一种粗粒土真三轴加载试验装置及方法与流程

本发明涉及岩体力学试验技术领域，更具体地，涉及一种粗粒土真三轴加载试验装置及方法。

背景技术：

随着现代化经济的发展，土石及地质岩体的性能测试已经广泛应用于岩土工程、建筑材料以及地质灾害研究等领域，而岩石三轴测试在边坡稳定、巷道围岩维护、冲击地压及地震效应等很多领域得到了广泛的应用。

由于路基填方工程、采矿领域和各类工程建设领域产生松散岩土堆积工程中混合岩性分布的复杂性、粒径分布多样性，对于此类岩土堆积工程力学性能测试技术的挑战越来越大，常规尺寸的真三轴测试仪器已经无法不能满足工程的需要。

当前对于岩土材料在真三维应力条件下尺寸效应问题的研究十分匮乏，普遍存在的问题主要包括：

(1)矿山排土场、矸石山、各类建筑工程堆积工程、路基填方等工程中包含有大粒径松散岩土体，常规的岩土试验设备无法进行力学性质的实验室测试，只能进行现场原位试验，试验难度大；

(2)对于已经开发的大型常规土工仪器，由于试件尺寸有限，无法进行大颗粒岩土材料的力学特性试验。

因此，为准确测试得到包含粗粒径岩土在真三维应力条件下的强度变形特性，对现有的真三轴测试进行技术革新，研制一种大尺寸的大型真三轴加载试验装置是十分必要的。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种粗粒土真三轴加载试验装置。

本发明的另一目的在于提供利用上述粗粒土真三轴加载试验装置的试验方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种粗粒土真三轴加载试验装置，包括固定承载框架、滑动承载框架、竖向加卸载机构、水平横向加卸载机构和水平纵向加卸载机构，所述滑动承载框架活动套设在所述固定承载框架内，所述竖向加卸载机构安装在所述固定承载框架顶部，所述水平横向加卸载机构和水平纵向加卸载机构分别安装在所述固定承载框架的横向两侧和滑动承载框架的纵向两侧。

在上述技术方案中，所述竖向加卸载机构包括安装在固定承载框架顶部的竖向加载油缸和设置在所述竖向加载油缸上的竖向荷载均布器，所述水平横向加卸载机构包括安装在固定承载框架横向两侧的水平横向加载油缸和设置在所述水平横向加载油缸上的水平横向荷载均布器，所述水平纵向加卸载机构包括安装在滑动承载框架的纵向两侧的水平纵向加载油缸和设置在所述水平纵向加载油缸上的水平纵向荷载均布器。

优选地，在上述技术方案中，所述竖向加卸载机构还包括伺服作动器和竖向加载板，所述竖向加载板固定设置在竖向荷载均布器上，所述伺服作动器固定设置在所述固定承载框架的顶部，且与所述竖向加载板配合。

进一步优选地，在上述技术方案中，所述伺服作动器为两个，所述伺服作动器的动态负载为100kn。

在上述技术方案中，所述滑动承载框架包括滑动机架总成和滑动传送组件，所述滑动传送组件固定套设在所述固定承载框架的内侧底部，所述滑动机架总成活动设置在所述滑动传送组件上。

优选地，在上述技术方案中，所述滑动承载框架还包括固定设置在所述滑动机架总成纵向侧面的液压马达，用于驱动所述滑动机架总成在滑动传送组件上的纵向滑动。

优选地，在上述技术方案中，所述滑动机架总成包括前承载板、后承载板和设置在前承载板和后承载板之间的连接立柱，所述连接立柱对称设置在前承载板和后承载板的四角，所述前承载板和后承载板采用q345高性能结构钢制成，所述连接立柱采用45号钢制成。

在上述技术方案中，所述固定承载框架为前后两侧开口的矩形桶结构，所述固定承载框架采用q345高性能结构钢制成。

在上述技术方案中，所述竖向加载油缸、水平横向加载油缸和水平纵向加载油缸的最大静态负荷分别为10000kn、6000kn和10000kn，所述竖向加载油缸、水平横向加载油缸和水平纵向加载油缸的行程均为250mm。

本发明还提供利用上述粗粒土真三轴加载试验装置的试验方法，包括：

s1、将滑动承载框架从固定承载框架的正下方移出，按试验要求填土制样，再将滑动承载框架移回固定承载框架的正下方，控制竖向、水平横向和水平纵向预加载力；

s2、可根据不同的加压固结方案进行试验，可在竖向、水平横向和水平纵向三个方向进行应力加载；

具体包括，先施加竖向压力至加载目标，然后保持竖向位移不变，水平横向和水平纵向转为围压控制，设定围压加载目标及加载速度，此外，可根据需要，在竖向、水平横向和水平纵向三个方向的加载力达到稳定时，通过竖向的伺服作动器对试件施加脉动激振力，模拟动态荷载对试样的破坏试验；

s3、卸载竖向、水平横向和水平纵向三个方向的压力，再将竖向转变为变形控制，竖向、水平横向和水平纵向循环卸载直到零，卸下试样。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所提供的粗粒土真三轴加载试验装置通过活动套设在固定承载框架内的滑动承载框架与固定承载框架的配合，同时配备相应的竖向加卸载机构、水平横向加卸载机构和水平纵向加卸载机构，从而实现了对大尺寸试样进行竖向、水平横向和水平纵向的三个方向的应力加载，达到模拟大尺寸模型试样在真三轴应力状态下的变形和破坏特征的目的，彻底解决了现有真三轴试验设备在试样尺寸上的局限性；

(2)本发明所提供的粗粒土真三轴加载试验装置通过在竖向加载板上增设伺服作动器，不仅实现了静应力应变的加载，还实现了某一频率范围内的动荷载施加，有效扩展了其应用范围；

(3)本发明所提供的粗粒土真三轴加载试验装置结构简单且设计合理、易于安装且加载均匀，操作便捷，大大提高了加载试验的稳定性和可靠性，有效克服了现有技术中大型真三轴加载试验装置的缺陷，实际应用前景广阔。

附图说明

图1为根据本发明实施例所提供的一种粗粒土真三轴加载试验装置的正视图；

图2为根据本发明实施例所提供的一种粗粒土真三轴加载试验装置的侧视图；

图中：固定承载框架1，滑动承载框架2(滑动机架总成21，前承载板211，后承载板212，连接立柱213，滑动传送组件22，液压马达23)，竖向加卸载机构3(竖向加载油缸31，竖向荷载均布器32，伺服作动器33，竖向加载板34，)，水平横向加卸载机构4(水平横向加载油缸41，水平横向荷载均布器42)，水平纵向加卸载机构5(水平纵向加载油缸51，水平纵向荷载均布器52)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，并不用来限制本发明的具体保护范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例所提供的一种粗粒土真三轴加载试验装置包括固定承载框架1，滑动承载框架2，竖向加卸载机构3，水平横向加卸载机构4，以及水平纵向加卸载机构5。其中，滑动承载框架2活动套设在固定承载框架1内，竖向加卸载机构3固定安装在固定承载框架1顶部，水平横向加卸载机构4固定安装在固定承载框架1的横向两侧，水平纵向加卸载机构5固定安装在滑动承载框架2的纵向两侧。

在一个实施例中，竖向加卸载机构3包括竖向加载油缸31，竖向荷载均布器32，伺服作动器33和竖向加载板34。如图1和2所示，其中，竖向加载油缸31固定安装在固定承载框架1的顶部，竖向荷载均布器32固定设置在竖向加载油缸31的活塞杆上，竖向加载板34固定设置在竖向荷载均布器32上，伺服作动器33固定设置在固定承载框架1的顶部，且与所述竖向加载板34配合。

水平横向加卸载机构4包括水平横向加载油缸41和水平横向荷载均布器42，水平横向加载油缸41固定安装在固定承载框架1的横向两侧，水平横向荷载均布器42固定设置在水平横向加载油缸41的活塞杆上；类似的，水平纵向加卸载机构5包括水平纵向加载油缸51和水平纵向荷载均布器52，水平纵向加载油缸51固定安装在滑动承载框架2的纵向两侧，水平纵向荷载均布器52固定设置在水平纵向加载油缸51的活塞杆上。

在加载过程中，竖向加载油缸31、水平横向加载油缸41和水平纵向加载油缸51分别通过竖向荷载均布器32、水平横向荷载均布器42和水平纵向荷载均布器52将竖向、水平横向和水平纵向的荷载传递到试件上。

具体地，固定承载框架1为前后两侧开口的矩形桶结构，且采用q345高性能结构钢制成。

具体地，竖向加载油缸31的最大静态负荷和行程分别为10000kn和250mm，水平横向加载油缸41的最大静态负荷和行程分别为6000kn和250mm，水平纵向加载油缸51的最大静态负荷和行程分别为10000kn和250mm。

具体地，伺服作动器33的数量为两个，且伺服作动器的动态负载为100kn。

在加载过程中，当竖向、水平横向和水平纵向三个方向的加载力达到稳定时，竖向的两个伺服作动器可对试件施加脉动激振力，从而实现了对试件施加一个一定频率范围内的动载荷，从而改变了现有真三轴加载试验装置仅能施加静应力的现状。

在另一个实施例中，滑动承载框架2包括滑动机架总成21和滑动传送组件22，滑动传送组件22固定穿设在固定承载框架1的内侧底部，滑动机架总成21活动设置在滑动传送组件22上。

具体地，滑动机架总成21包括前后设置的前承载板211，后承载板212，以及设置在前承载板211和后承载板212之间的四根连接立柱213，上述四根连接立柱213对称设置在前承载板和后承载板的四角；水平纵向加卸载机构5固定安装在滑动机架总成21的前承载板211和后承载板212上。其中，前承载板211和后承载板212均采用q345高性能结构钢焊接制成，四根连接立柱213则采用45号钢制成，并进行热处理和表面电镀处理。

在又一个实施例中，滑动承载框架2还包括液压马达23，液压马达23固定设置在前承载板211的外侧面，用以驱动滑动机架总成21在滑动传送组件22上的滑动。

此外，本发明实施例还提供了上述粗粒土真三轴加载试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：

s1、将滑动承载框架2从固定承载框架1的正下方移出，按试验要求填土制样，再将滑动承载框架2移回固定承载框架1的正下方，控制竖向、水平横向和水平纵向预加载力；

s2、可根据不同的加压固结方案进行试验，可在竖向、水平横向和水平纵向三个方向进行应力加载，具体为，先施加竖向压力至加载目标，然后保持竖向位移不变，水平横向和水平纵向转为围压控制，设定围压加载目标及加载速度，此外，可根据需要，在竖向、水平横向和水平纵向三个方向的加载力达到稳定时，通过竖向的伺服作动器对试件施加脉动激振力，模拟动态荷载对试样的破坏试验；

s3、卸载竖向、水平横向和水平纵向三个方向的压力，再将竖向转变为变形控制，竖向、水平横向和水平纵向循环卸载直到零，卸下试样。

本发明实施例所提供的粗粒土真三轴加载试验装置通过数据采集与控制系统控制，可进行全闭环位移控制，从而保证试验过程中试件的中心不产生偏移；通过固定承载框架与滑动承载框架的配合，同时配备相应的竖向加卸载机构、水平横向加卸载机构和水平纵向加卸载机构，从而实现了对大尺寸试样进行竖向、水平横向和水平纵向的三个方向的应力加载，达到模拟大尺寸模型试样在真三轴应力状态下的变形和破坏特征的目的，彻底解决了现有真三轴试验设备在试样尺寸上的局限性；同时，通过在竖向加载板上增设伺服作动器，还实现了某一频率范围内的动荷载施加，有效扩展了其应用范围；其结构简单且设计合理、易于安装且加载均匀，操作便捷，大大提高了加载试验的稳定性和可靠性，有效克服了现有技术中大型真三轴加载试验装置的缺陷，实际应用前景广阔。

最后，以上仅为本发明的较佳实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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。