一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩土工程土工试验的技术领域，是一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的试验装置和试验方。
【背景技术】
[0002]三轴试验是土力学方面最重要的试验之一，是岩土工程工作者考察土的工程力学性状、寻求合理设计参数、从事理论研究所不可缺少的试验手段。在进行土坝、边坡等土工建筑物的稳定性计算，土压力问题及地基承载力等问题的研究时，广泛采用的破坏准则为摩尔一库伦破坏准则，而三轴剪切试验是一种广泛应用的可利用摩尔一库伦准则求解相关参数的试验；常规三轴剪切试验及复杂的不同应力路径下三轴剪切试验是研究岩土工程材料的本构模型等问题的重要途径，各大高校和科研院所均在进行不同岩土材料的三轴试验研究。因此，三轴剪切试验仪的应用非常广泛。
[0003]传统的大型三轴剪切试验仪存在以下几个不足:
(1)三轴剪切试验仪的围压室与可移动底座一般通过螺栓进行连接，而螺栓虽然可以解决围压室与可移动底座的连接问题，但是将其运用在大型三轴剪切试验仪上时，普遍存在因螺栓个数较多，连接费时费力且不可避免的存在不同螺栓安装松紧程度不一的问题。
[0004](2)在试样安装过程中，三轴剪切试验仪的围压室与可移动底座的密封措施，一般是通过在可移动底座上的水平面预留凹槽内放置密封圈与围压室的底面在水平方向上通过螺栓进行挤压密封，存在水平凹槽内的土颗粒不易清洗干净等不利因素。而水平凹槽的设计在清洗不彻底情况下，极易损伤密封圈，在造成密封效果差的同时，减少了密封圈的使用寿命。
[0005](3)因研究需要对岩土工程材料进行三轴剪切试验时，传统的三轴剪切试验中试样的尺寸一般取直径高度为300X600mm、200X400mm ,150X300mm的圆柱体，而由于传统的室内三轴剪切仪只能进行一种尺寸(如300 X 600mm)试样的试验，在科研人员或试验方案的需求而进行研究不同尺寸(如200X400mm)试样的力学特性、试样尺寸效应等问题时就需要特定试样尺寸(如200X400mm)的三轴剪切试验仪。因此购置相同试验原理，仅仅试样尺寸不同的三轴剪切试验仪造成了企业营运成本高，高校、科研院所科研经费利用率低，浪费了国家资源。
[0006]本发明提供的三轴剪切试验仪用一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的试验装置和试验方法，只需要利用同一台三轴试验剪切仪的轴向加荷系统、围压施加系统、计算量测等系统，克服了传统三轴试验仪只能对一种尺寸的试样进行试验以及水平密封易造成密封圈损伤的缺陷。
【发明内容】
[0007]本装置的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置和方法，此试验装置能够满足不同尺寸试样的三轴剪切试验，克服了传统三轴试验仪只能对一种尺寸的试样进行试验以及水平密封易造成密封圈损伤的缺陷。
[0008]为实现上述目的，本发明将采用以下材料和技术方案:一种满足不同尺寸试样三轴剪切试验的装置，它包括反力架，反力架的底部设置有动力源，动力源的顶部设置有可移动底座，可移动底座上部设置有下垫块，下垫块上设置有下透水垫，下透水板的顶部安装有试样，试样的外表面设置有乳胶膜，试样的顶部设置有上透水板，上透水板的顶部设置有上垫块，上垫块的顶部通过上定位销定位安装有自平衡球头装置，轴向传力杆穿过围压室上盖与自平衡球头装置的上顶面相接触配合，轴向传力杆和反力架之间设置有轴向传感器，围岩室钢壁的顶端通过上卡扣与围压室上盖固定相连，围岩室钢壁的底端通过下卡扣和可移动底座固定相连。
[0009]所述自平衡球头装置包括自平衡球头上立柱，自平衡球头上立柱与轴向传力杆的下端面相配合，多个对称布置的上螺纹杆固定安装在自平衡球头上立柱的外壁上，自平衡球头下立柱通过球形面与自平衡球头上立柱相配合，多个对称布置的下螺纹杆固定安装在自平衡球头下立柱的外壁上，拉伸弹簧分别设置在上螺纹杆和下螺纹杆之间，自平衡球头下立柱的底部端面加工有定位槽，定位槽内部安装有上定位销并与上垫块相配合。
[0010]所述上垫块的直径和高度能够根据试验需要定制加工，上垫块的上表面加工有上定位槽，上定位槽与上定位销相配合定位，上垫块的下表面加工有下定位槽。
[0011]所述上透水板内部加工有上排水孔，上透水板顶部的定位槽安装有一号定位销，上透水板的侧面加工有上密封槽，上密封环与上密封槽配合固定乳胶膜的上端，上透水板的底端面加工有上透水孔，上透水孔与试样的上端面相配合。
[0012]所述下透水板内部加工有下进水孔，下透水板的顶面加工有下透水孔，下透水板的侧面加工有下密封槽，下密封环与下密封槽配合固定乳胶膜的下端，下透水板的底面加工有定位槽，定位槽内部设置有二号定位销。
[0013]所述上卡扣和下卡扣采用相同的结构，都采用三段剖分式的结构，三段组合成整个圆周；所述下卡扣包括卡扣体，在卡扣体的一个端面设置有卡扣定位销，另一个端面加工有卡扣定位销孔，三段卡扣体首尾相组合构成整个下卡扣。
[0014]所述上卡扣的外部安装有上套环，所述上套环包括套环环体，套环环体的外壁对称安装有套环把手。
[0015]所述下卡扣的外部套装有下套环；所述下套环与上套环的结构相同。
[0016]所述可移动底座的外圆周加工有密封槽，密封槽内部安装有密封圈与围岩室钢壁的内部相配合，可移动底座的右侧加工有贯穿的下排水口和试样进水口，可移动底座的左侧加工有贯穿的围岩室进水口 ；所述试样进水口通过下进水管与下透水板的下进水孔相连通。
[0017]所述上透水板的上排水孔通过排水管与下排水口相连通。
[0018]采用上述三轴剪切试验装置的试验方法，它包括以下步骤:
1)根据试验要求的试样尺寸选择与其相匹配的上垫块、上透水板、下透水板和下垫块。
[0019]2)将乳胶膜的底端通过下密封环固定在下透水板的外壁上，然后将装样的成膜桶安装在乳胶膜的外侧，按照土工试验规程的要求进行制样，制样完成后将上透水板置于试样的顶部，并通过上密封环将乳胶膜的上端固定在上透水板的外侧，从而完成试验制备。
[0020]3)试样制备完成之后，选择合适尺寸的上垫块，将上垫块的上定位槽与上定位销相配合并与自平衡球头装置的自平衡球头下立柱定位配合，从而保证试样、上透水板、上垫块和自平衡球头装置的中心在同一中心线上。
[0021]4)将围岩室钢壁的上下两端分别通过上卡扣和下卡扣固定安装在围压室上盖和可移动底座上，对试样进行试样保护，再将上套环套装在上卡扣的外部，将下套环套装在下卡扣的外部。
[0022]5)将围岩室进水口与进水管相连，将试样进水口也与进水管相连通。
[0023]6)启动动力源再通过软件控制系统完成试验过程，记录实验过程中得到的试验数据，直到试验结束。
[0024]本发明的优点与有益效果在于:
1、不同尺寸的上透水板和下透水板能够满足不同尺寸试样的需求。根据进行试验的试样尺寸选择匹配的上透水板和下透水板。下透水板上设有下进水孔和下透水孔，下进水孔连接进水管；上透水板上设有上排水孔及上透水孔，上排水孔通过排水管连接至可移动底座上的下排水口，下排水口连接至三轴压力室外的体变量测系统，上、下透水板分别设置有上密封槽和下密封槽，通过安装上密封环和下密封环将乳胶膜固定在试样的外侧，起到密封作用。
[0025]2、不同尺寸的垫块能够满足不同尺寸试样的试验需求。根据进行试验的试样尺寸选择匹配的垫块。垫块中心设有上定位槽和下定位槽，通过安装定位稍将垫块安装在可移动底座上，定位槽可确保垫块与垫块连接的透水板和试样的中心位置位于三轴压力室的中心，从而保证试验过程中试样的受理平衡，保证试验的精度。
[0026]3、通过自平衡球头装置保证试验过程的加载力都集中在试样的中心。在试样的上垫块上方设置自平衡球头装置，