專利名稱：一種真三軸儀壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖土工程測試設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種真三軸儀壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
對土的力學(xué)特性研究中，傳統(tǒng)測試儀器有直剪儀、單向壓縮儀和常規(guī)三軸儀等，國外學(xué)者Kiellman于1936年首次成功設(shè)計真三軸儀以來，真三軸儀越來越受到重視。真三軸儀能實現(xiàn)在復(fù)雜應(yīng)力條件下對土體的試驗研究，具有全面、真實地反映土單元的三維主應(yīng)力狀態(tài)等優(yōu)勢。國內(nèi)外先后設(shè)計了多種不同型式的真三軸儀，盡管設(shè)計思路不同，但核心思想均著眼于三個主應(yīng)力和主應(yīng)變分量的獨立控制和量測。從劍橋大學(xué)Roscoe等開拓完成的三向剛性版加載的劍橋真三軸儀，到美國Coloeado大學(xué)和日本東京大學(xué)發(fā)明的三向柔性流體加荷真三軸儀，再到日本京都大學(xué)改進(jìn)的一向剛性板加載，兩向氣壓或液壓柔性加載真三軸儀等等。該類儀器的研制正逐漸向消除應(yīng)力邊角效應(yīng)影響和便于應(yīng)力應(yīng)變量測等方面發(fā)展。西安理工大學(xué)研制的真三軸儀具有一室四腔、豎向剛性加載和側(cè)向液壓囊柔性加載的特點，是一種具有新型壓力室加載機(jī)構(gòu)的真三軸儀，但如何實現(xiàn)兩個獨立側(cè)向變形量的有效控制和準(zhǔn)確量測仍然還是一個難題?，F(xiàn)有的真三軸儀側(cè)向變形的量測控制依據(jù)其加載類型的不同而異。對于三向剛性板加載方式的機(jī)構(gòu)，試樣側(cè)向變形的量測是通過側(cè)向剛性板的位移量測實現(xiàn)的，隨試樣壓縮、膨脹向內(nèi)或向外滑動距離進(jìn)行控制量測，原理簡單可行。如果試樣在三個主應(yīng)力方向上的變形是單調(diào)變化的，三向剛性板也可以單調(diào)移動變化。但若試樣在某一方向發(fā)生有壓縮向側(cè)漲的變形轉(zhuǎn)換，則另兩方向加荷的剛性板難以及時跟隨，試樣在棱角處容易擠出。不僅如此，這種儀器三向加載板之間互相干擾，還存在明顯的不足。對于三向柔性液壓加載方式，雖在剛性板思想上有所改進(jìn)，但側(cè)向量測的應(yīng)變范圍較小，且是通過液壓囊體積變化量間接得到試樣在某一方向的變形的。對于變形較大的粘土材料具有局限性?；谶@些加載方式的分析，現(xiàn)有一向剛性加載兩向柔性液壓加載系統(tǒng)，理論上具有可行性，但在實際操作中，由于液壓囊不可避免地充氣，以及液壓囊隨其隔離板的平面轉(zhuǎn)動的原因，使得水平面內(nèi)兩個主向變形的量測存在一定的誤差。因此，改善真三軸壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)，消除現(xiàn)有存在的量測缺陷，使得新的壓力室側(cè)向變形量測結(jié)構(gòu)既能保證良好的可操作性能，又能準(zhǔn)確的進(jìn)行側(cè)向變形的量測具有實際的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種真三軸儀壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)，適用于軸向剛性加載側(cè)向柔性加載的真三軸儀，實現(xiàn)了真三軸儀對側(cè)向變形的準(zhǔn)確測量。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種真三軸儀壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)，該真三軸儀壓力室由壓力室底座、壓力室側(cè)壁以及壓力室頂蓋構(gòu)成，且壓力室內(nèi)部對稱分布有四個壓力腔，四個壓力腔內(nèi)各設(shè)置有一乳膠膜，四個乳膠膜分別與外部壓力源相連接，并在充液后分別形成柔性液壓囊，四個壓力腔內(nèi)均徑向且水平穿插設(shè)置有一側(cè)向位移量測導(dǎo)桿， 各側(cè)向位移量測導(dǎo)桿的一端穿透對應(yīng)的乳膠膜后，在其端部固定有豎直方向的內(nèi)端板，內(nèi)端板與柔性液壓囊的外表面平齊，各側(cè)向位移量測導(dǎo)桿的另一端伸出在壓力室外部，且其端部分別連接有電子百分表連接。真三軸儀壓力室的壓力室側(cè)壁上設(shè)置有四個導(dǎo)向筒，四個側(cè)向位移量測導(dǎo)桿均對應(yīng)穿插在導(dǎo)向筒里。各側(cè)向位移量測導(dǎo)桿由兩個桿體通過螺紋同軸連接構(gòu)成，其中，該兩個桿體的連接部位于壓力腔內(nèi)，且在該連接部設(shè)置有密封螺母。各側(cè)向位移量測導(dǎo)桿上，在密封螺母和內(nèi)端板之間依次設(shè)置有墊片和剛性密封護(hù)筒。該壓力室的外部設(shè)置有電子百分表固定架，四個電子百分表均安裝在電子百分表固定架上。本發(fā)明的優(yōu)點是能夠很好地實現(xiàn)試樣在三向獨立加載條件下側(cè)向變形量的試驗研究，能測定土在真三軸試驗條件下變形特性的相關(guān)參數(shù)；試驗結(jié)果穩(wěn)定可靠，不同土性試驗結(jié)果對比性強(qiáng)。并且本發(fā)明設(shè)計合理、使用操作簡便、智能化程度高且性能可靠。


圖1是本發(fā)明一種真三軸儀壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是本發(fā)明中側(cè)向位移量測導(dǎo)桿的連接關(guān)系示意圖。其中，1、壓力室底座；2、孔隙水連通管；3、下透水石；4、壓力室柔性囊隔離板徑向運動彈性約束機(jī)構(gòu)；5、壓力室柔性囊隔離板轉(zhuǎn)動彈性約束機(jī)構(gòu)；6、液壓連通管；7、上透水石；8、試樣頂蓋；9、壓力室頂蓋；10、柔性液壓囊；11、壓力室側(cè)壁；12、側(cè)向位移量測導(dǎo)桿； 13、電子百分表；14、電子百分表固定架；15、壓力室柔性囊隔離板；16、壓力腔；17、乳膠膜； 18、內(nèi)端板；19、剛性密封護(hù)筒；20、墊片；21、外螺紋；22、導(dǎo)向筒；23、密封螺母。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明一種真三軸儀壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)，該壓力室由從下到上依次設(shè)置的壓力室底座1、壓力室側(cè)壁11以及壓力室頂蓋9構(gòu)成，壓力室側(cè)壁11圍成的壓力室內(nèi)腔中心處為試樣放置處，圍繞試樣放置處均勻分布有四個壓力腔16，四個壓力腔16內(nèi)各設(shè)置有一乳膠膜17，在壓力室側(cè)壁11上安裝有四個液壓連通管6，四個乳膠膜17 通過對應(yīng)的液壓連通管6與外部壓力源相連接，并在充液后形成用于對試樣施加側(cè)向正應(yīng)力的T型柔性液壓囊10。相鄰兩個壓力腔16之間均設(shè)置有壓力室柔性囊隔離板15，壓力室柔性囊隔離板15為徑向設(shè)置的豎直板，且可徑向伸縮、側(cè)向轉(zhuǎn)動。壓力室底座1的上表面開槽并設(shè)置有下透水石3，壓力室底座1上還開有與下透水石3相通的孔隙水連通管2。 壓力室頂蓋9的中心開有通孔，并在開孔處設(shè)置有試樣頂蓋8，試樣頂蓋8的下表面開槽并設(shè)置有上透水石7。如圖2所示，四個壓力腔16內(nèi)均徑向且水平穿插設(shè)置有一側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12，
4在壓力室側(cè)壁11上開有四個水平通孔，該四個水平通孔均安裝有一導(dǎo)向筒22，四個側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12對應(yīng)穿插設(shè)置在導(dǎo)向筒22里。結(jié)合圖3所示，四個側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12均由外段桿體和內(nèi)段桿體通過螺紋連接構(gòu)成。其中，各外段桿體均穿插設(shè)置在導(dǎo)向筒22里，外段桿體和內(nèi)段桿體的連接部位于壓力腔16內(nèi)，外段桿體的一端軸向開有螺紋孔且端部設(shè)置有密封螺母23，外段桿體的另一端伸出在壓力室外部并連接有電子百分表13，各內(nèi)段桿體位于壓力腔16內(nèi)，且內(nèi)段桿體的一端設(shè)置有外螺紋21，并通過其與外段桿體相連接，內(nèi)段桿體的另一端穿過乳膠膜17后，在其內(nèi)端部設(shè)置有豎直方向的內(nèi)端板18。在乳膠膜17充液后，內(nèi)端板18與柔性液壓囊10的外表面平齊。各側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12上，在密封螺母23和內(nèi)端板18之間依次設(shè)置有墊片20 和剛性密封護(hù)筒19。壓力室的外部設(shè)置有電子百分表固定架14，四個電子百分表13均安裝在電子百分表固定架14上。在壓力室側(cè)壁11外安裝有壓力室柔性囊隔離板徑向運動彈性約束機(jī)構(gòu)4以及壓力室柔性囊隔離板轉(zhuǎn)動彈性約束機(jī)構(gòu)5。壓力室柔性囊隔離板徑向運動彈性約束機(jī)構(gòu)4為隔離相鄰兩個壓力腔液壓囊相互影響，試樣在固結(jié)或剪切過程中試樣發(fā)生側(cè)向壓縮或膨脹時，機(jī)構(gòu)彈簧可實現(xiàn)調(diào)節(jié)柔性液壓囊隔離板徑向伸縮運動的功能。壓力室柔性囊隔離板轉(zhuǎn)動彈性約束機(jī)構(gòu)5為隔離相鄰兩個壓力腔液壓囊相互影響，試樣在固結(jié)或剪切過程中試樣發(fā)生側(cè)向壓縮或膨脹時，機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)動彈簧可實現(xiàn)調(diào)節(jié)柔性液壓囊隔離板自由轉(zhuǎn)動的功能。該兩個約束機(jī)構(gòu)實現(xiàn)壓力室柔性囊隔離板15自由徑向伸縮和側(cè)向轉(zhuǎn)動，保證相鄰壓力腔16內(nèi)的柔性液壓囊10不發(fā)生偏離，從而滿足試樣在試驗過程中實現(xiàn)側(cè)向互不干擾加載和變形。本發(fā)明的工作原理是通過在壓力室底座1下方設(shè)置液壓缸，并通過該液壓缸沿豎直向?qū)υ嚇邮┘虞S向荷載。液壓缸內(nèi)置活塞，連接外部壓力源，采用閉環(huán)控制可保證按要求施加荷載。在壓力室頂蓋9上設(shè)置豎向位移傳感器，該豎向位移傳感器固定于軸向無變形的剛性立柱上，在軸向加荷時可直接量測試樣的變形。位置相對的兩個乳膠膜17相通并形成兩個側(cè)向施壓組，該兩個側(cè)向施壓組分別與兩個外部液壓源分別連通，對其分別實施閉環(huán)控制，可對試樣施加側(cè)壁面上兩個方向的主應(yīng)力。在固結(jié)或剪切過程中，試樣孔隙水可通過下透水石3與孔隙水連通管2傳遞壓力和運動，進(jìn)行試驗過程中孔隙水的控制和量測。側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12是傳遞試樣變形的主要部件，側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12可實現(xiàn)水平面上徑向運動位移，其本身不發(fā)生變形。側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12 —端連接內(nèi)端板18，試驗初始，內(nèi)端板18應(yīng)緊密貼合試樣，另一端位于壓力室側(cè)壁11外，通過電子百分表13記錄初始位移。試驗過程中，隨著三個方向的不同加載，試樣分別在大、中、小主應(yīng)力方向發(fā)生變形，柔性液壓囊10緊貼試樣側(cè)壁，帶動側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12 —體運動，試樣側(cè)壁的膨脹或收縮通過側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12傳遞給電子百分表13，從而實現(xiàn)試樣變形量的記錄。剛性密封護(hù)筒19、密封螺母23以及墊片20構(gòu)成乳膠膜密封裝置。乳膠膜17緊貼試樣的側(cè)邊，以及其緊貼壓力室側(cè)壁11的側(cè)邊上均開設(shè)對應(yīng)的小孔，側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12 水平穿過該兩個小孔，即可穿過乳膠膜17，并保持密封。擰緊密封螺母23，對墊片20施加壓力，并將壓力傳遞到剛性密封護(hù)筒19上，從而使剛性密封護(hù)筒19與內(nèi)端板18壓緊乳膠膜17。電子百分表13與側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12外端接觸，試樣側(cè)向變形帶動側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12發(fā)生水平面內(nèi)徑向位移，側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12運動帶動電子百分表13測桿運動，電子百分表13的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電子百分表13量測電信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，傳輸給計算機(jī)自動采集，從而實現(xiàn)側(cè)向變形的數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明的工作過程如下首先，將位于壓力腔16內(nèi)的，側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12的內(nèi)段桿體、剛性密封護(hù)筒19以及乳膠膜17密封安裝成一體，在充液后，柔性液壓囊10表面與試樣側(cè)壁貼合，剛性密封護(hù)筒19位于柔性液壓囊10內(nèi)，內(nèi)端板18與柔性液壓囊10表面以及試樣側(cè)壁均貼合在同一平面。其次，將該四個柔性液壓囊10對應(yīng)平整的放入四個壓力腔16內(nèi)，將各側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12的內(nèi)段桿體和外段桿體通過螺紋連接成一體。側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12與柔性液壓囊10之間的密封，通過內(nèi)端板18、剛性密封護(hù)筒19、墊片20以及密封螺栓23分別與柔性液壓囊10的緊密接觸保證，使柔性液壓囊10在加壓狀態(tài)下不滲漏。墊片20能避免密封螺栓23導(dǎo)致柔性液壓囊10破損。最后，擰緊密封螺栓23，使得墊片20與剛性密封護(hù)筒19壓緊柔性液壓囊10的外邊膜，剛性密封護(hù)筒19與內(nèi)端板18壓緊柔性液壓囊10的內(nèi)邊膜，從而使柔性液壓囊10與剛性密封護(hù)筒19結(jié)合成一體，即可使側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12與試樣側(cè)壁變形一致。待上述安裝工作做好之后，手動調(diào)節(jié)側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12使得內(nèi)端板18緊密完好貼合試樣，此時，柔性液壓囊10、內(nèi)端板18均勻貼緊試樣四周，電子百分表13指針記錄初始位移。試驗過程中，隨著三個方向的不同加載，試樣分別在大、中、小主應(yīng)力方向發(fā)生變形，柔性液壓囊10與側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12—體運動，試樣壓縮或膨脹的變形通過側(cè)向位移量測導(dǎo)桿12運動傳遞至電子百分表13測桿運動，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，試樣側(cè)向變形位移數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集，完成真三軸加載過程試樣側(cè)向變形量的記錄。本發(fā)明主要適用于現(xiàn)有的軸向剛性加載、側(cè)向柔性加載的真三軸儀，對巖土材料進(jìn)行軸向剛性加載、側(cè)向柔性加載的真三軸試驗研究，準(zhǔn)確的進(jìn)行三個主應(yīng)力和主應(yīng)變分量的獨立控制和量測，從而獲得研究巖土材料的強(qiáng)度特性和變形特性的試驗數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種真三軸儀壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)，該真三軸儀壓力室由壓力室底座(1)、 壓力室側(cè)壁(11)以及壓力室頂蓋(9)構(gòu)成，且壓力室內(nèi)部對稱分布有四個壓力腔(16)，所述四個壓力腔(16)內(nèi)各設(shè)置有一乳膠膜(17)，所述四個乳膠膜(17)分別與外部壓力源相連接，并在充液后分別形成柔性液壓囊(10)，其特征在于，所述四個壓力腔(16)內(nèi)均徑向且水平穿插設(shè)置有一側(cè)向位移量測導(dǎo)桿(12)，所述各側(cè)向位移量測導(dǎo)桿(1 的一端穿透對應(yīng)的乳膠膜(17)后，在其端部固定有豎直方向的內(nèi)端板(18)，所述內(nèi)端板(18)與柔性液壓囊(10)的外表面平齊，所述各側(cè)向位移量測導(dǎo)桿(1 的另一端伸出在壓力室外部，且其端部分別連接有電子百分表(1 連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的真三軸儀壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述真三軸儀壓力室的壓力室側(cè)壁(11)上設(shè)置有四個導(dǎo)向筒(22)，所述四個側(cè)向位移量測導(dǎo)桿 (12)均對應(yīng)穿插在導(dǎo)向筒02)里。
3.按照權(quán)利要求2所述的真三軸儀壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述各側(cè)向位移量測導(dǎo)桿(1 由兩個桿體通過螺紋同軸連接構(gòu)成，其中，該兩個桿體的連接部位于壓力腔(16)內(nèi)，且在該連接部設(shè)置有密封螺母03)。
4.按照權(quán)利要求3所述的真三軸儀壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述各側(cè)向位移量測導(dǎo)桿(1 上，在密封螺母和內(nèi)端板(18)之間依次設(shè)置有墊片OO)和剛性密封護(hù)筒(19)。
5.按照權(quán)利要求1所述的真三軸儀壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)，其特征在于，該壓力室的外部設(shè)置有電子百分表固定架(14)，所述四個電子百分表(1 均安裝在電子百分表固定架(14)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種真三軸儀壓力室的側(cè)向變形量測機(jī)構(gòu)，該真三軸儀壓力室由壓力室底座、壓力室側(cè)壁以及壓力室頂蓋構(gòu)成，且壓力室內(nèi)部對稱分布有四個壓力腔，四個壓力腔內(nèi)各設(shè)置有一乳膠膜，四個乳膠膜分別與外部壓力源相連接，并在充液后分別形成柔性液壓囊，四個壓力腔內(nèi)均徑向且水平穿插設(shè)置有一側(cè)向位移量測導(dǎo)桿，各側(cè)向位移量測導(dǎo)桿的一端穿透對應(yīng)的乳膠膜后，在其端部固定有豎直方向的內(nèi)端板，內(nèi)端板與柔性液壓囊的外表面平齊，各側(cè)向位移量測導(dǎo)桿的另一端伸出在壓力室外部，且其端部分別連接有電子百分表連接。本發(fā)明適用于軸向剛性加載側(cè)向柔性加載的真三軸儀，實現(xiàn)了真三軸儀對側(cè)向變形的準(zhǔn)確測量。
文檔編號G01N3/12GK102507334SQ20111033331
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者許萍, 邵生俊 申請人:西安理工大學(xué)