利用剪切仪进行双轴加载的试验装置及其使用方法

摘要

本发明涉及一种利用剪切仪进行双轴加载的试验装置及其使用方法。其技术方案是：所述试验装置由加载系统和变形监测系统组成。加载系统由2个压杆外接头(1)、2个带球铰的压头(2)、基座(4)和上部压头(9)组成；变形监测系统由计算机(5)、应变仪(6)、10个笔式位移传感器(7)和2个传感器支架(8)组成。所述试验装置的使用方法是：安装加载系统；固定试件(11)；安装变形监测系统；加载及变形监测；试验数据获取和处理。本发明具有结构简单、成本较低、操作方便和能满足不同尺寸试件试验要求的特点，使用该装置能保证双轴试验数据的精确度。

说明书

技术领域

本发明属于双轴加载的试验装置技术领域。具体涉及一种利用剪切仪进行双轴加载的试验装置及其使用方法。

背景技术

岩石的单轴试验和三轴试验作为基础性试验手段，广泛应用于岩石力学特性研究领域。但在实际岩体工程中，巷道围岩、竖井井壁及硐室围岩等均处于双向应力状态，一般地，对此种受荷状态下的岩石仅进行单轴压缩或三轴压缩岩石力学试验，并不能准确的反映岩石在双向受荷状态下的力学特性，将获得的岩石力学参数应用于试验研究或工程设计存在一定的不合理性，需要对处于双向应力状态的岩石进行对应的双轴试验。目前岩石双轴试验及双轴设备的研究有。

王怀亮等(王怀亮，宋玉普.不同骨料级配混凝土的双轴压强度试验和破坏准则[J].水利学报,2008,39(12):1353-1359.)和陈仁进等(陈仁进，沈璐，宋玉普.大骨料混凝土动态双轴拉压强度试验研究[J].大连理工大学学报,2015,55(3):292-297.)分别介绍了在大型静、动态三轴试验系统上，较好的对混凝土试件在双向压载荷作用下的变形和强度特性，混凝土试件双轴动态受力状态的力学性能进行了试验研究。但由于通过将三轴试验机一个方向的侧压设为0MP开展岩石双轴试验的方法存在适宜性的质疑，同时由于真三轴设备价格昂贵，试验成本较高等问题，此方法并没有得到广泛推广。

吕培印等人(吕培印，宋玉普，李庆斌.定侧压混凝土双轴压疲劳性能研究[J].工程力学,2004,21(2):173-177.)介绍了清华大学水利水电工程系引进的INSTRON公司双轴液压伺服疲劳刚性试验机，该试验机可以实现各种应力比下的三向拉、三向压和三向拉压的静动态试验；张庆等人(张庆，侯爱军，贠小有，杨小林.岩石双轴压缩试验及装置研究进展[J].河南理工大学学报,2007,26(4):440-445.)介绍了河南理工大学和加拿大麦吉尔大学合作设计建造的大吨位等刚度双向试件固定与受荷系统，系统采用精密载荷传感器，可以实现应变、应力、位移的超高精度控制，水平轴的载荷量测由差压传感器获得，能对较大尺寸试件进行单、双轴压缩试验，两种试验机均可很好的满足试验需求，但由于两种试验机均成本较高，对设备操作有较高的要求。

“一种用于单轴材料试验机的双轴试验装置及试验方法”(CN201510932720.6)、“一种利用单轴试验机进行变比例双轴加载的强度试验卡具”(CN201610146635.1)和“用于材料双轴拉–压加载试验的装置及方法”(CN201710131470.5)三种专利技术，均是基于现有单轴试验机设计的，可用于十字型试样的双轴拉–压加载试验，解决了双轴强度试验专门设备匮乏、试验成本高的问题，但装置仅适用于十字型的金属材料试样的试验，不适用于岩土领域的圆柱体及方形试样进行试验，难以在岩土领域得到推广应用。

“一种用于岩石双轴试验的可调侧向压力加载装置及其试验方法”(CN201610146635.1)专利技术，该装置设有两个相同且相向的约束钢板作为加载板，通过手动压力泵对侧向加载箱加压，进而对加载板施加作用力，实现试件的侧向加载。此装置结构简单，成本较低，可配合单轴试验机进行试验，但通过手动压力泵控制试验力加载不能实现试件侧向应力值精确的动态调整，试验结果的可靠性存在问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种结构简单、成本较低、操作方便和能满足不同尺寸试件试验要求的利用剪切仪进行双轴加载的试验装置，使用该装置能保证双轴试验数据的精确度。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：所述试验装置由加载系统和变形监测系统组成。

加载系统由2个压杆外接头、2个带球铰的压头、基座和上部压头组成。

所述基座为方形钢板，沿方形钢板四条边的中垂线分别向内开有T型槽，四条T型槽的截面相同，T型槽的截面呈倒“T”形。

所述压杆外接头的外形呈圆柱状，圆柱一端为内凹的球形面，圆柱另一端为平面，所述平面的中心位置处设有螺孔；带球铰的压头的外形呈正方形板状，方形板的一个侧面为平面，另一个侧面为外凸的球形面，所述外凸的球形面和所述内凹的球形面的曲率半径及球面度相等；上部压头为正方形平板。

变形监测系统由计算机、应变仪、10个笔式位移传感器和2个传感器支架组成。

传感器支架为由上部的“十”字状钢板和底部的平板底座组成的整体；所述“十”字状钢板与平板底座相互垂直，侧面呈“L”状；所述平板底座为中心开有固定圆孔的平板；所述“十”字状钢板的中心处开有中心圆孔，在所述中心圆孔的上方、下方、左方和右方的位置处对称地开有安装孔，中心圆孔与四个安装孔的孔距均为试件边长的0.20倍，在传感器支架的侧面开有中心圆孔和4个安装孔对应的拧紧螺孔，拧紧螺孔内拧有紧固螺钉。

10个笔式位移传感器分别安装在2个传感器支架的5个圆孔中，分别用拧紧螺孔中的紧固螺钉固定对应的笔式位移传感器，每个笔式位移传感器的电源线与应变仪对应的通道接口连接，应变仪通过USB数据线与计算机连接。

所述中心圆孔与四个安装孔的孔径相同，所述孔径均与所述笔式位移传感器安装处的圆柱名义尺寸相同。

所述上部压头边长为试件边长的0.94～0.96倍；所述2个带球铰的压头边长为试件边长的0.94～0.96倍。

所述利用剪切仪进行双轴加载的试验装置的使用方法是：

步骤一、安装加载系统

先将2个压杆外接头通过螺纹分别与剪切仪的2个水平压杆对应连接，然后在2个压杆外接头和2个带球铰的压头的球形面上分别涂抹高粘性阻尼脂，压杆外接头外凸的球形面和带球铰的压头内凹的球形面耦合接触；再将基座放置在剪切仪的水平工作台上，调节基座的上平面与压杆外接头轴线的垂直距离为试件边长的0.5倍，将试件置于基座的中心位置处，在试件的上平面放置上部压头。

步骤二、固定试件

启动剪切仪，先通过剪切仪的竖向压杆和上部压头向试件施加0.5Mpa的竖向预应力，再通过剪切仪的两个水平压杆和对应的带球铰的压头向试件的两侧施加0.5Mpa的水平预应力，试件得到固定。

步骤三、安装变形监测系统

用螺栓穿过T型槽和平板底座的固定圆孔将2个传感器支架分别固定在基座上，2个传感器支架分别位于试件的前后两侧；再将10个笔式位移传感器分别装入2个传感器支架上的5个圆孔中，调节笔式位移传感器的监测探头与试件的表面接触，再用拧紧螺孔内的紧固螺钉将笔式位移传感器固定，然后将10个笔式位移传感器的电源线与应变仪的10个通道接口对应连接，应变仪通过USB数据线与计算机连接，计算机内安装应变仪的应用软件。

步骤四、加载及变形监测

先启动应变仪，再启动计算机，打开应变仪的应用软件；设置：“监测方式”为传感器，“测量单位”为mm，“桥路选择”为全桥，“采集方式”为监测采集，“采集间隔”为0.04s。

点击“监测采集”按钮，同时通过剪切仪对试件开始加载：先通过剪切仪的竖向压杆(12)对试件施加竖向载荷至设定的第二主应力，然后保持设定的第二主应力恒定；再通过剪切仪的水平压杆对试件施加水平载荷，逐步增大试件的第一主应力，待加载自动结束后，点击“停止采集”按钮，停止对试件表面的变形监测。

步骤五、试验数据获取和处理

利用剪切仪导出剪切仪水平压杆的水平位移ΔL₁和施加的水平载荷F₁，同时导出剪切仪竖向压杆的竖向位移ΔL₂和施加的竖向载荷F₂；利用计算机导出试件的未加载方向的变形ΔL₃，然后利用EXCEL软件将由剪切仪获取的数据和由计算机获取的数据置于同一.xls格式文件中，即得试件的应力-应变曲线和试件的体积变形曲线。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

(1)本发明利用剪切仪的水平压杆和剪切仪的竖向压杆对试件施加双向载荷，降低了装置的成本，实现了双轴试验的功能，保证了试验数据的精确度。

(2)本发明的压杆外接头与剪切仪的水平压杆通过螺纹连接，无需对剪切仪进行改装，装置结构简单；压杆外接头和带球铰的压头通过球铰耦合接触，优化了试件的受荷状态。

(3)本发明利用笔式位移传感器实现了试件未加载方向的变形监测，丰富了试验数据，增加了试验研究内容。

(4)装置构件数量少且结构简单，构件间易于连接，操作方便，制造成本较低，易于推广应用。

因此，本发明具有结构简单、成本较低、操作方便和能满足不同尺寸试件试验要求的特点，使用该装置能保证双轴试验数据的精确度。

附图说明

图1为本发明的一种结构的零部件位置三维示意图；

图2为图1中的压杆外接头1剖面二维放大示意图；

图3为图1中的带球铰的压头2剖面二维放大示意图；

图4为图1所示装置的使用状态三维示意图；

图5为图4的剖面二维示意图；

图6为本发明对试件11加载试验的应力-应变曲线图；

图7为本发明对试件11加载试验的体积变形曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，并非对其保护范围的限制。

实施例1

一种利用剪切仪进行双轴加载的试验装置及其使用方法。本实施例所述试验装置由加载系统和变形监测系统组成。本实施例所述试件(11)的尺寸为100mm×100mm×100mm。

如图1所示，加载系统由2个压杆外接头(1)、2个带球铰的压头(2)、基座(4)和上部压头(9)组成。

所述基座(4)为方形钢板，沿方形钢板四条边的中垂线分别向内开有T型槽(3)，四条T型槽(3)的截面相同，T型槽(3)的截面呈倒“T”形。

如图1和图2所示，所述压杆外接头(1)的外形呈圆柱状，圆柱一端为内凹的球形面，圆柱另一端为平面，所述平面的中心位置处设有螺孔。如图1和图3所示，带球铰的压头(2)的外形呈正方形板状，方形板的一个侧面为平面，另一个侧面为外凸的球形面，所述外凸的球形面和所述内凹的球形面的曲率半径及球面度相等。上部压头(9)为正方形平板。

如图1所示，变形监测系统由计算机(5)、应变仪(6)、10个笔式位移传感器(7)和2个传感器支架(8)组成。

如图1所示，传感器支架(8)为由上部的“十”字状钢板和底部的平板底座组成的整体。所述“十”字状钢板与平板底座相互垂直，侧面呈“L”状；所述平板底座为中心开有固定圆孔的平板；所述“十”字状钢板的中心处开有中心圆孔，在所述中心圆孔的上方、下方、左方和右方的位置处对称地开有安装孔，中心圆孔与四个安装孔的孔距均为试件(11)边长的0.20倍，在传感器支架(8)的侧面开有中心圆孔和4个安装孔对应的拧紧螺孔，拧紧螺孔内拧有紧固螺钉。

如图1所示，10个笔式位移传感器(7)分别安装在2个传感器支架(8)的5个圆孔中，分别用拧紧螺孔中的紧固螺钉固定对应的笔式位移传感器(7)，每个笔式位移传感器(7)的电源线与应变仪(6)对应的通道接口连接，应变仪(6)通过USB数据线与计算机(5)连接。

所述中心圆孔与四个安装孔的孔径相同，所述孔径均与所述笔式位移传感器(7)安装处的圆柱名义尺寸相同。

所述上部压头(9)边长为试件(11)边长的0.94～0.96倍；所述2个带球铰的压头(2)边长为试件(11)边长的0.94～0.96倍。

所述利用剪切仪进行双轴加载的试验装置的使用方法是：

步骤一、安装加载系统

如图4和图5所示，先将2个压杆外接头(1)通过螺纹分别与剪切仪的2个水平压杆(10)对应连接，然后在2个压杆外接头(1)和2个带球铰的压头(2)的球形面上分别涂抹高粘性阻尼脂，压杆外接头(1)外凸的球形面和带球铰的压头(2)内凹的球形面耦合接触；再将基座(4)放置在剪切仪的水平工作台上，调节基座(4)的上平面与压杆外接头(1)轴线的垂直距离为试件(11)边长的0.5倍，将试件(11)置于基座的中心位置处，在试件(11)的上平面放置上部压头(9)。

步骤二、固定试件(11)

启动剪切仪，先通过剪切仪的竖向压杆(12)和上部压头(9)向试件(11)施加0.5Mpa的竖向预应力，再通过剪切仪的两个水平压杆(10)和对应的带球铰的压头(2)向试件(11)的两侧施加0.5Mpa的水平预应力，试件(11)得到固定。

步骤三、安装变形监测系统

如图4和图5所示，用螺栓穿过T型槽(3)和平板底座的固定圆孔将2个传感器支架(8)分别固定在基座(4)上，2个传感器支架(8)分别位于试件(11)的前后两侧；再将10个笔式位移传感器(7)分别装入2个传感器支架(8)上的5个圆孔中，调节笔式位移传感器(7)的监测探头与试件(11)的表面接触，再用拧紧螺孔内的紧固螺钉将笔式位移传感器(7)固定，然后将10个笔式位移传感器(7)的电源线与应变仪(6)的10个通道接口对应连接，应变仪(6)通过USB数据线与计算机(5)连接，计算机(5)内安装应变仪(6)的应用软件。

步骤四、加载及变形监测

先启动应变仪(6)，再启动计算机(5)，打开应变仪(6)的应用软件；设置：“监测方式”为传感器，“测量单位”为mm，“桥路选择”为全桥，“采集方式”为监测采集，“采集间隔”为0.04s。

点击“监测采集”按钮，同时通过剪切仪对试件(11)开始加载：先通过剪切仪的竖向压杆(12)在方对试件(11)施加竖向载荷F₂至设定的第二主应力σ₂，所述第二主应力为5.0Mpa，然后保持设定的第二主应力σ₂恒定；再通过剪切仪的水平压杆(10)对试件(11)施加水平载荷F₁，逐步增大试件(11)的第一主应力σ₁，待加载自动结束后，点击“停止采集”按钮，停止对试件(11)表面的变形监测。

步骤五、试验数据获取和处理

利用剪切仪导出剪切仪水平压杆(10)的水平位移ΔL₁和施加的水平载荷F₁，同时导出剪切仪竖向压杆(12)的竖向位移ΔL₂和施加的竖向载荷F₂；利用计算机(5)导出试件(11)的未加载方向的变形ΔL₃，然后利用EXCEL软件将由剪切仪获取的数据和由计算机(5)获取的数据置于同一.xls格式文件中。

试件11的第一主应力σ₁：

式(1)中：F₁—试件11承受的水平载荷，N；

S—试件11承受的水平载荷的面积，m²。

试件11水平方向的应变ε₁：

式(2)中：L₁'—试件11在水平载荷F₁作用下的水平边长度，m；

L—试件11在水平载荷F₁作用前的水平边长度，m；

ΔL₁—试件11在水平载荷F₁作用下的水平边长度的变化量，m。

由步骤4设定的第二主应力σ₂(5.0Mpa)和步骤5中的式(1)和式(2)，可得图6所示的试件(11)的应力-应变曲线。

试件11竖直方向的应变ε₂：

式(3)中：L₂'—试件11在竖向载荷F₂作用下的竖向边长度，m；

L—试件11在竖向载荷F₂作用前的水平边长度，m；

ΔL₂—试件11在竖向载荷F₂作用下的水平边长度的变化量，m。

试件11未加载方向的应变ε₃：

式(4)中：L₃'—试件11在载荷作用下未加载边长度，m；

L—试件11在载荷作用前的水平边长度，m；

ΔL₃—试件11在载荷作用下未加载边长度的变化量，为10个笔式位移传感器7监测的变形数据的平均值的2.0倍，m。

试件11的体积应变ε_v：

ε_v＝ε₁+ε₂+ε₃(5)

式(5)中：ε₁—试件11水平方向的应变；

ε₂—试件11中竖直方向的应变；

ε₃—试件11未加载方向的应变。

在式(2)～式(5)中，设定试件(11)的应变值以试件(11)发生的压缩变形为正，发生的膨胀变形为负。由步骤5中的式(2)～式(5)，可得图7所示的试件(11)的体积变形曲线。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

(1)本具体实施方式利用剪切仪的水平压杆(10)和剪切仪的竖向压杆(12)对试件(11)施加双向载荷，降低了装置的成本，实现了双轴试验的功能，保证了试验数据的精确度。

(2)本具体实施方式的压杆外接头(1)与剪切仪的水平压杆(10)通过螺纹连接，无需对剪切仪进行改装，装置结构简单；压杆外接头(1)和带球铰的压头(2)通过球铰耦合接触，优化了试件的受荷状态。

(3)本具体实施方式利用笔式位移传感器(7)实现了试件(11)未加方向的变形监测，丰富了试验数据，增加了试验研究内容。

(4)装置构件数量少且结构简单，构件间易于连接，操作方便，制造成本较低，易于推广应用。

因此，本具体实施方式具有结构简单、成本较低、操作方便和能满足不同尺寸试件试验要求的特点，使用该装置能保证双轴试验数据的精确度。