CN211426110U - 通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置，包括：刚性滑动加载板，四个方向的刚性滑动加载板彼此搭接而成，围成一个矩形中央容置空间；加载活塞，用于对刚性滑动加载板施加载荷，可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动；橡胶薄膜将岩土样本和刚性滑动加载板包裹住；刚性滑动加载板和加载活塞之间通过滑动块实现两者的滑动连接；螺纹密封器，用于密封橡胶薄膜；气缸密封器，通过气缸施压使气缸密封器挤紧其与刚性滑动加载板之间的缝隙；从而将刚性滑动加载板和岩土样本整个封闭在容置空间中。本实用新型避免了由于手动密封而出现的漏气现象，并且通过控制气缸压力的大小可实现密封器的紧闭与卸载，方便试验仪器与岩土样本的拆卸。

Description

通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置

技术领域

本实用新型涉及岩土力学中加载装置，用于在试验时施加荷载，并测试岩土样本在三维应力作用下的应力-应变强度特性，具体地，涉及一种用螺纹密封器与气缸密封器来封闭橡胶薄膜的刚柔复合真三轴加载装置。

背景技术

岩土工程中常常遇到三维分析问题。真三轴仪的设计及试验研究一直是一个活跃并且具有挑战性的研究领域。对岩土的应力-应变强度特性的测量一般采用真三轴系统。真三轴测试意味着立方体形的岩土样本在三个方向(或三个轴向)受到均匀的压力(或应变)。真三轴测试对于测量岩土在三个主要方向的载荷作用下的应力-应变性能有重要意义。

现有的真三轴试验的加载装置可以分为以下3种类型：(1)刚性加载方式；(2)柔性加载方式；(3)混合边界加载方式。目前使用最广泛的是混合边界加载方式，它解决了纯刚性和纯柔性加载中的很多局限性，但是这种系统也存在着一些缺陷，比如边角处容易产生干涉、如果钢板之间存在缝隙还有可能有土体挤出、应力和应变同样分布不均匀。

除了上述的这些问题之外，现存的加载系统中用于密封试样的柔性橡胶薄膜是没有包裹住加载板的，加载板不是直接作用的岩土样本上，这样无法直接测得土孔中的水压；且将柔性橡胶薄膜包裹住加载板，需要解决两者的密封性，如何密封效果不好的话，则会出现漏水漏气的现象，使得无法准确的测得试样中的孔隙水压的变化，也无法准确的测得试样体积的变化。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置。

根据本实用新型提供一种通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置，包括：

四个刚性滑动加载板，四个所述刚性滑动加载板沿上、下、左和右四个方向彼此搭接围成一个矩形容置空间，所述矩形容置空间用于容纳待测试的岩土样本；

柔性橡胶薄膜，通过所述柔性橡胶薄膜将所述岩土样本和四个所述刚性滑动加载板包裹住；

四个加载活塞，四个所述加载活塞分别作用于四个所述刚性滑动加载板上，用于对所述刚性滑动加载板施加载荷；

四个滑动块，四个所述滑动块分别设置于四个所述刚性滑动加载板和四个所述加载活塞之间，用于实现所述刚性滑动加载板和所述加载活塞之间的滑动连接；

四个连接件，四个所述连接件分别设置于四个所述滑动块与四个所述刚性滑动加载板之间，所述连接件的一端与所述滑动块固接，另一端与所述刚性滑动加载板固接，用于对所述刚性滑动加载板传递荷载；

气缸密封器和三个螺纹密封器，其中所述气缸密封器设置于所述连接件上，该连接件位于上方的所述刚性滑动加载板上，所述气缸密封器连接气缸，通过所述气缸施压，使所述气缸密封器挤紧其与所述刚性滑动加载板之间的缝隙；三个所述螺纹密封器分别设置于分别位于左、右、下三个方向的所述刚性滑动加载板的所述连接件上，起到密封所述柔性橡胶薄膜的作用，使所述刚性滑动加载板与所述岩土样本整个封闭在所述柔性橡胶薄膜中。

优选地，还包括：

四个应力传感器，用于感测加载装置作用在所述岩土样本上的载荷大小；

四个位移传感器，用于感测载荷作用下所述岩土样本的应变。

优选地，所述柔性橡胶薄膜的横截面呈矩形；所述岩土样本和四个所述刚性滑动加载板封装在所述柔性橡胶薄膜中形成为立方体形；

所述柔性橡胶薄膜上分别设有四个开口，用于穿接所述连接件，通过所述螺纹密封器、所述气缸密封器封闭所述柔性橡胶薄膜的所述开口，使所述刚性滑动加载板和所述岩土样本整个封闭在所述柔性橡胶薄膜中。

优选地，分别位于所述左、右、下三个方向的所述刚性滑动加载板的所述连接件上设有螺纹，所述螺纹位于靠近所述刚性滑动加载板的一端；

所述螺纹密封器为环形；所述螺纹密封器套接于所述连接件上，所述螺纹密封器可沿着所述螺纹在所述连接件上下移动，通过扭紧所述螺纹密封器，可将所述柔性橡胶薄膜的所述开口封闭。

优选地，所述气缸密封器为环形；所述气缸密封器套接于位于上方的所述连接件上，所述气缸密封器可沿所述连接件上下滑动，通过所述气缸施压封闭所述柔性橡胶薄膜的所述开口。

优选地，分别位于上、下方向的两个所述刚性滑动加载板上分别设有渗水孔，所述岩土样本中的水通过所述渗水孔流入所述连接件内。

优选地，分别位于上、下两个方向的所述刚性滑动加载板的所述连接件上设有导孔，所述导孔连接塑料软管，用于排出所述连接件内的水；所述塑料软管的一端与所述导孔连接，另一端与外部连接，用于将所述导孔内的水排到外部。

优选地，所述加载活塞通过电机系统驱动。

与现有技术相比，本实用新型具有如下至少一种的有益效果：

本实用新型上述装置，通过气缸密封器来实现柔性橡胶薄膜的密封，避免了由于手动密封而出现的漏气的现象；同时，采用气缸密封器可避免采用手动密封产生的摩擦力造成柔性橡胶薄膜损坏；并且通过控制气缸压力的大小还可以实现密封器的紧闭与卸载，方便进行试验仪器与岩土样本的拆卸，在实验结束之后，拆除试样的过程中，气缸密封器的拆卸更加简单，只要卸掉气缸上的压力就能拆卸下来。上述装置中采用气缸密封和螺纹密封器相结合的密封方式，在实验过程中不但可以起到良好的密封效果，同时又便于实验操作。

本实用新型上述装置，由于使用了刚性滑动板和柔性薄膜来加载应力，从而克服了只用刚性板和只用柔性薄膜加载的缺陷。另外，通过在该加载活塞和该刚性滑动加载板之间设置滑动块，可以使得加载活塞一直位于变形后的中央容置空间的中央位置，可以保证将载荷施加在岩土样本的中央位置，确保了岩土样本内部应力的均匀分布。

同时，本实用新型的滑动加载装置中，柔性橡胶薄膜将刚性滑动加载板和岩土样本整个封闭在其容置空间中，通过扭紧紧固件上的螺丝来进行密封，通过改变柔性橡胶薄膜的位置实现全面应力路径试验。一般复合真三轴仪的柔性橡胶薄膜只能包裹住待测试岩土样本，刚性加载板设置在柔性橡胶薄膜外，水平方向刚性滑动加载板施加在岩土样本上的应力等于压力室水压与刚性加载板压力之和，不能小于围压室中水压，因此无法进行0～360度的任意Lode角试验。而本实用新型中创新性的将柔性橡胶薄膜设计与刚性滑动加载板之外，通过与刚性滑动加载板相连的加载活塞施加荷载，可以直接测得孔隙水压，并且可实现剪切时岩土样本在该方向上所受压力小于围压室内水压，可以进行0～360度的任意Lode角试验。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型一优选实施例的真三轴加载装置的结构原理的垂直剖面图；

图2a为本实用新型一优选实施例的显示该螺纹密封器加载装置的正视图；

图2b为本实用新型一优选实施例的显示该螺纹密封器加载装置的侧视图；

图2c为本实用新型一优选实施例的显示该螺纹密封器加载装置的俯视图；

图3a为本实用新型一优选实施例的显示该真三轴带气缸密封器加载装置的正视图；

图3b为本实用新型一优选实施例的显示该真三轴带气缸密封器加载装置的侧视图；

图3c为本实用新型一优选实施例的显示该真三轴带气缸密封器加载装置的俯视图。

图中标记分别表示为：岩土样本10、测试室20、加载装置30、刚性滑动加载板301、302、303、304、螺纹密封器305、307、308、连接件309、310、311、312、滑动块313、314、315、316、应力传感器317、318、319、320、加载活塞321、322、323、324。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

参照图1所示，为本实用新型一实施例通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置的结构示意图，该加载装置30设置在测试室20内部，该测试室20为一充满水的密闭室。加载装置30包括：四个刚性滑动加载板301、302、303、304和一立方体形的柔性橡胶薄膜；其中，四个刚性滑动加载板301、302、303、304沿上、下、左和右四个方向彼此搭接围成一个矩形容置空间，用于容纳待测试的岩土样本10，即由该加载装置30夹持的岩土样本10位于该中央容置空间中；将岩土样本10和四个刚性滑动加载板301、302、303、304封装在一立方体形的柔性橡胶薄膜(图中未示出)中，从而也形成为立方体形，然后由本实用新型的滑动加载装置30所夹持。

参照图1所示，四个刚性滑动加载板301、302、303、304中刚性滑动加载板302、304为垂直板，用于为岩土样本10施加垂直方向荷载；刚性滑动加载板301、303为水平板，用于为岩土样本10施加水平方向荷载；而剩余的两个方向没有设置加载板，而是由包裹该岩土样本10的柔性橡胶薄膜沿位于垂直于图面的两侧的方向施加荷载。

参照图1所示，刚性滑动加载板301、302、303、304以彼此可相对滑动的方式搭接。具体地说，如图1中刚性滑动加载板303(一水平板)的下端位于刚性滑动加载板304(一垂直板)的上表面之上，而另一端与刚性滑动加载板302的左端接触，从而刚性滑动加载板303可以沿刚性滑动加载板304的上表面滑动。其它三个刚性加载板301、302、304以同样的方式依次搭接。

该滑动加载装置30还包括分别作用于刚性滑动加载板301、302、303、304上的四个加载活塞321、322、323、324，以及连接刚性滑动加载板301、302、303、304和加载活塞321、322、323、324之间的四个滑动块313、314、315、316，用于对该刚性滑动加载板301、302、303、304施加载荷。该四个刚性滑动加载板301、302、303、304以这样的方式搭接，使得它们在加载活塞321、322、323、324的作用下，可沿水平方向和垂直方向彼此滑动，从而使得随着该岩土样本10在载荷的作用下发生应变后，该中央容置空间也会随之变小，从而保证载荷一直施加在该岩土样本10上。

为了保证在该刚性滑动加载板301、302、303、304滑动之后，该加载活塞321、322、323、324仍然作用于岩土样本10的中心位置，从而保证该岩土样本10的应力均匀，上述加载活塞321、322、323、324与刚性滑动加载板301、302、303、304之间通过滑动块313、314、315、316来实现滑动连接。上述滑动块313、314、315、316与刚性滑动加载板301、302、303、304固接，与加载活塞321、322、323、324沿岩土样本10的应变方向滑动连接。由于滑动块313、314、315、316的存在，使得滑动加载板在加载活塞的作用下，可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动。这样可以在岩土样本10发生应变而刚性滑动加载板301、302、303、304发生滑动后，通过滑动该滑动块313、314、315、316使其位于变形后的中央容置空间的中央位置，可以保证将载荷施加在岩土样本10的中央位置，确保了岩土内部的均匀分布。

该滑动加载装置30还包括四个连接件309、310、311、312，四个连接件309、310、311、312分别设置于四个滑动块313、314、315、316与四个刚性滑动加载板301、302、303、304之间，连接件309、310、311、312的一端与滑动块313、314、315、316固接，另一端与刚性滑动加载板301、302、303、304固接，用于对刚性滑动加载板301、302、303、304传递荷载。在具体实施过程中，连接件309、310、311、312与滑动块313、314、315、316通过螺丝固接，连接件309、310、311、312与滑动块313、314、315、316在装样的过程中是分离的，装样结束后通过扭紧滑动块313、314、315、316与连接件309、310、311、312之间的螺丝，使得连接件309、310、311、312与滑动块313、314、315、316固接在一起传递荷载。

刚性滑动加载板301、302、303、304与岩土样本10整个封闭在柔性橡胶薄膜中，为了保证柔性橡胶薄膜与刚性滑动加载板301、302、303、304之间的密封性。加载装置30还包括一个气缸密封器和三个螺纹密封器305、307、308，气缸密封器设置于位于上方向刚性滑动加载板302的连接件310上，气缸密封器连接气缸，通过气缸施压，使气缸密封器挤紧其与刚性滑动加载板302之间的缝隙，通过气缸密封器来实现柔性橡胶薄膜的密封，避免了由于手动密封而出现的漏气的现象，并且通过控制气缸压力的大小还可以实现密封器的紧闭与卸载，方便进行试验仪器与岩土样本10的拆卸。在整个实验加载装置，除了上方的加载装置以外，其余三个方向的加载装置都是固定在实验舱室内的，而上方的加载装置是在把岩土样本10放进去之后再盖上去的，上方的加载装置不是固定的，更加方便连接外部气缸施压。采用外部气缸施压相比于采用螺纹密封器密封，可避免采用螺纹密封在拧紧或拧松的过程中摩擦力会造成柔性橡胶薄膜的损坏，导致漏气现象，密封效果更好。

因其余三个方向的加载装置都是固定在实验室内，为了便于操作采用螺纹密封器305、307、308进行密封，螺纹密封器305、307、308的构造简单，通过手动扭紧螺丝而实现密封，操作起来更加方便。三个螺纹密封器305、307、308分别设置于左、右、下三个方向刚性滑动加载板301、303、304的连接件309、311、312上，三个螺纹密封器305、307、308是通过手动扭紧螺丝而实现密封的，起到密封柔性橡胶薄膜的作用。

本实施例中的加载活塞321、322、323、324可以通过电机系统驱动。

在其他部分优选实施例中，为了测定各个加载活塞321、322、323、324施加到各刚性滑动加载板301、302、303、304上的载荷，在该测试室20内部还设置有四个应力传感器317、318、319、320，其中两个位于水平方向，两个位于垂直方向。参照图1所示，四个应力传感器317、318、319、320均呈环形，分别固结在加载活塞321、322、323、320上。

另外，为了测量该岩土样本10在载荷作用下的应变，该顶部(上方向)和底部(下方向)的两个加载活塞322、324分别设有一位移传感器(图中未示出)，用于测量垂直方向的位移。两个水平加载活塞321、323用于施加水平方向的压力，同样也分别设有位移传感器，用于测量水平方向的位移。

在其他部分优选实施例中，对于特定的测试方案，本实用新型的加载装置30可以作出适当调整。位于上、下方向的刚性滑动加载板302、304的两个连接件310、312上分别设有导孔41、42；分别用于连接的两个塑料软管，两个塑料软管分别从两个导孔连接到外部，该塑料软管可用于在排水剪切试验中测量排水，或者在不排水试验中测量水的压力。在位于上、下方向的两个刚性滑动加载板302、304上分别设有渗水孔，岩土样本10中的水通过渗水孔流入连接件310、312内，通过连接件310、312上的导孔41、42由塑料软管排出。

在其他部分优选实施例中，参照图1和图2a、2b及2c所示，连接件309、311、312靠近刚性滑动加载板的一端设有螺纹，三个螺纹密封器305、307、308为环形，分别套接在连接件309、311、312上，螺纹密封器305、307、308可以沿着螺纹在连接件309、311、312上下移动。通过扭紧密封器，可将柔性橡胶薄膜的开口封闭，使得刚性滑动加载板301、302、303、304和岩土样本10整个封闭在容置空间中，从而起到密封岩土样本10的作用。

在其他部分优选实施例中，如图1和图3a、3b及3c所示，气缸密封器306为环形，气缸密封器306套接于位于上方的连接件310上，气缸密封器306可沿连接件上下滑动；环形气缸密封器306连接外部的气缸，通过外部气缸施压，气缸密封器会挤紧与滑动夹在板之间的缝隙，从而将柔性橡胶薄膜的开口封闭，使得刚性滑动加载板和岩土样本10整个封闭在容置空间中。

在其他部分优选实施例中，如图1所示，岩土样本10和四个刚性滑动加载板封装在一柔性橡胶薄膜中，并形成为立方体形。柔性橡胶薄膜的横截面呈矩形，在柔性橡胶薄膜与四个刚性滑动加载板301、302、303、304对应的面上分别设有一个开口，使四个刚性滑动加载板301、302、303、304连接的连接件与密封器分别由该开口穿出，穿出之后再通过螺纹密封器305、307、308与气缸密封器306将四个开口封闭，使得刚性滑动加载板301、302、303、304和岩土样本10整个封闭在容置空间中。

本实用新型的加载装置30由于使用了四个刚性滑动加载板301、302、303、304和一个柔性橡胶薄膜来加载应力，从而克服了只用刚性板和只用柔性薄膜加载的缺陷。由于滑动块313、314、315、316分别通过连接件309、310、311、312与该刚性滑动加载板301、302、303、304固接，而与该加载活塞321、322、323、324滑动连接，这样可以在岩土样本10发生应变而刚性滑动加载板301、302、303、304发生滑动后，通过滑动该滑动块313、314、315、316使其位于变形后的中央容置空间的中央位置，可以保证将载荷施加在岩土样本10的中央位置，确保了岩土内部应力的均匀分布。同时，本实用新型设计的加载装置30创新性地将柔性橡胶薄膜设计与刚性滑动加载板之外，通过与刚性滑动加载板301、302、303、304相连的加载活塞321、322、323、324施加荷载，可以直接测得孔隙水压，并且可以实现剪切时岩土样本10在该方向上所受压力小于围压室内水压，可以进行0～360度的任意Lode角试验。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (8)

1.一种通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置，其特征在于：包括：

四个刚性滑动加载板，四个所述刚性滑动加载板沿上、下、左和右四个方向彼此搭接围成一个矩形容置空间，所述矩形容置空间用于容纳待测试的岩土样本；

柔性橡胶薄膜，通过所述柔性橡胶薄膜将所述岩土样本和四个所述刚性滑动加载板包裹住；

四个加载活塞，四个所述加载活塞分别作用于四个所述刚性滑动加载板上，用于对所述刚性滑动加载板施加载荷；

四个滑动块，四个所述滑动块分别设置于四个所述刚性滑动加载板和四个所述加载活塞之间，用于实现所述刚性滑动加载板和所述加载活塞之间的滑动连接；

四个连接件，四个所述连接件分别设置于四个所述滑动块与四个所述刚性滑动加载板之间，所述连接件的一端与所述滑动块固接，另一端与所述刚性滑动加载板固接，用于对所述刚性滑动加载板传递荷载；

气缸密封器和三个螺纹密封器，其中所述气缸密封器设置于所述连接件上，该连接件位于上方的所述刚性滑动加载板上，所述气缸密封器连接气缸，通过所述气缸施压，使所述气缸密封器挤紧其与所述刚性滑动加载板之间的缝隙；三个所述螺纹密封器分别设置于分别位于左、右、下三个方向的所述刚性滑动加载板的所述连接件上，起到密封所述柔性橡胶薄膜的作用，使所述刚性滑动加载板与所述岩土样本整个封闭在所述柔性橡胶薄膜中。

2.根据权利要求1所述的一种通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置，其特征在于：还包括：

四个应力传感器，用于感测加载装置作用在所述岩土样本上的载荷大小；

四个位移传感器，用于感测载荷作用下所述岩土样本的应变。

3.根据权利要求1所述的一种通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置，其特征在于：所述柔性橡胶薄膜的横截面呈矩形；所述岩土样本和四个所述刚性滑动加载板封装在所述柔性橡胶薄膜中形成为立方体形；

所述柔性橡胶薄膜上分别设有四个开口，用于穿接所述连接件，通过所述螺纹密封器、所述气缸密封器封闭所述柔性橡胶薄膜的所述开口，使所述刚性滑动加载板和所述岩土样本整个封闭在所述柔性橡胶薄膜中。

4.根据权利要求3所述的一种通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置，其特征在于：分别位于所述左、右、下三个方向的所述刚性滑动加载板的所述连接件上设有螺纹，所述螺纹位于靠近所述刚性滑动加载板的一端；

所述螺纹密封器为环形；所述螺纹密封器套接于所述连接件上，所述螺纹密封器可沿着所述螺纹在所述连接件上下移动，通过扭紧所述螺纹密封器，可将所述柔性橡胶薄膜的所述开口封闭。

5.根据权利要求3所述的一种通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置，其特征在于：所述气缸密封器为环形；所述气缸密封器套接于位于上方的所述连接件上，所述气缸密封器可沿所述连接件上下滑动，通过所述气缸施压封闭所述柔性橡胶薄膜的所述开口。

6.根据权利要求1所述的一种通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置，其特征在于：分别位于上、下方向的两个所述刚性滑动加载板上分别设有渗水孔，所述岩土样本中的水通过所述渗水孔流入所述连接件内。

7.根据权利要求6所述的一种通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置，其特征在于：分别位于上、下两个方向的所述刚性滑动加载板的所述连接件上设有导孔，所述导孔连接塑料软管，用于排出所述连接件内的水；所述塑料软管的一端与所述导孔连接，另一端与外部连接，用于将所述导孔内的水排到外部。

8.根据权利要求1所述的一种通过气缸施压来封闭试样的刚柔组合滑动真三轴加载装置，其特征在于：所述加载活塞通过电机系统驱动。

Images