CN216791897U - 一种大主应力提供侧限的载荷试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大主应力提供侧限的载荷试验装置，包括加载设备系统、至少四个侧限压力控制系统以及量测设备系统；所述加载设备系统从试样顶部为试样提供竖向测试载荷；在试样的每个侧面外的岩土体上面分别设置有一个侧限压力控制系统为试样侧面提供侧限压力；量测设备系统用于测量试样在竖向测试载荷下位移变化。本发明可通过对周围岩土体的大主应力的控制，实现试样侧限压力的可控；将试样的应力与室内试验相匹配，室内试验结果可更好应用于工程实际。

Description

一种大主应力提供侧限的载荷试验装置

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及大主应力提供侧限的载荷试验装置。

背景技术

岩土体的强度、变形特性通常采用室内压缩试验与现场原位载荷试验取得。但是，对于砂砾石土，由于其粒径较大，室内压缩试验由于仪器尺寸限制，通常采用缩尺试验，不能完全反映原状土体的强度；现场原位载荷试验又无法测得试样的围压，并且试验成本高，耗时长，影响原位测试成果的因素较为复杂,使得对测定值的准确判定造成一定的困难,造成原位试验结果与室内压缩试验结果无法匹配。

因此，提出一种边界可控的、可确定围压的岩体原位载荷试验装置及方法，通过对试样周围土体的大主应力的控制，得到试样的围压，其结果可与室内试验结果进行匹配，进而得出经验参数。在水利与水电工程、地基与基础工程、边坡工程中快速且合理地确定岩体强度、变形特性是十分必要的。

发明内容

本发明的目的提供主应力控制试样围压的载荷试验装置，通过在试样外周的岩土体上施加竖向载荷转换为试样各个侧面提供侧向压力，用于克服传统载荷试验装置及试验方法在试验过程中无法掌握试样围压缺陷，使原位试验结果与室内试验结果相匹配。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是一种大主应力提供侧限的载荷试验装置，包括加载设备系统、至少四个侧限压力控制系统以及量测设备系统；所述加载设备系统从试样顶部为试样提供竖向测试载荷；在试样的每个侧面外的岩土体上面分别设置有一个侧限压力控制系统为试样侧面提供侧限压力；量测设备系统用于测量试样在竖向测试载荷下位移变化。

优选地，所述加载设备系统及侧限压力控制系统分别包括传力柱及位于传力柱下面的液压装置，在液压装置上设置有测试压力的压力表，所述液压装置的底面为可贴合与试样及其外周岩土体上表面的平面。

优选地，在所述传力柱的顶端设置有反向横梁，在其下端设置有传压板及垫板，所述液压装置位于所述传压板和垫板之间。

优选地，所述液压装置为至少一个液压千斤顶。

优选地，所述反向横梁、传压板及垫板与所述传力柱同心设置，所述反向横梁、传压板及垫板的侧边位于所述传力柱端部边缘的外侧。

优选地，在试样及位于试样外周侧的岩土体上表面铺设一层水泥砂浆层，在水泥砂浆层上铺设一层滚轴排，所述加载设备系统及侧限压力控制系统分别设置在所述滚轴排上面。

优选地，所述滚轴排包括两上下平行的水平垫板，在所述水平垫板间平行设置有数排水平设置的滚轴。

发明的有益效果为：

(1)本发明可通过对周围岩土体的大主应力的控制，实现试样侧限压力的可控。

(2)本发明可通过控制试样的侧限压力，将试样的应力与室内试验相匹配，室内试验结果可更好应用于工程实际。

(3)本发明可实行多种试验方案的施加，可节约成本、提高效率、保障精度，贴合试样真实力学行为，解决了强度及变形参数取值问题，且工程运用简便、快捷。

附图说明

图1是本发明实验装置立面示意图。

图2是本发明实验装置俯视示意图。

具体实施方式

针对上述技术方案，举较佳实施例结合图示进行具体说明，参看图1和图2。

本发明的大主应力提供侧限的载荷试验装置，包括加载设备系统、至少四个侧限压力控制系统以及量测设备系统；加载设备系统为试样提供竖向测试载荷；侧限压力控制系统均匀分布在加载设备系统外周，为试样的四个侧面提供侧限压力；量测设备系统用于测量试样在竖向测试载荷下位移变化。

加载设备系统，包括传力柱7，在传力柱7的上面设置有反向横梁8，反向横梁8可采用固定或可拆卸方式设置于传力柱的上面，比如焊接方式，或通过螺栓连接方式。反向横梁8的面积大于传力柱的面积，其中心与传力柱中心重叠，用于顶住试验洞顶，通过洞顶向下施加反向作用力。反向横梁面积比传力柱端部面积大的目的是通过较大的面积分散洞顶承压力，保护洞顶。在传力柱7的下面固定设置有传压板6，传压板6的面积大于传力柱7端部的面积，其中心与传力柱7中心重叠，其作用也在于分散作用力。在传压板6的下面设置有液压装置4，在液压装置4下面设置有垫板3，在液压装置4上设置有显示压力的压力表5。垫板3与反向横梁、传压板一样，其面积大于传力柱端部面积，且与传力柱同心设置。液压装置4为液压千斤顶，可以根据需要设置一个、两个、三个甚至更多，当大于两个时，需保证两个以上的液压千斤顶同时顶升的距离、输出的力均相同，需保证垫板3和传压板6的水平及受力均匀。上述垫板3、传压板6、传力柱7、反向横梁8材质均为高强度的金属材质，比如钢材质。

侧限压力控制系统，其结构与加载设备系统结构基本相同，包括传力柱7、反向横梁8、液压装置9。液压装置9也包括在传力柱7的下面设置有传压板及垫板(未图示)，液压装置9位于传压板和垫板之间，在液压装置上设置有压力表(未图示)。液压装置9为液压千斤顶，也可以是一个、两三、三个甚至多个。在测试时，侧限压力控制系统一般为四个，分别分布在试样的四个侧面外侧，围绕试样及加载设备系统均匀分布，距离试样的各个侧面的距离相同。

上述垫板、传压板、传力柱、反向横梁材质均为高强度的金属材质，比如钢材质。

量测设备系统，包括百分表及表架(未图示)，用于测量试样下沉距离。

利用上述荷载试验装置进行测试的测试方法，其步骤如下：

步骤1，进行试样及周围岩土体的铺设

在试验前，先根据试验试样大小及所需原材料进行试样1和试样1周围的岩土体10的碾压铺设。试样1为方柱形结构。试样1和其周围的岩土体10的厚度一致。碾压铺设完成后在试样1和周围岩土体10上表面铺设一层水泥砂浆，保证水泥砂浆上表面平齐。

步骤2，测试设备安装

在试样1和其周围的岩土体10的水泥砂浆上面铺设一层滚轴排2。滚轴排包括上下平行设置两钢质的水平垫板，在两水平垫板间间隔平行设置有数排滚轴，滚轴呈水平设置，滚轴可相对上下水平垫板转动。滚轴排的作用当试样在载荷作用下发生侧向位移时，滚轴排可随着试样的侧向位移而转动，避免液压装置倾倒，水平垫板的作用是增大液压千斤顶与试样的接触面积，使力的作用更加均匀。

然后在试样1的正上方中心位置处安装加载设备系统，加载设备系统顶部的反向横梁抵紧在洞顶，其底部抵紧在滚轴排上。然后在试样1的四个侧面的外侧一定距离处的周围岩土体10上面的滚轴排上分别安装一个侧限压力控制系统，使其反向横梁顶在洞顶处，其底部抵紧在滚轴排上。侧限压力控制系统的底部正对试样侧面，其底部的相对两侧与试样的相对两侧距离相同，参看图2。

步骤3，确定加载设备系统需加载的最大荷载及侧限压力控制系统的需加载的荷载。

根据试样规格及试验标准规范，得到加载设备系统需加载的最大荷载及试样承受的侧限压力p。

由于试样承受的侧限压力p为水平方向的力，而侧限压力控制系统的液压装置提供的荷载为竖向荷载，因此，需根据确定试样承受的侧限压力，计算侧限压力控制系统需加载的竖向荷载F。依据以下公式反向计算侧限压力控制系统的竖向载荷F大小。

设定侧限压力控制系统与滚轴排接触的底部下表面的面积为A，侧限压力控制系统通过液压装置提供的竖向载荷为F，试样1的高度为z，试样容重为γ，试样的内摩擦系数

则大主应力为

其控制的侧限压力为p，其中K为试样的侧压力系数。

根据以上公式(1-1)和公式(2-2)，反向计算侧限压力控制系统的液压装置所需提供的竖向载荷F。

步骤4，施加载荷进行试验

在试验时，根据步骤3确定的计算出的侧限压力控制系统的竖向载荷，调节侧限压力控制系统的液压装置，使其输出竖向荷载F作用于试样外周的岩土体上表面，在试样各个侧面产生侧限压力p。

然后将确定试样的最大荷载分为5级通过加载设备系统施加给试样1，加载采用时间控制，每级荷载下观测沉降的时间间隔按10、10、10、15、15min，以后每隔30～60min观测一次，直到间隔1h的沉降量不大于0.1mm为止，说明该级荷载下试样沉降已经趋于稳定，再进行下一级荷载的施加。每施加一级荷载，待沉降速率达到相对稳定后再加下一级荷载。以直到间隔1h的沉降量不大于0.1mm为止判断沉降速率达到相对稳定状态。当出现较大沉降时，可减少荷载增量，在每次加载前后都对各百分表读数进行测读。当沉降急剧增加，垫板周边的土层出现明显侧向挤出、裂缝或隆起即可终止试验。

本发明的荷载试验装置，通过将对试样外周的岩土体施加竖向荷载转换为侧向压力，为试样的各个侧面提供侧限压力，通过提供试验所需的侧限压力条件下进行竖向荷载逐级施加，使原位荷载试验结果与室内荷载试验结果相匹配，确保了原位荷载试验的准确性。

Claims (7)

1.一种大主应力提供侧限的载荷试验装置，其特征在于，包括加载设备系统、至少四个侧限压力控制系统以及量测设备系统；所述加载设备系统从试样顶部为试样提供竖向测试载荷；在试样的每个侧面外的岩土体上面分别设置有一个侧限压力控制系统为试样侧面提供侧限压力；量测设备系统用于测量试样在竖向测试载荷下位移变化。

2.根据权利要求1所述的载荷试验装置，其特征在于，所述加载设备系统及侧限压力控制系统分别包括传力柱及位于传力柱下面的液压装置，在液压装置上设置有测试压力的压力表，所述液压装置的底面为可贴合与试样及其外周岩土体上表面的平面。

3.根据权利要求2所述的载荷试验装置，其特征在于，在所述传力柱的顶端设置有反向横梁，在其下端设置有传压板及垫板，所述液压装置位于所述传压板和垫板之间。

4.根据权利要求2所述的载荷试验装置，其特征在于，所述液压装置为至少一个液压千斤顶。

5.根据权利要求3所述的载荷试验装置，其特征在于，所述反向横梁、传压板及垫板与所述传力柱同心设置，所述反向横梁、传压板及垫板的侧边位于所述传力柱端部边缘的外侧。

6.根据权利要求1至5任一所述的载荷试验装置，其特征在于，在试样及位于试样外周侧的岩土体上表面铺设一层水泥砂浆层，在水泥砂浆层上铺设一层滚轴排，所述加载设备系统及侧限压力控制系统分别设置在所述滚轴排上面。

7.根据权利要求6所述的载荷试验装置，其特征在于，所述滚轴排包括两上下平行的水平垫板，在所述水平垫板间平行设置有数排水平设置的滚轴。

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