中尺寸岩石伺服控制真三轴试验装置

摘要

本发明公开了一种中尺寸岩石伺服控制真三轴试验装置，它包括顶板、底板、设置在顶板和底板之间的定位支柱、顶部传力构件、底部传力构件、设置在顶部传力构件下方的轴向千斤顶，侧向测针、上轴向测针、下轴向测针、位移传感器、与位移传感器匹配的测杆、计算机、伺服控制单元、固定在轴向千斤顶上的滑轮、用于支撑滑轮的支撑架、设置在底部传力构件顶部四周的侧向反力钢框架、均匀布置在侧向反力钢框架四周上的多个侧向千斤顶，本发明采用三向载荷独立伺服控制，能进行复杂应力路径的真三轴试验，且数据全自动采集，能获得全过程应力应变关系曲线。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石力学试验设备技术领域，具体涉及一种中尺寸岩石伺 服控制真三轴试验装置。

技术背景

目前趋于用在三向应力状态下岩体的变形参数和强度参数来研究复杂 应力状态下地下工程开挖过程及支护效果，尤其是深埋、高应力条件 下的超大超长隧洞、大型洞室和陡高边坡的破坏形态、破坏机理及稳 定状态的本构关系研究，都必须进行岩石的真三轴试验。对于其它材 料如混凝土在复杂应力路径下的三轴强度及变形参数试验研究，常采 用规范规定的立方体标准试块，而国内现有真三轴仪还无法进行这个 尺寸的真三轴试验。

等围压三轴试验岩石试件尺寸多为φ50mm×100mm，应用较为普遍，设 备也十分先进，而不等侧压真三轴试验设备近几年才出现，但试件断 面尺寸也多为50mm×50mm，这种小尺寸的真三轴试验设备具有设备先 进、成本低和操作简单等优点，但小尺寸试件难于很好代表现场大尺 度的工程岩体；本申请人于2009年开始自主研发多代大尺寸现场真三 轴微机伺服控制系统，试验断面尺寸为500mm×500mm，由于比室内小 尺寸试件体积大1000倍，其力学参数的代表性比小尺寸的室内试验好 ，但因设备笨重且昂贵、操作复杂、成本高等不足而开展的不多。可 见，室内和现场真三轴试验仅涉及两种试件尺寸且二者体积相差1000 倍，一方面不便于研究岩石在三向应力状态下三轴强度参数的尺寸效 应，另一方面，大尺寸真三轴试验的成本比小尺寸试验成本高100倍以 上，不便于广泛应用，而且精密仪器难于适应湿度大于80%的环境，使 可靠度和精度降低。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种中尺寸岩石伺服控制真 三轴试验装置，该装置可获得不同尺寸岩石试样的变形和强度参数。 解决了现场和室内岩石真三轴试样尺寸跨度大带来的诸多问题。

为实现此目的，本发明所设计的中尺寸岩石伺服控制真三轴试验装置 ，它包括顶板、底板、设置在顶板和底板之间的定位支柱、顶部传力 构件、底部传力构件、设置在顶部传力构件下方的轴向千斤顶，其特 征在于：它还包括侧向测针、上轴向测针、下轴向测针、侧向位移传 感器、上轴向位移传感器、下轴向位移传感器、与侧向位移传感器匹 配的侧向测杆、与上轴向位移传感器匹配的上轴向测杆、与下轴向位 移传感器匹配的下轴向测杆、计算机、伺服控制单元、固定在轴向千 斤顶上的滑轮、用于支撑滑轮的支撑架、设置在底部传力构件顶部的 侧向反力钢框架、均匀布置在侧向反力钢框架内四周上的多个侧向千 斤顶；

其中，所述每个侧向千斤顶的轴向均贯穿设置侧向测针，侧向测针的 一端用于与试体的侧面接触，侧向测针的另一端与对应的侧向位移传 感器配合；所述上轴向测针的一端用于与试体的顶部接触，上轴向测 针的另一端与对应的上轴向位移传感器配合；所述下轴向测针的一端 用于与试体的底部接触，下轴向测针的另一端与对应的下轴向位移传 感器配合，每个位移传感器的信号输出端连接计算机；

所述轴向千斤顶和侧向千斤顶均通过伺服控制单元连接计算机。

所述每个侧向千斤顶的一端连接侧向反力钢框架，每个侧向千斤顶的 另一端设有侧压板。

上述技术方案中，它还包括设置在轴向千斤顶底部的梯形传力体、设 置在梯形传力体底部的万向球盘、位于万向球盘下方用于压住试体的 轴压板、设置在底部传力构件顶部与侧向反力钢框架底部之间的托板 、设置在托板顶部用于托起试体的轴向垫板。

所述侧向测针贯穿侧向反力钢框架、侧向千斤顶和侧压板，所述 上轴向测针贯穿轴向千斤顶、梯形传力体、万向球盘和轴压板的中心 ，所述下轴向测针贯穿托板和轴向垫板的中心。

上述技术方案中，它还包括位移采集仪，每个位移传感器的信号输出 端通过位移采集仪连接计算机。

所述伺服控制单元包括往复式油泵、压力传感器、伺服电机、液压阀 和伺服控制仪，其中，所述轴向千斤顶的控制端通过对应的高压油管 连接相应的往复式油泵，侧向千斤顶的控制端也通过对应的高压油管 连接相应的往复式油泵，所述每个高压油管上均设有压力传感器和液 压阀，所述压力传感器的信号输出端通过伺服控制仪连接计算机，所 述伺服电机的输出端连接往复式油泵，所述伺服电机的控制端也通过 伺服控制仪连接计算机。

所述伺服控制单元还包括与往复式油泵连接的限位器，所述限位器的 控制端连接伺服控制仪。

所述伺服控制单元还包括充溢器，所述充溢器的输出端连接往复式油 泵，充溢器的控制端通过伺服控制仪连接计算机。

所述轴向千斤顶的顶端设置有与定位支柱配合的定位环，所述轴向千 斤顶、顶部传力体、定位环和滑轮连接成为整体，并与定位支柱配合 ，使该整体能上下运动；且与支撑架配合，使该整体能单向水平移动 。

所述侧向反力钢框架四周内均匀布置四个侧向千斤顶。

本发明的有益效果是：

1、可实验试样的尺寸介于室内小尺寸试件和现场大尺寸试件之间，而 且试件尺寸可变范围大，试件尺寸范围：长80~200mm，宽80~200mm， 高160~400mm。解决了现场和室内岩石真三轴试验尺寸跨度大的问题， 通过进行多种不同尺寸试件的真三轴对比试验，能更好的研究岩石变 形及强度参数的尺寸效应。解决了小尺寸试件代表性不足、尺寸不能 变动问题，和大尺寸试件设备笨重、安装复杂、成本高问题。

2、本发明采用三向载荷独立伺服控制，能进行复杂应力路径、高 应力条件下的真三轴试验，且数据全自动采集，能获得全过程应力应 变关系曲线。

3、设备简单，自动化程度高、安装操作方便，系统刚度及测量精度高 。

附图说明

图1为本发明中机械部分的结构示意图；

图2为图1的A—A向剖视结构示意图；

图3为本发明中控制和测量部分的结构框图；

其中，1—顶板、2—顶部传力构件、3—定位环、4—轴向千斤顶、5— 滑轮、6—梯形传力体、7—万向球盘、8—轴压板、9—侧向反力钢框 架、10—侧向千斤顶、11—试体、12—侧压板、13—轴向垫板、14— 托板、15—底部传力构件、16—支撑架、17—定位支柱、18—侧向测 针、19—侧向位移传感器、19.1—上轴向位移传感器、19.2—下轴向 位移传感器、20—侧向测杆、20.1—上轴向测杆、20.2—下轴向测杆 、21—高压油管、22—压力传感器、23—往复式油泵、24—限位器、 25—充溢器、26—伺服电机、27—伺服控制仪、28—位移采集仪、29 —计算机、30—液压阀、31—底板、32—上轴向测针、33—下轴向测 针、34—表架。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明包括轴向反力系统、侧向反力系统、伺服加载控制系统、移动 系统和测量系统。适用的试样尺寸可变，试样尺寸范围：长80~200mm ，宽80~200mm，高160~400mm；用洞室或钢构架提供轴向反力，轴向出 力千斤顶最大载荷12000kN，用方形厚壁内空钢框架提供侧向反力，反 力框架内置四台空心千斤顶分别作用于试样侧面，最大载荷4000kN； 通过改变试体六个面承压板的尺寸可进行多种尺寸的真三轴试验，测 针穿过有通孔的传力设备及出力设备一端 直接与试体11面中心接触，另一端与位移传感器和采集系统配合，通 过专用软件同时采集六个面的变形。三个方向的压力通过往复式油泵 23、压力传感器22、伺服电机26和伺服控制仪27进行独立伺服控制与 压力采集，能获得任意时刻的应力应变曲线。

本发明的具体结构为：如图1~3所示的中尺寸岩石伺服控制真三轴试验 装置，它包括顶板1、底板31、设置在顶板1和底板31之间的定位支柱 17、顶部传力构件2、底部传力构件15、设置在顶部传力构件2下方的 轴向千斤顶4，它还包括侧向测针18、上轴向测针32、下轴向测针33、 侧向位移传感器19、上轴向位移传感器19.1、下轴向位移传感器19.2 、与侧向位移传感器19匹配的侧向测杆20、与上轴向位移传感器19.1 匹配的上轴向测杆20.1、与下轴向位移传感器19.2匹配的下轴向测杆 20.2、计算机29、伺服控制单元、固定在轴向千斤顶4上的滑轮5、用 于支撑滑轮5的支撑架16、设置在底部传力构件15顶部四周的侧向反力 钢框架9、均匀布置在侧向反力钢框架9内四周上的多个侧向千斤顶10 ；

其中，每个侧向千斤顶10的轴向均贯穿设置侧向测针18，侧向测针18 的一端用于与试体11的侧面接触，侧向测针18的另一端与对应的侧向 位移传感器19配合；上轴向测针32的一端用于与试体11的顶部接触， 上轴向测针32的另一端与对应的上轴向位移传感器19.1配合；下轴向 测针33的一端用于与试体11的底部接触，下轴向测针33的另一端与对 应的下轴向位移传感器19.2配合，每个位移传感器的信号输出端连接 计算机29；所述上轴向测针32和下轴向测针33用于检测试体11轴向的 变形，侧向测针18用于检测试体11侧向的变形；

上述轴向千斤顶4和侧向千斤顶10均通过伺服控制单元连接计算机29；

上述技术方案中，每个位移传感器通过表架34与测杆20连接。

上述技术方案中，每个侧向千斤顶10的一端连接侧向反力钢框架9，每 个侧向千斤顶10的另一端连接有侧压板12。该结构的作用 是为试体11提供侧向压力。

上述技术方案中，它还包括设置在轴向千斤顶4底部的梯形传力体6、 设置在梯形传力体6底部的万向球盘7、位于万向球盘7下方用于压住试 体11的轴压板8、设置在底部传力构件15顶部与侧向反力钢框架9底部 之间的托板14、设置在托板14顶部用于托起试体11的轴向垫板13。该 结构的作用是为试体11提供轴向压力。

上述技术方案中，所述侧向测针18贯穿侧向反力钢框架9、侧向千斤顶 10和侧压板12，所述上轴向测针32贯穿轴向千斤顶4、梯形传力体6、 万向球盘7和轴压板8的中心，所述下轴向测针33贯穿托板14和轴向垫 板13的中心。

上述技术方案中，它还包括位移采集仪28，每个位移传感器的信号输 出端通过位移采集仪28连接计算机29。测针18、位移传感器测量试体 11六个面的变形并自动记录。

上述技术方案中，伺服控制单元包括往复式油泵23、压力传感器22、 伺服电机26、液压阀30和伺服控制仪27，其中，轴向千斤顶4的控制端 通过对应的高压油管21连接相应的往复式油泵23，侧向千斤顶10的控 制端也通过对应的高压油管21连接相应的往复式油泵23，每个高压油 管21上均设有压力传感器22和液压阀30，压力传感器22的信号输出端 通过伺服控制仪27连接计算机29，伺服电机26的输出端连接往复式油 泵23，伺服电机26的控制端也通过伺服控制仪27连接计算机29。伺服 控制仪27将计算机29发出的弱信号指令变换为强电压，驱动伺服电机 26传送动力给往复式油泵23产生所需要的稳定压力。其主要作用是伺 服控制压力并通过计算机采集压力值。这样设计的主要作用是通过专 用软件实时分析压力和位移信号，并发出指令给伺服控制仪27执行， 同时采集压力和位移值，并实时成图。

上述技术方案中，伺服控制单元还包括与往复式油泵23连接的限位器 24，所述限位器24用于限制往复式油泵23的行程，限位器24的控制端 连接伺服控制仪27。

上述技术方案中，伺服控制单元还包括充溢器25，充溢器25的输出端 连接往复式油泵23，充溢器25的控制端通过伺服控制仪27连接计算机 29。

上述技术方案中，所述轴向千斤顶4的顶端设置有与定位支柱17配合的 定位环3，所述轴向千斤顶4、顶部传力体2、定位环3和滑轮5连接成为 整体，并与定位支柱17配合，使该整体能上下运动；且与支撑架16配 合，使该整体能单向水平移动。

上述技术方案中，顶部传力构件2、定位环3、轴向千斤顶4、滑轮5、 梯形传力体6、万向球盘7通过螺栓连接成整体，在非受压状态，它们 的重量通过4个滑轮4落在支撑架16的两根滑轨上，打开四个定位环3后 可以水平移动。试体安装完毕后，将它整体水平移动至轴中心后将四 个定位环3套在定位支柱17上，当千斤顶活塞伸出使上下接触后，滑轮 5脱离支撑架16的两根滑轨，并沿定位支柱17向上运动。这样设计的主 要作用是能水平移动和升降，便于试体11的精确安装。

上述技术方案中，侧向反力钢框架9四周内均匀布置四个侧向千斤顶1 0。

上述技术方案中，为了降低控制系统的压力，考虑测针安装及轴向上 部传力体移动等因素，轴向千斤顶4设计为空心，活塞行程设计为200 mm，保证出力12000kN。万向球盘7可微调轴向传力系统受力中心，轴 压板8和轴垫板13内部设有25~64颗钢珠以减小与试件11之间的摩擦， 轴压板8根据试件11的尺寸大小设计，内设中心孔，上轴向测针32穿过 中心孔至试体表面，中心孔内还有弹簧，弹簧的作用是给测针一个适 当的力使之与试体接触。

上述技术方案中，侧向反力钢框架9外形断面尺寸长120cm，宽120cm， 高450mm，内空断面尺寸长80cm，宽80cm，侧向反力钢框架由三个尺寸 相同的实体钢框叠放构成，单个钢框高度16cm，能承载4000kN水平载 荷，侧向千斤顶10活塞行程50mm，保证出力3000kN。侧压板12根据试 件尺寸大小设计，其内部设有40~90颗钢 珠以减小侧向摩擦。四个面的侧压板12尺寸相同且错位放置，相互之 间不影响。

上述技术方案中，侧向测针18、上轴向测针32和下轴向测针33均通过 弹簧作用与试体11面接触。弹簧的作用是给测针一个适当的力使之与 试体接触。

本发明的工作过程为：计算机29通过伺服控制仪27控制每个伺服电机 26带动往复式油泵23工作，往复式油泵23带动轴向千斤顶4和侧向千斤 顶10动作，挤压试件11，试件11在六个面的变形情况由相应的测针和 位移传感器测量，并将得到的试件11变形信号通过位移采集仪28传递 给计算机29，压力传感器22将千斤顶压力情况通过伺服控制仪27实时 反馈给计算机29，计算机根据上述得到的实时变形信号和实时压力信 号进行试验分析，并实时成图。限位器24将往复式油泵23的往复行程 通过伺服控制仪27实时反馈给计算机29，计算机根据上述得到的位移 信号进行分析并发出指令给伺服控制仪27，实行对往复式油泵23的保 护。将梯形传力体6以上的轴向千斤顶4、顶部传力体2、定位环3和滑 轮5连接成为整体，在千斤顶4的作用下通过定位环3使该整体沿定位支 柱17上下运动，在千斤顶4的作用下通过滑轮5使该整体沿支撑架16能 单向水平移动。

本发明的结构与现有小尺寸和现有大尺寸试验结构相比具有以下不同 ：①与现有小尺寸试验设备结构相比，本结构中的试样断面尺寸可在 80mm×80mm~200mm×200mm变化，仅通过改变与试体六个面接触的压板 适应不同试件尺寸，而不改变反力装置结构，能方便地安装和取出破 坏后的试样。②与现有大尺寸试验设备相比，本结构实现了三向应力 独立伺服与全过程控制，能进行复杂路径下岩石的变形及强度参数的 试验研究，解决了现有伺服控制系统压力不能超过40MPa，油温逐渐升 高而不能长期使用问题；解决了大尺寸真三轴装置目前只能伺服控制 两个方向问题，且本装置结构简单，操作方便，成本低。③本发明装 置将现有小尺寸和现有大尺寸试件的尺寸衔接起来，可获得不同试样 尺寸、复杂应力路径下岩石在三 向应力状态下的变形和强度参数，有利于研究岩石在三向应力状态下 的尺寸效应。④本发明装置由于试样尺寸为中等，通过对同类岩石的 尺寸效应研究，可在一定程度上替代费用昂贵、周期长的现场大尺寸 真三轴试验。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技 术。