一种真三轴仪压力室的侧向变形量测机构

摘要

本发明公开了一种真三轴仪压力室的侧向变形量测机构，该真三轴仪压力室由压力室底座、压力室侧壁以及压力室顶盖构成，且压力室内部对称分布有四个压力腔，四个压力腔内各设置有一乳胶膜，四个乳胶膜分别与外部压力源相连接，并在充液后分别形成柔性液压囊，四个压力腔内均径向且水平穿插设置有一侧向位移量测导杆，各侧向位移量测导杆的一端穿透对应的乳胶膜后，在其端部固定有竖直方向的内端板，内端板与柔性液压囊的外表面平齐，各侧向位移量测导杆的另一端伸出在压力室外部，且其端部分别连接有电子百分表连接。本发明适用于轴向刚性加载侧向柔性加载的真三轴仪，实现了真三轴仪对侧向变形的准确测量。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程测试设备技术领域，具体涉及一种真三轴仪压力室 的侧向变形量测机构。

背景技术

对土的力学特性研究中，传统测试仪器有直剪仪、单向压缩仪和常规三 轴仪等，国外学者Kiellman于1936年首次成功设计真三轴仪以来，真三轴 仪越来越受到重视。真三轴仪能实现在复杂应力条件下对土体的试验研究， 具有全面、真实地反映土单元的三维主应力状态等优势。

国内外先后设计了多种不同型式的真三轴仪，尽管设计思路不同，但核 心思想均着眼于三个主应力和主应变分量的独立控制和量测。从剑桥大学 Roscoe等开拓完成的三向刚性版加载的剑桥真三轴仪，到美国Coloeado大 学和日本东京大学发明的三向柔性流体加荷真三轴仪，再到日本京都大学改 进的一向刚性板加载，两向气压或液压柔性加载真三轴仪等等。该类仪器的 研制正逐渐向消除应力边角效应影响和便于应力应变量测等方面发展。西安 理工大学研制的真三轴仪具有一室四腔、竖向刚性加载和侧向液压囊柔性加 载的特点，是一种具有新型压力室加载机构的真三轴仪，但如何实现两个独 立侧向变形量的有效控制和准确量测仍然还是一个难题。

现有的真三轴仪侧向变形的量测控制依据其加载类型的不同而异。对于 三向刚性板加载方式的机构，试样侧向变形的量测是通过侧向刚性板的位移 量测实现的，随试样压缩、膨胀向内或向外滑动距离进行控制量测，原理简 单可行。如果试样在三个主应力方向上的变形是单调变化的，三向刚性板也 可以单调移动变化。但若试样在某一方向发生有压缩向侧涨的变形转换，则 另两方向加荷的刚性板难以及时跟随，试样在棱角处容易挤出。不仅如此， 这种仪器三向加载板之间互相干扰，还存在明显的不足。对于三向柔性液压 加载方式，虽在刚性板思想上有所改进，但侧向量测的应变范围较小，且是 通过液压囊体积变化量间接得到试样在某一方向的变形的。对于变形较大的 粘土材料具有局限性。基于这些加载方式的分析，现有一向刚性加载两向柔 性液压加载系统，理论上具有可行性，但在实际操作中，由于液压囊不可避 免地充气，以及液压囊随其隔离板的平面转动的原因，使得水平面内两个主 向变形的量测存在一定的误差。因此，改善真三轴压力室的侧向变形量测机 构，消除现有存在的量测缺陷，使得新的压力室侧向变形量测结构既能保证 良好的可操作性能，又能准确的进行侧向变形的量测具有实际的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种真三轴仪压力室的侧向变形量测机构，适用于 轴向刚性加载侧向柔性加载的真三轴仪，实现了真三轴仪对侧向变形的准确 测量。

本发明所采用的技术方案是，一种真三轴仪压力室的侧向变形量测机 构，该真三轴仪压力室由压力室底座、压力室侧壁以及压力室顶盖构成，且 压力室内部对称分布有四个压力腔，四个压力腔内各设置有一乳胶膜，四个 乳胶膜分别与外部压力源相连接，并在充液后分别形成柔性液压囊，四个压 力腔内均径向且水平穿插设置有一侧向位移量测导杆，各侧向位移量测导杆 的一端穿透对应的乳胶膜后，在其端部固定有竖直方向的内端板，内端板与 柔性液压囊的外表面平齐，各侧向位移量测导杆的另一端伸出在压力室外 部，且其端部分别连接有电子百分表连接。

真三轴仪压力室的压力室侧壁上设置有四个导向筒，四个侧向位移量测 导杆均对应穿插在导向筒里。

各侧向位移量测导杆由两个杆体通过螺纹同轴连接构成，其中，该两个 杆体的连接部位于压力腔内，且在该连接部设置有密封螺母。

各侧向位移量测导杆上，在密封螺母和内端板之间依次设置有垫片和刚 性密封护筒。

该压力室的外部设置有电子百分表固定架，四个电子百分表均安装在电 子百分表固定架上。

本发明的优点是：能够很好地实现试样在三向独立加载条件下侧向变形 量的试验研究，能测定土在真三轴试验条件下变形特性的相关参数；试验结 果稳定可靠，不同土性试验结果对比性强。并且本发明设计合理、使用操作 简便、智能化程度高且性能可靠。

附图说明

图1是本发明一种真三轴仪压力室的侧向变形量测机构的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明中侧向位移量测导杆的连接关系示意图。

其中，1、压力室底座；2、孔隙水连通管；3、下透水石；4、压力室柔 性囊隔离板径向运动弹性约束机构；5、压力室柔性囊隔离板转动弹性约束 机构；6、液压连通管；7、上透水石；8、试样顶盖；9、压力室顶盖；10、 柔性液压囊；11、压力室侧壁；12、侧向位移量测导杆；13、电子百分表； 14、电子百分表固定架；15、压力室柔性囊隔离板；16、压力腔；17、乳胶 膜；18、内端板；19、刚性密封护筒；20、垫片；21、外螺纹；22、导向筒； 23、密封螺母。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种真三轴仪压力室的侧向变形量测机构，该压力 室由从下到上依次设置的压力室底座1、压力室侧壁11以及压力室顶盖9 构成，压力室侧壁11围成的压力室内腔中心处为试样放置处，围绕试样放 置处均匀分布有四个压力腔16，四个压力腔16内各设置有一乳胶膜17，在 压力室侧壁11上安装有四个液压连通管6，四个乳胶膜17通过对应的液压 连通管6与外部压力源相连接，并在充液后形成用于对试样施加侧向正应力 的T型柔性液压囊10。相邻两个压力腔16之间均设置有压力室柔性囊隔离 板15，压力室柔性囊隔离板15为径向设置的竖直板，且可径向伸缩、侧向 转动。压力室底座1的上表面开槽并设置有下透水石3，压力室底座1上还 开有与下透水石3相通的孔隙水连通管2。压力室顶盖9的中心开有通孔， 并在开孔处设置有试样顶盖8，试样顶盖8的下表面开槽并设置有上透水石 7。

如图2所示，四个压力腔16内均径向且水平穿插设置有一侧向位移量 测导杆12，在压力室侧壁11上开有四个水平通孔，该四个水平通孔均安装 有一导向筒22，四个侧向位移量测导杆12对应穿插设置在导向筒22里。

结合图3所示，四个侧向位移量测导杆12均由外段杆体和内段杆体通 过螺纹连接构成。其中，各外段杆体均穿插设置在导向筒22里，外段杆体 和内段杆体的连接部位于压力腔16内，外段杆体的一端轴向开有螺纹孔且 端部设置有密封螺母23，外段杆体的另一端伸出在压力室外部并连接有电子 百分表13，各内段杆体位于压力腔16内，且内段杆体的一端设置有外螺纹 21，并通过其与外段杆体相连接，内段杆体的另一端穿过乳胶膜17后，在 其内端部设置有竖直方向的内端板18。在乳胶膜17充液后，内端板18与柔 性液压囊10的外表面平齐。

各侧向位移量测导杆12上，在密封螺母23和内端板18之间依次设置 有垫片20和刚性密封护筒19。

压力室的外部设置有电子百分表固定架14，四个电子百分表13均安装 在电子百分表固定架14上。

在压力室侧壁11外安装有压力室柔性囊隔离板径向运动弹性约束机构 4以及压力室柔性囊隔离板转动弹性约束机构5。压力室柔性囊隔离板径向 运动弹性约束机构4为隔离相邻两个压力腔液压囊相互影响，试样在固结或 剪切过程中试样发生侧向压缩或膨胀时，机构弹簧可实现调节柔性液压囊隔 离板径向伸缩运动的功能。压力室柔性囊隔离板转动弹性约束机构5为隔离 相邻两个压力腔液压囊相互影响，试样在固结或剪切过程中试样发生侧向压 缩或膨胀时，机构内设置转动弹簧可实现调节柔性液压囊隔离板自由转动的 功能。该两个约束机构实现压力室柔性囊隔离板15自由径向伸缩和侧向转 动，保证相邻压力腔16内的柔性液压囊10不发生偏离，从而满足试样在试 验过程中实现侧向互不干扰加载和变形。

本发明的工作原理是：通过在压力室底座1下方设置液压缸，并通过该 液压缸沿竖直向对试样施加轴向荷载。液压缸内置活塞，连接外部压力源， 采用闭环控制可保证按要求施加荷载。在压力室顶盖9上设置竖向位移传感 器，该竖向位移传感器固定于轴向无变形的刚性立柱上，在轴向加荷时可直 接量测试样的变形。位置相对的两个乳胶膜17相通并形成两个侧向施压组， 该两个侧向施压组分别与两个外部液压源分别连通，对其分别实施闭环控 制，可对试样施加侧壁面上两个方向的主应力。在固结或剪切过程中，试样 孔隙水可通过下透水石3与孔隙水连通管2传递压力和运动，进行试验过程 中孔隙水的控制和量测。

侧向位移量测导杆12是传递试样变形的主要部件，侧向位移量测导杆 12可实现水平面上径向运动位移，其本身不发生变形。侧向位移量测导杆 12一端连接内端板18，试验初始，内端板18应紧密贴合试样，另一端位于 压力室侧壁11外，通过电子百分表13记录初始位移。试验过程中，随着三 个方向的不同加载，试样分别在大、中、小主应力方向发生变形，柔性液压 囊10紧贴试样侧壁，带动侧向位移量测导杆12一体运动，试样侧壁的膨胀 或收缩通过侧向位移量测导杆12传递给电子百分表13，从而实现试样变形 量的记录。

刚性密封护筒19、密封螺母23以及垫片20构成乳胶膜密封装置。乳胶 膜17紧贴试样的侧边，以及其紧贴压力室侧壁11的侧边上均开设对应的小 孔，侧向位移量测导杆12水平穿过该两个小孔，即可穿过乳胶膜17，并保 持密封。拧紧密封螺母23，对垫片20施加压力，并将压力传递到刚性密封 护筒19上，从而使刚性密封护筒19与内端板18压紧乳胶膜17。

电子百分表13与侧向位移量测导杆12外端接触，试样侧向变形带动侧 向位移量测导杆12发生水平面内径向位移，侧向位移量测导杆12运动带动 电子百分表13测杆运动，电子百分表13的指针发生偏转，电子百分表13 量测电信号经过A/D转换，传输给计算机自动采集，从而实现侧向变形的数 据采集。

本发明的工作过程如下：首先，将位于压力腔16内的，侧向位移量测 导杆12的内段杆体、刚性密封护筒19以及乳胶膜17密封安装成一体，在 充液后，柔性液压囊10表面与试样侧壁贴合，刚性密封护筒19位于柔性液 压囊10内，内端板18与柔性液压囊10表面以及试样侧壁均贴合在同一平 面。

其次，将该四个柔性液压囊10对应平整的放入四个压力腔16内，将各 侧向位移量测导杆12的内段杆体和外段杆体通过螺纹连接成一体。侧向位 移量测导杆12与柔性液压囊10之间的密封，通过内端板18、刚性密封护筒 19、垫片20以及密封螺栓23分别与柔性液压囊10的紧密接触保证，使柔 性液压囊10在加压状态下不渗漏。垫片20能避免密封螺栓23导致柔性液 压囊10破损。

最后，拧紧密封螺栓23，使得垫片20与刚性密封护筒19压紧柔性液压 囊10的外边膜，刚性密封护筒19与内端板18压紧柔性液压囊10的内边膜， 从而使柔性液压囊10与刚性密封护筒19结合成一体，即可使侧向位移量测 导杆12与试样侧壁变形一致。

待上述安装工作做好之后，手动调节侧向位移量测导杆12使得内端板 18紧密完好贴合试样，此时，柔性液压囊10、内端板18均匀贴紧试样四周， 电子百分表13指针记录初始位移。试验过程中，随着三个方向的不同加载， 试样分别在大、中、小主应力方向发生变形，柔性液压囊10与侧向位移量 测导杆12一体运动，试样压缩或膨胀的变形通过侧向位移量测导杆12运动 传递至电子百分表13测杆运动，经过A/D转换，试样侧向变形位移数据传 输给计算机，从而实现数据自动采集，完成真三轴加载过程试样侧向变形量 的记录。

本发明主要适用于现有的轴向刚性加载、侧向柔性加载的真三轴仪，对 岩土材料进行轴向刚性加载、侧向柔性加载的真三轴试验研究，准确的进行 三个主应力和主应变分量的独立控制和量测，从而获得研究岩土材料的强度 特性和变形特性的试验数据。