[發明專利]一種三向獨立加載的新型混合邊界真三軸儀

有效

• 申請號: 202011281154.4
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112432850B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 朱俊高;潘蕾;朱材峰;王龍;包夢蝶
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/02
• 代理公司: 南京燦爛知識產權代理有限公司 32356
• 代理人: 吳亞

本發明提供了一種三向獨立加載的新型混合邊界真三軸儀，屬于室內土工試驗設備技術領域，包括設置在試樣大主應力σ₁方向的半剛性加載系統(1)，設置在試樣中主應力σ₂方向的混合型加載系統(2)和設置在小主應力σ₃方向的柔性加載系統(3)。本發明可保證σ₂方向加載裝置與試樣同步變形，防止土顆粒嵌入，同時減弱σ₂方向加載裝置產生的附加剪應力；σ₁和σ₂的加載系統為半剛性，σ₃的加載系統為柔性，可完全消除剛性面加載對剪破面的影響。本發明提供的一種新型混合邊界真三軸儀，在應力空間三個方向獨立加載無相互干擾，可實現復雜應力路徑下的真三軸試驗，得出土體真實剪切面和應力應變關系。

技術領域

本發明涉及一種三向獨立加載的新型混合邊界真三軸儀，屬于室內土工試驗設備技術領域。

背景技術

真三軸試驗加載傳力裝置是土木工程領域的一種室內土工試驗設備，真三軸儀的試樣為立方體，在立方體的三個面上分別施加主應力分量σ₁、σ₂、σ₃，以真實模擬土體的三向受力狀態，將三個主應力任意組合，即可得出任意應力狀態下土體的三向應力應變關系。相較于常規三軸試驗，真三軸試驗可研究復雜應力狀態下土體的力學特性，是研究土體的本構模型的主要儀器。

真三軸試驗儀的研發與改進已歷經數十年之久，目前，在三向獨立加載的真三軸儀中，根據加載方式的不同，可大致分為三類：(1)全剛性加載；(2)全柔性加載；(3)半剛性加載，上述類型真三軸試驗儀對土體本構模型，特別是各向異性本構模型的發展起到了關鍵的作用，但目前的真三軸儀仍有一定的不足之處：(1)全剛性加載型真三軸儀，三個獨立加載裝置都為剛性體，在加載過程中不免互相干擾、碰撞，目前研究設計人員試圖通過在儀器可能會發生碰撞的部位預留孔隙解決該問題，但該方法會導致試樣邊角處受力不均，影響試驗結果的可靠性；(2)全柔性加載型真三軸儀，其加載裝置為充氣或充水的橡膠囊體，當試樣發生變形時，試樣邊角處的橡膠囊體會發生偏轉，導致試樣邊角處受力復雜不明，影響了試驗結果的可靠性；(3)半剛性加載型真三軸儀，該類型真三軸儀的大主應力(σ₁)方向為剛性加載，中主應力(σ₂)方向為半剛性加載，小主應力方向(σ₃)為柔性加載，該類型儀器一定程度上解決了三向加載相互干擾的問題，但仍存在很多問題，可歸為內外兩個原因，內因是土體的固有性質，在不同應力條件下土體的變形具有不均勻性，外因是儀器設備自身的復雜性，導致傳力裝置的加載端產生較大的摩阻力，而摩阻力會對試樣產生附加剪應力，影響了試驗結果的準確性；同時，現有研究表明：剛性加載會影響試樣剪破面出現的角度和位置，不能完全反映土體的真實破壞狀態。

因此，減小甚至消除加載端處摩阻力影響和消除剛性加載等邊界條件對試驗結果的影響作用，是在設計和改進真三軸儀時亟待考慮的問題。在半剛性加載真三軸試驗中，試樣與σ₂方向的加載傳力裝置直接接觸，為了避免σ₂方向的加載傳力裝置干擾σ₁方向的剛性加載面，要求σ₂方向的加載傳力裝置可以適應土體在σ₁方向的變形；σ₂方向的加載傳力裝置與土體接觸面處的摩擦力要求盡量減小甚至消除；同時，剛性加載面對剪破面的影響應盡量避免。在此條件下，發明一種可適應土體變形、減小端部摩擦并避免剛性加載對剪破面影響的真三軸試驗加載傳力裝置，可有效提高真三軸儀試驗結果的精度，促進土體本構的發展。

目前，真三軸儀的加載傳力裝置通常有如下幾種：①固定的剛性板，在剛性板與試樣接觸面涂抹潤滑試劑如凡士林、黃油等，或是在接觸面間增加墊片；②滑動的剛性板，該剛性板通過軌道裝置與加載系統連接，同時涂抹潤滑試劑；③半剛性復合加壓塊；④雙向變形的微摩擦荷載傳力板。