專利名稱：雙軸壓縮試驗設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及材料分析領域，特別適用于土力學與粒狀介質力學研究中復雜加載條 件土體材料和理想粒狀材料的力學特性測試試驗。
背景技術：
工程實際中，涉及其安全性，主要取決于工程材料和結構的變形、強度與穩定性。 土體作為工程建設中最為廣泛使用的材料、地基或環境，與工程建設的安全性密不可分。土 體材料單元試驗是評價土體材料變形強度特性與力學關系的最為基本的手段。常規三軸儀 是目前國內外最為常用的土體材料單元試驗設備。該設備只能進行三軸壓縮和伸長等常規 試驗路徑。但實際工程中，作用在土體單元上的荷載及其路徑變化是極其復雜多樣的。為了研究土體材料在各種復雜加載條件下的變形強度特性，需要不斷發展滿足這 一要求的試驗設備。已有的三軸剪切儀分析材料性能時，只能單獨施加剪應力，不能解決多 個方向運動耦合、受力條件不均勻的缺陷。
發明內容
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的一個目的 在于提出適用于二維理想粒狀材料的雙軸壓縮試驗設備，適用于工程建設中常見的粗粒土 和理想粒狀土體模擬材料的靜動力單元試驗。根據本發明的一種雙軸壓縮試驗設備，包括軸向荷載加載裝置，所述軸向荷載加 載裝置包括固定設置的上、下反力架；和軸向加載平臺，所述軸向加載平臺設置在所述上 反力架下方并可升降；方形框架，設置于所述軸向加載平臺上；用于承載材料試樣的試樣 容器，所述試樣容器包括置于所述方形框架上的容器底板；兩側分別可水平移動的左、右 側壓板；以及位于頂部且沿垂直方向可移動的加載蓋板，所述軸向加載平臺提升時推動容 器底板向所述試樣容器中的材料試樣施加軸向荷載；第一水平荷載加載裝置，用于推動所 述左側壓板以向所述材料試樣施加水平荷載；以及第二水平荷載加載裝置，用于推動所述 右側壓板以向所述材料試樣施加水平荷載。根據本發明的雙軸壓縮試驗設備，適用于二維理想粒狀材料，在不考慮應力主軸 旋轉的前提下，可在兩個正交方向分別施加正應力以實現不同的加載路徑，不需要單獨施 加剪應力，更進一步地，該雙軸壓縮試驗設備能夠連續的跟蹤試樣在變形過程中的細觀組 構演化過程。另外，根據本發明的雙軸壓縮試驗設備還具有如下附加技術特征所述雙軸壓縮試驗設備還包括軸向導向桿，設置在所述方形框架上以限制所述 加載蓋板的軸向轉動，所述加載蓋板沿所述軸向導向桿軸向地移動，和水平導向桿，設置在 所述方形框架上以限制所述左側壓板和右側壓板的水平方向的轉動，所述側壓板可沿所述 水平導向桿水平地移動。水平導向桿可防止由于左、右側壓板傾斜而導致出現較大的系統阻力，而軸向導向桿可防止加載蓋板轉動而影響試樣表面的應力分布，從而造成對試驗精度的影響。所述水平導向桿和所述左、右側壓板之間分別設有滾針軸套，可減少側壓板所受 摩擦力，相應摩擦系數可降至0. 01左右。所述左側壓板、右側壓板、容器底板以及所述加載蓋板之間采用相互交錯的柵狀 結構，從而所述加載蓋板以及所述容器底板分別在所述左側壓板、右側壓板之間軸向可移 動，且所述左側壓板、右側壓板分別在所述加載蓋板、容器底板之間水平可移動。。可防止由 于試樣容器邊角處的顆粒擠出現象而影響體應變，同時避免試樣軸向與水平向相鄰邊界之 間的干擾。第一水平荷載加載裝置包括第一壓力氣源和第一氣缸，和第二水平荷載加載裝置 包括第二壓力氣源和第二氣缸，分別用于提供并調整左、右水平向的荷載。所述第一水平荷載加載裝置和第二水平荷載加載裝置分別進一步包括第一和第 二油缸，所述第一和第二油缸分別與第一和第二壓力氣源相連，用于提供油壓。由于氣體具有可壓縮性，如果只用氣缸向材料試樣提供水平載荷時，由于氣體的 壓縮性使得傳遞至左、右側壓板上的力減小，從而出現施加載荷不準確。因此，本發明的發 明人在水平荷載通過第一氣缸、第二氣缸傳遞至左側壓板和右側壓板之前，將所施加的力 通過所述第一油缸、第二油缸進行傳遞，由于液壓油的可壓縮性極小，從而使得荷載的傳遞 更為精確，同時通過氣缸保持少部分氣體以對所施加的載荷進行緩沖。所述容器底板和所述框架底板之間設有水平運動保持組件，所述水平運動保持組 件包括平直式運動保持架；以及滾動針，所述滾動針保持在所述平直式運動保持架內，由 此可以減少試樣的端部的摩擦阻力的影響。所述雙軸壓縮試驗設備進一步包括設置在所述加載蓋板上的第一力傳感器，以及 分別安裝在兩個側壓板之上的第二力傳感器和第三力傳感器。所述雙軸壓縮試驗設備進一步包括設置在所述側壓板之上的至少一個水平位移 傳感器和設置在所述框架底板之上的至少一個軸向位移傳感器。所述雙軸壓縮試驗設備還包括用于采集各個傳感器信號的數據采集卡，所述數據 采集卡將各個傳感器的信號轉換為數字信號后發送給計算裝置進行處理。本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1是本發明的一個實施例的雙軸壓縮試驗設備的結構示意圖；圖2是圖1中所示的雙軸壓縮試驗設備中的水平運動保持組件，其中，圖2(a)顯 示了水平運動保持組件的俯視圖，圖2(b)顯示了水平運動保持組件的主視圖；圖3是圖1中所示的左右側壓板、容器底板以及加載蓋板之間采用相互交錯的柵 狀結構的示意圖；圖4是根據本發明的另一個實施例的雙軸壓縮試驗設備的結構示意圖；以及圖5是根據本發明的再一個實施例的雙軸壓縮試驗設備的測試受力和變形的示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，術語“內”、“外”、“上”、“下”、“頂”、“底”等指示的方位或位置 關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明而不是要求本發明必須 以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。下面參考圖1描述根據本發明實施例的雙軸壓縮試驗設備。如圖1所示，根據本發明的一個實施例的雙軸壓縮試驗設備，包括軸向荷載加載 裝置1、方形框架2、試樣容器3、第一水平荷載加載裝置41和第二水平荷載加載裝置42。作為本發明的一個實施例，軸向荷載加載裝置1可以基于現有的三軸剪切儀來提 供軸向的壓力和反力，并實現軸向上的應變控制。該軸向荷載加載裝置1包括固定設置的 上反力架11、下反力架12和在上反力架11下方且可升降的軸向加載平臺13。方形框架2安裝在軸向加載平臺13上，包括底板、左側板和右側板，其中左、右側 板用于固定第一水平荷載加載裝置41和第二水平荷載加載裝置42等固定部件。試樣容器3用于承載材料試樣8，在一個示例中，材料試樣8是由金屬棒堆積成的 二維粒狀材料圓柱形試樣。試樣容器3包括容器底板31、兩側分別可移動的側壓板(左側 壓板321和右側壓板322)及頂部的可移動的加載蓋板33。其中，容器底板31置于方形框 架2的底板上，而左側壓板321和右側壓板322用于傳遞水平向壓力。加載蓋板33用于傳 遞軸向壓力，且加載蓋板33與上反力架11連接。軸向加載平臺1提升時推動容器底板31 向試樣容器3中的材料試樣8施加軸向荷載。如圖4所示，根據本發明的另一個實施例的雙軸壓縮試驗設備，方形框架2還包括 上板。由于試樣容器邊角處的顆粒擠出將會影響體應變，是材料試驗中不允許出現的。 為防止這種顆粒擠出現象，同時避免試樣軸向與水平向相鄰邊界之間的干擾，因此，在該實 施例中，左側壓板321與右側壓板322、容器底板31以及加載蓋板33之間采用相互交錯的 柵狀結構，如圖3所示，從而加載蓋板33以及所述容器底板31分別在左側壓板321、右側壓 板322之間軸向可移動，且左側壓板321、右側壓板322分別在加載蓋板33、容器底板31之 間水平可移動。這種柵狀結構可能會導致部分摩擦阻力。通過在鋸齒之間預留一定縫隙可 解決該問題。如圖4所示，位于左側壓板321的左側的第一水平荷載加載裝置41和位于右側壓 板322的右側的第二水平荷載加載裝置42，分別用于推動兩個側壓板以向材料試樣施加水 平荷載。第一水平荷載加載裝置41包括第一壓力氣源411和第一氣缸412，而第二水平荷 載加載裝置42包括第二壓力氣源421和第二氣缸422。第一水平荷載加載裝置41和第二 水平荷載加載裝置42提供并調整水平向的荷載，為應力控制方式。優選地，第一水平荷載 加載裝置41和第二水平荷載加載裝置42還進一步分別包括第一油缸413和第二油缸423。 由于氣體具有可壓縮性，如果只用氣缸向材料試樣提供水平載荷時，由于氣體的壓縮性使
6得傳遞至左側壓板321、右側壓板322上的力減小，從而出現施加載荷不準確。因此，本發明 的發明人在水平荷載通過第一氣缸412、第二氣缸421傳遞至左側壓板321和右側壓板322 之前，將所施加的力通過所述第一油缸413、第二油缸423進行傳遞，由于液壓油的可壓縮 性極小，從而使得荷載的傳遞更為精確，同時通過氣缸保持少部分氣體以對所施加的載荷 進行緩沖。由于兩個側壓板傾斜會導致較大的系統阻力，因此，為限制側壓板的轉動，在框架 2上固定多根水平方向的水平導向桿5，可選地，水平導向桿5的數量為2個，即在試樣容器 的前、后分別設有一個，使得兩個側壓板可分別沿水平導向桿5移動。另一方面，加載蓋板 33的轉動同樣會影響試樣表面的應力分布，對試驗精度有一定影響。因此同樣在框架2內 固定多根軸向的軸向導向桿6，其中，軸向導向桿6的上端固定在框架2的上板的下表面，而 其下端固定在框架2的底板上，可選地，軸向導向桿6的數量為4個。加載蓋板33的兩端 可滑動地連接在4個軸向導向桿上，這樣，4個軸向導向桿可限制加載蓋板33的轉動。試驗 表明，使用軸向導向桿6和水平導向桿5，可將左側壓板321、右側壓板322及加載蓋板33 的轉動均限制在1°以內，滿足試驗精度要求。更進一步地，材料試驗中試樣邊界處的摩擦也會給試驗結果引入誤差。該試驗系 統可能存在的摩擦阻力出現在兩處試樣端部、兩個側壓板和水平導向桿5之間。為減少端 部摩擦阻力的影響，如圖1所示，在本發明的一個示例中，容器底板31和框架2的底板之間 設有如圖2所示的滾動針與平直式運動保持架組件。而在本發明的另一個示例中，水平導 向桿5和左、右側壓板之間分別設有滾針軸套9，如圖4中所示，可減少左、右側壓板所受摩 擦力，相應摩擦系數可降至0. 01左右。由此，在本發明的實施例的雙軸壓縮試驗設備中，軸向荷載加載裝置1、加載蓋板 33、容器底板31以及軸向導向桿6共同構成了本試驗系統的軸向的加載與傳力裝置，主要 在軸向上形成對材料試樣8的應變控制，其中軸向荷載加載裝置1用于在軸向上提供并調 整載荷，而加載蓋板33和容器底板31將軸向載荷傳遞至材料試樣8，軸向導向桿6用于防 止加載蓋板33發生旋轉。而由第一水平荷載加載裝置41和左側壓板321、第二水平荷載加 載裝置42和右側壓板322以及水平導向桿5共同構成了本試驗系統的水平向的加載與傳 力裝置，其中，而第一、第二水平荷載加載裝置用于提供并調整水平向的荷載，而左側壓板 321和右側壓板322將水平向載荷傳遞至材料試樣8，水平導向桿5用于防止倆側壓板發生 旋轉。另外，方形框架用于固定第一氣缸412、第二氣缸422、軸向導向桿6及水平導向桿5 等固定部件，并分別為第一氣缸412和第二氣缸422提供水平向反力。加載過程中，試樣頂部的加載蓋板33軸向位置可不變；方形框架2的底板連同試 樣8(以及左、右側壓板和容器底板31) —起隨軸向加載平臺13升降，試樣8的高度(即加 載蓋板33和容器底板31之間的距離)隨之發生變化，因此控制軸向加載平臺13的升降即 可控制試樣8的軸向力荷載。表1示出的是根據本發明的雙軸壓縮試驗設備的主要加載性能指標。表 1加栽能力/t試樣尺寸/mm允許變形/mm軸向 水平 高度 寬度 軸向 水平根據本發明的另一個實施例的雙軸壓縮試驗設備，建立了由傳感器、數據采集卡 和數據處理軟件組成的完整數據采集系統，用于自動采集試樣在水平與軸向兩個方向上的 受力和變形等數據。因此，該系統還進一步包括設置在加載蓋板上的第一力傳感器FTV，以 及分別安裝在兩個側壓板之上的第二力傳感器FTL和第三力傳感器FTR。其中，在一個示例 中，還包括設置在側壓板之上的至少一個水平位移傳感器和設置在框架2的底板之上的至 少一個軸向位移傳感器，以及用于采集各個傳感器信號的數據采集卡，數據采集卡將各個 傳感器的信號轉換為數字信號后發送給計算裝置進行處理。在本發明的一個可選實施例中，如圖5所示，試樣所受軸向壓力P傳遞到框架2上 通過置于框架2頂部的力傳感器FTV測量，水平方向所受壓力FL和FR通過分別安裝在左、 右側壓板外側的力傳感器FTL和FTR測量。位移通過DTl DT6共6個位移傳感器測量。 其中DTl DT4為水平位移傳感器，DT5、DT6為軸向位移傳感器，即在材料試樣8的三個可 動邊界上分別用兩個位移傳感器測量其位移，減少由于邊界發生轉動造成的測量誤差。傳 感器測量精度均為0. FS。傳感器測得的電信號經放大后傳遞給數據采集卡轉換為數字信號，再傳遞給計算 機后由數據處理軟件處理。可選地，可采用的數據采集卡型號為阿爾泰USB2010A，具有12 位精度，16路雙端輸入，數據采集速率為每秒100k。數據處理軟件是在阿爾泰公司提供的 示例程序基礎上修改而成，通過對多次數據采集結果平均的方法減少噪聲影響。根據各傳 感器電壓輸出結果，通過計算可得到試樣的應力應變曲線。根據本發明的雙軸壓縮試驗設備，適用于二維理想粒狀材料，在不考慮應力主軸 旋轉的前提下，可在兩個正交方向分別施加正應力以實現不同的加載路徑，更進一步地，該 雙軸壓縮試驗設備能夠連續的跟蹤試樣在變形過程中的細觀組構演化過程。盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以 理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換 和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同限定。
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權利要求
一種雙軸壓縮試驗設備，其特征在于，包括軸向荷載加載裝置，所述軸向荷載加載裝置包括固定設置的上、下反力架；和軸向加載平臺，所述軸向加載平臺設置在所述上反力架下方并可升降；方形框架，設置于所述軸向加載平臺上；用于承載材料試樣的試樣容器，所述試樣容器包括置于所述方形框架上的容器底板；兩側分別可水平移動的左、右側壓板；以及位于頂部且沿垂直方向可移動的加載蓋板，所述軸向加載平臺提升時推動容器底板向所述試樣容器中的材料試樣施加軸向荷載；第一水平荷載加載裝置，用于推動所述左側壓板以向所述材料試樣施加水平荷載；以及第二水平荷載加載裝置，用于推動所述右側壓板以向所述材料試樣施加水平荷載。
2.如權利要求1所述的雙軸壓縮試驗設備，其特征在于，還包括軸向導向桿，設置在所述方形框架上以限制所述加載蓋板的軸向轉動，所述加載蓋板 沿所述軸向導向桿軸向地移動，和水平導向桿，設置在所述方形框架上以限制所述左側壓板和右側壓板的水平方向的轉 動，所述側壓板可沿所述水平導向桿水平地移動。
3.如權利要求2所述的雙軸壓縮試驗設備，其特征在于，所述水平導向桿和所述左、右 側壓板之間分別設有滾針軸套。
4.如權利要求1所述的雙軸壓縮試驗設備，其特征在于，所述左側壓板、右側壓板、容 器底板以及所述加載蓋板之間采用相互交錯的柵狀結構，從而所述加載蓋板以及所述容器 底板分別在所述左側壓板、右側壓板之間軸向可移動，且所述左側壓板、右側壓板分別在所 述加載蓋板、容器底板之間水平可移動。
5.如權利要求1所述的雙軸壓縮試驗設備，其特征在于，所述第一水平荷載加載裝置 包括第一壓力氣源和第一氣缸，第二水平荷載加載裝置包括第二壓力氣源和第二氣缸。
6.如權利要求5所述的雙軸壓縮試驗設備，其特征在于，所述第一水平荷載加載裝置 和第二水平荷載加載裝置分別進一步包括第一和第二油缸，所述第一和第二油缸分別與第 一和第二壓力氣源相連，用于提供油壓。
7.如權利要求1所述的雙軸壓縮試驗設備，其特征在于，所述容器底板和所述框架底 板之間設有水平運動保持組件，所述水平運動保持組件包括平直式運動保持架；以及滾動針，所述滾動針保持在所述平直式運動保持架內。
8.如權利要求1所述的雙軸壓縮試驗設備，其特征在于，進一步包括設置在所述加載 蓋板上的第一力傳感器，以及分別安裝在兩個側壓板之上的第二力傳感器和第三力傳感器。
9.如權利要求1所述的雙軸壓縮試驗設備，其特征在于，進一步包括設置在所述側壓 板之上的至少一個水平位移傳感器和設置在所述框架底板之上的至少一個軸向位移傳感器。
10.如權利要求8或9所述的雙軸壓縮試驗設備，其特征在于，還包括用于采集各個傳 感器信號的數據采集卡，所述數據采集卡將各個傳感器的信號轉換為數字信號后發送給計 算裝置進行處理。
全文摘要
本發明公開了一種雙軸壓縮試驗設備，包括軸向荷載加載裝置，所述軸向荷載加載裝置包括固定設置的上、下反力架；和軸向加載平臺，所述軸向加載平臺設置在所述上反力架下方并可升降；方形框架，設置于所述軸向加載平臺上；用于承載材料試樣的試樣容器，所述試樣容器包括置于所述方形框架上的容器底板；兩側分別可水平移動的左、右側壓板；以及位于頂部且沿垂直方向可移動的加載蓋板；第一水平荷載加載裝置以及第二水平荷載加載裝置。根據本發明的雙軸壓縮試驗設備，適用于二維理想粒狀材料，在不考慮應力主軸旋轉的前提下，可在兩個正交方向分別施加正應力以實現不同的加載路徑。
文檔編號G01N3/02GK101907547SQ20101022567
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月5日 優先權日2010年7月5日
發明者張嘎, 張建民, 張連衛, 張雷, 鄭瑞華 申請人:清華大學