本实用新型涉及岩土力学领域，具体涉及一种用于测定岩石试件抗剪强度的可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置。
背景技术：
粗粒土的颗粒强度对其宏观力学性质有重要影响，二者之间的关系很早就引起人们的重视。随着近年来大型工业与民用建筑建设的兴起和大型土石坝的兴建，特别是堆石、砂石、粗粒料等材料被广泛应用于水利、港口、交通等岩土工程建设中，颗粒破碎的影响越来越显著了，要想深入研究颗粒破碎对粗粒土宏观力学性质的影响，就必须从土的颗粒强度入手，通过对不同材料颗粒强度的试验，进而研究颗料强度对宏观力学性质的影响。目前颗粒强度测试仪操作复杂，多属于无侧限的条件下检测颗粒强度，而且与真实土体的却处于受围压状态，与周围颗粒间存在一定的接触，受到周围颗粒的加压，因而现有的颗粒强度检测装置与真实土体颗粒强度的状态存在较大差异。
技术实现要素：
本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置，能够更加真实的模拟土体的受力状态。
本实用新型为了实现上述目的，采用了以下方案：
本实用新型提供一种可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置，其特征在于，包括：支撑部；压力室部，安装在支撑部的中层，包含：内部中空并且上部设有密封盖的压力室，和设置在压力室内部、并且位于压力室底座上的试样室，试样室包含：用于容纳颗粒试样的试样容纳室，和底部伸入试样容纳室内并且向下抵接试样的竖直压力柱，试样容纳室的侧壁开设有与压力室相连通的连通孔；竖向应力施加部，安装在支撑部的上层，并且与竖直压力柱相对向，通过竖直压力柱向试样施加竖向应力，并采集相应的应力数据和竖向位移数据；竖向应变施加部，安装在支撑部的下层，并且与压力室的底座相对向，向底座施加向上的抬升力，使底座能按照预定速度上升，并采集相应的应变数据和竖向位移数据；以及驱动部，包含：与竖向应力施加部相连并提供气压驱动力的气压驱动单元，以及与压力室底座上的围压孔相连提供水压驱动力的水压提供单元。
在本实用新型所涉及的可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置中，还可以具有这样的特征：竖向应力施加部包含：T形铁尺、两个位移计、气缸、以及压力传感器，T形铁尺的尺柄作为施力端朝向竖直压力柱，两个位移计对称安装在T形铁尺尺身的左右端部上，压力传感器连接在T形铁尺的中部和气缸之间。
在本实用新型所涉及的可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置中，还具有这样的特征：竖向应变施加部包含：支撑压力室底座的支撑盘、安装在该支撑盘下方的T形铁尺、两个位移计、步进电机、压力传感器、电机驱动器、以及电机控制器，T形铁尺的尺柄作为施力端与支撑盘的底部相连，两个位移计对称安装在T形铁尺尺身的左右端部上，压力传感器连接在T形铁尺的中部和步进电机之间，电机驱动器与电机相连，电机控制器与电机驱动器相连。
在本实用新型所涉及的可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置中，还可以具有这样的特征：气压驱动单元包含：空压机，进气口与该空压机的一个出口相连的第一气管，以及安装在第一气管上的第一调压阀和第一电气比例阀，第一气管的出气口与竖向应力施加部中的气缸相连，水压提供单元包含：空压机，进气口与该空压机的另一个出口相连的第二气管，顺次安装在第二气管上的第二调压阀、第二电气比例阀、气缸、以及水缸，水缸的出水口与压力室底座的围压孔相连。
在本实用新型所涉及的可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置中，还可以包括：接收显示部，与竖向应力施加部和竖向应变施加部相连，接收采集到的所有数据并进行相应显示。
本实用新型的可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置，与现有技术相比具有下列优点和有益效果：
(1)具有可对土体颗粒施加围压的功能，能够模拟土体颗粒的真实受力状态，从而获得更加接近实际的数据结果；
(2)位于本装置上部的竖向应力施加部采用气压驱动，经济环保、方便便捷、成本低，气动方式较为稳定，十分安全；
(3)本装置设置了由步进电机控制的等应变速率的结构，能够控制和分析在等应变速率条件下的钙质砂颗粒破碎情况；
(4)本装置具有调压简单快捷，采集时效性高的特点，能都快速方便地检测试验颗粒的强度。
总之，本装置液压系统通过试样室与压力室相连，保持试样室与压力室有着相同的水压。通过水压提供单元对三轴压力室施加水压，即对颗粒试样施加围压，然后通过气压驱动单元驱动竖向应力施加部来对颗粒试样进行竖直加压，并通过竖向应变施加部使压力室按照预定速度上升，并动态采集反应颗粒试样的颗粒强度的相关数据。
附图说明
图1是本实用新型涉及的可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置的结构示意图；
图2是本实用新型涉及的支撑部的结构示意图；
图3是本实用新型涉及的压力室部的结构示意图；
图4是本实用新型涉及的压力室部的分解图；
图5是本实用新型涉及的压力室底座的结构示意图；
图6是本实用新型涉及的压力室底座的剖示图；
图7是本实用新型涉及的试样室的结构示意图；
图8是本实用新型涉及的试样室的剖视图；
图9是本实用新型涉及的竖向应力施加部的结构示意图；
图10是本实用新型涉及的竖向应力施加部的部分结构示意图；
图11是本实用新型涉及的竖向应变施加部的结构示意图；
图12是本实用新型涉及的竖向应变施加部的部分结构示意图；
图13是本实用新型涉及的驱动部的结构示意图；以及
图14是本实用新型涉及的水压提供单元的部分结构示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本实用新型所涉及的可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置作详细阐述。
<实施例>
如图1所示，本实施例所提供的可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置100，包括：支撑部200、压力室部300、竖向应力施加部400、竖向应变施加部500、驱动部600、以及接收显示部。
如图1和2所示，支撑部200起支撑作用，用于保持整个装置和试验过程的受力稳定，它包括：三层日字型铁架211至213、铁板220、和丝杠230。三层日字型铁架211至213均由型号为TL槽钢组装而成，组装完后其俯视图为日字型。铁板220位于支撑部200的中层，处于第一层铁架211和第二层铁架212之间。三层日字型铁架211至213和铁板220从上到下依次通过丝杠230连接。
如图1、3和4所示，压力室部300安装在铁板220上，包含压力室310和试样室320。压力室310内部中空，上部设有密封盖311，底部设有底座312；如图5和6所示，底座312上设有倒L型的围压孔313，围压孔313竖向部分与压力室310内部相通，横向部分从底座312的外侧壁穿出。本实施例中，采用的压力室310为型号为Φ39.1的三轴压力室。试样室320设置在压力室310的内部，并且位于压力室310的底座312上，它包含试样容纳室321和竖直压力柱322；如图7和8所示，试样容纳室321内设有用于容纳颗粒试样Y(图8中白色方块所示)的容纳槽，并且侧壁开设有与压力室310相连通的连通孔323；竖直压力柱322与密封盖311同轴，并且顶部可以伸出密封盖311，底部伸入试样容纳室321内，向下抵接颗粒试样Y。本实施例中，试样容纳室321和竖直压力柱322均为铁制品。
工作原理：试样容纳室321通过其筒壁的连通孔323与压力室310相连，其筒内颗粒便会受到一定围压，竖直压力柱322传递着竖向应力施加部400所施加的压力，向颗粒试样Y施加压力。
如图1和9所示，竖向应力施加部400安装在支撑部200的上层铁架211上，并且与竖直压力柱322相对向，通过竖直压力柱322向试样Y施加竖向应力，并采集相应的应力数据和竖向位移数据。如图9和10所示，竖向应力施加部400包含：T形铁尺410、两个位移计420、气缸430、以及压力传感器440。T形铁尺410的尺柄作为施力端朝向竖直压力柱322，并且能够穿过密封盖311上的通孔而伸入试样容纳室321中与竖直压力柱322顶部相抵接；两个位移计420对称安装在T形铁尺410尺身的左右端部上；压力传感器440连接在T形铁尺410的中部和气缸430之间。本实施例中，位移计420为型号为LVDT20的通用件，拉压传感器320为型号为QLFS的通用件，气缸430为型号为SC100的通用件。
工作原理：驱动部600给气缸430提供气压，气缸430向下伸出，施加压力给压力室部300的竖直压力柱322。位移计420和压力传感器440可以采集各个时刻的位移和压力数据。
如图11所示，竖向应变施加部500安装在支撑部200的下层铁架211上，并且与压力室310的底座312相对向，向底座312施加向上的抬升力，使底座312能按照预定速度上升，并采集相应的应变数据和竖向位移数据。如图11和12所示，竖向应变施加部500包含：支撑盘510、T形铁尺520、两个位移计530、步进电机540、压力传感器550、电机驱动器560、以及电机控制器570。支撑盘510用于支撑压力室310的底座312，支撑盘510位于铁板220之上。T形铁尺520安装在该支撑盘510下方，尺柄作为施力端通过穿过铁板220而与支撑盘510的底部相连。两个位移计530对称安装在T形铁尺520尺身的左右端部上。压力传感器550连接在T形铁尺520的中部和步进电机540之间。电机驱动器560通过电线与步进电机540相连。电机控制器570通过电线与电机驱动器560相连。本实施例中，采用的位移计530为型号为LVDT20的通用件，步进电机540为型号为RCP2-RA10C-I-86P-5-50的通用件，压力传感器550为型号为QLFS的通用件，电机驱动器560为型号为42BYG34-401A的通用件，电机控制器570为型号为DMA8600048的通用件。
工作原理：电机控制器570通过控制电机驱动器560以控制步进电机540。步进电机540的驱动端向上伸出从而可以控制压力室部300的上升速率。
如图13所示，驱动部600包含气压驱动单元610和水压提供单元620。气压驱动单元610与竖向应力施加部400相连并提供气压驱动力，它包含：空压机611、第一气管612、第一调压阀613、以及第一电气比例阀614。空压机611为型号为800Wx4-120L的通用件，其主要作用为提供一定压力的压缩空气，通用件输出的气压压力范围峰值通常为0～0.7Mpa。第一气管612的进气口与该空压机611的一个出口相连。第一调压阀613和第一电气比例阀614安装在第一气管612上。第一气管612的出气口与竖向应力施加部400中的气缸430相连。水压提供单元620与压力室310底座312上的围压孔313相连提供水压驱动力。如图13和14所示，水压提供单元620包含空压机611、第二气管621、第二调压阀622、第二电气比例阀623、气缸624、水缸625、以及水管626。第二气管621的进气口与空压机611的另一个出口相连。第二调压阀622、第二电气比例阀623、气缸624、以及水缸625顺次安装在第二气管621上。水缸625的出水口通过水管626与压力室310底座312的围压孔313相连。如上，气压驱动单元610和水压提供单元620是共用同一个空压机611。本实施例中，第一调压阀613和第一电气比例阀614均为型号为AR2000-02的通用件，其主要作用为调节空压机611的输出气体压力值大小。第一电气比例阀614和第二电气比例阀623均为型号为ITV1050-312L的通用件，可将函数信号发生器输出的波形电压信号转化随波形变化的气压大小，从而实现施加形式更为复杂的荷载。水缸625为型号为SC100的通用件。
工作原理：
空压机611提供高压气体通过第一气管612和第二气管621分别进入第一调压阀613和第二调压阀622，再分别由第一电气比例阀614和第二电气比例阀623控制流量和压力至试验所需的竖直压力和围压。
第一电气比例阀614和第二电气比例阀623将电压信号转换为气压大小，从而可以实现空压机611输出气压的大小，相应的控制围压和试验所需的应力路径，经过气缸430转化为竖直压力，竖直压力作用于压力室部300的竖直压力柱322，试样室320由于受到竖向应变施加部500中的支撑盘510的支撑作用使压力室部300不能向下移动，颗粒便受到相应气缸430的竖直压力。
空压机611提供的高压气体经第二电气比例阀623调整压力后传递给气缸624，然后气缸624的活动端推动水缸625的活动端运动，从而将气压转化为水的围压，再将水压作用于试样Y。
接收显示部与竖向应力施加部400和竖向应变施加部500相连，接收采集到的所有数据并进行相应显示。本实施例中，接收显示部是电脑，它与两个位移计420、压力传感器440、以及两个位移计530、压力传感器550相连，接受和显示各个时刻的压力和位移数据。
工作原理：通过试样室320与压力室310相连，保持试样室320和压力室310有着相同的水压。对压力室310施加水压，即对颗粒试样Y施加围压，然后通过空压机611和气缸对颗粒试样Y进行竖直加压，通过电机控制器570控制应变速率，通过位移计、压力传感器和接收显示部动态采集相关数据，最终得到颗粒试样Y的颗粒强度的相关数据。
本装置是这样实现控制竖直应力的：
1、将装置按图连接好，检查气密性，安全性等。
2、将颗粒试样Y蜡封后，装入相应的试样室320，将压力室310充满水，并利用排气操作排空出水管490的空气，根据试验所需竖直应力路径和围压，调节第一调压阀613，第一电气比例阀614和第一电气比例阀614至试验所需的竖直应力和围压。
3、试验结束后，如无特殊要求，应先立即停止数据采集，然后将调压阀a420，调压阀b430，调至0，关闭空压机611510，并放掉压力室310的水，取出试样Y。
在本实施例中，采用可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置100进行颗粒强度试验时：将颗粒试样Y蜡封后，装入试样室320，将压力室310充满水，并利用排气操作排空出水管490的空气，根据试验所需竖直应变速率，调节电机控制器570的参数，第一电气比例阀614和第二电气比例阀623的参数至试验所需的竖直压力和围压。按照试验方案的加载路径进行加载。试验结束后，先立即停止数据采集，然后将第一调压阀613和第二调压阀622调至0，关闭空压机611，并放掉压力室310内的水，取出试样Y。
以上实施例仅仅是对本实用新型技术方案所做的举例说明。本实用新型所涉及的可施加围压的钙质砂颗粒强度试验装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本实用新型所要求保护的范围内。