CN211825459U

CN211825459U - 一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置

Info

Publication number: CN211825459U
Application number: CN201922404926.8U
Authority: CN
Inventors: 叶冠林; 谢文博; 陈锦剑; 张琪; 邬颢
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2029-12-27

Abstract

本实用新型提供一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置，包括四个刚性加载板，沿四个方向围成一个横截面呈矩形的容置空间，用于夹持岩土样本；每个刚性加载板与两端两个刚性补偿板之间留有缝隙；橡胶薄膜包裹在岩土样本和四个刚性加载板的外部，用于封装岩土样本和四个刚性加载板；八个刚性补偿板，用于封闭相邻两个刚性加载板之间的缝隙，岩土样本在一个封闭的矩形容置空间中；四个连接件，用于对刚性加载板传递荷载；四个加载活塞，用于对岩土样本施加荷载；四个密封器，起到密封橡胶薄膜的作用。本实用新型相邻两个刚性加载板之间留有缝隙，避免边角处的碰撞与干扰；通过刚性补偿板对其缝隙进行密封，解决挤土与应力集中的问题。

Description

一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置

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，涉及一种解决应力集中与挤土问题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。

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一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置。

根据本实用新型提供一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置，包括：

四个刚性加载板，沿四个方向围成一个横截面呈矩形的容置空间，所述容置空间用于夹持岩土样本；每个所述刚性加载板与两端两个所述刚性补偿板之间留有缝隙；

橡胶薄膜，其包裹在所述岩土样本和四个所述刚性加载板的外部，将所述岩土样本和四个所述刚性加载板封装于所述橡胶薄膜内；

八个刚性补偿板，分别固结于四个所述刚性加载板的两端，即每个所述刚性加载板的两端分别设有一个所述刚性补偿板，所述刚性补偿板可沿与其固结的所述刚性加载板固定的方向伸缩，用于封闭相邻两个所述刚性加载板之间的所述缝隙，使所述岩土样本始终在一个封闭的所述容置空间中；

四个连接件，四个所述连接件分别固接在四个所述刚性加载板的中间位置，用于对所述刚性加载板传递荷载；

四个加载活塞，四个所述加载活塞分别通过所述连接件与所述刚性加载板连接，用于对所述岩土样本施加荷载；

四个密封器，四个所述密封器分别套接于四个所述连接件上，用于夹紧其与所述刚性加载板之间的所述橡胶薄膜，起到密封所述橡胶薄膜的作用。

优选地，还包括：

四个应力传感器，四个所述应力传感器分别固结于四个所述加载活塞上，用于感测所述加载装置作用在所述岩土样本上的载荷大小。

优选地，四个所述刚性加载板，其中两个刚性加载板位于同一个中轴线上，另外两个所述刚性加载板位于同一个中轴线上，且这两个中轴线彼此垂直。

优选地，四个所述加载活塞分别与其连接的所述刚性加载板垂直设置，使荷载通过所述加载活塞传递至所述刚性加载板上，所述刚性加载板沿着所述加载活塞固定的方向移动。

优选地，所述加载装置还包括气缸，通过所述气缸控制所述刚性补偿板的伸长或收缩，使相邻的两个所述刚性加载板之间没有缝隙并且刚好接触，确保所述岩土样本始终在一个封闭的所述容置空间中。

优选地，还包括位移传感器，用于感测载荷作用下所述岩土样本的应变；

所述刚性补偿板分别连接所述位移传感器，通过所述位移传感器测得与其固结的所述刚性滑动板的位移大小，从而通过所述气缸控制其连接的补偿板伸缩。

优选地，所述橡胶薄膜上设有开口，用于穿接所述连接件。

优选地，所述连接件靠近所述刚性加载板的一端设有螺纹，所述密封器套接于所述连接件上可沿着所述螺纹在所述连接件上下移动，封闭所述橡胶薄膜的所述开口，使四个所述刚性加载板和所述岩土样本整个封闭在所述橡胶薄膜中。

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，由于使用了四个刚性加载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，相邻两个刚性加载板之间留有缝隙，避免了边角处的碰撞与干扰；并且通过在每个刚性加载板的两端设置可伸缩式刚性补偿板对其缝隙进行密封，解决了挤土与应力集中的问题。

本实用新型上述装置中，橡胶薄膜将刚性加载板和岩土样本整个封闭在容置空间中，通过扭紧密封器进行密封。本装置中通过改变橡胶薄膜的位置实现全面应力路径试验，而现有技术中复合真三轴仪通常是将橡胶薄膜只是包裹住岩土样本，再将刚性加载板设置在橡胶薄膜的外部，在这种情况下，其水平方向刚性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。而本装置创新性的将橡胶薄膜设计与刚性加载板之外，其改变了在常规情况下橡胶薄膜的用途，从而带来了与常规情况下完全不同的技术效果，即通过与刚性加载板相连的加载活塞施加荷载，可以直接测得孔隙水压，并且可实现剪切时土样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。

进一步，可伸缩刚性补偿板可以气缸控制，采用位移传感器测得旁边刚性滑动板的位移大小，从而通过气缸可以控制其连接的补偿板伸缩，使得每个刚性加载板之间始终没有缝隙，并且刚好接触，结构简单，密封效果好。

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为本实用新型的真三轴加载装置的结构的垂直剖面图；

图2a为本实用新型的真三轴加载装置的局部正视图；

图2b为本实用新型的真三轴加载装置的局部侧视图；

图2c为本实用新型的真三轴加载装置的局部俯视图；

图中标记分别表示为：岩土样本10、测试室20、刚性加载板301、302、303、304、刚性补偿板305、306、307、308、309、310、311、312、密封器313、314、315、316、连接件317、318、319、320、应力传感器321、322、323、324、加载活塞325、326、 327、328、气缸连接器329、330、331、332、333、334、335、336。

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，为本实用新型一优选实施例解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置的结构示意图。如图1所示，将该加载装置设置在测试室20内部，该测试室20为一充满水的密闭室。加载装置包括四个刚性加载板301、302、303、304和橡胶薄膜(图中未示出)，将岩土样本10和刚性加载板301、302、303、304封装在一立方体形的橡胶薄膜(图中未示出)中，橡胶薄膜是包裹在岩土样本10和四个刚性加载板301、302、303、304的外部，将岩土样本10和四个刚性加载板301、302、303、304 封闭在由橡胶薄膜形成的密封空间内。

参照图1中所示，四个刚性加载板301、302、303、304包括两个垂直板和两个水平板，垂直板为刚性加载板302、304，用于为岩土样本10施加垂直方向荷载，水平板为刚性加载板301、303，用于为岩土样本10施加水平方向荷载。四个刚性加载板301、 302、303、304中刚性加载板302、304位于同一个中轴线上，刚性加载板301、303位于同一个中轴线上，且这两条中轴线彼此垂直，沿四个方向围成一个横截面呈矩形的容置空间。岩土样本10夹持在该容置空间中，岩土样本10通过夹持于外部的四个刚性加载板301、302、303、304向其施加载荷，剩余的两个方向没有设置刚性加载板，而是由包裹该岩土样本10的该柔性薄膜沿位于垂直于图面的两侧的方向施加荷载。

该加载装置还包括分别作用于刚性加载板301、302、303、304上的四个加载活塞325、326、327、328，以及连接刚性加载板301、302、303、304和加载活塞325、326、 327、328之间的四个连接件317、318、319、320，用于对该刚性加载板301、302、303、 304传递载荷。四个加载活塞325、326、327、328分别与其连接的刚性加载板301、302、 303、304垂直设置，使荷载通过加载活塞325、326、327、328传递至刚性加载板301、 302、303、304上，刚性加载板301、302、303、304沿着加载活塞325、326、327、328 固定的方向移动。该四个刚性加载板301、302、303、304彼此之间留有缝隙，避免产生扰动。加载活塞325、326、327、328与连接件317、318、319、320是相互固接的，连接件317、318、319、320固接在刚性加载板301、302、303、304的中间位置。荷载通过加载活塞325、326、327、328传递至刚性加载板301、302、303、304上，刚性加载板301、302、303、304只能沿着加载活塞325、326、327、328固定的方向移动。加载活塞325、326、327、328可以通过电机系统驱动。

结合图1和图2a、图2b及图2c所示，该加载装置还包括八个刚性补偿板305、306、307、308、309、310、311、312，每个刚性加载板301、302、303、304的两侧分别固接有一个刚性补偿板305、306、307、308、309、310、311、312。分别固接在刚性加载板301、302、303、304两侧的刚性补偿板305、306、307、308、309、310、311、312，可以沿着与其固接的刚性加载板301、302、303、304固定方向伸长或收缩，刚性补偿板305、306、307、308、309、310、311、312无论伸长还是缩短，刚性补偿板305、306、 307、308、309、310、311、312与刚性加载板301、302、303、304位于同一个平面上的，其沿着刚性加载板301、302、303、304的横向方向变化，用于封闭相邻刚性加载板301、302、303、304之间的缝隙，解决了挤土与应力集中的问题。即解决了在试验的过程中，刚性加载板301、302、303、304沿着加载活塞325、326、327、328的方向发生位移，岩土样本10被挤压，发生变形的问题。

该加载装置还包括四个密封器313、314、315、316，参照图1和图2a所示，密封器313、314、315、316的形状为环形，四个密封器313、314、315、316分别套接于四个连接件317、318、319、320上，用于夹紧与刚性加载板301、302、303、304之间的橡胶薄膜，起到密封橡胶薄膜的作用。在连接件317、318、319、320的一端(即位于靠近刚性加载板301、302、303、304的一端)设有螺纹，将环形的密封器313、314、 315、316套在连接件317、318、319、320上，密封器313、314、315、316可以沿着螺纹在连接件317、318、319、320上下移动，从而通过扭紧密封器313、314、315、316，将橡胶薄膜的开口封闭，从而使刚性加载板301、302、303、304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，为了测定各个加载活塞325、326、327、328施加到各刚性加载板301、302、303、304上的载荷，在测试室20内部还设置有四个应力传感器 321、322、323、324，将四个应力传感器321、322、323、324分别固结于四个加载活塞325、326、327、328上，其中两个位于水平加载方向，两个位于垂直加载方向。

另外，为了测量该岩土样本10在载荷作用下的应变，在位于垂直加载方向的加载活塞326、328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。在位于水平加载方向的加载活塞325、327同样也分别设有一位移传感器(图中未示出)，用于测量水平方向的位移。

在其他部分优选实施例中，结合图1和图2a所示，加载装置还包括气缸，通过气缸控制刚性补偿板305、306、307、308、309、310、311、312的伸长或收缩，使相邻的两个刚性加载板301、302、303、304之间没有缝隙并且刚好接触，确保岩土样本10 始终在一个封闭的容置空间中。参照图1所示，在刚性加载板301、302、303、304上分别设置气缸连接器329、330、331、332、333、334、335、336，用于刚性补偿板305、 306、307、308、309、310、311、312分别与外部的气缸连接。

八个刚性补偿板305、306、307、308、309、310、311、312分别连接位移传感器，与刚性补偿板305、306、307、308、309、310、311、312相连的位移传感器可以测得旁边刚性加载板301、302、303、304的位移大小，从而通过气缸可以控制其连接的刚性补偿板305、306、307、308、309、310、311、312的伸缩长度，例如，左侧的刚性加载板303位移1mm，上侧与左侧刚性加载板相接触的补偿板308相应的会缩短1mm。这样可以使得每个刚性加载板301、302、303、304之间始终没有缝隙，并且相邻的两个补偿板之间保持刚好接触，使岩土样本10始终在一个封闭的容置空间中。

在其他部分优选实施例中，包括具有一容纳腔体橡胶薄膜，矩形容纳腔体上部设有开口，用于穿接连接件317、318、319、320。密封器313、314、315、316套接于连接件317、318、319、320上可沿着螺纹在连接件317、318、319、320上下移动，封闭橡胶薄膜的开口，使四个刚性加载板301、302、303、304和岩土样本10整个封闭在橡胶薄膜中。

本实用新型的有益效果是，本实用新型的加载装置由于使用了四个刚性加载板301、 302、303、304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，相邻的两个刚性加载板301、302、303、304之间留有缝隙，避免了边角处的碰撞与干扰，并且引入了由位移传感器和气缸控制的可伸缩补偿板来密封其缝隙，解决了挤土与应力集中的问题。同时，本实用新型设计的加载装置巧妙地将橡胶薄膜设计与刚性加载板301、302、303、304之外，通过与刚性加载板301、302、303、304相连的加载活塞325、326、327、328施加荷载，可以直接测得孔隙水压，并且可以实现剪切时土样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

1.一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置，其特征在于，包括：

四个刚性加载板，沿四个方向围成一个横截面呈矩形的容置空间，所述容置空间用于夹持岩土样本；

八个刚性补偿板，分别固结于四个所述刚性加载板的两端，即每个所述刚性加载板的两端分别设有一个所述刚性补偿板，每个所述刚性加载板与两端两个所述刚性补偿板之间留有缝隙；所述刚性补偿板可沿与其固结的所述刚性加载板固定的方向伸缩，用于封闭相邻两个所述刚性加载板之间的所述缝隙，使所述岩土样本始终在一个封闭的所述容置空间中；

2.根据权利要求1所述的一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求1所述的一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置，其特征在于，四个所述刚性加载板，其中两个刚性加载板位于同一个中轴线上，另外两个所述刚性加载板位于同一个中轴线上，且这两个中轴线彼此垂直。

4.根据权利要求1所述的一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置，其特征在于，四个所述加载活塞分别与其连接的所述刚性加载板垂直设置，使荷载通过所述加载活塞传递至所述刚性加载板上，所述刚性加载板沿着所述加载活塞固定的方向移动。

5.根据权利要求1所述的一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置，其特征在于，所述加载装置还包括气缸，通过所述气缸控制所述刚性补偿板的伸长或收缩，使相邻的两个所述刚性加载板之间没有缝隙并且刚好接触，确保所述岩土样本始终在一个封闭的所述容置空间中。

6.根据权利要求5所述的一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置，其特征在于，还包括位移传感器，用于感测载荷作用下所述岩土样本的应变；

所述刚性补偿板分别连接所述位移传感器，通过所述位移传感器测得与其固结的所述刚性加载板的位移大小，从而通过所述气缸控制其连接的所述刚性补偿板伸缩。

7.根据权利要求1所述的一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置，其特征在于，所述橡胶薄膜上设有开口，用于穿接所述连接件。

8.根据权利要求7所述的一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置，其特征在于，所述连接件靠近所述刚性加载板的一端设有螺纹，所述密封器套接于所述连接件上可沿着所述螺纹在所述连接件上下移动，封闭所述橡胶薄膜的所述开口，使四个所述刚性加载板和所述岩土样本整个封闭在所述橡胶薄膜中。

9.根据权利要求1所述的一种解决应力集中与挤土问题的刚柔复合真三轴加载装置，其特征在于，所述加载活塞通过电机系统驱动。