CN208476676U - 一种套杆推动式平面应变试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种套杆推动式平面应变试验装置，设置在真三轴仪压力室内，真三轴仪压力室包括压力室底板、压力室顶盖及压力室外筒，在真三轴仪压力室内对称设置两组三连杆光面刚性挡板机构，所述三连杆光面刚性挡板机构包括光面刚性挡板、两根副螺杆、一根主螺杆、若干螺母、钢板条和压力盒；本实用新型通过螺杆旋进方式带动光面刚性挡板施压，结合现有的真三轴压力室对岩土材料进行平面应变试验，可准确的进行平面应变方向上主应力的独立控制和量测，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。

Description

一种套杆推动式平面应变试验装置

技术领域

本实用新型属于岩土工程测试设备技术领域，涉及一种用于真三轴试验研究中平面应变条件下土力学性质测试的装置，具体为一种套杆推动式平面应变试验装置。

背景技术

在实际工程中，很多工程问题（如深基坑、挡土墙、高填方路堤、大坝、隧道）都处于或近似处于平面应变状态，而目前对于平面应变问题的工程，在设计时，参数的选择一般都是按照常规三轴或直剪试验来确定，未考虑平面应变条件下中主应力方向的约束和应力的变化对土的强度贡献。因此，依据平面应变试验来确定土体的力学特性可充分发挥土的强度，提高工程经济性。

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。参见图4，在加载过程中有独立的装置来保证方向的应变=0，方向为刚性约束，方向为刚性加载，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，虽实现了方向的应变=0，但实际工程中的平面应变状态对应着明确的应变条件=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，所以会造成在试样固结阶段无法对σ₂方向施加固结围压，使得平面应变方向上的主应力σ₂在固结阶段未达到固结应力，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，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。

发明内容

本申请提供一种套杆推动式平面应变试验装置，消除现存的缺陷，使得改进后新的压力室平面应变机构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。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下:

一种套杆推动式平面应变试验装置，设置在真三轴仪压力室内，所述真三轴仪压力室包括压力室底板、压力室顶盖及压力室外筒，在所述真三轴仪压力室内对称设置两组三连杆光面刚性挡板机构，所述三连杆光面刚性挡板机构包括光面刚性挡板、两根副螺杆、一根主螺杆、若干螺母、钢板条和压力盒；所述光面刚性挡板的前端面中央嵌设压力盒，光面刚性挡板的后端面固定设置两根所述副螺杆，在所述钢板条上开设有三个光孔，两根所述副螺杆穿过压力室外筒后穿过钢板条两端的光孔并通过螺母与钢板条连接，所述主螺杆穿过钢板条中间的光孔并通过螺母与钢板条连接，主螺杆的一端固定连接在压力室外筒上。

进一步的，所述压力盒为振弦式土压力盒。

进一步的，所述副螺杆为M10螺杆，主螺杆为M25螺杆。

进一步的，所述光面刚性挡板由不锈钢材质制成。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型在传统的三向独立加载真三轴仪压力室内设置旋进式三连杆光面刚性挡板机构，通过螺杆旋进方式带动光面刚性挡板施压，结合现有的真三轴压力室对岩土材料进行平面应变试验，可准确的进行平面应变方向上主应力的独立控制和量测，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。

2.本实用新型在两块光面刚性挡板中心位置开孔并各嵌入一枚振弦式土压力盒，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，并且选取尺寸较大的振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。

附图说明

图1是本实用新型机构安装在真三轴仪压力室的结构示意图；

图2是实用新型机构安装在真三轴仪压力室内的侧剖视图；

图3是本实用新型三连杆光面刚性挡板机构的结构示意图；

图4是试样在平面应变应力路径下受荷状态示意图；

图中，1-压力室底板，2-压力室顶盖，3-压力室外筒，4-光面刚性挡板，5-副螺杆，6-主螺杆，7-螺母，8-钢板条，9-压力盒。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

参见图1-图3的一种套杆推动式平面应变试验装置，设置在真三轴仪压力室内，真三轴仪压力室包括由不锈钢材质制成的压力室底板1、压力室顶盖2及压力室外筒3，在真三轴仪压力室内对称设置两组三连杆光面刚性挡板机构，三连杆光面刚性挡板机构包括不锈钢材质制成的光面刚性挡板4、两根副螺杆5、一根主螺杆6、若干螺母7、钢板条8和压力盒9；光面刚性挡板4的前端面中央嵌设压力盒9，该压力盒9为振弦式土压力盒，压力盒9向外引数据线，光面刚性挡板4的后端面固定设置两根副螺杆5，在钢板条8上开设有三个光孔，两根副螺杆5穿过压力室外筒3后穿过钢板条8两端的光孔并通过螺母7与钢板条8连接，主螺杆6穿过钢板条8中间的光孔并通过螺母7与钢板条8连接，主螺杆6的一端固定连接在压力室外筒3上。本实施例中，副螺杆5为M10螺杆，主螺杆6为M25螺杆。

下面介绍本实用新型的三连杆光面刚性挡板机构一种具体的尺寸形式、安装方法及其工作过程：

两组对称设置三连杆光面刚性挡板机构均通过以下步骤安装：

第一步：前端面中央嵌入振弦式土压力盒的光面刚性挡板4，光面刚性挡板4后端面上下两端各开一个深10mm的M10丝孔，旋入两根长度为100mm的副螺杆5（M10螺杆）。

第二步：长度为90mm的主螺杆6（M25螺杆）旋入压力室外筒3上的螺纹孔内；

第三步：使用上下两端开M10光孔、中心开M25光孔的钢条板8对孔套入两根副螺杆5（M10螺杆）以及主螺杆6（M25螺杆），并分别使用螺母7（M10螺母、M25螺母）将钢条板8与两根副螺杆5（M10螺杆）以及主螺杆6（M25螺杆）垂直固定。至此，三连杆光面刚性挡板机构加装完成，将其放置于压力室底板1上并固定。

在压力室中心装样完毕后，上方盖好三轴仪压力室顶盖2并固定。手动旋进两组三连杆光面刚性挡板机构主螺杆6（M25螺杆）上的两枚螺母7（M25螺母），使钢条板8水平向内移动，从而带动与钢条板8固定的副螺杆5（M10螺杆）和与副螺杆5（M10螺杆）固定的光面刚性挡板4向压力室内部移动，使光面刚性挡板4与试样侧面接触，挤压土样，从而施加固结围压。

当施加的固结围压时比设定围压略大时，旋出两组三连杆光面刚性挡板机构主螺杆6（M25螺杆）上的两枚螺母7（M25螺母），使钢条板8水平向外移动，带动与钢条板8相互固定的副螺杆5（M10螺杆）和与副螺杆5（M10螺杆）固定的光面刚性挡板4产生向外移动，从而释放固结压力，待固结围压达到设定值后立即停止光面刚性挡板4的水平移动，保持该方向上的平面应变应力应变状态。

本实用新型是在原有真三轴仪的基础之上做出的改进，在上述三连杆旋进式平面应变机构设计之外，本实用新型其他的改进内容包括：

= 1 \* GB3 ①、平面应变压力室外围结构

真三轴仪压力室由压力室底板、压力室顶盖及压力室外筒构成，材质都属于光面不锈钢材料。压力室顶盖改造之处在于对零应变对称方向压力室外筒底部开孔，开孔位置与外筒顶部水囊固定卡孔垂直对称，且尺寸与其保持一致；顶板和底板的设计与现有真三轴仪保持一致。

= 2 \* GB3 ②、平面应变压力室内部结构

压力室内部结构改造在于取消了原真三轴仪内用于阻隔柔性水囊的四块隔板，通过在平面应变对称方向加设一对三连杆不锈钢光面刚性挡板来限制该方向上的应变发展，从而模拟平面应变状态。并通过加长刚性挡板的宽度封闭去掉隔板后留下的缝隙，防止注水加压后的乳胶囊钻入缝隙发生破损，确保光面刚性挡板和乳胶囊可以直接与土体试样接触，以使侧向围压可以正常传递到土体试样。

③、固结围压加、卸载机构

参见图4，在进行固结时，中主应力σ₂是由人工控制三连杆光面刚性挡板向内水平移动，挤压土体试块而产生的压力所提供。通过手动旋转中间连杆上的两枚螺母，从而带动三连杆光面刚性挡板产生向压力室内部水平移动，对压力室中的土体试样施加应力。在试验工程中，土体的侧向变形会使刚性挡板产生水平向外的压应力，但由于中间连杆上的螺母位置固定限制了三连杆光面刚性挡板机构的水平位移，从而在试验过程中会一直保证平面应变反向上的应变ɛ₂=0，来确保土体的平面应变状态。如在土体固结阶段，平面应变方向上的应力出偏大，可通过手动反向旋转中间连杆上的两枚螺母使三连杆光面刚性挡板机构产生与压力室外筒的相对水平向外移动，从而卸载，保证土的初始固结应力状态及平面应变状态。

小主应力σ₃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乳胶囊后施加到土体试样。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (4)

1.一种套杆推动式平面应变试验装置，设置在真三轴仪压力室内，所述真三轴仪压力室包括压力室底板（1）、压力室顶盖（2）及压力室外筒（3），其特征在于，在所述真三轴仪压力室内对称设置两组三连杆光面刚性挡板机构，所述三连杆光面刚性挡板机构包括光面刚性挡板（4）、两根副螺杆（5）、一根主螺杆（6）、若干螺母（7）、钢板条（8）和压力盒（9）；所述光面刚性挡板（4）的前端面中央嵌设压力盒（9），光面刚性挡板（4）的后端面固定设置两根所述副螺杆（5），在所述钢板条（8）上开设有三个光孔，两根所述副螺杆（5）穿过压力室外筒（3）后穿过钢板条（8）两端的光孔并通过螺母（7）与钢板条（8）连接，所述主螺杆（6）穿过钢板条（8）中间的光孔并通过螺母（7）与钢板条（8）连接，主螺杆（6）的一端固定连接在压力室外筒（3）上。

2.根据权利要求1所述的套杆推动式平面应变试验装置，其特征在于，所述压力盒（9）为振弦式土压力盒。

3.根据权利要求1或2所述的套杆推动式平面应变试验装置，其特征在于，所述副螺杆（5）为M10螺杆，主螺杆（6）为M25螺杆。

4.根据权利要求3所述的套杆推动式平面应变试验装置，其特征在于，所述光面刚性挡板（4）由不锈钢材质制成。