[發明專利]一種基于拉壓扭剪耦合的應力路徑三軸儀

有效

• 申請號: 201310064907.X
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103149078A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 李榮建;劉軍定;李海濤;吳利言
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01N3/02
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 李娜

技術領域

本發明屬于巖土工程測試技術領域，用于土體拉、壓、扭剪及其耦合的應力路徑的強度試驗裝置，涉及一種基于拉壓扭剪耦合的應力路徑三軸儀。

背景技術

土是地質作用演變過程的產物，具有多相分散體系的特征，又具有類型的多樣性特征，且性質復雜而多變。土不同于其它諸如金屬、混凝土和塑料等性質具有相對的穩定性和規格化的建筑材料。同一類土，采用不同類型的儀器可能測出的結果不同，而即使采用同類儀器，試驗方法和技巧不同也會產生較大的差異。因此，在土工試驗中由于力學參數的測試差誤，有時可能比計算方法不同引起的差誤更大，這就是人們之所以堅持不懈地從事土工儀器設備的研制、進行試驗方法的探索和改進的原因之一。

由于土體強度試驗以抗剪強度為主要測試方面，此外，對其單軸抗壓特性也已有一定的研究成果。目前現有強度測試設備主要有直剪儀、常規三軸儀、空心扭剪三軸儀、平面應變三軸儀、真三軸儀、單軸抗壓儀等。其中直剪儀只是模擬給定剪切面上的法向應力和切向應力，其操作方便但剪切面限定在上下盒之間，同時剪應力分布不均勻，也不能控制排水條件；常規三軸儀只能模擬軸對稱應力條件，不能實現一般應力條件；空心扭剪三軸儀試驗中土體試樣應力應變分布較均勻，可進行多種應力路徑的試驗，但考慮的應力狀態以壓扭（剪）應力狀態為主，不能考慮拉扭（剪）應力條件；真三軸儀能夠實現三個軸向分別施加不同大小的主應力，三軸軸向產生應變，但是不能模擬拉應力存在條件下各種復雜受力狀態下的強度特性；在單軸抗壓儀試驗過程中，雖然能夠測得土體試驗的單軸抗壓強度，但難以控制排水條件。以上的試驗設備雖然能夠達到試驗設備測試的預期目的，但是都限制了應力路徑的使用范圍，功能較為單一，同時，對于不同的應力路徑下，拉伸試驗以及拉扭（剪）耦合作用的土體強度特性的研究都不能開展試驗研究。

由于土工建筑物的抗拉能力較低，其抗拉特性常常被人們忽視。然而許多土工建筑物的破壞，與土的抗拉特性有關：高土石壩心墻由于沉降變形，產生拱效應，出現拉裂縫；土坡滑動前，坡頂上幾乎都先產生裂縫，這些裂縫根據產生機理可分為剪切裂縫和拉裂縫，且拉裂縫通常為張開裂縫，對建筑物的危害更大，可見土的抗拉特性對土工建筑物的穩定性影響很大。因而，在研究這些裂縫的產生原因，對土的抗拉強度特性研究和試驗測定越來越顯得重要。單軸土工拉伸儀的拉伸試驗是獲得土體抗拉強度最直接的方法，測試結果為試樣在只有軸向拉力作用下破壞時的極限正應力，但不能控制排水或排氣條件，也不能適用一般應力條件。另一方面，由于土工建筑物的抗扭剪的能力較低，其扭剪特性也常常被人們忽視。但是，地震引起的地表扭轉變形，海嘯引起的海岸線的不均勻受力，結構性土邊坡的扭轉受力狀態，都會由于部分土體發生拉扭（剪）破壞現象；但對土體的拉應力存在的各種拉扭（剪）復雜應力條件還缺乏相應的測試設備，對于結構性土體的抗扭（剪）方面的強度特性的研究還處于起步階段，因此開展相應的強度測試設備的研究具有一定的意義。

綜上所述，現有強度測試設備存在儀器功能單一、試驗應力路徑過于簡單等問題，不適應非飽和土體拉伸、抗壓、扭剪及其組合作用的強度測定，也不適用于具有特殊結構性的原狀土的強度測試，不適用于飽和條件下土體的壓扭（剪）受力狀態下的強度測試。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于拉壓扭剪耦合的應力路徑三軸儀，解決了現有技術中土體強度測試設備存在的儀器功能單一、試驗應力路徑過于簡單、以及不能完成試樣的拉扭（剪）強度測試功能的問題。

本發明所采用的技術方案是，一種基于拉壓扭剪耦合的應力路徑三軸儀，包括箱體，箱體內安裝有電動機平臺，電動機平臺的中心位置安裝有扭矩電動機，扭矩電動機與扭矩電動機控制器信號連接，在箱體內部分別安裝有圍壓水體給排控制器、角位移顯示儀、扭矩顯示儀、圍壓加載測量儀和孔壓測量儀；在扭矩電動機的電機傳動軸上套裝有絕對式角位移傳感器，絕對式角位移傳感器信號輸出端與角位移顯示儀連接；電動機主軸向上與下傳動軸同軸連接，下傳動軸上套裝有盤式扭矩傳感器；

箱體上端面作為工作臺，工作臺的上表面固定設置有圍壓室底座，圍壓室底座上座有壓力室外殼，該壓力室外殼由多個支撐柱、圍壓罩和壓力室蓋組成，壓力室蓋設置有排氣螺栓，壓力室蓋、圍壓罩與圍壓室底座三者共同構成密封的圍壓腔；

圍壓室底座開設有孔壓測量通道、圍壓水體給排通道、圍壓控制測量通道和體變測量通道，這些連接通道分別與孔壓測量儀、圍壓水體給排控制器、圍壓加載測量儀和體變測量器對應連接；

下傳動軸穿過圍壓室底座，圍壓室底座上表面中心位置固定安裝有試樣座，試樣座上用于放置試樣；