CN111811944A - 一种应力应变三轴剪切试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于剪切试验技术领域，公开了一种应力应变三轴剪切试验装置，包括：装置基座以及固定在其上的三套以上的施力***；所述施力***包括：围压加载单元、轴向压力加载单元、反压力加载单元、渗透压加载单元、起吊单元以及数据采集单元。本发明提供的应力应变三轴剪切试验装置能够在同一操作装置上同步执行不同规格的式样的剪切试验，高效，且试验数据精确可靠。

Description

一种应力应变三轴剪切试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及剪切试验技术领域，特别涉及一种应力应变三轴剪切试验装置及试验方法。
背景技术
在岩土工程实验中，三轴剪切试验装置基本工作原理为以液压对加压室进行径向压力加载，以机械加载施加轴向压力。试验过程中，通过计算机及控制软件自动记录主应力差、轴向位移、周围压力、孔隙水压力、围压排水量、反压力、上下游的渗透量等数据，根据记录的测试数据演算出土体的应力-应变关系曲线，进而获取土体的变形及强度指标。但是通常需要多次实施，过程繁复，并且由于平台标准的问题导致各项数据之间的试验条件存在一定的差异，导致实验数据可靠性较差。
发明内容
本发明提供一种应力应变三轴剪切试验装置及试验方法，达到了可对不同规格试样进行同步试验，高精度，高可靠性并效获取多种试验参数技术效果。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种应力应变三轴剪切试验装置，包括：装置基座以及固定在其上的三套以上的施力***；
所述施力***包括：围压加载单元、轴向压力加载单元、反压力加载单元、渗透压加载单元、起吊单元以及数据采集单元；
所述围压加载单元包括：试样包、压力室、围压加压管以及围压加压结构；
所述试样包设置在所述压力室内，所述围压加压结构通过所述围压加压管与所述压力室相连；
所述轴向压力加载单元包括：反力架、伺服电机、减速机、滚珠丝杠以及工作台；
所述反力架固定在所述装置基座上，所述伺服电机通过所述减速机与所述滚珠丝杠的螺杆传动相连，所述工作台固定在所述滚珠丝杠的螺母相连，所述压力室固定在所述工作台上；
所述反压力加载单元包括：反压力加压管以及反压力加压结构；
所述反压力加压管的第一端设置在所述试样包的底端，所述反压力加压管的第二端与所述反压力加压结构相连；
所述渗透压加压单元包括：渗透压加压管以及渗透压加压结构；
所述渗透压加压管的第一端设置在所述试样包的顶端，所述渗透压的加压管的第二端与所述渗透压加压结构相连；
所述起吊单元包括：起吊支架、气缸以及牵引绳；
所述起吊支架固定在所述装置基座上，所述气缸的缸体固定在所述起吊支架上，所述气缸的活塞杆通过所述牵引绳与所述压力室的上盖相连；
所述数据采集单元包括：载荷传感器以及位移传感器；
所述载荷传感器固定在所述反力架上，且所述载荷传感器设置在所述反力架与所述压力室顶端之间，并通过一传力杆抵靠在所述试样包顶端；
所述位移传感器固定在所述反力架上，监测所述压力室的位移。
进一步地，所述试验装置还包括：注水加压设备；
所述注水加压设备与所述围压加压结构、所述反压力加压结构以及所述渗透压加压结构分别相连。
进一步地，所述试验装置还包括：气源设备；
所述气源设备与所述气缸相连。
进一步地，所述试样包包括：水压囊、顶部透水石以及底部透水石；
所述水压囊开设有试样容置腔，所述顶部透水石固定在所述试样容置腔的顶部，所述渗透压加压管的第一端设置在所述顶部透水石的顶面侧，所述底部透水石固定在所述试样容置腔的底部，所述反压力加压管的第一端设置在所诉底部透水石的顶面侧；
所述传力杆抵靠在所述载荷传感器和所述水压囊顶部之间。
进一步地，所述水压囊为塑胶圆筒袋。
进一步地，所述压力室包括：压力室上盖和压力室底座；
所述压力室上盖固定在所述压力室底座上，围城围压空间，所述围压加压管与所述围压空间连通；
所述水压囊固定在所述压力室底座上。
进一步地，所述三套以上的施力***的压力室的规格各不相同。
进一步地，所述轴向压力加载单元还包括：限位开关；
所述限位开关设置在所述工作台的移动行程范围内，且所述限位开关与所述伺服电机的控制器相连。
一种应力应变三轴剪切试验方法，采用所述的试验装置执行试验操作。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的应力应变三轴剪切试验装置及试验方法，通过在装置基座上设置三套以上的施力***，从而能够高效，同步执行多个试样的剪切试验，同时能够保证试验条件，设备平台统一的，使得各个数据的获取处于统一标准下，从而保证数据的可靠性；同时，能够统一执行实验操作大幅提升试验效率。具体来说，设置由围压加载单元、轴向压力加载单元、反压力加载单元、渗透压加载单元、起吊单元以及数据采集单元构成的施力***，可以同时完成三组力学试验，包括UU、CU、CD试验、不等向固结及等向固结(流变)试验、饱和度测量、反压力饱和、K0试验、应力路径试验和三向应力-渗透耦合试验，节约测试时间；通过控制轴向压力、周围压力、反压力、渗透压力的试验条件，可以模拟土体的地质情况，测量土体在地层的静态应力情况、孔隙水压力等变化情况，预测土体的变形趋势，预测土体在应力作用下流变趋势，测定土体在应力情况下渗透性能参数，测定土体在应力与渗透耦合情况下的流变性能，模拟土体的应力史等。
附图说明
图1为本发明实施例提供的应力应变三轴剪切试验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的轴向压力加载单元的结构示意图
图3为本发明实施例提供的围压加载结构的示意图
图4为本发明实施例提供的剪应力与法向应力的关系图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种应力应变三轴剪切试验装置及试验方法，达到了可对不同规格试样进行同步试验，高精度，高可靠性并效获取多种试验参数技术效果。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图1和图2，一种应力应变三轴剪切试验装置，包括：装置基座以及固定在其上的三套以上的施力***；因此可以在统一的试验条件下进行同步多组试验，提升效率的同时，还能够保证试验数据的可靠性。
具体来说，所述施力***包括：围压加载单元30、轴向压力加载单元20、反压力加载单元40、渗透压加载单元50、起吊单元60以及数据采集单元80。
所述围压加载单元30包括：试样包10、压力室31、围压加压管32以及围压加压结构33；所述试样包10设置在所述压力室31内，所述围压加压结构33通过所述围压加压管32与所述压力室31相连；从而实现围压调控操作。
其中根据试样11的不同规格，分为三种不同的压力室31，
Figure BDA0002556107570000051
和
Figure BDA0002556107570000052
的试样分别使用一种压力室，
Figure BDA0002556107570000053
和
Figure BDA0002556107570000054
试样使用同一种压力室；从而能够通过3个以上压力室同时开展不同直径试样的试验，考虑粒径级配对土力学性质的影响；通常根据工作需要，可以开展渗透蠕变、常规三轴压缩，试验，提高工作时间效率；通过自动起吊单元，完成大压力室的空间移动等。
参见图3，本实施例中，所述围压加压结构33包括：升降机331，行程开关332、活塞333、活塞缸334、步进电机335；步进电机335驱动升降机331推动活塞333前进或后退，在活塞缸334中产生压力,在活塞缸334外部安装有二根橡胶管，分别为进水管和出水管，进水管与电动水箱相连接，为试验供水，出水管与进水管相连，为试验提供周围压力。
参见图2，所述轴向压力加载单元20包括：反力架26、伺服电机21、减速机22、滚珠丝杠24以及工作台26；所述反力架26固定在所述装置基座上，所述伺服电机21通过所述减速机22与所述滚珠丝杠24的螺杆传动相连，所述工作台26固定在所述滚珠丝杠24的螺母相连，所述压力室31固定在所述工作台26上；伺服电机21固定于反力架26的下部主体上，为与减速机22通过联动轴相连，试验时伺服电机21驱动减速机22，旋转滚珠丝杠24，使工作台26升降。试验时将试样11放置于压力室31内，压力室31通过螺栓固定于工作台26上，形成密闭空间。
所述反压力加载单元40包括：反压力加压管48以及反压力加压结构；
所述反压力加压管48的第一端设置在所述试样包10的底端，所述反压力加压管48的第二端与所述反压力加压结构相连；所述反压力加压结构的结构与所述围压加压结构一致。
所述渗透压加压单元50包括：渗透压加压管以及渗透压加压结构；所述渗透压加压管的第一端设置在所述试样包10的顶端，所述渗透压的加压管的第二端与所述渗透压加压结构相连；所述渗透压加压结构与所述围压加压结构一致。
所述起吊单元60包括：起吊支架61、气缸62以及牵引绳63；所述起吊支架61固定在所述装置基座上，所述气缸62的缸体固定在所述起吊支架61上，所述气缸62的活塞杆通过所述牵引绳63与所述压力室31的上盖相连；从而便于吊起。
所述数据采集单元80包括：载荷传感器81以及位移传感器82；所述载荷传感器81固定在所述反力架26上，且所述载荷传感器81设置在所述反力架26与所述压力室31顶端之间，并通过一传力杆27抵靠在所述试样包10顶端；从而便于监测轴向加载应力。
所述位移传感器82固定在所述反力架26上，监测所述压力室31的位移。
进一步地，所述试验装置还包括：注水加压设备722；
所述注水加压设备722与所述围压加压结构、所述反压力加压结构以及所述渗透压加压结构分别相连，实现高压用水。
进一步地，所述试验装置还包括：气源设备；所述气源设备与所述气缸62相连。
进一步地，所述试样包包括：水压囊13、透水石12，所述透水石12包括顶部和底部的两块；所述水压囊13开设有试样容置腔，所述顶部透水石固定在所述试样容置腔的顶部，所述渗透压加压管的第一端设置在所述顶部透水石的顶面侧，所述底部透水石固定在所述试样容置腔的底部，所述反压力加压管的第一端设置在所诉底部透水石的顶面侧；所述传力杆27抵靠在所述载荷传感器81和所述水压囊顶部之间。
顶部透水石上部为传力杆27，传力杆27上部为载荷载传感器，通过计算机读取压力数据。
进一步地，所述水压囊13为塑胶圆筒袋，所述压力室31包括：压力室上盖311和压力室底座313；
所述压力室上盖311固定在所述压力室底座313上，围城围压空间，所述围压加压管32与所述围压空间连通；所述水压囊13固定在所述压力室底座313上。
进一步地，所述三套以上的施力***的压力室的规格各不相同。
进一步地，所述轴向压力加载单元还包括：限位开关25；所述限位开关2设置在所述工作台26的移动行程范围内，且所述限位开关与所述伺服电机21的控制器相连。
一种应力应变三轴剪切试验方法，采用所述的试验装置执行试验操作。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的应力应变三轴剪切试验装置及试验方法，通过在装置基座上设置三套以上的施力***，从而能够高效，同步执行多个试样的剪切试验，同时能够保证试验条件，设备平台统一的，使得各个数据的获取处于统一标准下，从而保证数据的可靠性；同时，能够统一执行实验操作大幅提升试验效率。具体来说，设置由围压加载单元、轴向压力加载单元、反压力加载单元、渗透压加载单元、起吊单元以及数据采集单元构成的施力***，可以同时完成三组力学试验，包括UU、CU、CD试验、不等向固结及等向固结(流变)试验、饱和度测量、反压力饱和、K0试验、应力路径试验和三向应力-渗透耦合试验，节约测试时间；通过控制轴向压力、周围压力、反压力、渗透压力的试验条件，可以模拟土体的地质情况，测量土体在地层的静态应力情况、孔隙水压力等变化情况，预测土体的变形趋势，预测土体在应力作用下流变趋势，测定土体在应力情况下渗透性能参数，测定土体在应力与渗透耦合情况下的流变性能，模拟土体的应力史等。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种应力应变三轴剪切试验装置，其特征在于，包括：装置基座以及固定在其上的三套以上的施力***；
所述施力***包括：围压加载单元、轴向压力加载单元、反压力加载单元、渗透压加载单元、起吊单元以及数据采集单元；
所述围压加载单元包括：试样包、压力室、围压加压管以及围压加压结构；
所述试样包设置在所述压力室内，所述围压加压结构通过所述围压加压管与所述压力室相连；
所述轴向压力加载单元包括：反力架、伺服电机、减速机、滚珠丝杠以及工作台；
所述反力架固定在所述装置基座上，所述伺服电机通过所述减速机与所述滚珠丝杠的螺杆传动相连，所述工作台固定在所述滚珠丝杠的螺母相连，所述压力室固定在所述工作台上；
所述反压力加载单元包括：反压力加压管以及反压力加压结构；
所述反压力加压管的第一端设置在所述试样包的底端，所述反压力加压管的第二端与所述反压力加压结构相连；
所述渗透压加压单元包括：渗透压加压管以及渗透压加压结构；
所述渗透压加压管的第一端设置在所述试样包的顶端，所述渗透压的加压管的第二端与所述渗透压加压结构相连；
所述起吊单元包括：起吊支架、气缸以及牵引绳；
所述起吊支架固定在所述装置基座上，所述气缸的缸体固定在所述起吊支架上，所述气缸的活塞杆通过所述牵引绳与所述压力室的上盖相连；
所述数据采集单元包括：载荷传感器以及位移传感器；
所述载荷传感器固定在所述反力架上，且所述载荷传感器设置在所述反力架与所述压力室顶端之间，并通过一传力杆抵靠在所述试样包顶端；
所述位移传感器固定在所述反力架上，监测所述压力室的位移；
其中，所述三套以上的施力***中的压力室的直径规格各不相同。
2.如权利要求1所述的应力应变三轴剪切试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括：注水加压设备；
所述注水加压设备与所述围压加压结构、所述反压力加压结构以及所述渗透压加压结构分别相连。
3.如权利要求2所述的应力应变三轴剪切试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括：气源设备；
所述气源设备与所述气缸相连。
4.如权利要求1所述的应力应变三轴剪切试验装置，其特征在于，所述试样包包括：水压囊、顶部透水石以及底部透水石；
所述水压囊开设有试样容置腔，所述顶部透水石固定在所述试样容置腔的顶部，所述渗透压加压管的第一端设置在所述顶部透水石的顶面侧，所述底部透水石固定在所述试样容置腔的底部，所述反压力加压管的第一端设置在所诉底部透水石的顶面侧；
所述传力杆抵靠在所述载荷传感器和所述水压囊顶部之间。
5.如权利要求4所述的应力应变三轴剪切试验装置，其特征在于，所述水压囊为塑胶圆筒袋。
6.如权利要求1所述的应力应变三轴剪切试验装置，其特征在于，所述压力室包括：压力室上盖和压力室底座；
所述压力室上盖固定在所述压力室底座上，围城围压空间，所述围压加压管与所述围压空间连通；
所述水压囊固定在所述压力室底座上。
7.如权利要求1所述的应力应变三轴剪切试验装置，其特征在于，所述三套以上的施力***的压力室的规格各不相同。
8.如权利要求1所述的应力应变三轴剪切试验装置，其特征在于，所述轴向压力加载单元还包括：限位开关；
所述限位开关设置在所述工作台的移动行程范围内，且所述限位开关与所述伺服电机的控制器相连。
9.一种应力应变三轴剪切试验方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的试验装置执行试验操作。
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