9连通，油缸B9分别将水平向的荷载通过对应的方柱及线性导轨A6传递到对应方向的L型加载板2上，从而传递到试样的侧表面。竖向加载时，通过位移压力传感器的测量，可以测量得到盖板内试样的变形ε1，水平两个方向分别可以测量得到ε2、ε3，从而得到σ1、σ2和σ3。
本发明一种三向刚性加载真三轴仪，实现了在复杂应力条件下研究土的力学特性及强度变形变化机理，不但能够控制排水条件，还能够准确模拟土的实际受力状态，实现更复杂的应力路径，进而更加深入，全面、系统的揭示土的应力应变和强度本构关系。
本发明一种三向刚性加载真三轴仪，解决了现有技术中存在的真三轴仪三向加载时存在干扰的问题。使用操作简便，实现了在复杂土体应力状态下，更加准确的模拟现场的许多实际加载条件，降低了试验中的误差，使其更加准确的模拟土的实际受力状态，可以实现更加精确的应力路径，从而更加便利的了解土的应力应变和强度本构关系。

Claims (10)

1.一种三向刚性加载真三轴仪，其特征在于，包括固定架，所述固定架中设置有压力室，所述压力室用于放置土样，所述压力室的前后左右均设置有水平加载机构，所述水平加载机构用于对土样进行水平方向施加荷载，所述压力室的顶部设置有纵向加载机构，所述纵向加载机构用于对土样进行竖向施加荷载，所述压力室上还设置有测量机构，所述测量机构用于测量土样的变形强度特性。
2.如权利要求1所述的一种三向刚性加载真三轴仪，其特征在于，所述压力室包括四个水平加载机构，四个水平加载机构前后左右设置组成一个腔体，所述腔体的顶部设置有上垫框(5)，所述腔体的底部设置有下垫框(11)，所述上垫框(5)上设置有纵向加载机构，所述下垫框(11)的底部固接有底板(10)，所述下垫框(11)的上设置有活动底座(12)，所述活动底座(12)上设置有承载板，所述活动底座(12)与底板(10)之间设置有内水压导出管(13)，所述底板(10)与内水压导出管(13)的接触面、活动底座(12)与内水压导出管(13)的接触面均装有O型圈(18)。
3.如权利要求2所述的一种三向刚性加载真三轴仪，其特征在于，所述底板(10)的底部设置有工作台支架(15)。
4.如权利要求2所述的一种三向刚性加载真三轴仪，其特征在于，所述工作台支架(15)与底板(10)之间配设有若干柱脚(14)，所述干柱脚(14)的两端均固接有内六角螺栓(19)，内六角螺栓(19)上配设有六角螺帽(20)，所述柱脚(14)与底板(10)之间、柱脚(14)与工作台支架(15)之间均通过内六角螺栓(19)配合六角螺帽(20)的方式相连接。
5.如权利要求2所述的一种三向刚性加载真三轴仪，其特征在于，所述纵向加载机构包括顶板(1)，所述顶板(1)的上开有凹槽，所述凹槽贯穿顶板(1)，所述上垫框(5)固接在凹槽内，所述固定架顶部固接有油缸A(3)，所述油缸A(3)的主轴与上垫框(5)相对，所述上垫框(5)内设置有陶瓷板(21)，所述陶瓷板(21)上设置有上试件座(4)。
6.如权利要求5所述的一种三向刚性加载真三轴仪，其特征在于，所述承载板采用透水陶瓷板。
7.如权利要求5所述的一种三向刚性加载真三轴仪，其特征在于，所述水平加载机构包括L型加载板(2)，四个L型加载板(2)组成一个矩形腔体，所述L型加载板(2)底部设置有线性导轨B(16)，所述线性导轨B(16)位于靠近L型加载板(2)的端部处，相邻两个L型加载板(2)之间通过将L型加载板(2)的侧壁卡接在线性导轨B(16)内的方式相连接，所述L型加载板(2)的内壁设置有加载板滑槽(17)，所述加载板滑槽(17)上配设有滑块支座(7)，所述滑块支座(7)远离加载板滑槽(17)的一端固接有传力杆，所述传力杆远离滑块支座(7)的一端固接有油缸B(9)，所述油缸B(9)固接在油缸座板(8)上，所述油缸座板(8)固接在固定架上。
8.如权利要求7所述的一种三向刚性加载真三轴仪，其特征在于，所述滑块支座(7)与加载板滑槽(17)之间、上试件座(4)与油缸A(3)的主轴之间均设置有钢球(22)。
9.如权利要求7所述的一种三向刚性加载真三轴仪，其特征在于，所述滑块支座(7)远离L型加载板(2)的侧壁和滑块支座(7)的端部均配设有导轨线性导轨A(6)，两个导轨线性导轨A(6)分别固接在加载板滑槽(17)与固定架上。
10.如权利要求7所述的一种三向刚性加载真三轴仪，其特征在于，所述L型加载板(2)、陶瓷板(21)上均设置有应力应变传感器，所述内水压导出管(13)内设置有孔压传感器，所述应力应变传感器与孔压传感器均连接有上位机，所述上位机连接油缸A(3)与油缸B(9)。
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CN117074194A (zh) * 2023-08-18 2023-11-17 兰州交通大学 一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载系统
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