累積變形加載真三軸試驗箱技術領域

《累積變形加載真三軸試驗箱》涉及巖石力學試驗技術領域，具體地說是一種累積變形加載真三軸試驗箱。

圖1為《累積變形加載真三軸試驗箱》整體結構示意圖；

圖2為《累積變形加載真三軸試驗箱》縱切面示意圖。

累積變形加載真三軸試驗箱專利目的

《累積變形加載真三軸試驗箱》提供了一種累積變形加載真三軸試驗箱，利用具有良好韌性的液壓鋼囊所產(chǎn)生的變形累積對巖石試件進行“內部加壓”，能夠進行不同巖性尺寸試件的試驗，結構簡單，造價低，試驗數(shù)據(jù)精準，操作便捷。

累積變形加載真三軸試驗箱技術方案

《累積變形加載真三軸試驗箱》采用以下技術方案：

累積變形加載真三軸試驗箱，包含有底座、箱體、箱蓋、液壓鋼囊和手動壓頭，所述箱體固定設置于底座，所述箱蓋固定在箱體頂部并可拆卸，所述箱體內部中心位置用于放置試件，所述試件四面及頂部設置有多個液壓鋼囊，所述設置于試件四面和頂部的液壓鋼囊外圍分別設置有墊塊，所述液壓鋼囊通過進油管、出油管與外部油壓控制裝置的油管連接，所述手動壓頭設置為兩個，分別通過箱體的相鄰兩側面旋入箱體內，通過墊塊間接對液壓鋼囊進行擠壓。

所述箱體呈方體對稱結構，其底部四角分別設置有立柱，所述箱蓋上設置有與立柱相對應的四個孔，并通過螺母將箱蓋固定于箱體頂部。

所述液壓鋼囊的囊體由兩塊尺寸相同鋼板四周邊緣焊接而成，所述液壓鋼囊的進油管和出油管對稱設置，通過箱體底部的孔與外部油壓加壓裝置連接，并且每兩個相鄰液壓鋼囊的進油管和出油管交錯布置。

所述墊塊采用塊狀墊塊或板狀墊塊。

還包括有肋板，所述肋板分別與箱體和底座固定連接，用于對箱體的支護。

累積變形加載真三軸試驗箱改善效果

《累積變形加載真三軸試驗箱》改變傳統(tǒng)試驗設備中通過壓力機等外力給巖石試件施加壓力的方式，結構簡單，利用設置于箱體內試件周圍的液壓鋼囊產(chǎn)生的變形累積對試件進行“內部加壓”，只需與油壓加壓裝置配合使用，可承擔巖石的單軸、雙軸、三軸加載試驗，也可承擔巖爆試驗，也可通過控制其中單個液壓鋼囊的油壓對試件變形量進行控制，進行巖石卸載試驗，結構簡單，液壓鋼囊可根據(jù)試件變形量情況加工成適合的尺寸，成本低廉，操作方便但符合試驗操作規(guī)范，試驗數(shù)據(jù)精準，適宜研究機構推廣應用。

真三軸試驗是使巖石試件處于三個主應力不相等的應力組合狀態(tài)下的三軸壓縮試驗?？梢阅M深部巖石受力的真實狀態(tài)，從而獲得相應的真三軸強度極限，在深部巖石鉆進、爆破、地下工程等方面，真三軸強度極限是一個不可缺少的重要參數(shù)。

利用真三軸試驗進行巖石變形規(guī)律的研究，較常規(guī)三軸試驗更接近巖石的真實應力狀態(tài)，可以在三向應力狀態(tài)下，考慮中間主應力的影響，研究巖石的各向異性。

真三軸試驗設備自1936年Kjellman設計成功以來，中國國內外先后研制了多種真三軸試驗設備，中國20世紀80年代之前還沒有自主研制和引進真三軸試驗設備，后來真三軸試驗設備的研制和試驗研究也主要是在清華大學、同濟大學和河海大學進行。

中國科學院武漢巖土力學研究所石露等人發(fā)明提供了一種真三軸壓力室（CN201110127278.1）可準確高效的對試樣進行預加載定位且不會產(chǎn)生偏心。

以上機構研制的實驗室用巖石壓力機一般由機械、油液或氣體為外部壓頭提供動力，從而對巖石試件施加載荷進行試驗，因為外部壓頭提供動力，三個方向的壓頭很容易相互影響，同時壓頭接觸面的摩擦力較大，也會對試驗產(chǎn)生影響。另一方面，以上試驗設備都比較復雜、昂貴，不適宜一般機構推廣使用。

1.累積變形加載真三軸試驗箱，其特征在于，包含有底座（10）、箱體（1）、箱蓋（2）、液壓鋼囊（6）和手動壓頭（3），所述箱體（1）固定設置于底座（10），所述箱蓋（2）固定在箱體（1）頂部并可拆卸，所述箱體（1）內部中心位置用于放置試件，所述試件四面及頂部設置有多個液壓鋼囊（6），所述設置于試件四面和頂部的液壓鋼囊（6）外圍分別設置有墊塊，所述液壓鋼囊（6）通過進油管、出油管與外部油壓控制裝置的油管連接，所述手動壓頭（3）設置為兩個，分別通過箱體（1）的相鄰兩側面旋入箱體（1）內，通過墊塊間接對液壓鋼囊（6）進行擠壓。

2.根據(jù)權利要求1所述的累積變形加載真三軸試驗箱，其特征在于，所述箱體（1）呈方體對稱結構，其底部四角分別設置有立柱（7），所述箱蓋（2）上設置有與立柱（7）相對應的四個孔，并通過螺母（8）將箱蓋（2）固定于箱體（1）頂部。

3.根據(jù)權利要求1所述的累積變形加載真三軸試驗箱，其特征在于，所述液壓鋼囊（6）的囊體由兩塊尺寸相同鋼板四周邊緣焊接而成，所述液壓鋼囊（6）的進油管和出油管對稱設置，通過箱體（1）底部的孔與外部油壓加壓裝置連接，并且每兩個相鄰液壓鋼囊（6）的進油管和出油管交錯布置。

4.根據(jù)權利要求1所述的累積變形加載真三軸試驗箱，其特征在于，所述墊塊采用塊狀墊塊（4）或板狀墊塊（5）。

5.根據(jù)權利要求1-4中任意一項所述的累積變形加載真三軸試驗箱，其特征在于，還包括有肋板（9），所述肋板（9）分別與箱體（1）和底座（10）固定連接，用于對箱體（1）的支護。

如圖1和圖2所示，該累積變形加載真三軸試驗箱，包含有底座10、箱體1、箱蓋2、液壓鋼囊6和手動壓頭3，所述箱體1固定設置于底座10，所述箱蓋2固定在箱體1頂部并可拆卸，所述箱體1內部中心位置用于放置試件，所述試件四面及頂部設置有多個液壓鋼囊6，所述設置于試件四面和頂部的液壓鋼囊6外圍分別設置有墊塊，所述液壓鋼囊6通過進油管、出油管與外部油壓控制裝置的油管連接，所述手動壓頭3設置為兩個，分別通過箱體1的相鄰兩側面旋入箱體1內，通過墊塊間接對液壓鋼囊6進行擠壓。該實施例中，兩個手動壓頭3分別設置于箱體1的右側面和后側面。

作為優(yōu)選的方式，所述箱體1呈方體對稱結構，由厚鋼板制作而成，其四個側面板鉚接成一體，固定在底座10上，其底部四角分別設置有立柱7，所述箱蓋2上設置有與立柱7相對應的四個孔，并通過螺母8將箱蓋2固定于箱體1頂部。

作為優(yōu)選的方式，所述液壓鋼囊6的囊體由兩塊尺寸相同鋼板四周邊緣焊接而成，所述液壓鋼囊6的進油管和出油管對稱設置，通過箱體1底部的孔與外部油壓加壓裝置連接，并且每兩個相鄰液壓鋼囊6的進油管和出油管交錯布置。不能出現(xiàn)重疊，避免油管之間的擠壓，甚至破裂。

作為優(yōu)選的方式，所述墊塊采用塊狀墊塊4或板狀墊塊5，通過旋轉手動壓頭3將疊加的液壓鋼囊6之間的空隙最小化。

作為優(yōu)選的方式，還包括有肋板9，所述肋板9分別與箱體1和底座10固定連接，用于對箱體1的支護。該實施例中肋板9設置為每個側面兩塊。

《累積變形加載真三軸試驗箱》的安裝試驗過程如下：

1、將巖石試件放于箱體1底部中間，將液壓鋼囊6、塊狀墊塊4和板狀墊塊5側面涂油，減少試驗中的摩擦；

2、根據(jù)巖石試件的巖性提前預測變形量，選取比巖石試件側面尺寸略小的多個液壓鋼囊6，預留變形空隙，保證壓縮變形后鋼囊之間不會相互咬契產(chǎn)生影響；

3、緊貼液壓鋼囊6放置塊狀墊塊4或板狀墊塊5；

4、旋轉箱體1后側面和右側面的手動壓頭3，使試件四周液壓鋼囊6相互緊貼擠壓一起，將縫隙最小化；

5、液壓鋼囊6連接進油管、出油管，將所述進油管、出油管通過箱體1底部洞口引出；

6、在試件上方放置多個液壓鋼囊6，連接進油管、出油管，選擇適當塊狀墊塊4或板狀墊塊5放于試件上方以超出箱體1高度，加蓋箱蓋2，用螺母8將箱蓋2擰緊固定，并保證其水平；

7、調節(jié)油壓控制設備，進行試驗。

2020年7月14日，《累積變形加載真三軸試驗箱》獲得第二十一屆中國專利獎優(yōu)秀獎。 2100433B

真三軸儀研制目標和思路

真三軸儀可以實現(xiàn)3個軸向分別施加不同大小的主應力，3軸向產(chǎn)生應變，能夠模擬土體中一般的應力條件。為了實現(xiàn)3個軸向施加主應力，真三軸試樣一般為一個立方體。若真三軸儀的3個軸向均采用平板加載時，每個軸向施加正應力的平板的剛性大，相對于土樣，三向加載板可視為剛性板。當試樣發(fā)生較大變形后，與試樣接觸的剛性板必然產(chǎn)生相互接觸而制約它們的運動，這就影響了3個軸向的加載和變形。三向柔性加載時，便于控制應力，但三向柔性液壓囊在接觸處存在相互干擾，且不利于獨立測試三向應變。雙向平板、一向柔性加載時，雙向剛性平板之間也存在互相干擾，且它們只能施加大小主應力。因此，改善真三軸試驗加載機構，消除現(xiàn)有真三軸儀加載剛性板之間的相互制約，剛性板對試樣變形的約束影響，以及柔性液壓囊之間的相互干擾使得試樣沿三個軸向自由變形，不僅可以克服現(xiàn)有真三軸儀存在的問題，而且使模擬的應力與變形條件更加符合實際。

完善的真三軸儀加載機構能夠模擬一般應力條件，3個軸向獨立量測變形，以便研究復雜應力條件下巖土材料的力學性狀。為此，對該真三軸儀的研制提出如下技術要求：

①能夠分別控制應力與應變，在軸向加載過程中可以實現(xiàn)控制加荷速率和變形速率，剪切過程可以實現(xiàn)中主應力聯(lián)動控制，實現(xiàn)等洛德參數(shù)應力路徑；

②三向獨立加荷，可以分別獨立自動控制施加軸向、側向荷載，既避免兩者之間的相互影響，又可以相互協(xié)調，使立方體試樣上沿軸向和側向分別承受不同大小的正應力，能夠模擬主應力軸偏轉和旋轉應力路徑等土體的真實應力狀態(tài)，并能進行多種應力路徑的真三軸試驗；

③能夠控制排水條件，可以分別進行固結排水和固結不排水條件試驗，同時可以量測孔隙水壓力；

④自動量測與控制，實現(xiàn)所有應力信號輸入與反饋控制的自動化，以及測試、量測信號的A/D轉換和數(shù)據(jù)的自動采集處理。

同時，真三軸儀還具備以下6個特點：

①水平面內兩個主應力方向上應力和變形均呈對稱分布；

②土樣側面不受切向約束作用；

③能夠適應加載過程立方體土樣變形引起側棱變位的變化；

④能夠適應土樣側棱擠出變形的發(fā)展；

⑤避免三向主應力加載過程的互相干擾；

⑥加載過程土樣保持對稱，在水平面上始終中心受荷。

真三軸儀新型真三軸儀的研制

對比以往真三軸儀的優(yōu)缺點，新研制的真三軸儀是一種軸向剛性、側向柔性的復合型加載真三軸儀，主要由主機、伺服步進電機液壓加載系統(tǒng)和計算機自動控制系統(tǒng)3部分構成。

主機的壓力室呈立方體，試樣位于剛性底座和頂蓋中央，立方體試樣的側面對應的有兩組梯形側壓腔，放置柔性液壓囊，且與液壓/體變控制器連接。在豎向的主軸方向用剛性板施加大主應力σ₁；在水平面內的側向分別有兩對柔性囊相向施加中主應力σ₂和小主應力σ₃。為了主動適應加載過程中試樣變形引起棱角的變化和避免中、小主應力之間的相互干擾，壓力室的各側壓腔之間設置能夠徑向彈性伸縮、水平面內彈性轉動的隔離板，能夠有效分離相鄰液壓囊。步進伺服電機液壓加載系統(tǒng)能夠控制三向獨立加載，其具有伺服步進電機驅動滾珠絲桿推進液壓缸活塞產(chǎn)生液壓源，分別與壓力室底座下軸向活塞和側向液壓柔性囊連接，通過液壓傳感器和位移傳感器，既能夠實現(xiàn)三向獨立加載，也能夠控制三向加載時柔性囊的體變。同時，還實現(xiàn)了自動控制與數(shù)據(jù)采集。這是本次儀器開發(fā)的核心技術。新型真三軸儀系統(tǒng)及工作原理見圖1所示。

真三軸儀主要結構

壓力室

壓力室由底座、頂蓋板、外筒組成。它們都由不銹鋼金屬材料制成。壓力室外筒的形狀呈立方體，其中四棱為圓弧形。具體形狀見圖2，3。壓力室橫截面直邊長200mm，壁厚8mm，高度為150mm，外棱邊的倒角弧度為15°。側壓腔的隔板與壓力室側壁連為一體，每個隔板由轉動軸承、徑向伸縮板組成，徑向伸縮彈簧銜嵌在轉動軸承內，水平面扭轉限制彈簧安裝于壓力室外側壁。

試樣尺寸為70mm×70mm×70mm，內置于正方形斷面的特制的橡膠膜內，兩端通過橡皮膜外包薄壁環(huán)，且繞過薄壁環(huán)內嵌，再嵌入帶有密封圈的正方形底或頂座，密封試樣上下兩端。試樣的底座和頂蓋均內嵌透水板，便于控制排水條件。橡皮膜密封的試樣安置在四個側壓力腔和一個剛性底座及一個剛性帽之間。壓力室的工作原理是試樣的側向中主應力σ₂和小主應力σ₃分別由兩套伺服步進電機驅動的液壓/體變控制器連接的液壓柔性囊施加。試樣的大主應力由壓力室底座下的軸向加荷油缸頂升壓力室，通過試樣帽由反力主軸施加。當軸向加載時，試樣產(chǎn)生軸向壓縮變形，側向可能產(chǎn)生擠出變形，隨著側脹的發(fā)生，側壓力腔隔板可產(chǎn)生彈性收縮，適應試樣側棱的位移。

如試樣也產(chǎn)生側向壓縮變形，則側壓腔的隔板可產(chǎn)生彈性伸出。當中主應力比小主應力較大作用試樣時，試樣在水平面上沿小主應力作用方向產(chǎn)生伸展變形，沿中主應力方向產(chǎn)生壓縮變形，引起試樣側棱產(chǎn)生轉角變位，同樣，隔板也可產(chǎn)生水平面轉動，從而能夠適應試樣側棱的變位。試樣的排水條件可由與底座、頂蓋透水板連通的排水管閥門控制。壓力室實物及其內部結構見圖4，5。

加荷系統(tǒng)

固結壓力均由伺服步進電機驅動的液壓/體變控制器直接供給。兩個側向固結應力分別由兩套與側壓腔內柔性囊連接的液壓/體變控制器獨立控制，大主應方向由與壓力室底座下的油缸連接的一套液壓/體變控制器獨立控制。如圖6所示，共有3套伺服步進電機驅動的液壓/體變控制器。在試樣固結時能實現(xiàn)3個固結應力的單獨施加，壓縮剪切時3個主應力也互不干擾和影響。兩套側向主應力的液壓/體變控制器均在液壓缸和移動活塞上裝有液壓傳感器和位移傳感器，分別用于控制側向主應力的大小及液壓囊的體變；軸向荷載和試樣變形分別由反力主軸上的荷載傳感器和壓力室頂蓋上的位移傳感器測量（圖7），并反饋于軸向加載的液壓/體變控制器。對試樣施加軸向荷載，可以分為應變控制式和應力控制式兩種。應變控制是指試樣按規(guī)定的變形速率產(chǎn)生軸向變形，測定產(chǎn)生某一軸向變形所需要的軸向力。應力控制式是指分級加載，測量每級荷載作用下試樣的變形量。它們可以分別由軸向荷載傳感器和位移傳感器量測，并通過自動控系統(tǒng)反饋于伺服步進電機液壓/體變控制器控制應力和位移。

量測系統(tǒng)

量測系統(tǒng)包括應力量測、變形量測和孔隙水壓力量測。大主應力方向為剛性板加壓，因此應力和變形傳感器可直接安裝在壓力室蓋板上。側向應力和變形可通過伺服步進電機加載系統(tǒng)上安裝的壓力傳感器和位移傳感器量測?？紫端畨毫υ谂潘ǖ捞幇惭b孔壓傳感器量測。

排水系統(tǒng)

土樣在固結和試驗時采用的是上下雙面排水，在與土樣直接接觸的頂板和底座上設置有透水板，通過透水板可以進行排水。在做固結排水試驗時，可以通過量水管量測試樣在試驗時的排水量；進行固結不排水試驗時，可將排水管連接到孔壓傳感器上，以測得試樣的孔隙水壓力。

自動控制系統(tǒng)

真三軸儀的控制系統(tǒng)由應力應變傳感器、電阻應變儀、控制調節(jié)電路及微機控制系統(tǒng)幾部分組成，見圖8。土體試樣的應力應變，由對應的傳感器做相應的輸出，輸出作為反饋的信號與給定的信號閉環(huán)負反饋調節(jié)，應力控制與應變控制由切換開關轉換，相應的傳感器輸出信號經(jīng)放大后輸入A/D卡中，由微機完成試驗數(shù)據(jù)的高速采集，以數(shù)據(jù)文件方式存放于微機中。

附屬設備

相關的附屬設備包括原狀樣削樣器、重塑樣壓樣器、試樣飽和器、橡皮膜、液壓橡膠囊等。 2100433B

真三軸試驗是使巖石試件處于三個主應力不相等（即σ1>σ2>σ3）的應力組合狀態(tài)下的三軸壓縮試驗。

學科：工程地質學

詞目：真三軸試驗

英文：true triaxial shear test

釋文：真三軸試驗是使巖石試件處于三個主應力不相等（即σ1>σ2>σ3）的應力組合狀態(tài)下的三軸壓縮試驗。真三軸試驗可以研究中間主應力（σ2）對巖石變形及強度特性的影響。 2100433B

真三軸儀是一種真實模擬主應力狀態(tài)的土工測試儀器。

國內外已經(jīng)研制了多種真三軸儀。按其壓力室加荷特性來分，有“剛性”、“柔性”、和“復合”3種形式。它們各有特點，適用范圍也不同。

在國外，剛性的真三軸儀主要有瑞典Kjellman研制的真三軸儀和英國劍橋大學Pears研制的劍橋真三軸儀，它們都適用于砂土；柔性的真三軸儀主要有Surrey大學Mengles研制的真三軸儀、墨西哥大學Marsal研制的真三軸儀和美國Lo等研制的真三軸儀；復合型的真三軸儀主要有倫敦大學Green研制的真三軸儀、日本谷藤株式會社和日本誠研舍研制的真三軸儀。中國除了從國外引進真三軸儀外，還有進行改造或自己開發(fā)的幾種真三軸儀，分別為清華大學真三軸儀、同濟大學真三軸儀和河海大學真三軸儀。