一種巖石真三軸試驗設備的製作方法
2023-05-25 20:13:21
本發明涉及巖土力學與巖土工程技術領域，特別涉及一種巖石真三軸試驗設備。
背景技術：
巖石力學性質、本構關係、強度準則、破壞機理的研究是巖石力學與工程領域最基礎且最核心的內容。目前相關的研究主要是通過單軸、雙軸、常規三軸試驗進行，由於地下工程圍巖在開挖前處於三維應力狀態，考慮到三維應力狀態下巖石特性與二維及一維應力狀態下巖石性質存在較大差異，如巖石強度準則，二維應力狀態下認為巖石的破壞只與最大、最小主應力有關，而與中主應力無關，但目前研究發現中主應力對巖石強度有較大影響，隨著中主應力的增加，巖石強度先增加至峰值隨後會開始下降。因此，為了模擬圍巖真實環境、獲得準確的巖石特性，有必要進行巖石真三軸試驗。
但是，現有技術中，由於施加中主應力剛性結構的關係，難以避免的會導致巖石試樣變形，中軸線偏移，從而導致側向對中問題，嚴重影響實驗數據的可靠性。同時，圍巖中節理、裂隙是主要的地下水滲流通道，絕大多數巖石工程或多或少都涉及到地下水滲流，地下水滲流特性嚴重影響工程安全穩定及造價。此外，巖石化學溶蝕對巖石性質也存在較大影響，於是，真三軸狀態下巖石滲透及化學腐蝕試驗也十分重要。
技術實現要素：
本發明提供一種巖石真三軸試驗設備，解決了現有技術中真三軸試驗中巖石試樣對中精度不高，中軸線偏移的技術問題。
為解決上述技術問題，本發明提供了一種巖石真三軸試驗設備，包括：垂直加載系統、水平加載系統、反力架、三軸室以及浮動框架；
所述垂直加載系統設置在所述反力架上部；
所述三軸室固定在所述反力架上；
所述浮動框架通過滑動連接件與所述三軸室活動相連，可沿水平方向相對於所述三軸室滑動；
其中，所述浮動框架包括：第一固定板、第二固定板以及連接在兩者間的導向杆；所述導向杆通過設置在所述三軸室上的滑動管套與所述三軸室活動相連；
所述水平加載系統包括：第一施力組件以及與之相對的第二施力組件；所述第一施力組件固定在所述第一固定板上，所述第二施力組件固定在所訴第二固定板上。
進一步地，所述三軸室包括：固定室、三軸室底座、升降連杆、側壓板以及側壓板支撐件；
所述固定室固定在所述反向架上，位於所述垂直加載系統正下方；
所述三軸室底座通過所述升降連杆與所述固定室相連；
所述側壓板通過所述側壓板支撐件固定在所述三軸室底座上；
其中，所述側壓板包括：第一側壓板以及第二側壓板；
在執行試驗時，巖石試樣固定在所述三軸室底座上，夾在所述第一側壓板和所述第二側壓板之間；所述第一施力組件抵靠在所述第一側壓板上，所述第二施力組件抵靠在所述第二側壓板上。
進一步地，所述第一側壓板與所述第二側壓板結構相同，包括：內側壓板、外側壓板以及夾在兩者間的滾珠排。
進一步地，所述第二施力組件包括：水平千斤頂、水平壓頭以及第二水平壓力傳感器；
所述水平千斤頂固定在所述第二固定板上；
所述第二水平壓頭固定在所述水平千斤頂前端；
所述水平壓力傳感器設置在所述水平千斤頂上，用於檢測水平壓力。
進一步地，所述第一施力組件包括：旋轉推拉裝置以及第一水平壓頭；
所述第一水平壓頭固定在所述旋轉推拉裝置上；
所述旋轉推拉裝置固定在所述第一固定板上，可在水平方向上驅動所書第一水平壓頭移動。
進一步地，所述垂直加載系統包括：垂直千斤頂、垂直壓力傳感器以及上壓頭；
所述垂直千斤頂固定在所述反向架上；
所述上壓頭固定在所述垂直千斤頂前端；
所述垂直壓力傳感器設置在所述垂直千斤頂，用於檢測豎向壓力。
進一步地，所述垂直加載系統還包括：球形絞座以及與之匹配的球頭；
所述球形絞座連接與所述上壓頭相連，所述球頭與所述垂直千斤頂前端相連。
進一步地，所述三軸室還包括：試驗底座以及試樣頂部墊塊；
所述試樣底座固定在所述三軸室底座上，用於承載巖石試樣；
所述試樣頂部墊塊設置在所述上壓頭與巖石試樣頂部之間。
進一步地，所述設備被還包括：萬向輪組；
所述萬向輪組固定在所述反向架底部。
進一步地，所述反向架上設置加強鋼梁。
本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：
本申請實施例中提供的巖石真三軸試驗設備，通過水平加載系統搭配浮動框架，第一施力組件充當σ2方向反力構件，使得施加到巖石試樣的左右兩側的應力均勻對等，同時在水平千斤頂施加σ2方向應力時，浮動框架可以左右移動，保證試樣σ2方向兩側形變相同，從而保持中軸線穩定不偏移，有效解決了真三軸試驗中σ2方向存在的對中問題，保證巖樣在側向的對中，保證加載時試樣處於基座中央。
進一步地，在巖石試樣左右兩側設置側向壓板，且側向壓板採用滾珠排嵌於內外兩側板的結構形式，試驗過程中嵌套滾排的方式可以有效減小側面摩擦效應，保持所施加的σ2的均勻性。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的巖石真三軸試驗設備結構示意圖；
圖2為本發明實施例提供的浮動框架結構示意圖。
具體實施方式
本申請實施例通過提供一種巖石真三軸試驗設備，解決了現有技術中真三軸試驗中巖石試樣對中精度不高，中軸線偏移的技術問題；達到了提升對中可靠性，保證真三軸試驗的穩定可靠的技術效果。
為解決上述技術問題，本申請實施例提供技術方案的總體思路如下：
通過浮動框架的設置使得施加的σ2的對稱性性，保持中軸線的穩定；進一步通過側向壓板有效減小側面摩擦效應，保持所施加的σ2的均勻性。
為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術方案進行詳細說明，應當理解本發明實施例以及實施例中的具體特徵是對本申請技術方案的詳細的說明，而不是對本申請技術方案的限定，在不衝突的情況下，本申請實施例以及實施例中的技術特徵可以相互組合。
參見圖1，本發明實施例提供的一種巖石真三軸試驗設備，包括：垂直加載系統2、水平加載系統3、4、反力架1、三軸室(5、6、7、8、9)以及浮動框架。
具體來講，所述垂直加載系統2設置在所述反力架1上部；以所述反力架1為施力支點施加豎向力。
所述三軸室固定在所述反力架1上；用於固定承載巖石試樣10。
所述浮動框架通過滑動連接件與所述三軸室活動相連，可沿水平方向相對於所述三軸室滑動。
其中，所述浮動框架包括：第一固定板12、第二固定板13以及連接在兩者間的導向杆11；所述導向杆11通過設置在所述三軸室上的滑動管套與所述三軸室活動相連。
所述水平加載系統包括：第一施力組件3以及與之相對的第二施力組件4；所述第一施力組件3固定在所述第一固定板12上，所述第二施力組件4固定在所訴第二固定板13上。
具體來講，所述第一施力組件3以及與之相對的第二施力組件4分別以第一固定板12、第二固定板13為施力支點，相向施力，由於浮動框架可沿三軸室滑動，因此兩側施加的力相等，使得中軸線穩定居中，保持了真三軸試驗數據的穩定可靠。
進一步地，所述三軸室包括：固定室5、三軸室底座6、升降連杆7、側壓板9以及側壓板支撐件8。
所述固定室5固定在所述反向架1上，位於所述垂直加載系統2正下方；便於豎向施力。
所述三軸室底座6通過所述升降連杆7與固定室5相連；便於試樣裝卸。
所述側壓板9通過所述側壓板支撐件8固定在所述三軸室底座6上。
其中，所述側壓板6包括：第一側壓板以及第二側壓板；
在執行試驗時，巖石試樣10固定在所述三軸室底座6上，夾在所述第一側壓板和所述第二側壓板之間；所述第一施力組件3抵靠在所述第一側壓板上，所述第二施力組件4抵靠在所述第二側壓板上。通過側壓板受力傳遞給巖石試樣10。
進一步地，所述第一側壓板與所述第二側壓板結構相同，包括：內側壓板、外側壓板以及夾在兩者間的滾珠排。能夠在受力的時候通過滾珠排滑動抑制摩擦效應，保持施力穩定可靠。
所述第二施力組件包括：水平千斤頂、水平壓頭以及第二水平壓力傳感器。
所述水平千斤頂固定在所述第二固定板13上；通過右側夾板15鎖緊。
所述第二水平壓頭固定在所述水平千斤頂前端；用於傳導水平力。
所述水平壓力傳感器設置在所述水平千斤頂上，用於檢測水平壓力。
所述第一施力組件3包括：旋轉推拉裝置以及第一水平壓頭。
所述第一水平壓頭固定在所述旋轉推拉裝置上；通過左側夾板鎖緊。
所述旋轉推拉裝置固定在所述第一固定板上，可在水平方向上驅動所書第一水平壓頭移動。
所述垂直加載系統包括：垂直千斤頂、垂直壓力傳感器以及上壓頭。
所述垂直千斤頂固定在所述反向架1上；作為施力支點。
所述上壓頭固定在所述垂直千斤頂前端；傳導豎向壓力。
所述垂直壓力傳感器設置在所述垂直千斤頂，用於檢測豎向壓力。
進一步地，所述垂直加載系統還包括：球形絞座以及與之匹配的球頭；
所述球形絞座連接與所述上壓頭相連，所述球頭與所述垂直千斤頂前端相連；用於均勻豎向壓力。
進一步地，所述三軸室還包括：試驗底座以及試樣頂部墊塊；所述試樣底座固定在所述三軸室底座上，用於承載巖石試樣；所述試樣頂部墊塊設置在所述上壓頭與巖石試樣頂部之間。
進一步地，所述設備被還包括：萬向輪組；
所述萬向輪組固定在所述反向架底部。
進一步地，所述反向架上設置加強鋼梁。
下面將通過一個具體的結構構築方案說明本發明。
巖石真三軸試驗設備，包括垂直、水平加載系統、三軸室、反力架、浮動框架、控制系統和測量系統。
所述的反力架由加壓反力架和下部框架組成，加壓反力架由反力架頂、底板及反力架立柱組成，下部框架由頂面鋼板、橫梁和方管組成，反力架頂、底板長寬高相同，其中底板中間留有圓柱形通道，頂、底板通過立柱連接起來形成加壓反力架，加壓反力架通過螺栓固定在下部框架的頂面鋼板正中央，頂面鋼板中央留設有與反力架底板同心但直徑略小圓柱形通孔，四根方管分別位於頂面鋼板四角，與頂面鋼板連接在一起，方管底部通過橫梁相互連接，如有必要，方管中部也可以安設橫梁，以加大反力架剛度，橫梁下端面設置有滾輪。垂直加載系統固定安裝在加壓反力架的頂面鋼板中央，垂直千斤頂固定安裝在垂直加載系統的千斤頂安裝板上，垂直千斤頂活塞下方為垂直力傳感器過渡板、垂向力傳感器，垂向力傳感器通過力傳感器過渡板與垂直千斤頂活塞螺栓連接。垂向力傳感器正下方分別為與活塞尺寸配套的球頭、球座和上壓頭。球頭下表面與球座頂面圓弧尺寸配套，採用球頭設計可以確保施加的軸向力分布均勻。球座、上壓頭穿過反力架底板、頂面頂板留設的通孔，安裝在反力架上，且兩者連接在一起，可以上下運動。
所述的三軸室由固定室、可動三軸室底座、基座、底部墊塊、左右側壓板支撐、三軸室升降連杆組成。三軸室固定室安裝在頂板中央正下方，固定室為立方體，固定室內留有排氣孔、上端留有供上壓頭穿過的圓柱形通道且其左右兩端也留有安裝側壓頭的圓柱形通孔，通過活動連杆與底座相連，連杆可以升降從而控制三軸室的打開與閉合，底座為圓柱體，橫截面尺寸略大於三軸室橫截面尺寸，三軸室固定室與底座留有相同的與三軸室同軸呈環形分布的6個螺紋孔，在三軸室閉合後，通過螺栓將兩者緊密連接起來。基座安裝在三軸室底座上，與底座同軸。試樣底座固定在基座中央，墊塊橫截面為60mm*60mm的正方形，大於巖石試樣橫截面尺寸50mm*50mm，沿著水平千斤頂軸向方向基座上試樣底座兩端對稱安裝有左右側壓板支撐，側壓板支撐通過螺栓固定在基座上，側壓板支撐位置可以調節。
基座、底座及試樣底座內提前留設有滲流與管線孔。試驗時，巖樣放置在底部墊塊中央，巖樣頂部放置有上部墊塊，上部墊塊與上壓頭尺寸匹配，垂向加載系統與試樣、試樣底座、三軸室同軸。
所述的浮動框架安裝在反力架下部框架頂面鋼板以下，三軸室外側，所述的水平加載系統安裝在浮動框架內，兩者軸線重合。
所述的控制系統和測量系統與現有技術相同，不再贅述。
採用上述裝置的試驗步驟：
試樣準備工作
試驗開始前，將試樣側向(σ2方向)兩個面塗上矽膠，並將側向內墊塊分別粘在試樣側面。需保證側向內墊塊與試樣側面的中心線重合，上下所留出的預留行程一致。粘膠後試樣需要放置1天才能進行試驗。
安放試樣
將試樣(已粘上兩側墊塊)放置在軸向底座正中央；將已放置滾珠排的側向外墊塊放置在左右側壓板支撐上，與側向內墊塊組合在一起形成側向墊塊系統，在試樣上方放置上部墊塊。
閉合三軸室
三軸室升起至最高位置，擰緊三軸室螺栓。
預加載
調整浮動框架至合適位置，轉動手柄使σ2方向左側水平活動軸與左側外墊塊接觸，施加軸向、側向應力至初始值(1MPa左右)，使得活動軸與墊塊緊密接觸。
真三軸試驗與滲流真三軸試驗
按照試驗設計方案進行各種試驗，如簡單真三軸試驗和真三軸滲流試驗，簡單真三軸試驗：施加油壓至給定σ3值，水平加載系統加載至給定σ2值，最後軸向加載系統加壓直至試樣破壞,同時記錄試樣過程中力、位移等特徵值的變化規律。
真三軸滲流試驗：施加三向壓力至給定值，然後通過基座、底座及試樣底座內提前留設有滲流與管線孔開始滲流試驗並記錄數據。
取出巖樣並結束試驗
試驗結束，卸載回油，卸下三軸室螺栓，然後下降三軸室，取出巖樣，清理三軸室。
本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：
本申請實施例中提供的巖石真三軸試驗設備，通過水平加載系統搭配浮動框架，第一施力組件充當σ2方向反力構件，使得施加到巖石試樣的左右兩側的應力均勻對等，同時在水平千斤頂施加σ2方向應力時，浮動框架可以左右移動，保證試樣σ2方向兩側形變相同，從而保持中軸線穩定不偏移，有效解決了真三軸試驗中σ2方向存在的對中問題，保證巖樣在側向的對中，保證加載時試樣處於基座中央。
進一步地，在巖石試樣左右兩側設置側向壓板，且側向壓板採用滾珠排嵌於內外兩側板的結構形式，試驗過程中嵌套滾排的方式可以有效減小側面摩擦效應，保持所施加的σ2的均勻性。
最後所應說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照實例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。