一种橡胶薄膜外包加载板的刚柔复合真三轴加载装置的制作方法

本实用新型涉及岩土力学测试领域，具体地，涉及一种橡胶薄膜外包加载板的刚柔复合真三轴加载装置。

背景技术：

岩土工程中常常遇到三维分析问题。真三轴仪的设计及试验研究一直是一个活跃并且具有挑战性的研究领域。对岩土的应力-应变强度特性的测量一般采用真三轴系统。真三轴测试意味着立方体形的岩土样本在三个方向(或三个轴向)受到均匀的压力(或应变)。真三轴测试对于测量岩土在三个主要方向的载荷作用下的应力-应变性能有重要意义。

现有的真三轴试验的加载装置可以分为以下3种类型：(1)刚性加载方式；(2)柔性加载方式；(3)混合边界加载方式。目前使用最广泛的是混合边界加载方式，它解决了纯刚性和纯柔性加载中的很多局限性，但是这种系统也存在着一些缺陷，比如边角处容易产生干涉、如果钢板之间存在缝隙还有可能有土体挤出、应力和应变同样分布不均匀。

除了上述的这些问题之外，现存的加载系统中用于密封试样的橡胶薄膜是没有包裹住加载板的，加载板不是直接作用的岩土式样上，这样无法直接测得土孔中的水压。

经检索发现，申请号为2018116106201的中国专利，公开了一种散体材料空隙率智能识别真三轴实验系统及方法，其中，如图1所示，第一机械围压加载组件包括第一机械围压控制器、第一机械围压加载杆及第一机械围压加载板；第一机械围压加载杆外端与第一机械围压控制器的活塞杆端部相固连，第一机械围压加载杆内端位于压力室内部；第一机械围压加载板竖直固装在第一机械围压加载杆内端，第一机械围压加载板的内侧表面与散体材料试验相接触。

但是上述专利存在以下不足：首先上述专利中的加载方式为非滑动加载，因此在加载板之间留有缝隙，加载过程中会产生挤土以及试样边缘应力分布不均的问题，除次之外，通过上述专利无法直接在实验过程中测得试样中的孔隙水压，也无法进行全lord角试验。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种用于测试岩土力学性能的刚柔复合真三轴加载装置。

本实用新型提供一种橡胶薄膜外包加载板的刚柔复合真三轴加载装置，包括：滑动加载部件和橡胶薄膜；其中，

所述滑动加载部件包括四个刚性加载板；四个所述刚性加载板上分别设有加载活塞，所述刚性加载板的外侧与所述加载活塞连接，所述加载活塞向与其连接的刚性加载板施加载荷；四个所述刚性加载板分别朝四个方向彼此搭接围成一个具有中央容置空间的边框，所述边框的中央容置空间用于容纳、夹持岩土试样；且四个所述刚性加载板分别在每个所述加载活塞的作用下可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动，使得随着所述岩土试样在载荷的作用下发生应变后，所述中央容置空间也会随之变小，保证载荷一直施加在所述岩土试样上；所述滑动加载部件包括四个紧固件，四个所述紧固件分别对应设置于每个所述刚性加载板的外侧，四个所述刚性加载板与四个所述紧固件之间构成一个组合加载体系；

所述橡胶薄膜包裹于所述边框及所述岩土试样的外部，且位于所述刚性加载板和所述紧固件之间，通过所述紧固件夹紧所述橡胶薄膜，从而起到密封所述岩土试样的作用，

所述橡胶薄膜沿垂直于所述边框两侧的方向向所述岩土试样施加载荷。

优选地，所述滑动加载部件还包括四个连接件和四个滑动块；

四个所述连接件分别固接于四个所述刚性加载板的外侧，用于对所述刚性加载板传递荷载；

四个所述滑动块分别设置于每个所述刚性加载板与所述加载活塞之间，所述滑动块的一端与所述连接件可拆卸式连接，另一端与所述加载活塞之间通过滑动轴承实现滑动连接，使得所述滑动加载部件可沿垂直于连接的所述加载活塞的方向自由滑动；

实现了四个所述刚性加载板分别在所述加载活塞的作用下，通过四个所述滑动块可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动。

优选地，所述紧固件包括一长方形板，所述长方形板上设有两个螺丝，通过扭紧所述螺丝使所述橡胶薄膜内部处于密封的状态；

所述长方形板的长度与所述刚性加载板的长度相匹配，在所述长方形板的中央设有一个与所述连接件相同大小的孔，所述连接件可穿过所述孔，使所述紧固件套接于所述连接件上。

优选地，所述连接件上设有导孔，所述导孔用于连接排水用的软管，所述软管的一端与所述导孔连接，另一端与外部连接。

优选地，所述刚性加载板的上设有渗水孔，用于排出所述岩土试样中的水，使所述岩土试样中的水通过所述渗水孔流入到所述连接件中，再通过所述导孔排到外部。

优选地，所述加载装置还包括四个应力传感器和四个位移传感器，

四个所述应力传感器分别固结于所述加载活塞上，用于感测加载装置作用在所述岩土试样上的载荷大小；

所述位移传感器，用于感测载荷作用下所述岩土试样的应变。

优选地，所述加载装置还包括装样部件，所述装样部件包括固定板和装样架；

所述装样架包括第一横梁和第二横梁，由所述第一横梁和所述第二横梁组成导轨；

所述固定板的底部设有第一凹槽和第二凹槽；

所述固定板上设有u形槽，所述u形槽用于卡接所述滑动加载部件；

所述固定板设置于所述装样架上，将所述固定板的所述第一凹槽、所述第二凹槽分别卡接在所述第一横梁、所述第二横梁上，使所述固定板可以沿所导轨的方向滑动。

优选地，所述加载活塞通过电机系统驱动。

优选地，所述的岩土试样和四个所述刚性加载板封装于所述橡胶薄膜中，形成立方体形。

与现有技术相比，本实用新型具有如下至少一种的有益效果：

本实用新型上述结构中，采用了四个刚性滑动板和橡胶薄膜来加载应力，从而克服了只用刚性加载板和只用橡胶薄膜加载的缺陷。

本实用新型上述结构中，采用橡胶薄膜将刚性加载板和岩土试样整个封闭在容置空间中，并通过紧固件进行密封，改变了常规的结构(常规结构是将刚性加载板设置在橡胶薄膜外)，通过改变橡胶薄膜的设置位置实现全面应力路径试验。相比而言，在现有技术中，一般复合真三轴仪的橡胶薄膜只能包裹住岩土土样，刚性加载板在橡胶薄膜外，水平方向刚性板施加在土样上的应力等于压力室水压与刚性加载板压力之和，不能小于围压室中水压，因此无法进行0～360度的任意lode角试验。而本实用新型设计的加载装置巧妙地将橡胶薄膜设计与刚性加载板之外，通过与刚性加载板相连的加载活塞施加荷载，可以直接测得孔隙水压，并且可实现剪切时土样在该方向上所受压力小于围压室内水压，可以进行0～360度的任意lode角试验。

进一步，本实用新型中通过在加载活塞和该刚性加载板之间设置滑动块，可以使得活塞一直位于变形后的中央容置空间的中央位置，可以保证将载荷施加在岩土样本的中央位置，确保了岩土内部应力的均匀分布。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型一实施例的刚柔复合真三轴加载装置的结构原理的垂直剖面图；

图2a为本实用新型一实施例中第二刚性加载板的正视图；

图2b为本实用新型一实施例中第二刚性加载板的侧视图；

图2c为本实用新型一实施例中第二刚性加载板的俯视图；

图3a为本实用新型一实施例中固定板的正视图；

图3b为本实用新型一实施例中固定板的侧视图；

图3c为本实用新型一实施例中固定板的仰视图；

图4a为本实用新型一实施例中装样架的正视图；

图4b为本实用新型一实施例中装样架的侧视图；

图4c为本实用新型一实施例中装样架的俯视图；

图5a为本实用新型一实施例中装样部件的正视图；

图5b为本实用新型一实施例中装样部件的侧视图；

图5c为本实用新型一实施例中装样部件的俯视图；

图6a为本实用新型一实施例中装样部件的装载过程的正视图；

图6b为本实用新型一实施例中装样部件的装载过程的侧视图；

图6c为本实用新型一实施例中装样部件的装载过程的仰视图；

图7为本实用新型一实施例中装样部件的立体图；

图8为本实用新型一实施例中装样部件的装载过程的立体图；

图中标记分别表示为：岩土试样10、测试室20、滑动加载部件30、第一导孔41、第二导孔42、第一软管43、第二软管44、第一渗水孔45、第二渗水孔46、固定板51、装样架52、第一刚性加载板301、第二刚性加载板302、第三刚性加载板303、第四刚性加载板304、第一紧固件305、第二紧固件306、第三紧固件307、第四紧固件308、第一连接件309、第二连接件310、第三连接件311、第四连接件312、第一滑动块313、第二滑动块314、第三滑动块315、第四滑动块316、第一应力传感器317、第二应力传感器318、第三应力传感器319、第四应力传感器320、第一加载活塞321、第二加载活塞322、第三加载活塞323、第四加载活塞324、第一螺丝325、第二螺丝326、第一凹槽511、第二凹槽512、第一u形槽513、第二u形槽514、第三u形槽515、第一横梁521、第二横梁522。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

参照图1所示，为本实用新型一实施例橡胶薄膜外包加载板的刚柔复合真三轴加载装置的结构示意图，包括滑动加载部件30和橡胶薄膜；其中，滑动加载部件30包括四个刚性加载板。四个刚性加载板分别为第一刚性加载板301、第二刚性加载板302、第三刚性加载板303和第四刚性加载板304，四个刚性加载板以彼此可相对滑动的方式搭接围成一个具有中央容置空间的边框，由四个刚性加载板形成的中央容置空间用于容纳岩土试样10，使岩土试样10夹持在四个刚性加载板中间。采用彼此可相对滑动的搭接方式具体为，第三刚性加载板303的下端位于第四刚性加载板304的上表面之上，而另一端悬置，从而第三刚性加载板303可以沿加载板304的上表面滑动。其余的刚性加载板以同样的方式依次搭接。四个刚性加载板包括两个垂直板和两个水平板，第二刚性加载板302、第四刚性加载板304为垂直板，用于为岩土试样10施加垂直方向荷载，第一刚性加载板301、第三刚性加载板303为水平板，用于为岩土试样10施加水平方向荷载。

参照图1中所示，滑动加载部件30还包括分别作用于四个刚性加载板上的加载活塞，将四个加载活塞分别与四个刚性加载板的中间位置连接，使加载活塞向与其连接的刚性加载板施加载荷。四个加载活塞分别为第一加载活塞321、第二加载活塞322、第三加载活塞323以及第四个加载活塞324。作为一优选方式，四个加载活塞可通过电机系统驱动。四个刚性加载板分别对应连接一个加载活塞，即第一加载活塞321与第一刚性加载板301连接，第一加载活塞321向第一刚性加载板301施加载荷；第二加载活塞322与第二刚性加载板302连接，第二加载活塞322向第二刚性加载板302施加载荷；第三加载活塞323与第三刚性加载板303连接，第三加载活塞323向第三刚性加载板303施加载荷；第四加载活塞324与第四刚性加载板304连接，第四加载活塞324向第四刚性加载板304施加载荷。

采用四个刚性加载板分别朝四个方向彼此搭接围成一个具有中央容置空间的边框的方式搭接，使得它们在加载活塞的作用下，可沿水平方向和垂直方向彼此滑动，从而使得随着该岩土试样10在载荷的作用下发生应变后，该中央容置空间也会随之变小，从而保证载荷一直施加在该岩土试样10上。

滑动加载部件30包括四个紧固件，四个紧固件分别为第一紧固件305、第二紧固件306、第三紧固件307以及第四紧固件308，四个紧固件分别对应设置于每个刚性加载板的外侧，与每个刚性加载板固接，且四个紧固件位于橡胶薄膜的外侧。即第一紧固件305设置于第一刚性加载板301的外侧，第二紧固件306设置于第二刚性加载板302的外侧，第三紧固件307设置于第三刚性加载板303的外侧，第四紧固件308设置于第四刚性加载板304的外侧，由四个刚性加载板与四个紧固件之间构成一个组合加载体系。

将橡胶薄膜包裹于四个刚性加载板及岩土试样10的外部，且橡胶薄膜位于刚性加载板和紧固件之间，通过紧固件夹紧橡胶薄膜，从而起到密封岩土试样10的作用。从而将岩土试样10和四个刚性加载板封装在一立方体形的橡胶薄膜(图中未示出)中，从而也形成一个立方体形，使岩土试样10由滑动加载部件30所夹持。橡胶薄膜沿垂直于边框两侧的方向向岩土试样10施加载荷，使得在没有设置刚性加载板的其余两个方向，通过水压施加的荷载(柔性荷载)，水压是直接作用在另外两个方向的橡胶薄膜上面的。在具体实施的过程中，将上述加载装置放置在测试室20内，实验过程是在该测试室20内中进行，在实验过程中该测试室20内会被水填满，用于施加另外两个方向的水压(也就是柔性荷载)。

在其他优选实施例中，每个紧固件包括一长方形板，长方形板上设有两个螺丝，参照图3a中所示，分别是第一螺丝325、第二螺丝326，通过扭紧第一螺丝325、第二螺丝326使橡胶薄膜内部处于一个密封的状态。该长方形板的长度与刚性加载板的长度相匹配，在长方形板的中央开有一个与连接件相同大小的孔，连接件可穿过该孔，使紧固件能刚好套在连接件上。

在其他优选实施例中，为了保证在四个刚性加载板滑动之后，该加载活塞321、322、323、324仍然作用于岩土试样10的中心位置，从而保证该岩土试样10的应力均匀，上述四个加载活塞与四个刚性加载板之间通过滑动块来实现滑动连接。滑动加载部件30还包括四个连接件和四个滑动块，连接件与滑动块采用可拆卸式连接。为了便于滑动块与刚性加载板之间的连接，可以在第一连接件309、第二连接件310、第三连接件311以及第四连接件312的另一端设有螺纹，与第一滑动块313、第二滑动块314、第三滑动块315、第四滑动块316通过螺母进行连接。在装样的过程中连接件与滑动块是分离的，装样结束后通过扭紧滑动块与连接件之间的螺丝，使得连接件与滑动块固接在一起传递荷载。由于滑动块的存在，使得滑动加载部件在加载活塞的作用下，可沿水平方向和垂直方向彼此相对滑动。

参照图1所示，第一连接件309、第二连接件310、第三连接件311以及第四连接件312的一端分别与第一刚性加载板301、第二刚性加载板302、第三刚性加载板303、第四刚性加载板304的外侧固接，用于对刚性加载板传递荷载。

第一滑动块313设置于第一刚性加载板301与第一加载活塞321之间，第一加载活塞321与第一滑动块313通过滑动轴承实现滑动连接，第一滑动块313通过第一连接件309与第一刚性加载板301固接；参照图2a、2b和2c所示，第二滑动块314设置于第二刚性加载板302与第二加载活塞322之间，第二加载活塞322与第二滑动块314通过滑动轴承实现滑动连接，第二滑动块314通过第二连接件310与第二刚性加载板302固接；第三滑动块315设置于第三刚性加载板303与第三加载活塞323之间，第三加载活塞323与第三滑动块315通过滑动轴承实现滑动连接，第三滑动块315通过第三连接件311与第三刚性加载板303固接；第四滑动块316设置于第四刚性加载板304与第四加载活塞324之间，第四加载活塞324与第四滑动块316通过滑动轴承实现滑动连接，第四滑动块316通过第四连接件312与第四刚性加载板304固接。在具体实施的过程中，每个连接件与滑动块在装样的过程中是分离的，装样结束后通过扭紧滑动块与连接件之间的螺丝，使得连接件与滑动块固接在一起传递荷载。

上述实施例中通过四个加载活塞与四个刚性加载板之间通过滑动块来实现滑动连接，可以确保在四个刚性加载板滑动之后，使四个加载活塞仍然作用于岩土试样10的中心位置，从而保证该岩土试样10的应力均匀，上述每个滑动块与每个刚性加载板固接，与加载活塞沿岩土试样10的应变方向滑动连接。这样可以在岩土试样10发生应变而刚性加载板发生滑动后，通过滑动该滑动块带动连接件以及刚性加载板滑动，使加载活塞传来的力始终位于变形后的中央容置空间的中央位置，可以保证将载荷施加在岩土试样10的中央位置，确保了岩土内部的均匀分布。

在其他部分实施例中，加载装置还包括应力传感器和位移传感器。应力传感器，用于感测加载装置作用在岩土试样10上的载荷大小。位移传感器，用于感测载荷作用下岩土试样10的应变。

为了测定第一加载活塞321、第二加载活塞322、第三加载活塞323及第四加载活塞324施加到各第一刚性加载板301、第二刚性加载板302、第三刚性加载板303、第四刚性加载板304上的载荷，在测试室20内部设有第一应力传感器317、第二应力传感器318、第三应力传感器319和第四应力传感器320，第一应力传感器317、第二应力传感器318、第三应力传感器319、第四应力传感器320均呈环形，分别固结在第一加载活塞321、第二加载活塞322、第三加载活塞323及第四应力传感器320上，将其中两个固接于施加水平荷载方向的加载活塞，另外两个位于施加垂直载荷方向的加载活塞。

另外，为了测量该岩土试样10在载荷作用下的应变，在第二加载活塞322、第四加载活塞324上分别设置位移传感器(图中未示出)，用于测量垂直方向的位移。其余两个水平方向上第一加载活塞321、第三加载活塞323用于施加水平方向的压力，同样也设置位移传感器(图中未示出)，用于测量水平方向的位移。

在其他优选实施例中，对于特定的测试方案，滑动加载部件30可以作出适当调整。例如，在作用于封闭岩土试样10上下两方向(施加垂直载荷方向)的刚性加载板上，即在第二刚性加载板302、第四刚性加载板304分别开有第一渗水孔45、第二渗水孔46，岩土试样10中水通过第一渗水孔45、第二渗水孔46排入第二连接件310、第四连接件312中。第二连接件310与第四连接件312中分别设有一导管，用于连接渗水孔与导孔，从渗水孔进入的水再通过第二连接件310、第四连接件312上的第一导孔41、第二导孔42和与第一导孔41、第二导孔42相连的塑料第一软管43、第二软管44连接到该测试室20的外部。该塑料第一软管43、第二软管44可用于在排水剪切试验中测量排水，或者在不排水试验中测量水的压力。

在其他优选实施例中，结合图5a、图5b、图5c及图7所示，加载装置还包括装样部件，装样部件包括固定板51和装样架52，固定板51设置于装样架52上，固定板51的底部设有两个凹槽，分别为第一凹槽511、第二凹槽512，用于卡接装样架52。

参照图4a、图4b及图4c所示，装样架52包括第一横梁521和第二横梁522，两个横梁组成一个导轨；将固定板51放置在装样架52上，将固定板51的第一凹槽511、第二凹槽512分别卡接在第一横梁521和第二横梁522上，使固定板51可沿导轨的方向滑动，而装样架52的底端伸直三轴室内。

参照图3a、图3b及图3c所示，在固定板51上设有三个u形槽，分别为第一u形槽513、第二u形槽514及第三u形槽515，三个u形槽用于卡接滑动加载部件30。在具体实施时，参照图6a、图6b、图6c及图8所示，在装样时，将位于下部的第四刚性加载板304放置在固定板51上，与下部的第四刚性加载板304相连的第四连接件312通过固定板51上的第一u形槽513卡接于固定板51上，另外将第一螺丝325、第二螺丝326分别卡接于第二u形槽514、第三u形槽515内。四个方向的第一刚性加载板301、第二刚性加载板302、第三刚性加载板303以及第四刚性加载板304与岩土试样10是在固定板51上实现搭接并安装完成的。通过滑动固定板51将岩土试样10与加载板送入三轴室内，再通过扭紧连接件和滑动块上的螺丝来完成装样。

本实施例中装样过程需要有外部的装样装置作为依托来进行，在外部的装样装置上进行装样，试样封闭完成之后，通过该装样装置将其送入试验舱室内，再与四个方向的滑动装置连接。能使得刚性加载板、连接件、紧固件构成的整体能够精准的进入试验室内，并能够精准的与滑动装置连接。

上述实施例的加载装置由于使用了四个刚性加载板和橡胶薄膜来加载应力，从而克服了只用刚性板和只用橡胶薄膜加载的缺陷。同时，本实用新型设计的加载装置巧妙地将橡胶薄膜设计与刚性加载板之外，通过与刚性加载板相连的加载活塞施加荷载，可以直接测得孔隙水压，并且可以实现剪切时土样在该方向上所受压力小于围压室内水压，可以进行0～360度的任意lode角试验。在剪切过程中，lord角取0-360不同的值时，sig1(σ1)是指垂直向的刚性板压力、sig2(σ2)是指围压室中的水压大小、sig3(σ3)是指水平向的刚性板压力，sig2(σ2)、sig3(σ3)的变化大小是与sig1(σ1)的变化大小有关的，sig2(σ2)和sig3(σ3)都是随着sig1(σ1)的变化而变化的，只是不同lord角对应的变化规律不同，例如：取剪切初始阶段每个方向的应力大小为100kpa，那不同lord角下剪切时的应力变化为：当取0度lord角：sig1(σ1)若+50kpa、sig2(σ2)则-25kpa、sig3(σ3)则-25kpa；当取30度lord角：sig1(σ1)若+50kpa、sig2(σ2)则不变、sig3(σ3)则-50kpa；当取60度lord角：sig1(σ1)若+50kpa、sig2(σ2)则+50kpa、sig3(σ3)则-100kpa；可以得到，在有的lord角下(比如60度)，围压室中的水压大小(sig2(σ2)＝100+50＝150kpa)是比水平向的刚性板压力(sig3(σ3)＝100-100＝0kpa)大很多的。像一般的复合真三轴仪的橡胶膜只能包裹住土样，刚性板在橡胶膜外，这样，水平方向刚性板施加在土样上的应力等于压力室内水压与刚性板压力之和，所以不能小于围压室中的水压。然而本实施例中加载装置把刚性加载板包裹在橡胶膜内，可以实现剪切时土样在该方向上所受的压力小于围压室内水压值，这样就能进行0-360度任意lord角的试验。

以上所述，仅以举例的方式描述了本实用新型，但本实用新型并不限于此。因此，本实用新型的保护范围由随附的权利要求书确定。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。