一种多功能的三轴加载试验装置

1.本发明属于岩土工程设备技术研究领域，具体涉及一种多功能的三轴加载试验装置，用于试块(混凝土试块、岩石试块、土试块等)的三轴加载试验。


背景技术：

2.三轴加载试验是将试块限制在加载空间内，以模拟定义的应力条件对试块进行加载。混凝土结构是现代建筑工程中最主要的结构形式，由于混凝土成型工艺的复杂性，所以每一个环节出现问题都将影响其质量，危及整个结构的安全。因此，加强混凝土的质量监测与控制已经成为当今建筑工程技术领域的重要研究领域。传统的研究以单轴试验为主，但是混凝土结构物通常在多轴应力状态下较多。混凝土的多轴强度和变形特性与单轴的差异很大，因此需要采用多轴加载试验对混凝土的力学行为进行研究；此外岩石试块、土试块等力学特性在土木工程中的研究也是实际工程需要的。
3.现有技术中对于三轴加载，一般都处于静止环境下，没有在振动环境或者地震环境下的三轴加载试验，因此，无法模拟试块抗震性。
4.本发明针对此问题提出一种多自由度试验台，可以满足试块各个方向施加荷载的要求，真正实现了三向独立加载，互不干扰，符合实际工程中的受力特性，且试验过程易于控制。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明设计了一种可用于试块三轴加载试验的多自由度试验台，能满足试块不同尺寸的加载，能满足对试块进行各个方向上的荷载施加，并同时有效地检测试块各个方向上的应力、变形情况，从而进一步探究试块的抗压强度等受力特性。与此同时，还可以随时恢复其初始状态，继续模拟新的受力工况以探究其他的受力作用规律。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用技术方案如下：
7.一种多功能的三轴加载试验装置，其特征在于，包括
8.外框架，作为试验装置的承力框架；
9.内框架，通过三维移动机构安装在外框架内，并能通过三维移动机构驱动相对于外框架在x、y|、z方向运动，所述内框架上设有三轴加载装置；
10.所述三轴加载装置包括设于内框架上的方型加载槽、设于方型加载槽四个侧壁上的围压千斤顶、设于内框架两侧x方向上的反力架和设于反力架上的轴压千斤顶，其中，围压千斤顶包括设于方型加载槽左右两侧内侧壁水平设置的y向围压千斤顶和设于上下两侧内侧壁竖直设置的z向加载平千斤。
11.进一步地，所述围压千斤顶均通过轴向滑动副安装在方型加载槽内壁。
12.进一步地，所述x向水平千斤顶、y向水平千斤顶和z向竖直平千斤顶的前端均设有通过球铰安装的加载头。
13.进一步地，所述方型加载槽的每个侧面均设有1-10个围压千斤顶。
14.进一步地，所述方型加载槽内壁的x向滑动副内设有多个围压千斤顶。
15.进一步地，所述三维移动机构包括中间框架、x向千斤顶、y向千斤顶和z向千斤顶；所述内框架安装在中间框架内，内框架左右两侧分别通过若干水平设置的y向千斤顶与中间框架相连，通过左右两侧y向千斤顶的伸缩能调整内框架相对于中间框架在y方向上的位置；
16.所述中间框架安装在外框架内，中间框架上下两侧分别通过若干竖直方向的z向千斤顶与外框架相连；通过上下两侧z向千斤顶的伸缩能调整中间框架相对于外框架在z方向上的位置；
17.所述z向千斤顶通过x向滑动副与中间框架或者外框架相连；
18.所述中间框架和外框架之间还设有若干水平安装且能x向自由伸缩的x向千斤顶，通过x向千斤顶的伸缩能调整中间框架相对于外框架在x方向上的位置；所述x方向与方型加载槽的轴向相同，所述x向千斤顶通过z向滑动副与中间框架或者外框架相连。
19.进一步地，所述内框架上下两侧与中间框架之间设有若干能减少y向运动摩擦力的第二滚动体。
20.进一步地，所述中间框架的左右两侧与外框架内壁之间设有若干能减少z向运动摩擦力的第三滚动体。
21.进一步地，所述外框架由两个间隔平行设置的矩形框固定相连组成，所述中间框架左右两侧设有向外侧延伸的承力部，所述x向千斤顶设置于中间框架的承力部和相应侧的矩形框之间，并且所述x向千斤顶与矩形框或者中间框架通过z向滑动副相连。
22.进一步地，所述内框架为钢筋混凝土结构或钢结构的立方体框架；所述中间框架为钢结构的矩形框架；所述外框架的矩形框为四根十字交叉的钢筋混凝土柱组成。
23.进一步地，所述反力架为t型反力梁。
24.本发明装置的基础原理为：先通过控制外框架xyz轴作用方向千斤顶调整试块模型位置于理论试验空间中心，然后锚固t型反力梁架至试验台两个侧面，通过增加锚固反力梁施加y方向上的荷载，其中反力梁内侧固定有相同规格的千斤顶，至此试块三轴方向加荷工作准备完毕。利用内框架加载系统三轴方向千斤顶对模型进行施加对应方向荷载模拟其工况受力并同时进行动态变形监测，试验结束后，再继续控制外框架xyz轴作用千斤顶调整试块回归至试验空间中心，继续进行其他工况受力研究。其中千斤顶加载端部均安装加载头，方便与试块表面紧密相连，同时也使其受力均匀。其中变形监测的实现是由于内框架内部三轴方向千斤顶装置均与试块表面紧密相连，当试块发生变形时，千斤顶会进行动态调节，主动进行伸长/压缩，从而通过有线或无线观测并记录变形数据。三向独立加荷，可以分别独立自动控制施加轴向、侧向荷载，既避免两者之间的相互影响，又可以相互协调，能够模拟主应力轴偏转和旋转应力路径等土体的真实应力状态，并能进行多种应力路径的真三轴试验。
25.本发明的有益效果
26.本发明所设计的一种多功能的三轴加载试验装置，具有显著的优势和社会经济效益，以下列举了四点其主要的有益效果：
27.(1)试验台装置组装拼接较为容易，可操作性强。
28.(2)满足试块在三轴方向上的荷载施加，真正实现了三向独立加载，互不干扰。
29.(3)内部三轴方向上千斤顶自带变形监测功能，应力状态真实，应变测试准确，可通过有线或无线控制和观测数据并进行保存，极大降低人工工作强度和工作成本。
30.(4)通过可三维移动加载系统装置，更加便于试块模型在xyz方向进行位置调整，且通过外框架和内框架沿边设置滑轨，可以对试块位置进行细微调整，实验过程易于控制。
附图说明
31.图1为本发明可多维度运动的三轴加载试验装置的三维示意图；
32.图2为本发明试块三轴加载试验装置的正视图；
33.图3为本发明试块三轴加载试验装置的左侧试图；
34.图4为本发明试块三轴加载试验装置的俯视图；
35.图5为本发明试块三轴加载试验装置的内框架和三维移动机构示意图；
36.图6为本发明试块三轴加载试验装置的外框架和三维移动机构示意图。
37.图中：1-试块，110-模型箱，111-固定板，112-侧板，120-滑坡土，130-设计滑坡，2-围压千斤顶，21-y向围压千斤顶，22-z向加载平千斤，3-轴压千斤顶，4-内框架，41-方型加载槽，42-反力架，5-中间框架，51-承力部，6-外框架，61-矩形框，7-加载头，8-轴向滑动副，9-三轴加载空间，10-x向千斤顶，11-y向千斤顶，12-z向千斤顶，13-第二滚动体，14-第三滚动体，15-x向滑动副，16-z向滑动副。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
39.为了更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
41.如图1至图6所示，本发明提高了一种可多维度运动的三轴加载试验装置，包括
42.外框架6，作为试验装置的承力框架；
43.内框架4，通过三维移动机构安装在外框架6内，并能通过三维移动机构驱动相对于外框架6在x、y|、z方向运动，所述内框架4上设有三轴加载装置；
44.所述三轴加载装置包括设于内框架4上的方型加载槽41、设于方型加载槽41内四个侧壁上的围压千斤顶2、设于内框架4两侧的反力架42和设于反力架42上的轴压千斤顶3，其中，围压千斤顶2包括设于方型加载槽41左右两侧内侧壁水平设置的y向围压千斤顶21和设于上下两侧内侧壁为竖直设置的z向加载平千斤22。
45.方型加载槽31内上、下、左、右四个侧面的围压千斤顶2和反力架42上轴压千斤顶3
共同围成的空间为用于放置试块1的三轴加载空间9。
46.本发明通过三维移动机构能够调整试块1的位置，使得试块1的轴心一致处于设计的轴心线上，即位于理论中心，或者通过三维移动机构模拟地震或者振动环境对三轴加载试验的影响。
47.作为一种优选实施例，如图2和图5所示，所述围压千斤顶2通过轴向滑动副8安装在方型加载槽31内壁，避免围压加载和轴压加载之间的相互干扰。本实施例中，所述轴向滑动副8包括设于方型加载槽31侧壁的轴向燕尾滑槽和设置于围压千斤顶2上与轴向燕尾滑槽配合的轴向燕尾滑块。
48.作为一种更优选实施例，如图5所示，每个轴向滑动副8的方向上可以设置多个围压千斤顶2，也就是说一个轴向燕尾滑槽内可以设置多个轴向燕尾滑块，每个轴向燕尾滑块上安装一个围压千斤顶2，这样可以模拟试块1上分段围压。
49.本发明通过在三轴加载试验装置的方型加载槽31内设置均布的若干围压千斤顶模拟围压，通过在反力架42上布置的轴压千斤顶模拟轴压，实现三轴加载。
50.作为一种优选实施例，所述围压千斤顶2和轴压千斤顶3的前端设有通过球铰安装的加载头7，通过球铰自适应，以便当试块1发生微变型，围压千斤顶2还能正常施加均一作用力。
51.作为一种优选实施例，所述千斤顶上还设有伸缩量传感器或者距离传感器，用于独立检测每个千斤顶的加载量。
52.作为一种优选实施例，每个千斤顶前端设有压力传感器，用于检测每个千斤顶的精准加载力。
53.作为一种优选实施例，所述围压千斤顶2的数量根据实际试块1大小和要进行试验类别相关，一般方型加载槽31的每个侧面均设有1-10个围压千斤顶2。
54.作为一种优选实施例，如图1至图6所示，所述三维移动机构包括中间框架5、x向千斤顶10、y向千斤顶11和z向千斤顶12；所述内框架4外侧为正方形框架，安装在中间框架5内，内框架4左右两侧分别通过若干水平设置的y向千斤顶11(图2中每侧两个)与中间框架5相连，通过左右两侧y向千斤顶11的伸缩能调整内框架4相对于中间框架5在y方向上的位置；
55.所述中间框架5安装在外框架6内，中间框架5上下两侧分别通过若干竖直方向的z向千斤顶12(每侧5个千斤顶)与外框架6相连；通过上下两侧z向千斤顶12的伸缩能调整中间框架5相对于外框架6在z方向上的位置；
56.所述z向千斤顶12通过x向滑动副15与中间框架5或者外框架6相连；
57.所述中间框架5和外框架6之间还设有若干水平安装且能x向自由伸缩的x向千斤顶10，通过x向千斤顶10的伸缩能调整中间框架5相对于外框架6在x方向上的位置；所述x向千斤顶10通过z向滑动副16与中间框架5或者外框架6相连。
58.作为一种优选实施例，所述x向千斤顶10、y向千斤顶11和z向千斤顶12上均设有伸缩量传感器或者距离传感器，用于独立检测每个千斤顶的加载量，以及前端均设有压力传感器，用于检测每个千斤顶的精准加载力。
59.作为一种优选实施例，所述内框架4上下两侧与中间框架5之间设有若干能减少y向运动摩擦力的第二滚动体13；所述中间框架5和外框架6均为方形框架，中间框架5的左右
两侧与外框架6内壁之间设有若干能减少z向运动摩擦力的第三滚动体14。所述第二滚动体13和第三滚动体14均为滚珠或者滚轴。
60.作为一种优选实施例，如图1和图6所示，所述外框架6由两个间隔平行设置的矩形框61固定相连组成或者将两个矩形框61固定在试验台上组成(图中未画出矩形框61之间连接部分)，所述中间框架5左右两侧设有向外侧延伸的承力部51，所述x向千斤顶10设置于中间框架5的承力部51和相应侧的矩形框61之间，并且所述x向千斤顶10与矩形框61或者中间框架5通过z向滑动副16相连。
61.作为一种优选实施例，如图1所示，所述内框架4为钢筋混凝土结构或钢结构的立方体框架；所述中间框架5为钢结构的矩形框架；所述外框架6的矩形框为四根十字交叉的钢筋混凝土柱组成。
62.作为一种优选实施例，所述三轴加载试验装置还包括一控制器，用于接收各个传感器的检测数据和控制各个千斤顶的动作。
63.对于本发明三轴加载试验装置的使用方法，模拟振动环境下的试块1的三轴加载试验，如图1所示，具体操作步骤如下：
64.s1：放置试块1：控制内框架4内的围压千斤顶2回收，以便预留足够的空间放入试块1，放置好后，再伸长内部围压千斤顶2与试块1恰好接触，起临时固定作用。
65.s2：轴压千斤顶3的安装，在内框架4两侧分别锚固安装一个反力架42，在两个反力架42内侧安装相对的轴压千斤顶3，伸长轴压千斤顶3，使其前端与试块接近但未接触；
66.s3：试块1位置调节：通过可三维移动机构，不断调整各侧千斤顶的伸长量，使其试块1发生xyz三个方向移动，直至试块1位置位于理论中心。
67.s2：监测设备安装与开启：在试块1内布设所需研究领域的应变传感器并启动，并将围压千斤顶2和应变监测系统开启。其中为了把试块1卡住，同时其试块1本身也具有重力，此时若干围压千斤顶2压力有初始力，试验时假定为零，加载终点力即为力增量。
68.s3：施加对应工况作用力：启动三轴加载装置，先加载围压千斤顶2固定好试块1的位置，然后加载轴压千斤顶3，进行三轴加载试验，具体试验加载力大小和时间顺序根据三轴加载试验具体要求而定，通过应变传感器判断加载程度，此时试块1会产生相应的应力变形，此时各围压千斤顶2正在进行动态监测记录数据，加载过程中，启动三维移动机构模拟各个方向的振动或者地震波，直至三轴加载试验完成。
69.s4：装置调整归位：试验结束后，监测数据自动保存，通过后期分析即可得出在该工况下试块1的变形特征。
70.需要说明的是，根据研究对象不同，可以将上述的应变传感器替换为应力传感器，或者增加应力传感器，以便进行相关研究。
71.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。