一种适用于软弱性岩石的三轴试验装置及方法与流程

本发明涉及机械工程及岩土工程相关技术领域，具体的说，是涉及一种适用于软弱性岩石的三轴试验装置及方法。

背景技术：

随着地下空间的开发与利用，深埋超长大跨度隧洞、水电工程中的大型地下厂房、陡高岩质人工边坡等的开挖越来越多，三向应力状态下岩体的破坏机制研究已经成为岩石力学与工程界的热点。

室内实验时通过岩石三轴试验机对岩石试件进行三个轴向施压，观察记录岩石的力学行为。常规岩石三轴试验机，价格昂贵成本极高，且相关设备占地面积大需占用较大的实验室，同时试验机器质量大不易移动。

岩石三轴试验机可以通过三轴加载获得绝大多数岩石材料的力学属性，而在软弱破碎材质的岩石石块加压试验时，由于部分岩石材料的软弱性在极小的压力下岩石石块就会被压碎，因此常规的三轴油缸加压式试验机不易采集软弱破碎岩石试件的力学参数。而室内试验设备又限制了试样尺寸，所以，需解决能进行不同试样尺寸的三轴试验设备问题，并缩小目前试样尺寸跨度。

综上所述，如何设计一种能够适用于软弱性质岩石三轴加载试验的装置，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适用于软弱性岩石的三轴试验装置。本装置通过设计全新的结构，并采用单轴油缸与另外两轴非油缸加载机构组合的形式进行三轴加压，使其可以十分精确的控制加载力，以实现对软弱性岩石的力学属性研究。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于软弱性岩石的三轴试验装置，包括：

底座，底座上固定连接有支架；

支架顶部与Z轴应力加载机构固定连接；

支架下部将X轴应力加载机构和Y轴应力加载机构支撑；

所述X轴应力加载机构位于Y轴应力加载机构上方，X轴应力加载机构上具有定位块；

其中，所述X轴应力加载机构和Y轴应力加载机构均具有通过丝杠副驱动的加压板。通过丝杠副驱动加压板移动，可以令加压板对软弱性岩石施加合适的压力来便于后续研究。

优选的，所述Y轴应力加载机构为竖直设置的油缸。

优选的，所述X轴应力加载机构包括与所述支架连接的外壳；

外壳内具有驱动电机，驱动电机通过丝杠副驱动两加压板相对或相反运动；

加压板被滑轨副导向；

其中，所述丝杠副中的丝杠为正反丝丝杠。通过正反丝丝杠的运动，可以实现在同一丝杠上的两加压板同步运动。

优选的，所述Y轴应力加载机构包括与所述支架连接的外壳；

外壳内具有驱动电机，驱动电机通过丝杠副驱动两加压板相对或相反运动；

加压板被滑轨副导向；

其中，所述丝杠副中的丝杠为正反丝丝杠。

优选的，所述驱动电机为伺服电机或步进电机。

优选的，所述X轴应力加载机构上具有试样座，试样座内具有定位球；

试样座与定位球形成万向球配合结构；

支撑杆的一端与定位球固定连接，支撑杆的另一端与定位块固定连接。该结构可以使得试样放置于定位块上之后，收到外力时自由移动直至找正中心。

优选的，所述定位块的正投影位于试样座的正投影之内。

优选的，所述油缸的活塞杆上设置有压力传感器，压力传感器与信息采集系统相连接。

优选的，所述加压板上设置有压力传感器，压力传感器与信息采集系统相连接。

在提供上述结构方案的同时，本发明还提供了一种应用上述装置进行试验的方法，主要包括如下步骤：

A、将试样放置于定位块上；

B、令Z轴应力加载机构与试样接触，调平试样；

C、令X轴和Y轴应力加载机构同步运动，直至加压板与试样贴合；

D、令Z轴、X轴和Y轴应力加载机构向试样加压，同时记录加压板位移与试样应力变化。

本发明的有益效果是：

(1)信息采集系统可以自动采集岩石试件的位移和应力信息。

(2)试验装置适用于多尺度岩石试样，实现不同规格尺寸下岩石试件的加载、卸载和流变实验。

(3)侧向应力载荷通过丝杠加压保证了加压的同步性，同时丝杠机构控制提供的低应力可用于软弱破碎岩石试件的加载、卸载、流变实验。

(4)设备结构简单，成本低廉，方便使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中试样座的配合图；

图3是本发明中X轴与Y轴应力加载机构的结构示意图；

图4是本发明的电路原理图；

图5是本发明中试样座的自由状态示意图；

图中：1、支架，2、Z轴应力加载机构，3、Y轴应力加载机构，4、X轴应力加载机构，5、连接板，6、定位块，7、加压板，8、外壳，9、试样，10、支撑杆，11、试样座，12、定位球，13、轴承座，14、第一滑块，15、滑轨，16、正反丝丝杠，17、第二滑块，18、底板，19、驱动电机，20、压力传感器，21、信息采集系统，22、底座。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例：一种适用于软弱性岩石的三轴试验装置，其结构如图1-3所示，包括：

底座22，底座22上固定连接有支架1；所述支架1为中空结构，支架1具有侧板及与侧板固定连接的十字形顶板，十字形顶板下表面的中间部分与Z轴应力加载机构2固定连接。

侧板分为上下两部分，下部分与底座22固定连接，上部分与十字形顶板固定连接，上部分与下部分之间与应力加载机构固定连接。

应力加载机构包括两个，分别是X轴应力加载机构4和Y轴应力加载机构3，所述X轴应力加载机构4位于Y轴应力加载机构3上方。

两应力加载机构的结构是相同的，其相互垂直。任一应力加载机构均包括外壳8，外壳8内部具有底板18，底板18上安装有两个轴承座13，两轴承座13之间安装有正反丝丝杠16，该正反丝丝杠16被驱动电机19驱动，正反丝丝杠16的两侧为滑轨15。

在正反丝丝杠16上正丝和反丝部分，分别安装有第一滑块14及第二滑块17，两滑块内部均具有与所述正丝或反丝相适配的丝母，两滑块均被滑轨15导向。通过驱动电机19的驱动，则两滑块就可以进行相对靠近或相互远离运动了。

同时，每个滑块均与一个连接板5连接，连接板5的顶部与加压板7固定连接。区别在于，Y轴应力加载机构3上的连接板5长度较大，这样才能使得四个加压板7的上下表面均处于同一水平面上。

四个加压板7的结构、大小和材质均相同，这样就能够进一步的提高加载于试样上应力的平均性。同时，每个加压板7内部均安装有压力传感器20，以便于将试样9受到的压力信号传递至信息采集系统21。

作为一种选择，所述在Z轴应力加载机构2可以是油缸，或者是其他具有平面结构加载面的机构，同时，也需要在Z轴应力加载机构2中安装一个压力传感器20。

从便于控制的角度考虑，所述驱动电机19可以选择为步进电机或伺服电机，这样就能够进一步的提高测试精度，便于控制加压板7的行程，来通过加压板7位移的变化、试样9受到的应力变化及破碎情况综合研究试样9的力学特性。

对于不同材质的试样而言，其表面的平整度不尽相同。为了便于试样定心，本装置中还在X轴应力加载机构4上固定连接有一个试样座11，试样座11内具有球型凹槽，凹槽内安装有定位球12，定位球12与试样座11形成万向球结构。同时定位球12与支撑杆10连接，支撑杆10与定位块6固定连接，定位块6用于放置试样。

采用了上述的定位结构后，试样9就可以放置在定位块6上，而定位块6可以自由转动，就能够在压力加载过程中令试样9自动找正中心，提高试样精度的准确性。

参考图5所示，作为更佳的选择，所述定位块6的正投影位于试样座11的正投影之内。这样可以令试样在未受到外力的情况下发生一定的偏转，但是受到重力作用不会从定位块6上滑落。

非常值得注意的是，在进行试验的过程中，必须保证试样的正投影比试样座11的正投影更大，这样才能够保证加压板7能够加压在试样9上而不是加压在试样座11上。

同时为了保证三轴试验的精度，可以加压板7进行减摩措施，它的作用是减小试样与加压板之间的摩擦。即在加压板7和试样面之间贴上夹润滑剂的薄膜，润滑剂可采用黄油与机油的混合物。

利用本装置进行试验的过程如下：

A、将试样9放置于定位块6上；

B、令油缸的活塞杆伸长，直至与试样顶面接触，确保试样上下表面接近水平；

C、令X轴和Y轴应力加载机构的驱动电机19转动，则四个加压板7同步向试样9靠近，直至加压板7与试样9贴合；

D、继续令两个驱动电机转动，并令油缸的活塞杆持续伸长，实现对试样9的三轴加压；加压的过程中，记录加压板7位移与试样9应力变化。

信息采集系统21同时采集3个方向的压力值、试样多个侧面及顶面的变形值，并记录时间。并在软件界面上可随时浏览各个数据及各数据之间形成的图形。贴在加压板上的压力传感器将岩石的位移和压力变化信息以电信号的形式，传输给计算机，通过相应软件实时显示岩石受到的压力值大小。

因为驱动电机可以选择为伺服电机，而伺服电机与计算机能够形成闭环控制，因此可以通过伺服电机的转动圈数计算出加压板的位移，来将加压板的位移同步记录于软件中，进而综合考虑软弱性岩石的力学特性。

采用了上述结构后，本装置可以进行多尺度岩石及混凝土的单轴、双轴试验以及岩体及结构面中型直剪试验，还可以进行中尺寸岩石的真三轴长期流变、剪切流变等试验。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。