CN115615804A - 全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪，包括浮动框架、设置于浮动框架上的反力架、设置于反力架内且内部密封的可视化三轴压力室以及设置于可视化三轴压力室两端通过液压驱动对可视化三轴压力室内部的试样进行轴向压缩的上压头和下压头，上压头和下压头上均外接有位移传感器，还包括与可视化三轴压力室内部连通的输油管道、液压传感器和安装有激光测量仪并能带动激光测量仪绕可视化三轴压力室的轴线转动和升降的测量采集模块，输油管道上并联有手动泵和高压伺服泵，液压传感器的检测端位于输油管道的内部。本发明解决了现有技术中存在的难以监测到试样破坏的全过程的问题，产生了实时监控试验中试样的变形过程的效果。

Description

全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪

技术领域

本发明涉及岩土力学与岩土工程试验设备技术领域，尤其涉及一种全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪。

背景技术

在岩石力学领域，国内现有技术在传统三轴试验仪的基础上，派生出了一些具有进行蠕变、渗透、剪切、拉剪复合试验等功能的三轴试验仪。传统常规岩石三轴试验仪轴向压缩行程有限，难以对大变形软岩进行试验；因考虑加载时内部围压作用，可视化三轴压力室通常由高强度合金钢制成，试验全过程不可视，难以监测到可视化三轴压力室腔体内岩样的全方位宏观变形过程及其破坏状态。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪，其解决了现有技术中存在的难以监测到试样破坏的全过程的问题。

根据本发明的实施例，全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪，包括浮动框架、设置于浮动框架上的反力架、设置于反力架内且内部密封的可视化三轴压力室以及设置于可视化三轴压力室两端通过液压驱动对可视化三轴压力室内部的试样进行轴向压缩的上压头和下压头，上压头和下压头上均外接有位移传感器，还包括与可视化三轴压力室内部连通的输油管道、液压传感器和安装有激光测量仪并能带动激光测量仪绕可视化三轴压力室的轴线转动和升降的测量采集模块，输油管道上并联有手动泵和高压伺服泵，输油管道还与上压头和下压头所对应的千斤顶连接，液压传感器的检测端位于输油管道的内部。

优选的，所述可视化三轴压力室包括有机玻璃罩和设置于有机玻璃罩两端的三轴室顶板与三轴室底板，所述三轴室顶板和三轴室底板内分别滑动设置有上顶杆和下顶杆，上顶杆和下顶杆分别与所述上压头和下压头对应设置，上顶杆和下顶杆的相对端设置有试样垫块。

优选的，所述三轴室顶板和三轴室底板之间设置有支柱，支柱位于所述有机玻璃罩的外部，所述三轴室顶板内设置有快速加油孔洞接头，所述三轴室底板内设置有快速排油孔接头，所述输油管道与快速加油孔洞接头连接。

优选的，所述可视化三轴压力室通过设置于所述反力架内的大垫块支撑，所述可视化三轴试验仪还包括用于安装所述可视化三轴压力室的辅助滑动平台，辅助滑动平台包括底部安装有脚轮的上料台和设置于上料台顶部的三角框架内的滑动滚排，三角框架的一端凸出，滑动滚排与大垫块处于同一高度。

优选的，所述测量采集模块包括设置于所述浮动框架27上的水平刻度盘19，水平刻度盘19包括固定设置于所述可视化三轴压力室30的底部的内盘和同轴转动设置于内盘外侧的外盘，外盘上设置有伺服滑台32和单轴驱动器13，伺服滑台32上滑动设置有激光测量仪10，伺服滑台32与所述可视化三轴压力室30的轴线平行。

优选的，所述测量采集模块还包括与所述位移传感器、液压传感器和激光测量仪信号连接的PCI采集卡，PCI采集卡设置于计算机内，所述高压伺服泵的动力单元通过计算机控制。

优选的，所述反力架包括设置于所述浮动框架上的大底板、设置于大底板上的立柱以及设置于立柱顶端的大顶板，大顶板上设置有吊环。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、将试样放置于可视化三轴压力室内，通过手动泵和高压伺服泵以输油管道分别向上压头和下压头的千斤顶输入液体，对可视化三轴压力室内的试样施加轴向压力和围压，可通过外部监测装置得出试验过程中试样的全过程变形数据。

2、试样施加轴向压力和围压的方式通过手动泵和高压伺服泵来实现，手动泵便于根据试验过程调整试样受到的轴向压力和围压，高压伺服泵通过计算机控制，这样即可实现自动试验。

3、激光测量仪可绕可视化三轴压力室转动，且激光测量仪还可沿可视化三轴压力室的轴线移动，使得激光测量仪对试样的全侧面进行监测，得出试样在试验过程的全侧面数据。

4、通常在仅做试样轴向试验时，会拆卸掉有机玻璃罩，而对于有机玻璃罩的安装和拆卸，绕可视化三轴压力室布置摄像头会造成可视化三轴压力室难以拆卸，因此，布置单个的激光测量仪可便于拆装可视化三轴压力室。

5、通过外置的液压传感器对输油管道中的液压进行测量，所测量的液压即可得出试样的轴向受力，相较于将压力传感器直接设置于试样上，能够延长液压传感器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例的主视图。

图2为本发明实施例的内部结构侧视图。

图3为本发明实施例中滑动平台的结构示意图。

图4为本发明实施例中手动泵的结构示意图。

上述附图中：1、吊环；2、上千斤顶；3、上固定板；4、上固定杆；5、立柱；6、上压头；7、上顶杆；8、大顶板；9、三轴室顶板；10、激光测量仪；11、有机玻璃罩；12、试样垫块；13、单轴驱动器；14、三轴室底板；15、驱动器固定座；16、大垫块；17、大垫块支撑台；18、大底板；19、水平刻度盘；20、环形凸起；21、底座；22、下顶杆；23、下压头；24、下固定杆；25、下固定板；26、下千斤顶；27、浮动框架；28、脚轮；29、螺栓；30、可视化三轴压力室；31、支柱；32、伺服滑台；33、滑动滚排；34、上料台；35、三角框架；36、手柄；37、油泵；38、输油管道。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

如图1-2所示，为实现对三轴试验中的试样的变形全过程的监测。本发明提出一种全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪，包括浮动框架27、设置于浮动框架27上的反力架、设置于反力架内且内部密封的可视化三轴压力室30以及设置于可视化三轴压力室30两端通过液压驱动对可视化三轴压力室30内部的试样进行轴向压缩的上压头6和下压头23，上压头6和下压头23上均外接有位移传感器，还包括与可视化三轴压力室30内部连通的输油管道38、液压传感器和安装有激光测量仪10并能带动激光测量仪10绕可视化三轴压力室30的轴线转动和升降的测量采集模块，输油管道38上并联有手动泵和高压伺服泵，输油管道38还与上压头6和下压头23所对应的千斤顶连接，液压传感器的检测端位于输油管道38的内部。

浮动框架27底部设置脚轮28，以便于移动可视化三轴试验仪；在反力架的顶部设置有上固定杆4，并于上固定杆4的顶端安装有上固定板3，通过上固定板3倒装有上千斤顶2，输油管道38与上千斤顶2连接；在浮动框架27上安装有大底板18，在大底板18的底部安装下固定杆24，在下固定杆24的底端安装下固定板25，通过下固定板25安装下千斤顶26。

上千斤顶2和下千斤顶26的伸缩端分别为上压头6和下压头23，上压头6位于下压头23的正上方。

手动泵包括油泵37、连接在油泵37上控制油泵37供油的手柄36和连接在油泵37上的输油管道38，通过人工按压手柄36控制油泵37的流量；加压所用透明液体可为液压油、纯水或不同浓度的膏盐水溶液。

在试验时，将试样放置在试样垫块12上，对试样原始状态进行拍照，在试样周面的四端使用记号笔绘制标记用垂线，通过设置高压伺服泵的流量控制上压头6和下压头23的轴向位移速率，通过激光测量仪10对试样上的四个垂线进行扫描，得到垂线处的试样侧面的原始数据，调节外部位移传感器，确保位移传感器端部触头与上压头6和下压头23的周面接触并垂直，在上压头6和下压头23移动时，位移传感器的触头转动，进行数据的读取。

通过高压伺服泵对试样进行加载，加载过程中，每隔固定时间对试样周面进行扫描，通过计算机软件对试样的轴向和周面变形数据进行存储，并在加载过程后对试样裂隙部位进行拍照。

挡试样轴向位移达到外接位移传感器最大量程时，即停止加载，在加载结束后，对试样进行拍照，并用激光测量仪10记录试样结束状态的四个垂线和侧面裂隙处的变形数据。

如图1-2所示，为保证可视化三轴压力室30的密封性。所述可视化三轴压力室30包括有机玻璃罩11和设置于有机玻璃罩11两端的三轴室顶板9与三轴室底板14，所述三轴室顶板9和三轴室底板14内分别滑动设置有上顶杆7和下顶杆22，上顶杆7和下顶杆22分别与所述上压头6和下压头23对应设置，上顶杆7和下顶杆22的相对端设置有试样垫块12。可视化三轴压力室30安装在大垫块16上，三轴室底板14安装在大垫块16上，三轴室顶板9和三轴室底板14的内圈均分别设置有与上顶杆7和下顶杆22配合的密封圈，以保证可视化三轴压力室30内部的密封性。在试验时，将试样放置在下顶杆22顶部的试样垫块12上，通过顶部上千斤顶2和/或底部的下千斤顶26对试样施加轴向的压力，进行单轴试验。上千斤顶2和下千斤顶26可同时对试样施加应力，以此满足对大变形软岩试样的试验。在三轴室底板14上设置插头式应变片导线出口，在试样的侧表面上贴附应变片，以测量试样的侧面变形，试验时应变片导线接口可与插头接口连接，在进行试样侧面变形的监测的同时，保证可视化三轴压力室30的密封性。

如图1所示，为对试样施加围压。所述三轴室顶板9和三轴室底板14之间设置有支柱31，支柱31位于所述有机玻璃罩11的外部，所述三轴室顶板9内设置有快速加油孔洞接头，所述三轴室底板14内设置有快速排油孔接头，所述输油管道38与快速加油孔洞接头连接。支柱31通过螺栓29与三轴室顶板9连接。对可视化三轴压力室30内部的输油方式为，采用三轴室顶板9上的快速加油孔洞接头将可视化三轴压力室30内部充满液体，快速加油孔洞接头设置有两个，为一粗一细，在充满液体时，采用粗接头，在通过高压伺服泵对可视化三轴压力室30腔体内部液体施加压力时，采用细接头。输油管道38设置有多条，分别与上千斤顶2、下千斤顶26和可视化三轴压力室30连接，且每条管线上均设置有阀门和外置的液压传感器。这样在复杂应力施加方面，能够独立的控制试样受到的轴向压力和围压。

如图2和图3所示，为便于安装和拆卸可视化三轴压力室30。所述可视化三轴压力室30通过设置于所述反力架内的大垫块16支撑，所述可视化三轴试验仪还包括用于安装所述可视化三轴压力室30的辅助滑动平台，辅助滑动平台包括底部安装有脚轮28的上料台34和设置于上料台34顶部的三角框架35内的滑动滚排33，三角框架35的一端凸出，滑动滚排33与大垫块16处于同一高度。在进行单轴试验时，通常会将有机玻璃罩11拆除，此时需要先将可视化三轴压力室30取下，以推动可视化三轴压力室30水平移动的方式，将可视化三轴压力室30推动至滑动滚排33上，滑动滚排33中包括成列分布的可转动的旋转辊，能够减少摩擦。同时，三角框架35可直接与大垫块16接触，大垫块16上开设一个径向的开口，用于可视化三轴压力室30底部的下顶杆22的移出，下顶杆22可向上移动，在推动可视化三轴压力室30前，使用下千斤顶26将下顶杆22向上顶起。

如图1-2所示，为实现对试样的监测。所述测量采集模块包括设置于所述浮动框架27上的水平刻度盘19，水平刻度盘19包括固定设置于所述可视化三轴压力室30的底部的内盘和同轴转动设置于内盘外侧的外盘，外盘上设置有伺服滑台32和单轴驱动器13，伺服滑台32上滑动设置有激光测量仪10，伺服滑台32与所述可视化三轴压力室30的轴线平行。

在内盘上设置有刻度，用于确定激光测量仪10的角度，外盘通过铜基轴承、滚珠与内盘连接，使得外盘可相对内盘转动；外盘底部设置有环形凸起20，在大底板18上安装有底座21，环形凸起20与底座21顶部的环形凹槽相适配，以减轻试样试验破裂时水平刻度盘19发生的抖动。在外盘上安装有驱动器固定座15，单轴驱动器13和伺服滑台32安装在驱动器固定座15上。

另外，在外盘的外壁还可增加齿环，并配合与齿环相互啮合的齿轮，通过电机带动齿轮转动，通过计算机控制电机，这样便可对监测的方式进行编程。

作为本发明优选的实施方式，为实现对监测所得的数据的处理。所述测量采集模块还包括与所述位移传感器、液压传感器和激光测量仪10信号连接的PCI采集卡，PCI采集卡设置于计算机内，所述高压伺服泵的动力单元通过计算机控制。

通过在计算机上安装自动控制、数据整理和分析软件，如LN-Navigator,对激光测量仪10的测量模式、采样总数、采样间距、打点速率等进行设置，并对试样进行监控测量，根据PCI采集卡所得出的数据，配合应变片，得到试样的试验全过程全方位变形图和试样的应力-应变曲线图。而且在试验过程中，可实现自动监测，降低试验人员的劳动强度。

如图1-2所示。所述反力架包括设置于所述浮动框架27上的大底板18、设置于大底板18上的立柱5以及设置于立柱5顶端的大顶板8，大顶板8上设置有吊环1。上千斤顶2安装在大顶板8上，下千斤顶26安装在大底板18上，大底板18上安装有大垫块支撑台17，水平刻度盘19安装于大垫块支撑台17上。

在功能多样化方面，适用于多物理场耦合等相关实验，包括应力-化学腐蚀耦合的岩石常规三轴和三轴流变试验，可满足三轴压缩试验的要求；在结构特征方面，采用自平衡设计，其结构简单，整体装置较紧凑、轻便。

Claims (7)

1.全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪，包括浮动框架（27）、设置于浮动框架（27）上的反力架、设置于反力架内且内部密封的可视化三轴压力室（30）以及设置于可视化三轴压力室（30）两端通过液压驱动对可视化三轴压力室（30）内部的试样进行轴向压缩的上压头（6）和下压头（23），上压头（6）和下压头（23）上均外接有位移传感器，其特征在于：还包括与可视化三轴压力室（30）内部连通的输油管道（38）、液压传感器和安装有激光测量仪（10）并能带动激光测量仪（10）绕可视化三轴压力室（30）的轴线转动和升降的测量采集模块，输油管道（38）上并联有手动泵和高压伺服泵，输油管道（38）还与上压头（6）和下压头（23）所对应的千斤顶连接，液压传感器的检测端位于输油管道（38）的内部。

2.如权利要求1所述的全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪，其特征在于：所述可视化三轴压力室（30）包括有机玻璃罩（11）和设置于有机玻璃罩（11）两端的三轴室顶板（9）与三轴室底板（14），所述三轴室顶板（9）和三轴室底板（14）内分别滑动设置有上顶杆（7）和下顶杆（22），上顶杆（7）和下顶杆（22）分别与所述上压头（6）和下压头（23）对应设置，上顶杆（7）和下顶杆（22）的相对端设置有试样垫块（12）。

3.如权利要求2所述的全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪，其特征在于：所述三轴室顶板（9）和三轴室底板（14）之间设置有支柱（31），支柱（31）位于所述有机玻璃罩（11）的外部，所述三轴室顶板（9）内设置有快速加油孔洞接头，所述三轴室底板（14）内设置有快速排油孔接头，所述输油管道（38）与快速加油孔洞接头连接。

4.如权利要求2所述的全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪，其特征在于：所述可视化三轴压力室（30）通过设置于所述反力架内的大垫块（16）支撑，所述可视化三轴试验仪还包括用于安装所述可视化三轴压力室（30）的辅助滑动平台，辅助滑动平台包括底部安装有脚轮（28）的上料台（34）和设置于上料台（34）顶部的三角框架（35）内的滑动滚排（33），三角框架（35）的一端凸出，滑动滚排（33）与大垫块（16）处于同一高度。

5.如权利要求1所述的全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪，其特征在于：所述测量采集模块包括设置于所述浮动框架（27）上的水平刻度盘（19），水平刻度盘（19）包括固定设置于所述可视化三轴压力室（30）的底部的内盘和同轴转动设置于内盘外侧的外盘，外盘上设置有伺服滑台（32）和单轴驱动器（13），伺服滑台（32）上滑动设置有激光测量仪（10），伺服滑台（32）与所述可视化三轴压力室（30）的轴线平行。

6.如权利要求5所述的全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪，其特征在于：所述测量采集模块还包括与所述位移传感器、液压传感器和激光测量仪（10）信号连接的PCI采集卡，PCI采集卡设置于计算机内，所述高压伺服泵的动力单元通过计算机控制。

7.如权利要求1所述的全侧面变形可监测的可视化三轴试验仪，其特征在于：所述反力架包括设置于所述浮动框架（27）上的大底板（18）、设置于大底板（18）上的立柱（5）以及设置于立柱（5）顶端的大顶板（8），大顶板（8）上设置有吊环（1）。

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