專利名稱：破碎巖土壓縮試驗中用的柔性邊界加載實驗機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量材料力學參數的實驗設備，特別涉及一種進行破碎巖體或土石混合體的壓縮試驗的柔性邊界加載實驗機。
背景技術：
目前，在土力學中最常用的測定土的抗剪強度的儀器就是三軸壓縮實驗機，如

圖1所示，它由壓力室、軸向加壓系統、圍壓加壓系統和空隙水壓力測量系統構成，如武漢工業大學出版社2000年版趙明華著的《土力學與基礎工程》一書中所述的，三軸壓縮實驗機的核心部分是壓力室，它是由一個活塞15、上墊塊13、下墊塊14、上蓋板2、下蓋板11和透明有機玻璃筒3組成的密閉容器；軸向加壓系統用以對試樣施加軸向壓力，并可控制軸向應變的速率，在一定的圍壓條件下，逐漸增加軸向壓力，試樣中各點將產生剪應力，若某點的剪應力達到其抗剪強度，在剪切面的兩側將產生相對位移而產生滑動破壞；隨著軸向荷載的繼續增加，試樣中的剪應力達到抗剪強度的區域愈來愈大，最后各滑動面連成整體，試樣將發生整體剪切破壞而喪失穩定性。
普通的三軸壓縮實驗機的軸向加載邊界是剛性的，即給定的是位移邊界加載條件，對于均勻材料，該實驗機所測出的均勻材料的本構關系和破壞強度基本上可以代表材料中任一點的應力狀態，如對于金屬材料，該實驗機可以給出令人滿意的測量結果。
但是，對于像含結構面巖體或土石混合體這類非均勻、非連續的介質，采用剛性邊界加載方式，會導致邊界上作用力的分布不均勻和不確定，再者，非均勻、非連續的介質在外力作用下其內部應力的分布也不均勻，某些區域塊體或顆粒之間的作用力很大，而另外的區域受力很小甚至不受力，力的不均勻性就會反映在邊界上，導致邊界條件的不確定性，因此，這種給定位移邊界條件的實驗機在進行破碎巖體或土石混合體的壓縮試驗時不能很好地反映客觀實際狀況。

發明內容
本實用新型的目的在于克服普通三軸壓縮實驗機的軸向加載邊界是剛性的的局限性，以及其導致的在進行破碎巖體或土石混合體的壓縮試驗時，剛性的軸向加載邊界不能很好地反映客觀實際狀況的缺陷，從而提供一種柔性邊界加載實驗機。
本實用新型的目的是這樣實現的本實用新型的一種柔性邊界加載實驗機，包括試驗機框架、三個位于實驗機框架外的加壓裝置和壓力室缸體，所述實驗機框架的上蓋板和下蓋板通過至少三根以上的立柱固定而成，與立柱等高的壓力室缸體安裝在上蓋板和下蓋板的中央，其特征在于還包括至少一個固定在上蓋板的下表面處的超聲波位移測量裝置、密封有液體或氣體的乳膠膜制成的加載膠囊、兩個活塞環和平衡壓傳力桿；其中，側面包裹有乳膠膜的試樣位于壓力室缸體內，其側面與壓力室缸體內壁之間形成一圍壓壓力室，該圍壓壓力室內充滿液體或氣體；所述軸壓活塞環放置在試樣上，其外徑與壓力室缸體的內徑相等；所述軸壓加載膠囊位于軸壓活塞環與上蓋板之間，所述的位于實驗機框架的下蓋板內的平衡壓活塞環通過平衡壓傳力桿與軸壓活塞環固定連接在一起，其下方還設置一平衡壓加載膠囊，該膠囊位于實驗機框架的下蓋板內；所述三個加壓裝置分別連通軸壓加載膠囊、平衡壓加載膠囊以及圍壓壓力室中的液體或氣體。
所述的壓力室缸體為有機玻璃筒或鋼筒。
所述的加壓裝置可為高壓氣瓶或伺服加載控制系統。所述的伺服加載控制系統內充裝液體油介質，并通過一鋼管經一耐壓軟管與加載膠囊相連通，所述鋼管內設置有油壓活塞。
所述的軸壓加載膠囊采用高壓液體膠囊，其上方還設置一密閉的氣液容器。
采用高壓液體膠囊可以實現軸向的柔性加載，因為靜態流體內部壓力處處相等，因此作用在試樣表面上的力是均勻的，即可實現等應力邊界條件。這樣，如果破碎巖體或土石混合體試樣內有一定的不均勻性以及非連續性等特點，就會導致試樣表面上各點的位移不相等，這樣就可以從均勻加載的角度更好地研究非均勻、非連續介質的變形及破壞規律。
加載液體的壓力可以通過對密閉的氣液容器加壓來實現，因為對一定容量的氣體而言，固體變形引起的體積變化對氣體的壓力變化影響可以忽略，這樣就可以保證試樣在變形和破壞過程中的壓力保持不變。
如果在測量試樣的變形破壞過程中，軸向柔性邊界加載系統中的膠囊內的傳壓介質全部采用液體，不包含氣體，那么，在試樣發生變形和破壞過程中，液體傳壓介質的壓縮變形與試樣的變形相比可以忽略，軸壓就會下降，從而可以記錄下試樣發生變形和破壞的全過程。
圍壓的施加與普通三軸壓縮試驗機相同，即圍壓采用液體或氣體作為傳壓介質，保持圍壓為某一常數進行試驗。
本實用新型的優點在于本實用新型的一種柔性邊界加載實驗機，由于采用了兩個與加壓裝置連通的充裝有液體或氣體的膠囊，外部的加壓裝置通過膠囊對試樣施加壓力，保證試樣上表面上每一點的應力都相等，實現了柔性軸向加載，即等應力邊界條件，這樣在進行破碎巖體或土石混合體的壓縮試驗時，就能很好地反映客觀實際情況。
本實用新型的目的、特征及優點將通過優選的實施例結合附圖加以說明。
圖面說明圖1是現有技術普通三軸壓縮實驗機的剖面示意圖圖2是本實用新型柔性邊界加載實驗機的一實施例的剖面示意圖圖3是本實用新型柔性邊界加載實驗機的又一實施例的剖面示意圖圖4是本實用新型柔性邊界加載實驗機主體部分實物圖附圖標示實驗機框架1 上蓋板2 壓力室缸體3軸壓活塞環4 立柱5 平衡壓活塞環6平衡壓加載膠囊7 平衡壓傳力桿8 軸壓加載膠囊9超聲波位移測量裝置10下蓋板11 試樣12上墊塊13下墊塊14 活塞15軸壓加壓裝置16 圍壓加壓裝置17平衡壓加壓裝置18圍壓壓力室19乳膠膜20 氣液容器具體實施方式
參照附圖，將詳細敘述本實用新型的具體實施方案。
實施例1制作一采用高壓氣瓶加壓的柔性邊界加載實驗機，如圖2所示，該實驗機包括實驗機框架1和壓力室缸體3，壓力室缸體3密封位于實驗機框架1的上蓋板2和下蓋板11之間，當所施加的軸向壓力和圍壓比較小時，壓力室缸體3采用有機玻璃筒，當所施加的軸向壓力和圍壓比較大時，壓力室缸體3采用鋼筒，本實施例中采用的是鋼筒；實驗機框架1的上蓋板2和下蓋板11通過四根鋼制的立柱5固定而成；超聲波位移測量裝置10采用超聲波傳感器，內置于上蓋板2的下表面處，軸向加壓活塞環4為一鋼環，套裝在壓力室缸體3內，其下表面的內圓部分放在試樣12上表面的外圓部分上，其外側壁與壓力室缸體3內壁密封接觸，在軸壓活塞環4和試樣12的上表面、壓力室缸體3內壁和上蓋板2圍成的空間里放置一軸壓加載膠囊9；平衡壓活塞環6通過平衡壓傳力桿8與軸向加壓活塞環4固定連接在一起；平衡壓活塞環6位于實驗機框架1的下蓋板11內，其下方還設置一平衡壓加載膠囊7，該平衡壓加載膠囊7也位于實驗機框架1的下蓋板11內；壓力室缸體3與試樣12之間形成圍壓壓力室19，其中充滿液體，試樣12的外側面包裹一層乳膠膜20。
本例中，三個加壓裝置均采用高壓氣瓶；通過高壓氣瓶17對圍壓壓力室19施加壓力，軸向壓力是利用高壓氣瓶16通過氣液容器21對軸壓加載膠囊9施加壓力而實現的，軸壓加載膠囊9緊貼著實驗機框架上蓋板2的下表面、壓力室缸體3內壁、軸壓活塞環4的上表面以及試樣12的上表面，在施加軸壓的過程中，軸壓活塞環4就隨試樣12上表面一起運動；而通過高壓氣瓶18對平衡壓加載膠囊7施加壓力推動平衡壓活塞環6向上運動，并通過平衡壓傳力桿8把力傳到軸壓活塞環4上。
由于軸向加載采用了柔性加載，軸向加壓液體具有可流動性，因此，必須用剛性的東西把軸壓壓力室與圍壓壓力室隔開，設計中我們采用一個軸壓活塞環4，該環內徑向外的一小部分壓在試樣上表面的外邊緣上，從而把軸壓和圍壓的壓力室隔開。
由于軸向壓力大于圍壓，作用在試樣上表面的外邊緣上的應力大于作用在試樣上表面中間部分的應力，因此，必須有一個壓力平衡系統來抵消掉軸向壓力作用在軸向加壓活塞環上力的一部分，使得作用在試樣上表面的外邊緣上的應力等于作用在試樣上表面中間部分的壓力。我們設計了這樣一個平衡壓加載系統，并通過平衡壓加載膠囊、平衡壓活塞環以及平衡壓傳力桿，來抵消掉軸向壓力作用在軸向加壓活塞環上的部分力。假設軸壓為Pz，圍壓為Pw，平衡壓為Pp；軸向加壓活塞環面積與壓在試樣上環的面積之差是Szh，平衡壓活塞環的面積是Sph，平衡壓傳力桿的面積是Sg，為了使得作用在試樣上表面的外邊緣上的應力等于作用在試樣上表面中間部分的壓力，必須滿足以下條件Pp*Sph-Pw(Sph-Sg)+Pw(Szh-Sg)＝Pz*Szh
P2-PwPp-Pw=SphSzh]]>或者寫成Pp=Pw+(Pz-Pw)SzhSph]]>在Sph與Szh一定的條件下，軸壓Pz，圍壓Pw，與平衡壓Pp之間滿足上面的關系式，就可以使試樣上表面上每一點的應力都相等，在試驗的過程中，圍壓Pw為某一常數值，Sph與Szh也是固定不變的。因此，隨著軸壓Pz的增加，平衡壓Pp按照上面的關系式增加，就可滿足必要的壓力平衡條件，從而測出試樣的力學參數。
實施例2制作另一采用伺服加載控制系統加壓的柔性邊界加載實驗機，如圖3所示，在實施例1的基礎上，該實驗機用一軸壓伺服加載控制系統16、一圍壓伺服加載控制系統17和一平衡壓伺服加載控制系統18替代三個高壓氣瓶，上述三個伺服加載控制系統位于柔性邊界加載實驗機框架主體的外部，并通過鋼管和耐壓軟管與膠囊相連通；鋼管內有一油壓活塞。其中，軸壓伺服加載系統16通過液體油介質對油壓活塞施加壓力，該壓力就會通過軸壓加載膠囊9傳遞到試樣12的上表面上，從而實現對試樣上表面的軸向加載；圍壓伺服加載系統17通過液體油介質對油壓活塞施加壓力，該壓力就會通過圍壓壓力室19內的傳壓介質傳遞到試樣的側表面上，從而實現對試樣施加圍壓；平衡壓伺服加載系統18通過液體油介質對油壓活塞施加壓力，該壓力就會通過平衡壓加載膠囊7傳遞到平衡壓活塞環6上，再通過平衡壓傳力桿8把力傳遞到軸壓活塞環4上，從而可以實現軸壓Pz，圍壓Pw，與平衡壓Pp之間的相互協調，并滿足上面列出的它們之間的平衡協調關系式。
在本實施例中，軸壓加載膠囊9改用高壓液體膠囊，其上方還可設置一密閉的氣液容器。
下面對本裝置的原理作進一步的解釋(1)軸壓伺服加載控制系統16，這是柔性邊界加載試驗機實現柔性加載的關鍵部分，它通過軸壓加載膠囊9中的軸向加壓液體對試樣進行加載，由于流體內部壓力處處相等，因此作用在試樣表面上的力是均勻相等的，但試樣表面上各點的位移可以不相等。根據需要，既可實現等應力加載，也可實現等位移加載。
(2)圍壓伺服加載控制系統17，這一部分所實現的功能與普通的三軸試驗機相同，即通過圍壓加載膠囊19內的氣體或液體，對試樣周圍施加某一固定不變的圍壓。
(3)平衡壓力伺服加載控制系統，這一部分控制系統是普通三軸試驗機上沒有的。
(4)超聲波位移測量裝置。在普通的三軸試驗機上，由于試樣上表面的加載是剛性的，為位移邊界條件，因此，每一點的位移都是一樣，試樣的軸向位移測量比較簡單。而在我們的柔性邊界加載試驗機上，試樣上表面的加載是柔性的，為應力邊界條件，每一點的位移都可能不一樣，需要測量出上表面的位移分布，在設計中，我們采用了超聲波的方法來測量位移，其基本原理就是，波在某種介質(例如水)中的傳播速度相等，通過發出和接收信號的時間差即可計算出距離。由于超聲波的波長非常短，因此距離的測量精度比較高，目前超聲測厚儀已被廣泛地應用于各個領域。在柔性邊界加載試驗機上，超聲波傳感器被布置在試樣上方的試驗機框架上蓋板下表面上，試驗的過程中，超聲波傳感器與試樣之間的水層厚度不斷變化(增加)，超聲波傳感器就可以測量出這一厚度的變化過程，該厚度變化就是位移的變化量。對于巖體或者土石混合體，由于有一定的不均勻性和非連續性，各點的位移變化是不相同的，布置多個超聲波傳感器，就可以測量出不同點上位移變化的分布，使測量出的力學參數更符合實際。
比較本實用新型和普通的現有技術，從圖1和圖2、圖3、圖4中可以看出，柔性邊界加載實驗機與普通三軸壓縮實驗機最本質的區別就是軸向加載。普通三軸壓縮實驗機的軸向加載是剛性的，為位移邊界加載條件，而柔性邊界加載實驗機的軸向加載是柔性的，為應力邊界條件；結果表明，本實用新型柔性邊界加載實驗機采用柔性軸向加載，即應力邊界條件，在進行破碎巖體或土石混合體的壓縮試驗時，能很好地反映客觀實際狀況。
權利要求1.一種柔性邊界加載實驗機，包括實驗機框架(1)、三個位于實驗機框架(1)外的加壓裝置(16、17、18)和壓力室缸體(3)，所述實驗機框架(1)的上蓋板(2)和下蓋板(11)通過至少三根以上的立柱(5)固定而成，與立柱(5)等高的壓力室缸體(3)安裝在上蓋板(2)和下蓋板(11)的中央，其特征在于還包括至少一個固定在上蓋板(2)的下表面處的超聲波位移測量裝置(10)、密封有液體或氣體的乳膠膜制成的加載膠囊(7、9)、兩個活塞環(4、6)和平衡壓傳力桿(8)；其中，側面包裹有乳膠膜(20)的試樣(12)位于壓力室缸體(3)內，其側面與壓力室缸體(3)內壁之間形成一圍壓壓力室(19)，該圍壓壓力室(19)內充滿液體或氣體；所述軸壓活塞環(4)放置在試樣(12)上，其外徑與壓力室缸體(3)的內徑相等；所述軸壓加載膠囊(9)位于軸壓活塞環(4)與上蓋板(2)之間，所述的位于實驗機框架(1)的下蓋板(11)內的平衡壓活塞環(6)通過平衡壓傳力桿(8)與軸壓活塞環(4)固定連接在一起，其下方還設置一平衡壓加載膠囊(7)，該膠囊位于實驗機框架(1)的下蓋板(11)內；所述三個加壓裝置(16、17、18)分別連通軸壓加載膠囊(9)、平衡壓加載膠囊(7)及圍壓壓力室(19)中的液體或氣體。
2.按權利要求1所述的一種柔性邊界加載實驗機，其特征在于所述的壓力室缸體(3)為有機玻璃筒或鋼筒。
3.按權利要求1所述的一種柔性邊界加載實驗機，其特征在于所述的加壓裝置(16、17、18)同為高壓氣瓶或伺服加載控制系統。
4.按權利要求1所述的一種柔性邊界加載實驗機，其特征在于所述的軸壓加載膠囊(9)采用高壓液體膠囊。
5.按權利要求3所述的一種柔性邊界加載實驗機，其特征在于所述的伺服加載控制系統內充裝液體油介質，并通過一鋼管經一耐壓軟管與加載膠囊(7、9)相連通，所述鋼管內設置有油壓活塞。
6.按權利要求4所述的一種柔性邊界加載實驗機，其特征在于所述的軸壓加載膠囊(9)的上方還設置一密閉的氣液容器(21)。
專利摘要本實用新型涉及一種柔性邊界加載實驗機，包括試驗機框架、三個位于試驗機框架外的加壓裝置和壓力室缸體，還包括至少一個固定在上蓋板的下表面處的超聲波位移測量裝置，側面包裹有乳膠膜的試樣位于壓力室缸體內，其側面與壓力室缸體內壁之間形成一圍壓壓力室，該圍壓壓力室內充滿液體或氣體；所述軸壓活塞環放置在試樣上，其外徑與壓力室缸體的內徑相等；所述軸壓加載膠囊位于軸壓活塞環與上蓋板之間，所述的位于實驗機框架的下蓋板內的平衡壓活塞環通過平衡壓傳力桿與軸壓活塞環固定連接在一起，其下方還設置一平衡壓加載膠囊；所述三個加壓裝置分別連通軸壓加載膠囊、平衡壓加載膠囊及圍壓壓力室中的液體或氣體。
文檔編號G01N3/00GK2636222SQ0327286
公開日2004年8月25日 申請日期2003年7月14日 優先權日2003年7月14日
發明者孟祥躍, 李世海, 張均鋒 申請人:中國科學院力學研究所