自平衡岩石全端面真三轴压缩试验装置的制作方法

专利名称：自平衡岩石全端面真三轴压缩试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及地学和岩体工程技术领域，更具体涉及一种自平衡岩石全 端面真三轴压縮试验装置，主要是用于研究在复杂的组合应力状态下岩石的基 本力学特性以及可溶岩的应力-溶解耦合特性，试验结果可应用于地学和岩体工 程研究及岩石力学学科。
背景技术：
在天然条件下，地壳和工程岩.体是在复杂的组合应力状态下产生变形和破 坏的。岩体是一种复杂的地质体，处于复杂的三维应力场中，岩体破坏通常是 由于其所赋存的应力状态发生改变引起的。常规三轴岩石力学试验一般都是对 岩石施加一定的围压，然后保持围压不变(即(72=^)增加最大主应力^使岩
石发生破坏，这种试验方法只能研究轴对称的应力状态，不适用于中间主应力 对岩体强度和变形的影响。真三轴试验可以解决常规三轴试验不能反映的复杂 应力路径的演化问题，通过主应力A， CT2， R的独立变化，可以体现岩体实
际受荷情况。
岩石(特别是可溶于水的岩石，如岩盐、石膏、石灰岩等)的应力、溶解 耦合过程研究是国际岩石力学领域最前沿的课题之一，是核废料地下处置、地 下能源储存、地下二氧化碳储存、地热开发、石油开采、坝基、边坡、硐室等 众多与水相关的岩石工程的最基础性研究课题之一，具有十分重要的研究意义。 在岩石工程的安全性的诸多影响因素中，水是最活跃的一个因素，对于岩石， 特别是可溶于水的岩石，其力学性质和溶解特性相互作用，相互影响 一方面， 由于在一定的应力和应力变化作用下岩石发生塑性变形，从而产生不同尺度的 裂隙，当岩石与水溶液接触时，由于裂隙的不断产生和扩展，岩石的溶蚀过程发生了变化；另一方面，由于水溶液对岩石裂隙产生溶蚀作用，从而进一步使 裂隙开度增大，对岩石的力学性质产生影响。
在岩石(特别是可每于水的岩石，如岩盐)的溶蚀机理方面，从二十世纪 六十年代开始，R.W.Durie、 F.W. Jessen、 Saberian等大批学者进行了大量试验 研究，对岩盐表面光滑程度、溶蚀面倾角、环境温度、流速及岩石组成等因素 对溶蚀速度的影响进行了分析。吴刚、杨俊六、赵晓华、刘成伦、黄德芳等从 二十世纪八十年代开始进行了岩盐溶蚀模拟试验研究。但岩石(特别是可溶于 水的岩石，如岩盐)的力学性质和溶解特性是相互作用，相互影响，目前对于 岩石(特别是可溶于水的岩石，如岩盐)的应力-溶解耦合机理方面的研究还不 够完善。
目前国内外已研发的岩石力学试验设备，主要存在以下几个方面的问题
1、 未真实的反应岩体的受荷状态
岩石常规三轴压縮装置虽然采用了油(或水溶液)施加围压，但无法真实 的反应岩体的实际受荷状态；岩石真三轴压縮试验装置采用了三向应力施加方 式，但在对岩石试件施加全端面应力方面存在着不足
(1) 采用方形压板对岩石试件施加应力，试件未被施加全端面应力。采 用方形压板对岩石试件进行压縮试验时，为了避免岩石试件变形后不同方向的 方形压板互相影响，在不同方向的方形压板之间预留了一定的空间，这一部分 空间决定了该试验仪器的变形测量量程，但由于这部分空间的存在，造成岩石 试件的受力状态与实际不符，不是全端面受力。
(2) 采用斜断面的压板对岩石试件施加应力，不同方向的斜断面压板之 间存在着空间，但是由于空间较小，可近似地认为岩石试件被施加了全端面应 力。压板采用斜断面的方式可以扩大岩石试件的变形范围，但是由于不同方向 的斜断面压板之间的空间较小，使得该试验装置的测量范围还是较小，变形量 程小，不适于变形量大的岩石，限制了该试验装置的适用范围。
(3) 对岩石试件施加了全端面的应力，但是由于不同方向的压板之间的 相互影响，造成岩石试件与压板之间的摩擦力大，这与岩石的实际受力状态不 符。
2、 试验仪器在结构上不具备"自平衡"功能，即试验装置不能够从本身结构设计上实现加载力和反力相平衡，这就造成试验仪器必须使用巨大的承力 柱去承担由于加载而产生的反力，试验装置的尺寸大，仪器笨重，应力的施加 方式较单一，操作难度较高，人力进行试验操作比较困难，安全性较差。
3、某些岩石三轴压縮试验装置在设计上限制了该装置的功能，不能较好 的进行试验仪器功能的扩展，特别是不能进行岩石试件的应力-溶解耦合试验。 为此，必须对岩石三轴压縮试验装置进行改进，使得三轴压縮试验装置的 应力施加方式多样化，真实的反应岩体的受荷状态，对岩石试件能够全端面施 加应力；能够测试可溶岩的应力-溶解耦合特性，使得试验装置的功能多样化； 并且通过对试验装置结构上的设计使得该试验装置结构简单，易操作。本试验 装置针对以上各点进行了改进。
发明内容
本实用新型的目的是在于提供了一种自平衡岩石全端面真三轴压縮试验装 置，该装置能进行多种岩石的多种试验，对多数可溶岩(如岩盐、石膏、石灰 岩等)和不溶岩(如花岗岩、砂岩等)的真三轴压缩进行试验；另外由于其能 够通过水溶液来施加一个方向的压力，还可以对可溶岩(如岩盐、石膏等)的 应力-溶解耦合进行试验；对岩石试件能够全端面施加应力，真实的反应岩体的 受荷状态；通过对试验装置结构上的设计使得该试验装置结构简单，易操作， 具备"自平衡"功能。
该试验装置由三轴压力室、"四联板"机构、q加载传递系统、cr,加载传 递系统和 加载传递系统组成，其特征在于^加载传递系统位于三轴压力室 上端，通过q方向活塞与三轴压力室相连； 加载传递系统位于三轴压力室的
侧端，通过0"2方向活塞与三轴压力室相连；^加载传递系统通过排水孔与进水
孔与三轴压力室相连；"四联板"机构位于三轴压力室内部。该试验装置的主要 技术特征在于使用四联板机构能够对岩石试件施加全端面应力，消除岩石试 件与试验装置之间的摩擦力，真实的反应岩体的实际受荷状态。下面分别对试 验装置的各个组成部分详细进行说明。 (1)三轴压力室
该系统由三轴压力室顶板，三轴压力室右侧盖板，三轴压力室围板，三轴压力室下盖板，三轴压力室上盖板，^方向底座，螺栓共同组装而成。
三轴压力室顶板一次性加工成型，嵌套有(7,方向活塞。三轴压力室上盖板 还嵌套有CT,方向加载传递油孔，三轴压力室顶板通过螺栓与三轴压力室上盖板 固定在一起。
三轴压力室右侧盖板一次性加工成型，中心为一圆孔，嵌套有 方向活塞， 通过螺栓与三轴压力室围板相连，三轴压力室右侧盖板内嵌0"2方向加载传递池 孔和0"2方向活塞回收油孔。
三轴压力室围板通过螺栓以及密封圈与三轴压力室上盖板，三轴压力室右 侧盖板以及三轴压力室下盖板组装在一起。右侧三轴压力室围板中间为一圆孔， 通过密封圈与q方向活塞相连，右侧三轴压力室围板沿R方向活塞左右对称。
三轴压力室下盖板通过螺栓与三轴压力室围板固定在一起，并与A方向底
座相接。其内嵌排水孔和进水孔。 .三轴压力室上盖板为一半工字形，上部为正方形，工字形内部为圆形，三
轴压力室上盖板中心有一圆孔，通过密封圈与q方向活塞相连，三轴压力室上
盖板沿q方向活塞左右对称。三轴压力室上盖板通过螺栓以及密封圈与三轴压 力室顶板、三轴压力室围板连接在一起。
q方向底座为方形或长方形，处于三轴压力室下盖板和"四联板"机构之
间，其长度尺寸与三轴压力室内部空间q方向的尺寸相匹配。其主要作用是使
岩石试件的中心与 加载传递系统的中心线重合，以保证c^方向应力与岩石
试件的中心对中。
(2)"四联板"机构
该机构由O",方向滚珠压头，0"2方向滚珠压头，第一、第二C7,方向应力施 加平板，第一、第二^方向应力施加平板，以及岩石试件共同组装而成。
。方向滚珠压头位于^方向活塞和第一C7,方向应力施加平板之间，其为一圆柱形压头，圆柱形压头底部镶嵌有滚珠，滚珠在圆柱形压头底部对称分布。 其主要作用是将q方向应力传递到第一q方向应力施加平板上，并通过压头底
部的滚珠消除第一q方向应力施加平板与CT,方向滚珠压头之间的摩擦力，保证
q方向应力垂直加载传递。
^方向滚珠压头和力方向滚珠压头的文字描述是等同的。 岩石试件位于第一、第二CT,方向应力施加平板和第一、第二^方向应力施
加平板之间，长方形。岩石试件与第一、第二CT,方向应力施加平板和第一、第
二^方向应力施加平板接触的四个面上有一层光滑金属箔片，其主要作用是消 除应力施加压板与岩石试件之间的摩擦力。
第一、第二(7,方向应力施加平板和第一、第二(72方向应力施加平板与岩石
试件相接触。第二R方向应力施加平板的长度超过岩石试件的长度，第二R方 向应力施加平板的一端有弹簧，弹簧的另一端抵在q方向底座上，弹簧的作用
是利于第二cr,方向应力施加平板安装，并保证其与。方向底座之间预留一定的 空隙，这部分空隙决定了第二o^方向应力施加平板向下移动的范围，决定了q
方向变形的量程。当第二^方向应力施加平板受到第一q方向应力施加平板的
挤压时，第二 方向应力施加平板可以向空隙处移动。第二CT,方向应力施加平
板的长度大于岩石试件的宽度，其位于岩石试件和。方向底座之间；第二cr,方
向应力施加平板与三轴压力室围板之间有一定的空隙，这部分空隙决定了第二
CT,方向应力施加平板向左移动的范围，决定了0"2方向变形的量程；第二q方 向应力施加平板通过一排滚珠与方向底座相接触，滚珠镶嵌在第二 A方向应
力施加平板上，其作用是消除第二q方向应力施加平板与q方向底座之间的摩
擦力。这四块压板组合在一起，当岩石试件产生变形后，第一。方向应力施加
平板在q方向滚珠压头的推动下产生沿。方向的移动；第二^方向应力施加平板在&方向滚珠压头的推动下产生沿R方向的移动，同时在第一q方向应 力施加平板的挤压下产生向下的移动；第二q方向应力施加平板在第二^方向
应力施加平板的挤压下产生沿 方向的移动；第一^方向应力施加平板在试 验过程中位置保持不变。
"四联板"机构的主要作用是在。和 方向通过应力施加平板对岩石试件
施加压力， 方向则通过溶液或油等对岩石试件施加压力，并且该机构可以保
证岩石试件所承受的q方向应力为垂直应力，所承受的 方向应力为水平应
力，应力方向不会发生偏转；该机构能够保证在。和"2方向对岩石试件进行全 端面的应力施加；该机构能够消除岩石试件与应力施加压板之间的摩擦力，同 时避免第一 方向应力施加压板与O",方向球形压头之间的摩擦力以及第二 q
方向应力施加压板与fJ,方向底座之间的摩擦力。
(3)。加载传递系统
该系统包含以下部件q方向位移测量计；q方向提手；cr,方向活塞；。
方向油缸压板；q方向油缸；C^方向加载传递油孔；C7,方向活塞回收油孔；q
方向稳压器；。方向手压泵。该系统的主要作用是提供q方向应力。
.^加载传递系统与三轴压力室顶板，三轴压力室上盖板以及"四联板"机
构相连，其主要作用是将q方向应力传递给"四联板"机构，并测量岩石试件
在q方向受压后所产生的变形。。加载传递系统套装在三轴压力室顶板中，并
通过密封圈以及螺栓与三轴压力室顶板，三轴压力室上盖板联结成一体。
^方向位移测量计通过q方向提手与三轴压力室顶板相接，其作用为测量
O",方向应力施加后仪器以及试样在q方向上产生的变形。
方向提手套装在q方向活塞上，CT,方向提手上套有A方向位移测量计，
其主要作用是固定q方向位移测量计，并用于安装q方向活塞。^方向活塞通过密封圈嵌套在三轴压力室顶板中间，并通过密封圈与三轴 压力室上盖板相连，其与q方向滚珠压头相接，其上套装有q方向提手和q方 向油缸压板，其主要作用是采用变径增压的方式将q方向压力通过O",方向油缸 压板挤压^方向油缸中的油，从而将O",方向应力传递到q方向滚珠压头上。
q方向油缸压板为圆柱形，套装在A方向活塞上，位于。方向油缸中，与
三轴压力室顶板的内径相匹配，通过密封圈与三轴压力室顶板相接，其主要作 用是传递cr,方向的压力并推动o",方向活塞。q方向油缸压板的活动范围被局限
在C7,方向油缸中，并且其要保证q方向油缸下部的油不会漏进q方向油缸上 部。
O",方向油缸为三轴压力室顶板所形成的空间，圆柱形，被q方向油缸压板
分为两个部分。其主要作用为装油的容器，并为^方向油缸压板提供活动的范 围。
q方向加载传递油孔嵌套在三轴压力室顶板中，其通过管路与q方向稳压 器相连通。其主要作用是让提供。方向压力的油进入。方向油缸的上部。
。方向活塞回收油孔嵌套在三轴压力室上盖板中，与q方向油缸下部相 连，其主要作用是让 方向活塞回程复位。
q方向稳压器的型号为NXQ广L,与o"，方向手压泵相连，其主要作用是提
供稳定的CT,方向压力。
。方向手压泵分级实行加压，压力表格的最小刻度为O.lMPa，每手动压一 次压力变化0.1MPa。
(4) ^加载传递系统
该系统包含以下部件 方向位移测量计； 方向提手；^方向活塞；& 方向油缸压板；0"2方向油缸；0"2方向加载传递油孔；0"2方向活塞回收油孔；C72方向稳压器； 方向手压泵。该系统的主要作用是提供^方向应力。
^加载传递系统与三轴压力室右侧盖板，三轴压力室围板以及"四联板"
机构相连，其主要作用是将^方向压力传递给"四联板"机构，并测量岩石试
件在CT2方向受压后所产生的变形。^加载传递传递系统套装在三轴压力室右 侧盖板和三轴压力室围板中，并通过密封圈以及螺栓与三轴压力室右侧盖板和 三轴压力室围板联结成一体。该系统与q加载传递系统的文字描述是等同的。
(5) R加载传递系统 该系统包含以下部件排水孔；进水孔；^方向稳压器； 方向手压泵；
手动双吸筒泵。该系统的主要作用是提供 方向应力。
排水孔嵌套在三轴压力室下盖板中，与三轴压力室内部空间连通，是一个 直线型通道，其主要作用是排水溶液或油等。
进水孔嵌套在三轴压力室下盖板中，与三轴压力室内部空间连通，是一个 折线型的通道，并与0"3方向稳压器相连，其主要作用是供具有^方向应力的水
溶液或油等进入三轴压力室内部空间的通道。
C73方向稳压器和cr3方向手压泵与cr,方向稳压器和q方向手压泵的文字描
述是等同的。
手动双吸筒泵由左侧进油(水)口，左侧出油(水)口，右侧进油(水) 口，右侧出油(水)口，左侧缸筒，左侧活塞，双缸中间隔层，右侧缸筒，活 塞杆，右侧活塞，活塞手柄传动杆，活塞手柄共同组装而成。其主要作用是循 环供油(水)，从而保证为q方向提供不间断的溶液，手动双吸筒泵采用手摇
柄进行转动来进行供油(水)。此设备采用不锈钢制造，不施加压力。
.手动双吸筒泵正常工作时全过程如下当手握活塞手柄推右侧活塞时(也 就是右侧活塞向左移动)，左侧出油(水)口打开，左侧进油(水)口关闭，右 侧出油(水)口关闭，右侧进油(水)口打开；当手握活塞手柄拉右侧活塞时 (也就是右侧活塞向右移动)，右侧出油(水)口打开，右侧进油(水)口关闭， 左侧出油(水)口关闭，左侧进油(水)口打开。如此反复，不论是推右侧活塞还是拉右侧活塞的过程中，都会不间断的实现供油(水)。 本实用新型的特点是
1、 本试验装置应力施加的方式多样化，该装置两个方向的应力施加是采用 平板压头施加，另一方向的应力是通过油(或水溶液)进行施加。
2、 本试验装置可以进行多种岩石的多种试验，其可以进行多数可溶岩(如 岩盐、石膏、石灰岩等)和不溶岩(如花岗岩、砂岩等)的真三轴压縮试验； 另外由于其能够通过水溶液来施加一个方向的压力，故可以进行可溶岩(如岩 盐、石膏、石灰岩等)的应力-溶解耦合试验。
3、 本试验装置包含"四联板"机构，该机构主要有4个功能(l)可以保 证对岩石试件的每个面都能够全端面施加应力；(2)可以保证岩石试件所承受
的。方向应力和(72方向应力的方向在试验过程中不会发生偏转；(3)消除岩石
试件与应力施加压板之间的摩擦力，以及应力施加压板与压头之间的摩擦力； (4)岩石试件变形测量范围大，能够进行大量程变形的岩石压縮试验。
4、 本试验装置中的三轴压力室在结构上具有"自平衡"功能，能够从本身 结构设计上实现加载力和反力相平衡。
5、 本试验装置尺寸小，结构简单，易操作，并且能够较容易的实现功能的 扩展。


图1是自平衡岩石全端面真三轴压缩试验装置结构示意图。 其中la.(7,方向位移测量计；lb.^方向位移测量计；2a.q方向提手;2b.
方向提手；3a.A方向活塞；3b. 方向活塞；4a.。方向油缸压板；4b. 方向 油缸压板；5a.q方向油缸；5b.o^方向油缸；6a.q方向滚珠压头；613.<72方向 滚珠压头；7a.q方向加载传递油孔；7b.o^方向加载传递油孔；8a.q方向活塞
回收油孔；8b.o"2方向活塞回收油孔；9a、 9b、 9c、 9d.第一、第二、第三、第
四三轴压力室顶板；10a、 10b.第一、第二三轴压力室右侧盖板；lla、 llb、 llc. 第一、第二、第三三轴压力室围板；12.三轴压力室下盖板；13a、 13b、 13c、13d、 13e、 13f.第一、第二、第三、第四、第五、第六螺栓；14.排水孔；15a、 15b.第一、第二q方向应力施加平板；16a、 16b.第一、第二<72方向应力施加
平板；17.q方向底座；18.岩石试件19.进水孔；20a.q方向稳压器；20b.q方
向稳压器；20c.o^方向稳压器；21a，q方向手压泵；21b. 方向手压泵；21c.o"3
方向手压泵；22.手动双吸筒泵；23a、 23b.第一、第二三轴压力室上盖板。
图2是三轴压力室各部件的结构示意图。图中的各部件的标号与图1是相 同的。
图3是三轴压力室内部各部件的结构示意图。图中的各部件的标号与图1 是相同的。
图4是手动双吸筒泵结构示意图。
其中A.左侧进油(水)口； B.左侧出油(水)口； C.右侧进油(水) 口； D.右侧出油(水)口； E.左侧缸筒；F.左侧活塞；G.双缸中间隔层； H.右侧缸筒；I.活塞杆；J.右侧活塞；K.活塞手柄传动杆；L.活塞手柄。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型作进一步的说明。
由图l、图2、图3和图4可知，该试验装置由三轴压力室I、"四联板"机 构II、 cr,加载传递系统III、 加载传递系统IV和0"3加载传递系统V组成，q
加载传递系统III位于三轴压力室I上端，通过 方向活塞3a与三轴压力室I
相连；q加载传递系统IV位于三轴压力室I的侧端，通过 方向活塞3b与三
轴压力室I相连；0"3加载传递系统V通过排水孔14与进水孔19与三轴压力室
I相连；"四联板"机构n位于三轴压力室i内部。下面分别对试验装置的各个
组成部分详细进行说明。 (1)三轴压力室
所述的三轴压力室I由第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板9a、 9b、 9c、 9d、第一、第二三轴压力室右侧盖板10a、 10b、第一、第二、第三三轴压 力室围板lla、 llb、 llc、三轴压力室下盖板12、第一、第二三轴压力室上盖
板23a、 23b、 q方向底座17、第一、第二、第三、第四、第五、第六螺栓13a、13b、 13c、 13d、 13e、 13f组成，嵌套有q方向活塞3a，第一三轴压力室上盖
板9a还嵌套有 方向加载传递油孔7a，第三三轴压力室顶板9c通过第一螺栓
13a与第一三轴压力室上盖板23a固定，第四三轴压力室顶板9d通过第二螺栓 13b与第二三轴压力室上盖板23b固定；其详细构成如图2所示。
第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板9a、 9b、 9c、 9d—次性加工成型，
嵌套有q方向活塞3a。第一三轴压力室上盖板9a还嵌套有^方向加载传递油
孔7a，第三三轴压力室顶板通过第一螺栓13a与第一三轴压力室上盖板23a固 定在一起,第四三轴压力室顶板通过第二螺栓13b与第二三轴压力室上盖板23b 固定在一起。
第一、第二三轴压力室右侧盖板10a、 10b—次性加工成型，中心为一圆孔， 嵌套有 方向活塞3b，通过第五、第六螺栓13e、 13f与第二、第三三轴压力
室围板llb、 llc相连，第一三轴压力室右侧盖板10a内嵌072方向加载传递油
孔7b;第二三轴压力室右侧盖板10b内嵌 方向活塞回收油孔8b。
第一、第二、第三三轴压力室围板lla、 llb、 llc通过第一、第二、第三、 第四、第五、第六螺栓13a、 13b、 13c、 Dd、 13e、 13f以及密封圈与第一、第 二三轴压力室上盖板23a、 23b，第一、第二三轴压力室右侧盖板10a、 10b以 及三轴压力室下盖板12组装在一起。第二、第三三轴压力室围板llb、 llc中
间为一圆孔，通过密封圈与&方向活塞3b相连，第二、第三三轴压力室围板
llb、 11c沿&方向活塞3b左右对称。
三轴压力室下盖板12通过第三螺栓13c与第一三轴压力室围板lla固定在
一起，通过第四螺栓13d与第三三轴压力室围板llc固定在一起，并与a,方向
底座17相接。其内嵌排水孔14和进水孔19。
第一、第二三轴压力室上盖板23a、 23b为一半工字形，上部为正方形，工 字形内部为圆形，第一、第二三轴压力室上盖板23a、 23b中心有一圆孔，通过
密封圈与q方向活塞3a相连，第一、第二三轴压力室上盖板23a、 23b沿o",方 向活塞3a左右对称。第一三轴压力室上盖板23a通过第一螺栓13a以及密封圈与第三三轴压力室顶板9c、第一三轴压力室围板lla连接在一起，第二三轴压 力室上盖板23b通过第二螺栓13b以及密封圈与第四三轴压力室顶板9d、第二 三轴压力室围板llb连接在一起。
q方向底座17为方形或长方形，处于三轴压力室下盖板12和"四联板" 机构II之间，其长度尺寸与三轴压力室I内部空间q方向的尺寸相匹配。其主
要作用是使岩石试件18的中心与q加载传递系统IV的中心线重合，以保证
方向应力与岩石试件18的中心对中。 (2)"四联板"机构
所述的四联板机构II由。方向滚珠压头6a、 ^方向滚珠压头6b、第一、
第二o",方向应力施加平板15a、 15b、第一、第二0"2方向应力施加平板16a、 16b
及岩石试件18组成，。方向滚珠压头6a位于q方向活塞3a和第一q方向应 力施加平板15a之间，圆柱形压头底部镶嵌有滚珠，滚珠在圆柱形压头底部对 称分布，岩石试件18位于第一、第二。方向应力施加平板15a、 15b和第一、
第二o"2方向应力施加平板16a、 16b之间，第一、第二q方向应力施加平板15a、
15b和第一、第二^方向应力施加平板16a、 16b与岩石试件18相接触，第二0"2
方向应力施加平板16b的一端有弹簧，弹簧的另一端抵在q方向底座17上，
第二q方向应力施加平板15b与第一三轴压力室围板lla之间有空隙，滚珠镶
嵌在第二q方向应力施加平板15b上。其详细构成如图3所示。
o",方向滚珠压头6a位于cr,方向活塞3a和第一。方向应力施加平板15a之
间，其为一圆柱形压头，圆柱形压头底部镶嵌有滚珠，滚珠在圆柱形压头底部 对称分布。其主要作用是将q方向应力传递到第一 方向应力施加平板15a上，
并通过压头底部的滚珠消除第一q方向应力施加平板15a与o",方向滚珠压头6a
之间的摩擦力，保证q方向应力垂直加载传递。
cx2方向滚珠压头6b和q方向滚珠压头6a的文字描述是等同的。.岩石试件18位于第一、第二(7，方向应力施加平板15a、15b和第一、第二^ 方向应力施加平板16a、 16b之间，长方形。岩石试件18与第一、第二q方向
应力施加平板15a、 15b和第一、第二o"2方向应力施加平板16a、 16b接触的四
个面上有一层光滑金属箔片，其主要作用是消除应力施加压板与岩石试件之间 的摩擦力。
第一、第二q方向应力施加平板15a、 15b和第一、第二o"2方向应力施加 平板16a、 16b与岩石试件18相接触。第二q方向应力施加平板16b的长度超 过岩石试件18的长度，其一端有一个弹簧，弹簧的另一端抵在o",方向底座17 上，弹簧的作用是利于第二&方向应力施加平板16b安装，并保证其与q方向 底座17之间预留一定的空隙，这部分空隙决定了第二&方向应力施加平板16b 向下移动的范围，决定了q方向变形的量程。当第二 方向应力施加平板16b 受到第一q方向应力施加平板15a的挤压时，第二q方向应力施加平板16b可 以向空隙处移动。第二c^方向应力施加平板15b的长度大于岩石试件18的宽 度，其位于岩石试件18和^方向底座17之间；第二cr,方向应力施加平板15b 与第一三轴压力室围板lla之间有一定的空隙，这部分空隙决定了第二^方向 应力施加平板15b向左移动的范围，决定了 方向变形的量程；第二cr,方向应 力施加平板15b通过一排滚珠与q方向底座17相接触，滚珠镶嵌在第二q方
向应力施加平板15b上，其作用是消除第二q方向应力施加平板15b与(j,方向 底座17之间的摩擦力。这四块压板组合在一起，当岩石试件18产生变形后， 第一q方向应力施加平板15a在o",方向滚珠压头6a的推动下向下移动；第二^
方向应力施加平板16b在^方向滚珠压头6b的推动下产生沿&方向的移动，
同时在第一q方向应力施加平板15a的挤压下产生向下的移动；第二q方向应
力施加平板15b在第二q方向应力施加平板16b的挤压下产生向左的移动；第一 方向应力施加平板16a在试验过程中位置保持不变。
"四联板"机构II的主要作用是在A和^方向通过应力施加平板对岩石 试件18施加压力，c^方向则通过溶液或油等对岩石试件18施加压力，并且该 机构可以保证岩石试件18所承受的q方向应力为垂直应力，所承受的(72方向
应力为水平应力，应力方向不会发生偏转；该机构能够保证在^和^方向对岩 石试件18进行全端面的应力施加；该机构能够消除岩石试件18与应力施加压 板15a、 15b、 16a、 16b之间的摩擦力，同时避免第一q方向应力施加压板15a
与 方向球形压头6a之间的摩擦力以及第二q方向应力施加压板15b与。方
向底座17之间的摩擦力。 (3) q加载传递系统
所述的q加载传递系统m包括cr,方向位移测量计la、 q方向提手2a、 cr,
方向活塞3a、 A方向油缸压板4a、。方向油缸5a、。方向加载传递油孔7a、
。方向活塞回收油孔8a、 q方向稳压器20a、 q方向手压泵21a， q加载传递
系统III与第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板9a、 9b、 9c、 9d、第一、
第二三轴压力室上盖板23a、 23b、四联板机构II相连，q加载传递系统III套
装在第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板9a、 9b、 9c、 9d中，通过密封圈 及第一、第二螺栓13a、 13b与第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板9a、
9b、 9c、 9d、第一、第二三轴压力室上盖板23a、 23b连接，q方向位移测量计 1 a通过q方向提手2a与第二三轴压力室顶板9b相接，q方向提手2a套装在q 方向活塞3a上，q方向提手2a上套有q方向位移测量la， cr,方向活塞3a通 过密封圈嵌套在第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板9a、 9b、 9c、 9d中间， 并通过密封圈与第一、第二三轴压力室上盖板23a、 23b相连，其与q方向滚珠
压头6a相接，其上套装有cr,方向提手2a和(T,方向油缸压板4a， q方向油缸压 板4a为圆柱形，套装在cr,方向活塞3a上，位于q方向油缸5a中，cr,方向加载传递油孔7a嵌套在第一三轴压力室顶板9a中，通过管路与q方向稳压器20a
相连通，^方向活塞回收油孔8a嵌套在第二三轴压力室上盖板23b中，与^方 向油缸5a相连。
q加载传递系统III与第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板9a、 9b、 9c、 9d，第一、第二三轴压力室上盖板23a、 23b以及"四联板"机构II相连， 其主要作用是将q方向应力传递给"四联板"机构II，并测量岩石试件18在q
方向受压后所产生的变形。。加载传递系统III套装在第一、第二、第三、第
四三轴压力室顶板9a、 9b、 9c、 9d中，并通过密封圈以及第一、第二螺栓13a、 13b与第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板9a、 9b、 9c、 9d，第一、第二 三轴压力室上盖板23a、 23b联结成一体。
o",方向位移测量计la通过。方向提手2a与第二三轴压力室顶板9b相接， 其作用为测量。方向应力施加后仪器以及试样在q方向上产生的变形。
.cr，方向提手2a套装在q方向活塞3 a上，q方向提手2a上套有<r,方向位 移测量计la，其主要作用是固定q方向位移测量计la，并用于安装。方向活 塞3a。
方向活塞3a通过密封圈嵌套在第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板 9a、 9b、 9c、 9d中间，并通过密封圈与第一、第二三轴压力室上盖板23a、 23b 相连，其与q方向滚珠压头6a相接，其上套装有巧方向提手2a和o",方向油缸
压板4a，其主要作用是采用变径增压的方式将q方向压力通过。方向油缸压板
4a挤压 方向油缸5a中的油，从而将q方向应力传递到q方向滚珠压头6a 上。.
o",方向油缸压板4a为圆柱形，套装在cr,方向活塞3a上，位于o",方向油缸 5a中，与第一、第二三轴压力室顶板9a、 9b的内径相匹配，通过密封圈与第 一、第二三轴压力室顶板9a、 9b相接，其主要作用是传递q方向的压力并推动200920084002.8
说明书第16/19页
cr,方向活塞3a。 C7,方向油缸压板4a的活动范围被局限在c^方向油缸5a中，并 且其要保证q方向油缸5a下部的油不会漏进(j,方向油缸5a上部。
o"i方向油缸5a为第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板9a、 9b、 9c、 9d所形成的空间，圆柱形，被cr,方向油缸压板4a分为两个部分。其主要作用 为装油的容器，并为cr,方向油缸压板4a提供活动的范围。
q方向加载传递油孔7a嵌套在第一三轴压力室顶板9a中，其通过管路与
cr,方向稳压器20a相连通。其主要作用是让提供^方向压力的油进入q方向油 缸5a的上部。
q方向活塞回收油孔8a嵌套在第二三轴压力室上盖板23b中，与a方向 油缸5a下部相连，其主要作用是让q方向活塞3a回程复位。
方向稳压器20a的型号为NXQrL，与q方向手压泵21a相连，其主要
作用是提供稳定的q方向压力。
q方向手压泵21a分级实行加压，压力表格的最小刻度为O.lMPa，每手动 压一次压力变化O.lMPa。 (4) 加载传递系统
所述的ct2加载传递系统IV包括cr2方向位移测量计lb、 (t2方向提手2b、
方向活塞3b、 c^方向油缸压板4b、 方向油缸5b、 c^方向稳压器20b; <72方
向手压泵21b。 cr2加载传递系统IV与第一、第二三轴压力室右侧盖板10a、 10b、
第二、第三三轴压力室围板llb、 llc、四联板机构II相连，q加载传递系统套
装在第一、第二三轴压力室右侧盖板10a、 10b和第二、第三三轴压力室围板 llb、 llc中，通过密封圈以及第五、第六螺栓13e、 13f与第一、第二三轴压力 室右侧盖板10a、 10b和第二、第三三轴压力室围板llb、 llc联结成一体。
该 加载传递系统IV包含以下部件(72方向位移测量计lb; CT，方向提手2b; G"2方向活塞3b; 方向油缸压板4b; CT2方向油缸5b; 72方向加载传 递油孔7b; 方向活塞回收油孔8b; ^方向稳压器20b; ^方向手压泵21b。 该系统的主要作用是提供(T2方向应力。
a^加载传递系统IV与第一、第二三轴压力室右侧盖板10a、 10b，第二、 第三三轴压力室围板llb、 llc以及"四联板"机构II相连，其主要作用是将0"2 方向压力传递给"四联板"机构II,并测量岩石试件18在 方向受压后所产生
的变形。^加载传递传递系统IV套装在第一、第二三轴压力室右侧盖板10a、
10b和第二、第三三轴压力室围板llb、 llc中，并通过密封圈以及第五、第六 螺栓13e、 13f与第一、第二三轴压力室右侧盖板10a、 10b和第二、第三三轴
压力室围板llb、 llc联结成一体。该系统与^加载传递系统的文字描述是等同 的。
(5) c^加载传递系统
c^加载传递系统V包括排水孔14、进水孔19、 q方向稳压器20c、 ^方
向手压泵21c、手动双吸筒泵22，排水孔14嵌套在三轴压力室下盖板12中， 与三轴压力室I内部空间连通，^方向手压泵21c、手动双吸筒泵22、 q方向
稳压器20c、进水孔19通过管线依次相连，进水孔19嵌套在三轴压力室下盖 板12中，与三轴压力室I内部空间连通，并与&方向稳压器20c相连。
排水孔14嵌套在三轴压力室下盖板12中，与三轴压力室I内部空间连通， 是一个直线型通道，其主要作用是排水溶液或油等。
进水孔19嵌套在三轴压力室下盖板12中，与三轴压力室I内部空间连通，
是一个折线型的通道，并与^方向稳压器20c相连，其主要作用是提供具有^
方向应力的水溶液或油等进入三轴压力室I内部空间的通道。
方向手压泵21c、手动双吸筒泵22、 o"3方向稳压器20c、进水孔19通
过管线依次相连，相连后其主要作用是提供^方向应力。^方向稳压器20c和cr3方向手压泵21c与cr,方向稳压器20a和cr,方向手压泵21a的文字描述是等同 的。
手动双吸筒泵22的详细构成如图4所示，由左侧进油(水)口A，左侧出 油(水)口 B，右侧进油(水)口 C，右侧出油(水)口 D，左侧缸筒E，左 侧活塞F，双缸中间隔层G，右侧缸筒H，活塞杆I，右侧活塞J，活塞手柄传 动杆K，活塞手柄L共同组装而成。其主要作用是循环供油(水)，从而保证为
^方向提供不间断的溶液，手动双吸筒泵22采用手摇柄进行转动来进行供油
(水)。此设备采用不锈钢制造，不施加压力。
手动双吸筒泵22正常工作时全过程如下当手握活塞手柄L推右侧活塞J 时(也就是图4中右侧活塞J向左移动)，左侧出油(水)口B打开，左侧进油 (水)口A关闭，右侧出油(水)口D关闭，右侧进油(水)口C打开；当手 握活塞手柄L拉右侧活塞J时(也就是图4中右侧活塞J向右移动)，右侧出油 (水)口D打开，右侧进油(水)口C关闭，左侧出油(水)口B关闭，左侧 进油(水)口A打开。如此反复，不论是推右侧活塞J还是拉右侧活塞J的过 程中，都会不间断的实现供油(水)。 本试验装置的安装过程如下-
第一步，分别将q加载传递系统III、 ^加载传递系统IV和^加载传递系 统V组装。
第二步，将cr,加载传递系统III与第一、第二、第三、第四三轴压力室顶 板9a、 9b、 9c、 9d， q方向滚珠压头6a组装在一起，为方便文字上的描述， 将此组装部分称为" 方向组装部分"；同样，将^加载传递系统IV与第一、 第二三轴压力室右侧盖板10a、 10b， ^方向滚珠压头6b组装在一起，为方便
文字上的描述，将此组装部分称为"^方向组装部分"。
第三步，将第一、第二、第三三轴压力室围板lla、 llb、 llc与三轴压力 室下盖板12用螺栓组装在一起。
第四步，将岩石试件18受压板施加压力的四个面用光滑金属箔片贴好，然 后将第一、第二cr,方向应力施加平板15a、 15b，第一、第二(72方向应力施加平板16a、 16b和岩石试件18组装在一起，为方便文字上的描述，将此组装部 分称为"岩石试件组装部分"。
第五步，将q方向底座17放入三轴压力室I内部，然后将"岩石试件组装
部分"放入三轴压力室内部^方向底座17之上，将岩石试件18的垂直或水平
中心线与q方向滚珠压头6a或o^方向滚珠压头6b的中心线对中。
第六步，通过密封圈和螺栓将"^方向组装部分"与第二、第三三轴压力
室围板llb、 llc组装起来。
第七步，通过密封圈和螺栓将"cr,方向组装部分"与第一、第二三轴压力
室围板lla、 llb，以及第一、第二三轴压力室上盖板23a、 23b组装起来。 完成上述安装步后，即完成了该实验装置的安装。
权利要求1、一种自平衡岩石全端面真三轴压缩试验装置，该装置由三轴压力室(I)、四联板机构(II)、σ1加载传递系统(III)、σ2加载传递系统(IV)和σ3加载传递系统(V)组成，其特征在于σ1加载传递系统(III)位于三轴压力室(I)上端，通过σ1方向活塞(3a)与三轴压力室(I)相连，σ2加载传递系统(IV)位于三轴压力室(I)的侧端，通过σ2方向活塞3b与三轴压力室(I)相连，σ3加载传递系统(V)通过排水孔(14)与进水孔(19)与三轴压力室(I)相连，四联板机构(II)位于三轴压力室(I)内部。
2、 根据权利要求1所述的一种自平衡岩石全端面真三轴压縮试验装置，其特征在于所述的三轴压力室(I)由第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板(9a、 9b、 9c、 9d)、第一、第二三轴压力室右侧盖板(10a、 10b)、第一、第二、第三三轴压力室围板 (lla、 llb、 llc)、三轴压力室下盖板(12)、第一、第二三轴压力室上盖板(23a、 23b)、 cr,方向底座(17)组成，嵌套有。方向活塞(3a)，第一三轴压力室上盖板(9a)还嵌 套有A方向加载传递油孔(7a),第三三轴压力室顶板(9c)通过第一螺栓(13a)与第 一三轴压力室上盖板(23a)固定，第四三轴压力室顶板(9d)通过第二螺栓(13b)与 第二三轴压力室上盖板(23b)固定；第一、第二三轴压力室右侧盖板(10a、 10b)中 心为一圆孔，嵌套有ct2方向活塞(3b)，通过第五、第六螺栓(13e、 13f)与第二、第 三三轴压力室围板(llb、 llc)相连，第一三轴压力室右侧盖板(10a)内嵌"2方向加 载传递油孔(7b);第二三轴压力室右侧盖板(10b)内嵌c72方向活塞回收油孔(8b)， 第一、第二、第三三轴压力室围板(lla、 llb、 llc)通过第一、第二、第三、第四、第 五、第六螺栓(13a、 13b、 13c、 13d、 13e、 13f)以及密封圈与第一、第二三轴压力室 上盖板(23a、 23b)，第一、第二三轴压力室右侧盖板(10a、 10b)及三轴压力室下盖 板(12)组装在一起，第二、第三三轴压力室围板(llb、 llc)中间为一圆孔，通过密 封圈与 方向活塞(3b)相连，第二、第三三轴压力室围板(llb、 llc)沿q方向活 塞(3b)左右对称；三轴压力室下盖板(12)通过第三螺栓(13c)与第一三轴压力室 围板(lla)固定，通过第四螺栓(13d)与第三三轴压力室围板(lie)固定，并与q方 向底座(17)相接；第一、第二三轴压力室上盖板(23a、 23b)为一半工字形，上部为 正方形，工字形内部为圆形，第一、第二三轴压力室上盖板(23a、 23b)中心有一圆孔，通过密封圈与q方向活塞(3a)相连，第一、第二三轴压力室上盖板(23a、 23b)沿q 方向活塞(3a)左右对称，第一三轴压力室上盖板(23a)通过第一螺栓(13a)及密封 圈与第三三轴压力室顶板(9c)、第一三轴压力室围板(lla)连接，第二三轴压力室上 盖板(23b)通过第二螺栓(13b)及密封圈与第四三轴压力室顶板(9d)、第二三轴压 力室围板(lib)连接；
3、 根据权利要求1所述的一种自平衡岩石全端面真三轴压縮试验装置，其特征在于所述的四联板机构(II)由 方向滚珠压头(6a)、 方向滚珠压头(6b)、第一、 第二or)方向应力施加平板(15a、 15b)、第一、第二0"2方向应力施加平板(16a、 16b) 及岩石试件(18)组成，。方向滚珠压头(6a)位于q方向活塞(3a)和第一q方向 应力施加平板(15a)之间，圆柱形压头底部镶嵌有滚珠，滚珠在圆柱形压头底部对称 分布，岩石试件(18)位于第一、第二q方向应力施加平板(15a、 15b)和第一、第二 0"2方向应力施加平板(16a、 16b)之间，第一、第二o"i方向应力施加平板(15a、 15b) 和第一、第二CT2方向应力施加平板(16a、 16b)与岩石试件(18)相接触，第二0"2方 向应力施加平板(16b)的一端有弹簧，弹簧的另一端抵在。方向底座(17)上，第二。 方向应力施加平板(15b)与第一三轴压力室围板lla之间有空隙，滚珠镶嵌在第二q方 向应力施加平板(15b)上。.
4、 根据权利要求1所述的一种自平衡岩石全端面真三轴压縮试验装置，其特征在于所述的q加载传递系统(III)包括。方向位移测量计(la)、 q方向提手(2a)、 cr, 方向活塞(3a)、 q方向油缸压板(4a)、 q方向油缸(5a)、 q方向加载传递油孔(7a)、 ct,方向活塞回收油孔(8a)、 c7,方向稳压器(20a〉、 方向手压泵(21a)， q加载传递 系统(III)与第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板(9a、 9b、 9c、 9d)、第一、第 二三轴压力室上盖板(23a、 23b)、四联板机构(II)相连，q加载传递系统(III)套装 在第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板(9a、 9b、 9c、 9d)中，通过密封圈及第一、 第二螺栓(13a、 13b)与第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板(9a、 9b、 9c、 9d)、 第一、第二三轴压力室上盖板(23a、 23b)连接，CT,方向位移测量计(la)通过q方向 提手(2a)与第二三轴压力室顶板(9b)相接， 方向提手(2a)套装在q方向活塞(3a) 上，。方向提手(2a)上套有c7,方向位移测量计(la)， q方向活塞(3a)通过密封圈嵌套在第一、第二、第三、第四三轴压力室顶板(9a、 9b、 9c、 9d)中间，并通过密封 圈与第一、第二三轴压力室上盖板(23a、 23b)相连，其与。方向滚珠压头(6a)相接， 其上套装有q方向提手(2a)和q方向油缸压板(4a), q方向油缸压板(4a)为圆柱 形，套装在q方向活塞(3a)上，位于o",方向油缸5a中，cr,方向加载传递油孔(7a) 嵌套在第一三轴压力室顶板(9a)中，通过管路与力方向稳压器(20a)相连通，cr,方 向活塞回收油孔(8a)嵌套在第二三轴压力室上盖板(23b)中，与q方向油缸(5a) 相连。
5、 根据权利要求1所述的一种自平衡岩石全端面真三轴压縮试验装置，其特征在于所述的<72加载传递系统(IV)包括 方向位移测量计(lb)、 方向提手(2b)、 ^方向活塞(3b)、 72方向油缸压板(4b)、 ^方向油缸(5b)、 方向稳压器(20b); 0"2方向手压泵(21b)， o"2加载传递系统(IV)与第一、第二三轴压力室右侧盖板(10a、 10b)、第二、第三三轴压力室围板(llb、 llc)、四联板机构(II)相连，o"2加载传递 系统套装在第一、第二三轴压力室右侧盖板(10a、 10b)和第二、第三三轴压力室围板 (llb、 llc)中，通过密封圈以及第五、第六螺栓(13e、 13f)与第一、第二三轴压力 室右恻盖板(10a、 10b)和第二、第三三轴压力室围板(llb、 llc)联结。
6、 根据权利要求1所述的一种自平衡岩石全端面真三轴压縮试验装置，其特征在 于C73加载传递系统(V)包括排水孔(14)、进水孔(19)、 0"3方向稳压器(20c)、 R方向手压泵(21c)、手动双吸筒泵(22)，排水孔(14)嵌套在三轴压力室下盖板(12) 中，与三轴压力室I内部空间连通，^方向手压泵(21c)、手动双吸筒泵(22)、 &方向稳压器(20c)、进水孔(19)通过管线依次相连，进水孔(19)嵌套在三轴压力室下 盖板(12)中，与三轴压力室(I)内部空间连通，并与o"3方向稳压器(20c)相连。
专利摘要本实用新型公开了一种自平衡岩石全端面真三轴压缩试验装置，该装置由三轴压力室、四联板机构、σ₁加载传递系统、σ₂加载传递系统和σ₃加载传递系统组成，其特征在于σ₁加载传递系统位于三轴压力室上端，通过σ₁方向活塞与三轴压力室相连；σ₂加载传递系统位于三轴压力室的侧端，通过σ₂方向活塞与三轴压力室相连；σ₃加载传递系统通过排水孔与进水孔与三轴压力室相连；四联板机构位于三轴压力室内部。该装置能进行多种岩石的多种试验，进行多数可溶岩和不溶岩的真三轴压缩试验；能够通过水溶液来施加一个方向的压力，可以进行可溶岩的应力-溶解耦合试验；对岩石试件能够全端面施加应力，真实的反应岩体的受荷状态；该试验装置结构简单，易操作，具备自平衡功能。
文档编号G01N3/10GK201359587SQ20092008400
公开日2009年12月9日 申请日期2009年3月6日 优先权日2009年3月6日
发明者冯夏庭, 刘继光, 辉 周, 伟 张, 张传庆, 房敬年, 汤艳春 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所