一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统

本发明涉及岩土力学与岩土工程试验设备领域，尤其是涉及一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统。

背景技术：

1、在岩土工程试验设备技术领域，传统试验装置通过不同加载方式研究岩体材料力学特性，如常规动直剪仪通过对下剪切盒施加水平推力使上下剪切盒内的试样产生相对位移，以研究岩土颗粒材料的界面剪切特性；常规动三轴试验仪通过对试样施加轴向力和周围压力，以研究岩土颗粒材料的力学特性，而常规动三轴试验仪轴向加载频率较低，一般不超过10hz，实际工程中如高铁行车荷载频率可达50hz，且随着高铁行驶速度的不断提升，荷载频率会更大，常规动三轴试验仪可研究对象范围较为局限。

2、因此，现有设备功能较为单一，无法实现在一台试验装置上实现多种试验功能。此外，上述试验设备仍是以宏观角度研究岩土颗粒材料力学特性，分析尺度较为单一，难以分析试样细观变形过程及其破坏状态，而目前分析岩土颗粒材料细观力学特性的手段多以离散元数值模拟为主，数值模拟存在较大不确定性，试验结果准确性尚待考证，因此通过室内试验手段研究岩土颗粒材料的细观力学特性是必要的。综上所述，亟需一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在设备功能和探究角度单一的缺陷而提供一种可在同一试验装置上实现三轴试验功能、直剪试验功能和单颗粒试验功能的、适用于高速交通岩土颗粒材料跨尺度力学特性探究的试验系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统，包括竖向加载结构、水平加载结构、三轴压力室、用于固定竖向加载结构和水平加载结构相对位置的反力支撑架，以及用于支撑系统的水平底座板；所述三轴压力室内设有可更换的三轴试样单元和试样剪切单元，所述试样剪切单元包括堆叠且连通的上直剪盒和下直剪盒，所述竖向加载结构用于向三轴试样单元和剪切单元进行竖向加载，并获取试样的竖向位移和竖向载荷，所述水平加载结构用于向试样剪切单元进行水平加载，并获取试样的水平位移。

4、优选地，所述反力支撑架包括水平承台与位于同一平面内的竖向反力架、水平反力架和液压伸缩杆；

5、所述水平承台固定在水平底座板上，用于支撑固定三轴压力室，所述水平反力架的一端固定在水平承台上，另一端固定在水平底座板上，所述水平加载结构固定在水平反力架的右端，所述竖向反力架的下端可转动固定在水平承台上，所述竖向加载结构固定在竖向反力架的上端，所述液压伸缩杆的一端可转动固定在水平反力架的右端，另一端可转动连接竖直反力架的上端，用于调节竖直反力架的角度。

6、优选地，所述三轴压力室包括多功能试验底座，所述多功能试验底座可移动固定在水平承台上，所述多功能试验底座的上端设有定位端头，所述三轴试样单元和试样剪切单元的下端设有与定位端头相配合定位孔，所述多功能试验底座驱动连接水平加载结构。

7、优选地，所述多功能试验底座的下方设有水平滑轨，所述滑轨内侧设有与多功能试验底座形状相配合的滑轮槽，所述多功能试验底座沿着滑轮槽移动，所述滑轮槽的方向与水平加载结构的加载方向相同。

8、优选地，所述水平加载结构和多功能试验底座之间设有水平加载顶杆，所述水平加载顶杆的一端驱动连接水平加载结构，另一端连接多功能试验底座，用于带动多功能试验底座和下直剪盒沿滑轮槽移动。

9、优选地，所述竖向加载结构包括动力单元、竖向加载顶杆、压力传感器和竖向位移传感器，所述动力单元驱动连接竖向加载顶杆，所述压力传感器和竖向位移传感器固定在竖向记载顶杆的前端，所述竖向记载顶杆位于三轴试样单元或试样剪切单元的正上方。

10、优选地，所述三轴压力室还包括导向框架和导向块，所述导向框架垂直固定在多功能试验底座上，所述导向框架上设有与导向块相配合的竖向导向孔，所述导向块滑动设置在导向孔内，所述导向块的一端连接竖向加载顶杆，另一端连接压力传感器和竖向位移传感器。

11、优选地，所述导向框架包括相互垂直连接的导向柱和导向板，所述导向柱的下端垂直固定在多功能试验底座上，所述导向板可滑动固定在导向柱的上端，所述导向板通过螺栓可调节固定在导向柱的上端，所述导向孔设置在导向板的上。

12、优选地，该系统还包括控制模块，所述控制模块连接竖向加载结构和水平加载结构，用于控制竖向加载结构和水平加载结构的加载频率或加载方式，所述竖向加载结构的加载频率小于或等于50赫兹。

13、优选地，所述水平底座板上设有吊环，所述吊环的数量为多个，各个吊环对称设置在水平底座板的四端。

14、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

15、(1)本方案通过竖向加载结构配合三轴试样单元进行加载检测，实现三轴实验功能；将试样放入直剪盒内或将单颗粒试样放置在上直剪盒和下直剪盒内，再配合竖向加载结构和水平加载结构进行加载检测，实现直剪实验功能和单颗粒实验功能。系统具有较广的适用范围，且能够从多角度对试样进行分析，根据实时获取的数据进行分析，实验结果的准确性更高，且各种功能的切换简单实现方便。

16、(2)本方案中通过在多功能试验底座的上方设置导向框架和对应的导向块，导向块位于多功能试验底座的正上方，竖向加载结构带动导向块对三轴试样单元和试样剪切单元的上方进行竖向加载，通过导向框架和导向块配合，保证了竖向加载结构加载的稳定性和载荷方向的准确性。

17、(3)本方案中通过控制模块对竖向加载结构和水平加载结构进行控制，配合液压缸驱动的方式，使得竖向加载结构能够达到最高50hz的加载频率，水平加载结构能够进行水平单向加载，解决了现有系统受加载频率限制，导致研究范围受限的问题。

技术特征：

1.一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统，其特征在于，包括竖向加载结构(1)、水平加载结构(12)、三轴压力室(6)、用于固定竖向加载结构(1)和水平加载结构(12)相对位置的反力支撑架，以及用于支撑系统的水平底座板(1)；所述三轴压力室(6)内设有可更换的三轴试样单元(9)和试样剪切单元，所述试样剪切单元包括堆叠且连通的上直剪盒(25)和下直剪盒(26)，所述竖向加载结构(1)用于向三轴试样单元(9)和剪切单元进行竖向加载，并获取试样的竖向位移和竖向载荷，所述水平加载结构(12)用于向试样剪切单元进行水平加载，并获取试样的水平位移。

2.根据权利要求1所述的一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统，其特征在于，所述反力支撑架包括水平承台(13)与位于同一平面内的竖向反力架(3)、水平反力架(14)和液压伸缩杆(10)；

3.根据权利要求2所述的一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统，其特征在于，所述三轴压力室(6)包括多功能试验底座(23)，所述多功能试验底座(23)可移动固定在水平承台(13)上，所述多功能试验底座(23)的上端设有定位端头，所述三轴试样单元(9)和试样剪切单元的下端设有与定位端头相配合定位孔，所述多功能试验底座(22)驱动连接水平加载结构(12)。

4.根据权利要求3所述的一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统，其特征在于，所述多功能试验底座(23)的下方设有水平滑轨(22)，所述滑轨内侧设有与多功能试验底座(23)形状相配合的滑轮槽(28)，所述多功能试验底座(23)沿着滑轮槽(28)移动，所述滑轮槽(28)的方向与水平加载结构(12)的加载方向相同。

5.根据权利要求4所述的一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统，其特征在于，所述水平加载结构(12)和多功能试验底座(23)之间设有水平加载顶杆(24)，所述水平加载顶杆(24)的一端驱动连接水平加载结构(12)，另一端连接多功能试验底座(23)，用于带动多功能试验底座(23)和下直剪盒(26)沿滑轮槽(28)移动。

6.根据权利要求3所述的一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统，其特征在于，所述竖向加载结构(1)包括动力单元、竖向加载顶杆(18)、压力传感器(8)和竖向位移传感器(19)，所述动力单元驱动连接竖向加载顶杆(18)，所述压力传感器(8)和竖向位移传感器(19)固定在竖向记载顶杆(18)的前端，所述竖向记载顶杆(18)位于三轴试样单元(9)或试样剪切单元的正上方。

7.根据权利要求6所述的一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统，其特征在于，所述三轴压力室(6)还包括导向框架(5)和导向块(4)，所述导向框架(5)垂直固定在多功能试验底座(23)上，所述导向框架(5)上设有与导向块(4)相配合的竖向导向孔，所述导向块(4)滑动设置在导向孔内，所述导向块(4)的一端连接竖向加载顶杆(18)，另一端连接压力传感器(8)和竖向位移传感器(19)。

8.根据权利要求7所述的一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统，其特征在于，所述导向框架(5)包括相互垂直连接的导向柱和导向板，所述导向柱的下端垂直固定在多功能试验底座(23)上，所述导向板可滑动固定在导向柱的上端，所述导向板通过螺栓可调节固定在导向柱的上端，所述导向孔设置在导向板的上。

9.根据权利要求1所述的一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统，其特征在于，该系统还包括控制模块，所述控制模块连接竖向加载结构(1)和水平加载结构(12)，用于控制竖向加载结构(1)和水平加载结构(12)的加载频率或加载方式，所述竖向加载结构(1)的加载频率小于或等于50赫兹。

10.根据权利要求1所述的一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统，其特征在于，所述水平底座板(1)上设有吊环(17)，所述吊环(17)的数量为多个，各个吊环(17)对称设置在水平底座板(1)的四端。

技术总结
本发明涉及一种多功能、跨尺度的岩土颗粒材料力学试验系统，包括竖向加载结构、水平加载结构、三轴压力室、用于固定竖向加载结构和水平加载结构相对位置的反力支撑架，以及用于支撑系统的水平底座板；所述三轴压力室内设有可更换的三轴试样单元和试样剪切单元，所述试样剪切单元包括堆叠且连通的上直剪盒和下直剪盒，所述竖向加载结构用于向三轴试样单元和剪切单元进行竖向加载，并获取试样的竖向位移和竖向载荷，所述水平加载结构用于向试样剪切单元进行水平加载，并获取试样的水平位移。与现有技术相比，本发明具有功能性强、竖向加载频率高等优点。

技术研发人员：肖军华,薛立华,白英琦,刘志勇,戴鸣,刘孟波
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12