可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置及其实验方法

摘要

本发明公开了一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置及其实验方法，该实验装置包括框架体系、加载系统以及底板平台，所述底板平台包括底板和垫板，所述框架体系由后固定板块、左固定板块、前固定板块、右固定板块、螺杆、六角螺母以及T型螺栓构成，所述加载系统包括手轮、涡轮减速器、丝杆、压力传感器、滑动压头和固定压头。本发明不仅可对岩土相似材料试件进行真三轴试验，还可对试验过程中试件两个断面的变形破裂进行直接观测，具有简单灵活、使用经济、操作方便和易于推广等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于岩土相似材料的真三轴加卸载实验装置，具体涉及一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置及其实验方法。

背景技术

巷(隧)道、矿井、基坑等地下工程岩土体的开挖都会对围边围岩产生卸荷作用，引起围岩发生变形甚至破裂。为采取有效支护手段来控制围岩变形破裂扩展以维护工程稳定，则避免不了研究岩体或土体在加卸载过程中的力学行为特征。传统方法一般采用三轴试验机来研究岩(土)体圆柱试样在不同轴压和围压下的变形破裂特征，但这种方法存在以下几点不足：①由于采用围压加卸载的方式，岩(土)体在水平面两个方向受到的压力始终是保持一致的，不能真正意义上对岩(土)体三个方向实现不同压力的加卸载，与实际工程围岩的受力情况存在较大差别；②加卸载试验过程中，岩(土)体圆柱试样始终置于密闭的空间容器内，只能对围岩顶面竖向位移以及侧面水平位移进行观测，无法获得加卸载过程中围岩的真三维变形破裂扩展规律，不足以全面反映岩(土)体的力学行为特征；③三轴试验机价格普遍偏高且操作复杂，容易出现漏油现象，难以得到广泛使用。因此，传统方法不能很好用于研究岩(土)体在加卸载过程中的变形破裂行为特征，为工程围岩稳定控制提供重要依据。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置及其实验方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置，包括框架体系、加载系统以及底板平台，所述底板平台包括底板和垫板，所述框架体系由后固定板块、左固定板块、前固定板块、右固定板块、螺杆、六角螺母以及T型螺栓构成，所述加载系统包括手轮、涡轮减速器、丝杆、压力传感器、滑动压头、固定压头，垫板安装在底板的上顶面，底板的上顶面通过T型螺栓安装有后固定板块、前固定板块、右固定板块，左固定板块通过T型螺栓安装在底板的上顶面，后固定板块和前固定板块通过两螺杆相连，螺杆一端穿过后固定板块连接有六角螺母，另一端穿过前固定板块连接有六角螺母，左固定板块和右固定板块通过两螺杆相连，螺杆一端穿过左固定板块连接有六角螺母，另一端穿过右固定板块连接有六角螺母，垫板顶端放置有正方体试件，正方体试件后端安装有滑动压头，右侧安装有固定压头，滑动压头和固定压头均通过丝杠连接有涡轮减速器，丝杠一端与涡轮减速器相连，另一端通过压力传感器分别与滑动压头和固定压头相连，所述的滑动压头由压板连接头、滑动端头、第一压板、框架滑槽、压头滑槽和加固肋构成，压板上安装有四条加固肋，且中心处安装有压头滑槽，滑动端头两端与压头滑槽活动连接，压板左侧安装有压板连接头，压板连接头与右固定板块中的预留滑槽活动连接，右上侧和右下侧均开设有框架滑槽，框架滑槽与左固定板块中的滑动框架压板连接头活动连接。(多个标点符号)目的是实现滑动压板前后移动过程中，带动左固定板块的滑动框架也前后移动，而滑动压板左右移动时，左固定板块的滑动框架则保持不动；所述的固定压头由第二压板、加固肋、固定端头以及预留滑槽构成，第二压板上安装有四条加固肋，且中心处安装有固定端头，第二压板右侧设有预留滑槽，与第一压板的压板连接头活动连接，目的是配合滑动端头，实现固定压板在左右移动的过程中，带动第一压板也左右移动；而滑动压板前后移动时，固定压板则保持不动；保证试件始终处于密闭的压缩环境中，不会被挤出。

优选地，所述底板和垫板均为钢板。

优选地，所述左固定板块和前固定板块的中间部位做成镂空式，镂空处设有U型钢滑动框架和有机玻璃板，实现对岩土相似材料试件前、左两个端面的变形破裂现象进行直接观测。

上述一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置的实验方法，包括如下步骤：

S1、将制作好的立方体相似材料试件放入上述实验装置内，摇动后端和右端手轮，使后端和右端的压头压板、前固定板、左固定板与试件直接接触；

S2、将上述实验装置移动到单轴加载试验机平台上，在岩土相似材料试件的左端和前端两个方向各分别布置1台高分辨率数码相机已对试件的两个断面进行变形破裂数字照相量测；

S3、控制单轴加载试验机对试件顶面进行加载和卸载；或分别摇动后端或右端的手轮配合涡轮减速器，推动丝杆缓慢对岩土相似材料试件的后、右两个端面进行不同程度的加载或卸载。

本发明具有以下有益效果：

不仅可对岩土相似材料试件进行真三轴试验，还可对试验过程中试件两个断面的变形破裂进行直接观测，具有简单灵活、使用经济、操作方便和易于推广等优点。

附图说明

图1为本发明实施例一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置的俯视图。

图2为本发明实施例一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置的正视图。

图3为本发明实施例一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置的侧视图。

图4为本发明实施例一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置的中滑动压头的结构示意图。

图5为本发明实施例一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置的固定压头的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图5所示，本发明实施例提供了一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置，包括框架体系、加载系统以及底板平台，所述底板平台包括底板12和垫板11，所述框架体系由后固定板块2、左固定板块6、前固定板块10、右固定板块14、螺杆3、六角螺母1以及T型螺栓9构成，所述加载系统包括手轮16、涡轮减速器15、丝杆4、压力传感器5、滑动压头7、固定压头13，垫板11安装在底板12的上顶面，底板12的上顶面通过T型螺栓9安装有后固定板块2、前固定板块10、右固定板块14，左固定板块6通过T型螺栓9安装在底板12的上顶面，后固定板块2和前固定板块10通过两螺杆3相连，螺杆3一端穿过后固定板块2连接有六角螺母1，另一端穿过前固定板块10连接有六角螺母1，左固定板块6和右固定板块14通过两螺杆3相连，螺杆3一端穿过左固定板块6连接有六角螺母1，另一端穿过右固定板块14连接有六角螺母1，垫板11顶端放置有正方体试件8，正方体试件8后端安装有滑动压头7，右侧安装有固定压头13，滑动压头7和固定压头13均通过丝杠4连接有涡轮减速器15，丝杠4一端与涡轮减速器15相连，另一端通过压力传感器5分别与滑动压头7和固定压头13相连。所述的滑动压头7由压板连接头19、滑动端头20、第一压板21、框架滑槽22、压头滑槽23和加固肋24构成，压板21上安装有四条加固肋24，且中心处安装有压头滑槽23，滑动端头20两端与压头滑槽23活动连接，压板21左侧安装有压板连接头19，右上侧和右下侧均开设有框架滑槽22，框架滑槽22与左固定板块6中的滑动框架18压板连接头活动连接，目的是实现第一压板21前后移动过程中，带动左固定板块6的滑动框架18也前后移动，而第一压板21左右移动时，左固定板块6的滑动框架18则保持不动；所述的固定压头由第二压板27、加固肋24、固定端头25以及预留滑槽26构成，第二压板27上安装有四条加固肋24，且中心处安装有固定端头25，第二压板27右侧设有预留滑槽26，与第一压板的压板连接头19活动连接，目的是配合滑动端头20，实现第二压板27左右移动的过程中，带动第一压板21也左右移动；而第一压板21前后移动时，第二压板27则保持不动；保证试件始终处于密闭的压缩环境中，不会被挤出。

优选地，所述底板12和垫板11均为钢板

优选地，所述左固定板块6和前固定板块10的中间部位做成镂空式，镂空处设有U型钢滑动框架18和有机玻璃板17，实现对岩土相似材料试件前、左两个端面的变形破裂现象进行直接观测。

上述一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验装置的实验方法，包括如下步骤：

S1、将制作好的立方体相似材料试件放入上述实验装置内，摇动后端和右端手轮，使后端和右端的压头压板、前固定板、左固定板与试件直接接触；

S2、将上述实验装置移动到单轴加载试验机平台上，在岩土相似材料试件的左端和前端两个方向各分别布置1台高分辨率数码相机已对试件的两个断面进行变形破裂数字照相量测；

S3、控制单轴加载试验机对试件顶面进行加载和卸载；或分别摇动后端或右端的手轮配合涡轮减速器，推动丝杆缓慢对岩土相似材料试件的后、右两个端面进行不同程度的加载或卸载。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。