本發(fā)明涉及機(jī)械工程及巖土工程相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是涉及一種適用于軟弱性巖石的三軸試驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著地下空間的開(kāi)發(fā)與利用，深埋超長(zhǎng)大跨度隧洞、水電工程中的大型地下廠房、陡高巖質(zhì)人工邊坡等的開(kāi)挖越來(lái)越多，三向應(yīng)力狀態(tài)下巖體的破壞機(jī)制研究已經(jīng)成為巖石力學(xué)與工程界的熱點(diǎn)。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石試件進(jìn)行三個(gè)軸向施壓，觀察記錄巖石的力學(xué)行為。常規(guī)巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，價(jià)格昂貴成本極高，且相關(guān)設(shè)備占地面積大需占用較大的實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)試驗(yàn)機(jī)器質(zhì)量大不易移動(dòng)。

巖石三軸試驗(yàn)機(jī)可以通過(guò)三軸加載獲得絕大多數(shù)巖石材料的力學(xué)屬性，而在軟弱破碎材質(zhì)的巖石石塊加壓試驗(yàn)時(shí)，由于部分巖石材料的軟弱性在極小的壓力下巖石石塊就會(huì)被壓碎，因此常規(guī)的三軸油缸加壓式試驗(yàn)機(jī)不易采集軟弱破碎巖石試件的力學(xué)參數(shù)。而室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備又限制了試樣尺寸，所以，需解決能進(jìn)行不同試樣尺寸的三軸試驗(yàn)設(shè)備問(wèn)題，并縮小目前試樣尺寸跨度。

綜上所述，如何設(shè)計(jì)一種能夠適用于軟弱性質(zhì)巖石三軸加載試驗(yàn)的裝置，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于軟弱性巖石的三軸試驗(yàn)裝置。本裝置通過(guò)設(shè)計(jì)全新的結(jié)構(gòu)，并采用單軸油缸與另外兩軸非油缸加載機(jī)構(gòu)組合的形式進(jìn)行三軸加壓，使其可以十分精確的控制加載力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)軟弱性巖石的力學(xué)屬性研究。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種適用于軟弱性巖石的三軸試驗(yàn)裝置，包括：

底座，底座上固定連接有支架；

支架頂部與Z軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)固定連接；

支架下部將X軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)和Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)支撐；

所述X軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)位于Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)上方，X軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)上具有定位塊；

其中，所述X軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)和Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)均具有通過(guò)絲杠副驅(qū)動(dòng)的加壓板。通過(guò)絲杠副驅(qū)動(dòng)加壓板移動(dòng)，可以令加壓板對(duì)軟弱性巖石施加合適的壓力來(lái)便于后續(xù)研究。

優(yōu)選的，所述Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)為豎直設(shè)置的油缸。

優(yōu)選的，所述X軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)包括與所述支架連接的外殼；

外殼內(nèi)具有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)絲杠副驅(qū)動(dòng)兩加壓板相對(duì)或相反運(yùn)動(dòng)；

加壓板被滑軌副導(dǎo)向；

其中，所述絲杠副中的絲杠為正反絲絲杠。通過(guò)正反絲絲杠的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)在同一絲杠上的兩加壓板同步運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選的，所述Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)包括與所述支架連接的外殼；

外殼內(nèi)具有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)絲杠副驅(qū)動(dòng)兩加壓板相對(duì)或相反運(yùn)動(dòng)；

加壓板被滑軌副導(dǎo)向；

其中，所述絲杠副中的絲杠為正反絲絲杠。

優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)為伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。

優(yōu)選的，所述X軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)上具有試樣座，試樣座內(nèi)具有定位球；

試樣座與定位球形成萬(wàn)向球配合結(jié)構(gòu)；

支撐桿的一端與定位球固定連接，支撐桿的另一端與定位塊固定連接。該結(jié)構(gòu)可以使得試樣放置于定位塊上之后，收到外力時(shí)自由移動(dòng)直至找正中心。

優(yōu)選的，所述定位塊的正投影位于試樣座的正投影之內(nèi)。

優(yōu)選的，所述油缸的活塞桿上設(shè)置有壓力傳感器，壓力傳感器與信息采集系統(tǒng)相連接。

優(yōu)選的，所述加壓板上設(shè)置有壓力傳感器，壓力傳感器與信息采集系統(tǒng)相連接。

在提供上述結(jié)構(gòu)方案的同時(shí)，本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用上述裝置進(jìn)行試驗(yàn)的方法，主要包括如下步驟：

A、將試樣放置于定位塊上；

B、令Z軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)與試樣接觸，調(diào)平試樣；

C、令X軸和Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)，直至加壓板與試樣貼合；

D、令Z軸、X軸和Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)向試樣加壓，同時(shí)記錄加壓板位移與試樣應(yīng)力變化。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)信息采集系統(tǒng)可以自動(dòng)采集巖石試件的位移和應(yīng)力信息。

(2)試驗(yàn)裝置適用于多尺度巖石試樣，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格尺寸下巖石試件的加載、卸載和流變實(shí)驗(yàn)。

(3)側(cè)向應(yīng)力載荷通過(guò)絲杠加壓保證了加壓的同步性，同時(shí)絲杠機(jī)構(gòu)控制提供的低應(yīng)力可用于軟弱破碎巖石試件的加載、卸載、流變實(shí)驗(yàn)。

(4)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，方便使用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中試樣座的配合圖；

圖3是本發(fā)明中X軸與Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的電路原理圖；

圖5是本發(fā)明中試樣座的自由狀態(tài)示意圖；

圖中：1、支架，2、Z軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)，3、Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)，4、X軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)，5、連接板，6、定位塊，7、加壓板，8、外殼，9、試樣，10、支撐桿，11、試樣座，12、定位球，13、軸承座，14、第一滑塊，15、滑軌，16、正反絲絲杠，17、第二滑塊，18、底板，19、驅(qū)動(dòng)電機(jī)，20、壓力傳感器，21、信息采集系統(tǒng)，22、底座。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例：一種適用于軟弱性巖石的三軸試驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，包括：

底座22，底座22上固定連接有支架1；所述支架1為中空結(jié)構(gòu)，支架1具有側(cè)板及與側(cè)板固定連接的十字形頂板，十字形頂板下表面的中間部分與Z軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)2固定連接。

側(cè)板分為上下兩部分，下部分與底座22固定連接，上部分與十字形頂板固定連接，上部分與下部分之間與應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)固定連接。

應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)，分別是X軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)4和Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)3，所述X軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)4位于Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)3上方。

兩應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是相同的，其相互垂直。任一應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)均包括外殼8，外殼8內(nèi)部具有底板18，底板18上安裝有兩個(gè)軸承座13，兩軸承座13之間安裝有正反絲絲杠16，該正反絲絲杠16被驅(qū)動(dòng)電機(jī)19驅(qū)動(dòng)，正反絲絲杠16的兩側(cè)為滑軌15。

在正反絲絲杠16上正絲和反絲部分，分別安裝有第一滑塊14及第二滑塊17，兩滑塊內(nèi)部均具有與所述正絲或反絲相適配的絲母，兩滑塊均被滑軌15導(dǎo)向。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)19的驅(qū)動(dòng)，則兩滑塊就可以進(jìn)行相對(duì)靠近或相互遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)了。

同時(shí)，每個(gè)滑塊均與一個(gè)連接板5連接，連接板5的頂部與加壓板7固定連接。區(qū)別在于，Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)3上的連接板5長(zhǎng)度較大，這樣才能使得四個(gè)加壓板7的上下表面均處于同一水平面上。

四個(gè)加壓板7的結(jié)構(gòu)、大小和材質(zhì)均相同，這樣就能夠進(jìn)一步的提高加載于試樣上應(yīng)力的平均性。同時(shí)，每個(gè)加壓板7內(nèi)部均安裝有壓力傳感器20，以便于將試樣9受到的壓力信號(hào)傳遞至信息采集系統(tǒng)21。

作為一種選擇，所述在Z軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)2可以是油缸，或者是其他具有平面結(jié)構(gòu)加載面的機(jī)構(gòu)，同時(shí)，也需要在Z軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)2中安裝一個(gè)壓力傳感器20。

從便于控制的角度考慮，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)19可以選擇為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，這樣就能夠進(jìn)一步的提高測(cè)試精度，便于控制加壓板7的行程，來(lái)通過(guò)加壓板7位移的變化、試樣9受到的應(yīng)力變化及破碎情況綜合研究試樣9的力學(xué)特性。

對(duì)于不同材質(zhì)的試樣而言，其表面的平整度不盡相同。為了便于試樣定心，本裝置中還在X軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)4上固定連接有一個(gè)試樣座11，試樣座11內(nèi)具有球型凹槽，凹槽內(nèi)安裝有定位球12，定位球12與試樣座11形成萬(wàn)向球結(jié)構(gòu)。同時(shí)定位球12與支撐桿10連接，支撐桿10與定位塊6固定連接，定位塊6用于放置試樣。

采用了上述的定位結(jié)構(gòu)后，試樣9就可以放置在定位塊6上，而定位塊6可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，就能夠在壓力加載過(guò)程中令試樣9自動(dòng)找正中心，提高試樣精度的準(zhǔn)確性。

參考圖5所示，作為更佳的選擇，所述定位塊6的正投影位于試樣座11的正投影之內(nèi)。這樣可以令試樣在未受到外力的情況下發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，但是受到重力作用不會(huì)從定位塊6上滑落。

非常值得注意的是，在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，必須保證試樣的正投影比試樣座11的正投影更大，這樣才能夠保證加壓板7能夠加壓在試樣9上而不是加壓在試樣座11上。

同時(shí)為了保證三軸試驗(yàn)的精度，可以加壓板7進(jìn)行減摩措施，它的作用是減小試樣與加壓板之間的摩擦。即在加壓板7和試樣面之間貼上夾潤(rùn)滑劑的薄膜，潤(rùn)滑劑可采用黃油與機(jī)油的混合物。

利用本裝置進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程如下：

A、將試樣9放置于定位塊6上；

B、令油缸的活塞桿伸長(zhǎng)，直至與試樣頂面接觸，確保試樣上下表面接近水平；

C、令X軸和Y軸應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)19轉(zhuǎn)動(dòng)，則四個(gè)加壓板7同步向試樣9靠近，直至加壓板7與試樣9貼合；

D、繼續(xù)令兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并令油缸的活塞桿持續(xù)伸長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣9的三軸加壓；加壓的過(guò)程中，記錄加壓板7位移與試樣9應(yīng)力變化。

信息采集系統(tǒng)21同時(shí)采集3個(gè)方向的壓力值、試樣多個(gè)側(cè)面及頂面的變形值，并記錄時(shí)間。并在軟件界面上可隨時(shí)瀏覽各個(gè)數(shù)據(jù)及各數(shù)據(jù)之間形成的圖形。貼在加壓板上的壓力傳感器將巖石的位移和壓力變化信息以電信號(hào)的形式，傳輸給計(jì)算機(jī)，通過(guò)相應(yīng)軟件實(shí)時(shí)顯示巖石受到的壓力值大小。

因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)可以選擇為伺服電機(jī)，而伺服電機(jī)與計(jì)算機(jī)能夠形成閉環(huán)控制，因此可以通過(guò)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)計(jì)算出加壓板的位移，來(lái)將加壓板的位移同步記錄于軟件中，進(jìn)而綜合考慮軟弱性巖石的力學(xué)特性。

采用了上述結(jié)構(gòu)后，本裝置可以進(jìn)行多尺度巖石及混凝土的單軸、雙軸試驗(yàn)以及巖體及結(jié)構(gòu)面中型直剪試驗(yàn)，還可以進(jìn)行中尺寸巖石的真三軸長(zhǎng)期流變、剪切流變等試驗(yàn)。

對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)，未予以詳細(xì)說(shuō)明和局部放大呈現(xiàn)的部分，為現(xiàn)有技術(shù)，在此不進(jìn)行贅述。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。