应力梯度自动化加载装置的制作方法

本实用新型涉及一种岩体力学性能测试装置，尤其涉及一种应力梯度自动化加载装置。

背景技术：

人类必须向地球深部进军,已成为全球科学家的共识，当前制约岩体深部工程的因素主要是“三高一扰动”即为高地应力,高地温,高渗透压、以及强烈开采扰动。岩体的稳定性研究是深部工程开展的前提，为此，国内外学者广泛开展了到高地应力下岩石在高地温、高渗透压及开采扰动下的力学响应的探索。当前对于岩石在高应力下岩石对不同影响因素的响应的研究过程中，施加的应力通常是恒定的，然而，无论是采矿巷道、硐室工程，隧道工程，或者人防工程等，围岩周边受到的压力均为梯度应力。现有的研究没能反映岩石的真实受力状况，这导致了岩石力学的实验室研究与现场应用的脱节，制约了岩石工程的发展。当前对于在应力梯度下其他因素对于岩石力学性质及稳定性的影响仅限于数值计算，究其原因在于没能开发出一套在岩石静态、动态力学实验中施加应力梯度的关键设备。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种能够对岩石试样施加梯度应力的应力梯度自动化加载装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种应力梯度自动化加载装置，包括刚性框架，刚性框架内设有四个刚性加载侧板，四个刚性加载侧板围成方形加载腔，刚性框架上还设有将方形加载腔两端封闭的端盖，加载腔内匹配安装有传力组件，传力组件的中部形成有圆柱形的试样装载腔，传力组件包括弹性圆柱套管、套设在弹性圆柱套管外的弹性圆台以及套设在弹性圆台外的方形弹性体，还包括设置于刚性框架内分别对四个刚性加载侧板施力的加载系统。

进一步的，加载系统包括分别设置在四个刚性加载侧板外侧的四个液压缸。

进一步的，四个刚性加载侧板的内侧面上均设有滑槽，四个刚性加载侧板通过滑槽顺次滑动连接，位于液压缸两侧的刚性加载侧板上的滑槽的延伸方向与该液压缸的加载方向平行。

进一步的，端盖采用钢化玻璃制作。

进一步的，加载系统还包括液压工作站，四个液压缸通过分管连接至液压工作站，各分管上均设有管路开关和压力表。

一种加载方法，使用上述加载装置，包括如下步骤：

步骤一：首先将弹性圆台、方形弹性体依次套在弹性圆柱套管外组成传力组件，将所需测试的试样放入弹性圆柱套管中，最后将传力组件放置在四块刚性加载侧板之间并将端盖固定于刚性框架上；

步骤二：启动液压工作站和液压控制开关，使得液压油沿分管传入液压缸，液压缸带动刚性加载侧板相向运动，实现加载腔内方形弹性体的加压，进而实现弹性圆台的加压；

步骤三：当需要对试样进行轴向应力梯度加载轴向均匀加载时，调节管路开关，参照压力表使得液压缸的压力相等，以实现试样的周向均压加载，同时由于弹性圆台的轴向外径不同，造成的弹性圆台变形不同，试样的轴向方向的应力也不同，实现试样截面周向压力相同的情况下轴向应力梯度加载；

当需要对试样进行轴向应力梯度加载周向非均匀加载时，调节管路开关，参照压力表使得各液压缸的压力不相等，进而实现弹性圆台截面周向不同方向应变的不同，由于弹性圆台变形不同施加到试样上的应力也不同，以此实现试样周向压力不同情况下的轴向应力梯度加载。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

本实用新型以弹塑性力学为基础，通过调节加载系统施加到各加载侧板的压力，实现弹性圆柱套管周边的均压或偏压加载，以此实现试样周向的均压或偏压加载，此外，由于弹性圆台的轴向外径不同，造成的弹性圆台变形不同，试样的轴向方向的应力也不同，可以实现试样的轴向应力梯度加载，为应力梯度下岩石等材料的力学测试提供设备基础，具有结构简单，运行可靠的优点。

附图说明

图1为实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，一种应力梯度自动化加载装置，包括刚性框架1，刚性框架1内设有四个刚性加载侧板3，四个刚性加载侧板3围成方形加载腔6，刚性框架1上还设有将方形加载腔6两端封闭的端盖14，加载腔6内匹配安装有传力组件，传力组件的中部形成有圆柱形的试样装载腔，传力组件包括弹性圆柱套管8、套设在弹性圆柱套管8外的弹性圆台7以及套设在弹性圆台7外的方形弹性体5，还包括设置于刚性框架1内分别对四个刚性加载侧板3施力的加载系统。

具体的，加载系统包括液压工作站9以及分别设置在四个刚性加载侧板3外侧的四个液压缸2，各液压缸2均固定在刚性框架1上且加载杆与对应的刚性加载侧板3连接，四个液压缸2通过分管12连接至液压工作站9，各分管12上均设有管路开关13和压力表11，通过将调整液压缸2，使得施加在相互垂直的两刚性加载侧板3上力不同，可以实现套管内试样不同的方向上、不同大小的力的加载。

本实用新型以弹塑性力学为基础，通过调节加载系统施加到各加载侧板的压力，实现弹性圆柱套管8周边的均压或偏压加载，以此实现试样周向的均压或偏压加载，此外，由于弹性圆台7的轴向外径不同，造成的弹性圆台7变形不同，试样的轴向方向的应力也不同，可以实现试样的轴向应力梯度加载，为应力梯度下岩石等材料的力学测试提供设备基础，具有结构简单，运行可靠的优点。此外，通过在保证圆台中部通孔直径相等的情况下，改变圆台的锥角可以实现不同梯度的应力加载。

本实施例中，弹性圆柱套管8、弹性圆台7以及方形弹性体5均可以采用橡胶材质制作，端盖14可以采用钢化玻璃制作，便于对试样加载过程进行观察。

需要说明的是，在实际设计中，弹性圆台7为两端直径不同的弹性体，中心通孔的直径需满足使得圆柱形试样置于其中受到较小的围压。套管自然状态下的内径小于测试试样的直径，套管的外径稍大于弹性圆台7的中心通孔的内径，以避免在施加压力的过程中褶皱的出现。

优选的，弹性圆柱套管8、弹性圆台7以及方形弹性体5的长度一致且、两端分别与端盖14相抵接，从而可以避免套管、弹性圆台等在施加力的过程中出现侧向位移。

作为本实用新型的一种优选方案，本实施例加载装置，四个刚性加载侧板3的内侧面上均设有滑槽4，两个四个刚性加载侧板3通过滑槽4顺次滑动连接，位于液压缸2两侧的刚性加载侧板3上的滑槽4的延伸方向与该液压缸的加载方向平行，刚性加载侧板3具体的拼接方式为：四个刚性加载侧板3两两组合形成L形组件，L形组件中的两个刚性加载侧板3通过滑槽滑动连接，L形组件的两自由端通过滑槽与另一L形组件的自由端滑动对接，从而形成方形加载腔6。加载时，液压缸2带动相对的两刚性加载侧板3沿滑槽4相向运动实现试样的加载，刚性加载侧板3通过滑槽滑动连接，加载室的长度和宽度可以通过调整相对的两刚性加载侧板的距离实现灵活调节。

一种使用上述加载装置的加载方法，包括如下步骤：

当需要对试样进行轴向应力梯度加载周向非均匀加载时，调节管路开关，参照压力表使得各液压缸的压力不相等，进而实现弹性圆台截面周向不同方向应变的不同，由于弹性圆台变形不同施加到试样上的应力也不同，以此实现试样周向压力不同情况下的轴向应力梯度加载。

步骤一：首先将弹性圆台7、方形弹性体5依次套在弹性圆柱套管8外组成传力组件，将所需测试的试样放入弹性圆柱套管8中，最后将传力组件放置在四块刚性加载侧板3之间并将端盖14固定于刚性框架上；

步骤二：启动液压工作站9和液压控制开关10，使得液压油沿分管12传入液压缸2，液压缸2带动刚性加载侧板3相向运动，实现加载腔内方形弹性体5的加压，进而实现弹性圆台7的加压；

步骤三：当需要对试样进行轴向应力梯度加载轴向均匀加载时，调节管路开关，参照压力表13使得液压缸2的压力相等，以实现试样的周向均压加载，同时由于弹性圆台7的轴向外径不同，造成的弹性圆台7变形不同，试样的轴向方向的应力也不同，实现试样截面周向压力相同的情况下轴向应力梯度加载；

当需要对试样进行轴向应力梯度加载周向非均匀加载时，调节管路开关11，参照压力表13使得各液压缸的压力不相等，进而实现弹性圆台7截面周向不同方向应变的不同，由于弹性圆台7变形不同施加到试样上的应力也不同，以此实现试样周向压力不同情况下的轴向应力梯度加载。

本实施例中通过对加载侧板施加压力的调节，可以调节测压系数(侧向压力与垂直压力的比值)，当测压系数为1时，也即周围千斤顶施加的压力相等的时候，圆柱形的试样装载腔周边应力是相同的，当侧压系数不等于1时，圆柱形的试样装载腔周边的力是不同的，具体大小、最大应力的方向受控于侧向压力与垂直压力的比值大小，通过改变测压系数能够使得平台的同一截面的周向均匀加载或者非均匀加载，这种非均匀加载的如最大主应力、最小主应力大小和方向等也是可以控制的。

上述实施例仅仅是清楚地说明本实用新型所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。