一种岩土体大尺寸原位三轴蠕变试验系统的制作方法

本发明涉及一种岩土体的三轴蠕变试验的仪器，特别涉及一种岩土体大尺寸原位三轴蠕变试验系统。

背景技术：

蠕变是指固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。岩土体蠕变现象可导致人类工程的破坏或地质灾害的发生，如塌方，地基沉降，滑坡等。岩土体蠕变试验是测定其长期力学行为的重要手段，因此，岩土体蠕变现象的研究意义重大。

目前，针对岩土体蠕变现象已有大量研究，同时各类蠕变试验方法亦应运而生，如剪切蠕变试验、单轴抗压蠕变试验、常规三轴(假三轴)和真三轴蠕变试验等，针对不同类型蠕变试验方法均研发了相应的试验仪器。以往的岩土体蠕变试验往往是以单轴、假三轴的室内试验较为常见，且单轴试验忽略了试块围压的影响，假三轴试验则忽略了试块各向围压的不等性。相较而言，原位大尺寸岩土体三轴蠕变试验能更准确反映岩土体在实际条件下的真实受力及蠕变行为。因此，原位大尺寸岩土体三轴蠕变试验的研究意义重大。

目前，岩土体三轴蠕变试验多为室内试验，所研究岩土体试块尺寸较小，针对原位大尺寸岩土体的三轴蠕变试验研究较少。长江科学院研制的RXZJ-20000型微机伺服控制岩体真三轴现场蠕变试验系统，是目前处于国内外先进水平的大型现场伺服试验仪器，为研究深部岩体在多向应力条件下的蠕变现象提供有效的手段，并已成功应用于工程实例。针对横截面为正方形的柱状岩体试块，该系统的液压钢枕在提供稳定围压的同时，可随岩体试块变形而自由伸缩，为岩体试块变形提供变形空间；该系统由千分表对岩体各侧面中心处监测岩体试块变形。由此可知，该系统液压钢枕的可变形量需满足岩体试块蠕变变形量，同时千分表监测岩体试块表面变形处需可以表征该侧面岩体试块的变形情况。因此，针对可发生较大蠕变变形量的岩土体(软岩、土体或土石混合体)，当扁平状的液压钢枕无法提供给岩土体蠕变变形所需空间时，该系统将无法成功进行试验；同时，由于岩土体(尤其软岩、土体或土石混合体)侧面变形存在不均匀性，单个点的岩体表面变形监测可能无法表征整个岩土体试块侧面的变形情况。此外，由于该系统由液压钢枕保持稳定围压，而该液压钢枕伸缩面面积较大，当试块某小部分发生变形，会引起该变形处应力集中，即变形处承受应力大于所设定围压，而该伸缩面的其余未发生变形处所承受压强将低于所设定围压，故而该系统针对岩土体(尤其软岩、土体或土石混合体等易发生不均匀变形的岩土体)蠕变试验不易提供稳定围压。

综上上述，原位大尺寸岩土体三轴蠕变试验能研究更真实的岩土体蠕变现象，其研究意义重大。而目前，原位大尺寸岩土体的三轴蠕变试验研究较少，且现有试验方法及相应仪器存在一定不足，原位大尺寸岩土体的三轴蠕变试验系统亟待进一步研发。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种岩土体大尺寸原位三轴蠕变试验系统，有效的克服了现有技术的缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种岩土体大尺寸原位三轴蠕变试验系统，包括轴压加载子系统、围压加载子系统和后台控制电脑；

上述轴压加载子系统设置在待测柱形岩土体试块顶部，上述轴压加载子系统上具有用于检测待测柱形岩土体试块轴向蠕变形变量的第一位移计，上述轴压加载子系统和第一位移计分别通过线路连接后台控制电脑，上述后台控制电脑控制轴压加载子系统对待测柱形土体试块提供轴压，使待测柱形岩土体试块发生轴向及侧向蠕变，再由第一位移计检测到轴向蠕变形变量并反馈给后台控制电脑；

上述待测柱形岩土体试块侧壁上包裹有橡胶层，上述围压加载子系统围设在上述橡胶层外表面，上述围压加载子系统内具有用于检测待测柱形岩土体侧向蠕变形变量的多个第二位移计，上述围压加载子系统和多个第二位移计分别通过线路连接上述后台控制电脑，上述后台控制电脑控制围压加载子系统对待测柱形岩土体试块提供侧向围压，再由多个第二位移计分别检测到侧向蠕变形变量并反馈给后台控制电脑；

上述围压加载子系统外套设有反力固定框模组，用于对围压加载子系统提供侧压反力。

本发明的有益效果是：结构简单，使用方便，三轴蠕变试验过程中，岩土体试块有充足的变形空间与稳定的围压，同时实现对岩土体蠕变变形的整体性进行实时监测，测量结构较为准确。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，上述待测柱形岩土体试块为横截面为正方形的柱体。

采用上述进一步方案的有益效果是便于安装围压加载子系统。

进一步，上述轴压加载子系统还包括顶面传力板、千斤顶、传力柱和钢板，上述顶面传力板压覆在上述柱形岩土体试块顶部，上述千斤顶竖直固定在顶面传力板上表面，其伸缩端向上设置，上述传力柱固定在上述千斤顶伸缩端，上述钢板固定在上述传力柱顶部，并与外置的反力支撑机构抵接，上述反力支撑机构通过钢板向传力柱和千斤顶提供轴向反力，上述千斤顶外接第一液压动力单元，上述第一液压动力单元通过线路连接后台控制电脑，上述第一位移计通过支架固定在上述反力固定框模组上，且其探测端与上述顶面传力板接触，上述后台控制电脑可通过第一液压动力单元控制千斤顶伸缩端伸缩，当千斤顶伸缩端伸出时，在轴向反力作用下，千斤顶轴向挤压待测柱形岩土体试块。

采用上述进一步方案的有益效果是轴压加载子系统结构简单，通过千斤顶及钢板对待测柱形岩土体试块提供轴压，并通过第一位移计26检测千斤顶伸缩端的位移，从而得到待测柱形岩土体试块轴向蠕变的形变量，使用比较方便。

进一步，上述围压加载子系统均包括四个围压加载模组，四个上述围压加载模组分别对应上述待测柱形岩土体试块四个侧面，并与橡胶层相抵，上述反力固定框模组套设在四个上述围压加载模组外，每个上述围压加载模组内均具有多个上述第二位移计。

采用上述进一步方案的有益效果是通过每个围压加载子系统对待测柱形岩土体试块每个侧面提供侧向的围压，围压比较稳定，测量结果比较准确。

进一步，每个上述围压加载模组均包括固定框、多个垫板、多个气缸、传力板和液压枕，多个上述垫板呈矩阵分布在对应的待测柱形岩土体试块侧面的橡胶层外表面上，相邻两个上述垫板边沿接触，多个上述垫板形成的矩形与对应的待测柱形岩土体试块侧面形状及面积相同，上述固定框为与上述待测柱形岩土体试块侧面匹配的长方体形框架结构，并设置在靠近上述垫板的位置，并与待测柱形岩土体试块对应的侧面平行，上述固定框内具有多个与上述垫板一一对应并呈矩阵分布的装配孔，多个上述气缸与上述装配孔一一对应，多个上述气缸分别水平安装在对应的装配孔内，且其伸缩杆均水平指向对应的上述垫板，并伸出固定框外与对应的垫板抵接，上述气缸缸体背离伸缩杆的一端均伸出对应的装配孔外并抵接上述传力板，上述液压枕设置在上述固定框背离橡胶层的一侧，且其面朝固定框的一面为伸缩面，上述伸缩面与上述传力板相连，上述反力固定框模组套设在每个液压枕外，且上述固定框通过螺丝与反力固定框模组固定连接，上述液压枕外接第二动力液压单元，上述后台控制电脑通过线路连接上述第二动力液压单元，每个上述气缸的缸体上均安装有上述第二位移计，且上述第二位移计的探测端均水平指向对应的垫板并与其接触；上述后台控制电脑可通过第二动力液压单元控制液压枕伸缩面伸缩，当液压枕伸缩面伸出时，通过传力板传递到对应的气缸，再由气缸伸缩杆传递到垫板以及待测柱形岩土体试块对应的位置，待测柱形岩土体试块对应位置发生蠕变，通过垫板反向挤压伸缩杆，使气缸伸缩杆与缸体之间发生相对位移，并由对应的第二位移计探测到相对位移信息并反馈给后台控制电脑。

采用上述进一步方案的有益效果是通过液压枕对待测柱形岩土体试块每个侧面整体提供侧压，试块局部蠕变过程中挤压对应的垫块，使得伸缩杆受力产生位移变化，通过对应的第二位移计测量其位移即可得到试块局部蠕变的形变量，测量比较方便，蠕变形变量细化到具体某个部位，使得测量结构比较准确。

进一步，上述传力板上设有多个贯穿其并与上述气缸一一对应导槽，上述气缸缸体背离伸缩杆的一端设有压强控制阀，上述压强控制阀伸入对应的导槽内。

采用上述进一步方案的有益效果是通过压强控制阀调节气缸内的压强，使气缸内压强恒定在设定值，安全性较高，同时，压强控制阀隐藏在导槽内不易损坏。

进一步，上述压强控制阀包括压强控制阀缸体、控制阀活塞和蝶簧，上述压强控制阀缸体一端与气缸背离伸缩杆的一端连通，上述控制阀活塞设置在压强控制阀缸体内，并与缸壁贴合，且可沿缸壁移动，上述蝶簧设置在控制阀活塞与压强控制阀缸体另一端缸壁之间，且其两端分别与控制阀活塞以及压强控制阀缸体另一端缸壁抵接，上述压强控制阀缸体上设有泄压口，上述泄压口位于控制阀活塞的移动行程上，当气缸内压强高于设定值时，上述气缸内气体推动控制阀活塞向压强控制阀缸体另一端移动并压缩蝶簧，在移动过程中，控制阀活塞经过泄压口，泄压口与气缸气流连通，气缸内气体经泄压口排出泄压，当气缸内压强恢复至等于设定值时，蝶簧恢复形变反向推动控制阀活塞移动并经过泄压口，泄压口与气缸断开连通，泄压口停止泄压。

采用上述进一步方案的有益效果是压强控制阀结构简单，压力调节过程比较方便、快捷。

进一步，上述反力固定框模组由多个水平并等间距上下间隔设置的反力固定框组成，上述固定框分别通过螺丝与每个上述反力固定框固定连接，所上述第一位移计通过支架固定在最上层的上述反力固定框上。

采用上述进一步方案的有益效果是反力固定框模组结构简单，反力分布比较均匀。

附图说明

图1为本发明的岩土体大尺寸原位三轴蠕变试验系统的结构示意图；

图2为本发明的岩土体大尺寸原位三轴蠕变试验系统中围压加载子系统的剖面结构示意图；

图3为本发明的岩土体大尺寸原位三轴蠕变试验系统中单个气缸与垫块之间配合的结构示意图；

图4为本发明的岩土体大尺寸原位三轴蠕变试验系统中压强控制阀的结构示意图；

图5为本发明的岩土体大尺寸原位三轴蠕变试验系统中压强控制阀的泄压使用状态图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、橡胶层，4、反力固定框模组，21、顶面传力板，22、千斤顶，23、传力柱，24、钢板，25、第一液压动力单元，26、第一位移计，31、固定框，32、垫板，33、气缸，34、传力板，35、液压枕，36、第二动力液压单元，37、第二位移计，41、反力固定框，331、压强控制阀，341、导槽，3311、压强控制阀缸体，3312、控制阀活塞，3313、蝶簧，3314、泄压口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例：如图1所示，本实施例的岩土体大尺寸原位三轴蠕变试验系统，包括轴压加载子系统、围压加载子系统和后台控制电脑；

上述轴压加载子系统设置在待测柱形岩土体试块顶部，上述轴压加载子系统内具有用于检测待测柱形岩土体试块轴向蠕变形变量的第一位移计26，上述轴压加载子系统和第一位移计2626分别通过线路连接后台控制电脑，上述后台控制电脑控制轴压加载子系统对待测柱形土体试块提供轴压，使待测柱形岩土体试块发生轴向及侧向蠕变，再由第一位移计2626检测到轴向蠕变形变量并反馈给后台控制电脑；

上述待测柱形岩土体试块侧壁上包裹有橡胶层1，上述橡胶层1可发生一定形变，为岩土体试块提供变形空间，上述围压加载子系统围设在上述橡胶层1外表面，上述围压加载子系统内具有用于检测待测柱形岩土体侧向蠕变形变量的多个第二位移计37，上述围压加载子系统和多个第二位移计37分别通过线路连接上述后台控制电脑，上述后台控制电脑控制围压加载子系统对待测柱形岩土体试块提供侧向围压，再由多个第二位移计37分别检测到侧向蠕变形变量并反馈给后台控制电脑；

上述围压加载子系统外套设有反力固定框模组4，用于对围压加载子系统提供侧压反力。

上述待测柱形岩土体试块为横截面为正方形的柱体，其中，试块的长宽高分别为0.5m、0.5m、1m。

上述轴压加载子系统还包括顶面传力板21、千斤顶22、传力柱23和钢板24，上述顶面传力板21压覆在上述柱形岩土体试块顶部，上述千斤顶22竖直固定在顶面传力板21上表面，其伸缩端向上设置，上述传力柱23固定在上述千斤顶22伸缩端，上述钢板24固定在上述传力柱23顶部，并与外置的反力支撑机构抵接，上述反力支撑机构通过钢板24向传力柱23和千斤顶22提供轴向反力，上述千斤顶22外接第一液压动力单元25，上述第一液压动力单元25通过线路连接后台控制电脑，上述第一位移计2626通过支架固定在上述反力固定框模组4上，且其探测端与上述顶面传力板21接触，上述后台控制电脑可通过第一液压动力单元25控制千斤顶22伸缩端伸缩，当千斤顶22伸缩端伸出时，在轴向反力作用下，千斤顶22轴向挤压待测柱形岩土体试块，千斤顶22的伸缩端伸出的位移即等于试块轴向蠕变的变形量，实验过程中，将整个装置放于洞室中，钢板24与洞室顶板抵接，洞室顶板提供千斤顶22伸缩端伸出时的反力，且为防止轴向载荷过大而引起洞室顶板大变形，需凿平提供反力的顶板，使其成水平状且具有较大面积。

如图2和3所示，上述围压加载子系统均包括四个围压加载模组，四个上述围压加载模组分别对应上述待测柱形岩土体试块四个侧面，并与橡胶层1相抵，上述反力固定框模组4套设在四个上述围压加载模组外，每个上述围压加载模组内均具有多个上述第二位移计37。

每个上述围压加载模组均包括固定框31、多个垫板32、多个气缸33、传力板34和液压枕35，多个上述垫板32呈矩阵分布在对应的待测柱形岩土体试块侧面的橡胶层1外表面上，相邻两个上述垫板32边沿接触，多个上述垫板32形成的矩形与对应的待测柱形岩土体试块侧面形状及面积相同，上述固定框31为与上述待测柱形岩土体试块侧面匹配的长方体形框架结构，并设置在靠近上述垫板32的位置，并与待测柱形岩土体试块对应的侧面平行，上述固定框31内具有多个与上述垫板32一一对应并呈矩阵分布的装配孔，多个上述气缸33与上述装配孔一一对应，多个上述气缸33分别水平安装在对应的装配孔内，且其伸缩杆均水平指向对应的上述垫板32，并伸出固定框31外与对应的垫板32抵接，上述气缸33缸体背离伸缩杆的一端均伸出对应的装配孔外并抵接上述传力板34，上述液压枕35设置在上述固定框31背离橡胶层1的一侧，且其面朝固定框31的一面为伸缩面，上述伸缩面与上述传力板34相连，上述反力固定框模组4套设在每个液压枕35外，且上述固定框31通过螺丝与反力固定框模组4固定连接，上述液压枕35外接第二动力液压单元36，上述后台控制电脑通过线路连接上述第二动力液压单元36，每个上述气缸33的缸体上均安装有上述第二位移计37，且上述第二位移计37的探测端均水平指向对应的垫板32并与其接触；上述后台控制电脑可通过第二动力液压单元36控制液压枕35伸缩面伸缩，当液压枕35伸缩面伸出时，通过传力板34传递到对应的气缸33，再由气缸33伸缩杆传递到垫板32以及待测柱形岩土体试块对应的位置，待测柱形岩土体试块对应位置发生蠕变，通过垫板32反向挤压伸缩杆，使气缸33伸缩杆与缸体之间发生相对位移，并由对应的第二位移计37探测到相对位移信息并反馈给后台控制电脑。

上述传力板34上设有多个贯穿其并与上述气缸33一一对应导槽341，上述气缸33缸体背离伸缩杆的一端设有压强控制阀331，上述压强控制阀331伸入对应的导槽341内。

如图4和5所示，上述压强控制阀331包括压强控制阀缸体3311、控制阀活塞3312和蝶簧3313，上述压强控制阀缸体3311一端与气缸33背离伸缩杆的一端连通，上述控制阀活塞3312设置在压强控制阀缸体3311内，并与缸壁贴合，且可沿缸壁移动，上述蝶簧3313设置在控制阀活塞3312与压强控制阀缸体3311另一端缸壁之间，且其两端分别与控制阀活塞3312以及压强控制阀缸体3311另一端缸壁抵接，上述压强控制阀缸体3311上设有泄压口3314，上述泄压口3314位于控制阀活塞3312的移动行程上，当气缸33内压强高于设定值时，上述气缸33内气体推动控制阀活塞3312向压强控制阀缸体3311另一端移动并压缩蝶簧3313，在移动过程中，控制阀活塞3312经过泄压口3314，泄压口3314与气缸33气流连通，气缸33内气体经泄压口3314排出泄压，当气缸33内压强恢复至等于设定值时，蝶簧3313恢复形变反向推动控制阀活塞3312移动并经过泄压口3314，泄压口3314与气缸33断开连通，泄压口3314停止泄压。

上述反力固定框模组4由多个水平并等间距上下间隔设置的反力固定框41组成，上述固定框31分别通过螺丝与每个上述反力固定框41固定连接，所上述第一位移计26通过支架固定在最上层的上述反力固定框41上。

本发明的使用方法，包括以下步骤：

1)岩土体原位试块的制备，制备横截面为正方形的柱状岩土体试块，试块的长宽高分别为0.5m、0.5m、1m，试块底部处于原位状态而未扰动；

2)安装围压加载子系统，①在试块每个侧面安装围压加载模组，具体为，将固定框31安装在对应的试块每侧橡胶层1上，同时在固定框31内的每个装配孔内安装垫板32和气缸33，并保证气缸33伸缩杆处于水平状态，且伸缩杆端部与对应的垫板32抵接，并在每个气缸33缸体上安装第二位移计37，并保证第二位移计处于水平状态，且其探测端与垫板32接触，上述装配孔共设置n个，各气缸33内活塞面积为S₁，试块单侧面积为S；②安装压强控制阀331，首先，手动使得缸体内伸缩杆移动至最大位移处，再安装压强控制阀331(此时泄压口3314与气缸33处于断开连通状态)，压强控制阀331限定压强P₁,依据试验加载围压P选取，即P₁＝S×P/(n×S₁)；③安装传力板34，保证其平行于岩土体试块侧面同时与各气缸33缸体背离伸缩杆的一端端部紧密抵触，同时保证各压强控制阀331处于导槽341内，并将第二位移计37通讯导线由对应的导槽341引出；④安装液压枕35，将液压枕35伸缩面(面积为S₂)与传力板34均匀接触；然后，安装反力固定框模组4；最后，将液压枕35连接第二动力液压单元36，并将第二动力液压单元36和第二位移计均通过线路连接后台控制电脑；

3)安装轴压加载子系统，首先，将提供反力的洞室顶板凿平，使其成水平状且具有较大面积；再将顶面传力板21、千斤顶22、传力柱23和钢板24由试块顶部向上依次安装，并保证钢板24与洞室顶板平整而紧密抵接；

4)试验加载及数据记录，首先，根据试验设计施加围压及轴压，随着液压枕35内部液压的增加，液压枕35伸缩面向试块发生位移，并推动伸缩杆带动对应的活塞与气缸33缸体之间发生相对位移；当液压枕35液压达到P₂(P₂＝S×P/S₂)时，气缸33缸体内压强达到压强控制阀110限定压强P₁，且围压达到设定值P，此时，关闭第二动力液压单元36，液压枕35伸缩面保持当前位置不再移动(即固定气缸33使之无法位移)，保证蠕变试验过程中试块变形空间由伸缩杆与气缸33缸体发生的相对位移提供；随后，基于后台控制电脑实现轴向蠕变形变量及多点侧向蠕变形变量的采集。值得注意的是，伸缩杆位移量程需满足围压加载及试块变形所需。

上述待检测柱形岩土体试块截面也可以是圆形，相应的对围压加载子系统进行形状调整，使其与试块外壁紧密配合。

本实施例中，气缸33伸缩端的伸缩可为岩土体试块提供充足的蠕变变形空间，由岩土体试块向外依次由垫板32、伸缩杆、第二位移计37、气缸33及压强控制阀331构成了变形测量单元，且伸缩杆及第二位移计37处于水平状态；压强控制阀331在气缸33缸体内压强等于设定压强时处于关闭状态，当缸体内气压大于其所设定压强值时，泄压口3314与缸体气流连通以泄压；当缸体承压一侧(背离伸缩杆的一侧)底部被固定(不发生水平位移)时，试块发生蠕变变形处将引起上述伸缩杆及气缸33内与伸缩杆连接的活塞发生位移，从而导致缸体内压强增加，当缸体内压强高于压强控制阀331设定压强时，自动打开泄压口3314进行泄压从而实现围压的稳定；伸缩杆的位移量可反映试块侧向变形量，由第二位移计37测量；伸缩杆位移量程需满足围压加载及试块变形所需。

本发明的变形测量单元的垫板32面积较小，且以多个变形测量单元的垫板32布满岩土体试块侧面，实现了对岩土体蠕变变形的整体性进行实时监测，更为三轴蠕变试验提供稳定围压，变形测量单元的垫板32采取较小面积原因如下：若单个变形测量单元的垫板面积较大，即单个垫板对试块侧面变形的监测范围较大，针对单个垫板监测范围内的试块，当较大监测范围内的试块仅小部分发生变形，则该变形处易发生应力集中，从而使得试块变形处承受应力大于所设定围压，而其余未发生变形处所承受应力将低于所设定围压。故而针对岩土体(尤其软岩、土体或土石混合体等易发生不均匀变形的岩土体)蠕变试验，单个变形测量单元的垫板面积较大不易提供稳定围压。因此，变形测量单元的垫板面积越小越能准确反映试块变形的真实情况，但实际应用应考虑机械工艺及成本的要求。

若将本发明中压强控制阀331替换为伺服液压泵对上述缸体内压强进行控制，同时省去液压枕，仅将反力框架与上述缸体承压一侧底部直接接触，亦可实现试验过程中围压的伺服控制。但本发明基于泄压口3314处安装的压强控制阀331，保证了试验过程中围压的恒定，更使得本发明的整个系统结构简单且成本较低。

本发明的有益效果：本发明的一种用于岩土体大尺寸原位三轴蠕变试验系统及其使用方法，具有以下有益效果：

(1)本发明的变形测量单元，可为岩土体试块提供充足的蠕变变形空间；

(2)本发明的变形测量单元的垫板面积较小，且以多个变形测量单元紧密、均匀分布于岩土体试块侧面，实现了对岩土体蠕变变形的整体性进行实时监测，更为岩土体试块在蠕变过程中提供稳定围压；

(3)压强控制阀的应用，使得整个系统结构简单且成本较低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。