一種大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統的制作方法

一種大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統。由加載框架主體、加載平臺、壓力室進出平臺及數據采集系統組成；本發明的優點：第一、通過可調節的中央橫梁，改變試驗加載空間，不同類型試樣選取不同壓力室后，實現不同類型、不同尺寸試樣的多場耦合試驗。第二、在不使用壓力室的情況下，可以開展高水壓下混凝土、巖石的水力劈裂試驗，也可以測定材料的常規材料參數。第三、壓力室起吊裝置和車輪進出平臺裝置的設置，可以方便地實現不同試樣、不同壓力室的更換。第四、通過數據采集裝置、數據存儲軟件，實現全自動、全過程、實時、互不干擾地采集、顯示、存儲水壓、圍壓、軸壓、溫度變化等數據；同時也可以根據反饋信息實時改變加載要求。
【專利說明】一種大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種適用于土料、混凝土、巖石的大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統。

【背景技術】
[0002]在“十二五”規劃以及西部大開發戰略大步實施以來，我國大型水利水電工程的建設不斷發展，一批300m級的土石壩、混凝土壩正在建設或已投入運行。
[0003]受氣候環境、設計及施工養護方面的影響，大壩出現裂縫幾乎不可避免。為確保水庫、大壩的正常運行，在變溫、高水壓、復雜應力等條件下裂紋的萌生、擴展機理，已經成為時下學界的研宄熱點。一大批學者致力于開展大量關于土料、混凝土、巖石的流-固-熱多場耦合試驗。由于問題本身的復雜性，已有的試驗儀器在高水壓力的模擬、溫度變化的控制、復雜應力的實現以及三者之間的組合作用方面都沒有得到很好的實現。針對已有試驗儀器的不足，開發研制了一種大型流-固-熱耦合試驗加載系統，通過使用更換不同的壓力室，可以分別實現土料、混凝土、巖石的多場耦合試驗，由此能夠更加深入地研宄在耦合作用下，裂縫萌生、擴展機理。


【發明內容】

[0004]本發明針對現有流-固-熱多場耦合試驗加載系統的缺陷與不足，開發研制了一套適用于混凝土、土料、巖石等不同類型、不同尺寸的大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統，以研宄耦合狀況下裂縫的萌生、擴展機理。
[0005]本發明的技術方案是:一種大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統，包括:
壓力室及其移動部件；
所述壓力室及其移動部件包括相對平行的兩個軌道支架，軌道支架之間用桁架固定；軌道支架上鋪設有軌道，還包括一移動鋼板，所述移動鋼板底部設置滾輪，所述滾輪設置在所述軌道上；移動鋼板上放置壓力室；
框架反力部件；
包括頂蓋、框架底座及設置在所述頂蓋、框架底座之間的四根螺紋鋼立柱，所述四根螺紋鋼立柱上穿射有中部橫梁，并且所述中部橫梁可在所述四根螺紋鋼立柱上水平升降；頂蓋的上部安裝有用于起吊壓力室的起吊裝置；中部橫梁的下部設有可伸縮凸形液壓加載軸；所述可伸縮凸形液壓加載軸與液壓油泵相連；所述液壓油泵與中央控制臺相連；框架底座上固定有大直徑鋼塊，大直徑圓鋼塊的上部中心位置螺紋連接有試驗基座，試驗基座通過支柱連接有加載平臺；加載平臺上放置試樣；所述框架底座與所述兩個軌道支架固接;
以及用于收集、反饋信息的實驗數據采集存儲部件；包括:
安裝在試樣表面的應變傳感器、水壓傳感器；布置在凸形液壓加載軸上的軸壓傳感器及位移傳感器；上述傳感器均與中央控制臺、試驗參數控制柜相連。
[0006]所述中部橫梁在四個角上貫穿的安裝有四個齒輪螺栓，所述四個齒輪螺栓的內螺紋與螺紋鋼立柱的外螺紋緊密咬合在一起；四個齒輪螺栓中靠同一側的兩個齒輪螺栓通過傳動軸與電動機相連，同時又分別通過兩根傳動鏈條(5)與另外一側的兩個齒輪螺栓相連。
[0007]所述起吊裝置包括電動機、可伸縮鋼臂、定滑輪及鋼絲繩，其中，可伸縮鋼臂上設置有定滑輪，定滑輪上設有鋼絲繩，鋼絲繩的一端連接掛鉤，另一端與電動機的動力端相連。
[0008]所述加載平臺外側周圍有環狀凹槽，環狀凹槽兩側分別設有一個排水孔，所述排水孔與皮管相接，用以排除流-固耦合、水力劈裂等試驗過程中的滲水。
[0009]在試樣的上、下表面分別設置下墊塊和上墊塊，且上墊塊朝向所述可伸縮凸形液壓加載軸的一面上具有弧形凹面。
[0010]所述凸形液壓加載軸頂端設有小孔，小孔內設置十字鋼架，在所述十字鋼架上固定有位移計，位移計內設有位移傳感器。
[0011]與現有技術相比，本發明的優點:
第一、本發明可以通過可調節的中央橫梁，改變試驗加載空間，不同類型試樣選取不同壓力室后，實現混凝土、土料、巖石等不同類型、不同尺寸的試樣的多場耦合試驗，節省了大量設備研發成本。
[0012]第二、在不使用壓力室的情況下，可以開展高水壓下混凝土、巖石的水力劈裂試驗，也可以測定材料的常規材料參數。
[0013]第三、壓力室起吊裝置和車輪進出平臺裝置的設置，可以方便地實現不同試樣、不同壓力室的更換。
[0014]第四、試驗過程中，通過數據采集裝置、數據存儲軟件，實現全自動、全過程、實時、互不干擾地采集、顯示、存儲水壓、圍壓、軸壓、溫度變化等數據；同時也可以根據反饋信息實時改變加載要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]附圖1為加載系統整體示意圖；
附圖2為液壓加載棒及常規試驗臺示意圖；
附圖3為液壓加載棒及常規試驗臺剖面圖；
附圖4為混凝土巖石壓力室的結構示意圖；
其中:1、壓力室起吊裝置；2、電動機；3、頂蓋；4、傳動軸；5、傳動鏈條；6、齒輪螺栓；7、螺紋鋼立柱；8、中部橫梁；9、加載平臺；10、凸形液壓加載軸；11、位移計；12、凹形墊塊；13、試驗基座；14、大直徑圓鋼塊；15、框架底座；16、錨桿；17、軌道支架；18、軌道；19、滾輪；20、移動鋼板；21、螺栓；22、土料壓力室；23、混凝土巖石壓力室；24、液油壓泵；25、試驗參數控制柜；26、中央控制臺；27、支柱；28、環形凹槽；29、排水孔；30、皮管；31、試樣；32、十字鋼架；33、桁架。

【具體實施方式】
[0016]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，以便對本發明做出清楚、完整的說明。需要強調的是，【專利附圖】

【附圖說明】對于本發明來說是示意性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制；此外，本發明中自始至終相同或相類似的標號表示相同或類似的元件，所用的術語“連接”、“相連”、“安裝”等應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或者是一體連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接連接，也可以是通過中間介質間接連接，甚至可以是兩個元件的內部連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的含義。
[0017]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”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和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、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。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
[0018]本發明一種大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統包括:
加載系統框架主體的組成:加載系統的框架主體由四根螺紋鋼立柱7穿過中部橫梁8，連接框架底座15和頂蓋3組成，框架底座15通過錨桿16固定在試驗大廳的水平水泥地上。所述中部橫梁8在四個角上貫穿的安裝有四個齒輪螺栓6，所述四個齒輪螺栓6的內螺紋與螺紋鋼立柱7的外螺紋緊密咬合在一起；四個齒輪螺栓中靠同一側的兩個齒輪螺栓6通過傳動軸4與電動機2相連，同時又分別通過兩根傳動鏈條5與另外一側的兩個齒輪螺栓6相連。從而使電動機2啟動后，四個齒輪螺栓6能以相同的速度轉動，實現中部橫梁8水平升降。
[0019]頂蓋3上部安裝有壓力室起吊裝置1，由可伸縮鋼臂、定滑輪、鋼絲繩及電動機2組成。壓力室起吊裝置I由電動機2控制啟動，用于起吊壓力室。
[0020]中部橫梁8的升降、壓力室起吊裝置I的啟閉均由中央控制臺26控制。
[0021]試驗加載平臺的組成:大直徑圓鋼塊14通過螺栓21固定于框架底座15上，用以將上部加載裝置的軸力傳遞至框架底座15，進而擴散至試驗大廳地面；大直徑圓鋼塊14上部中心安裝有試驗基座13，兩者通過螺紋相互結合，并實現試驗基座13的升降。加載平臺9通過支柱27固定于試驗基座13上。加載平臺9外側周圍有環形凹槽28，環形凹槽28兩側有兩個排水孔29與皮管30相接，用以排除流-固耦合、水力劈裂等試驗過程中的滲水。
[0022]加載平臺9中心放置試樣31，為使試樣均勻加載同時增加試驗成功率，需在試樣上、下分別放入墊塊，且上墊塊12的上表面上具有弧形凹面。
中部橫梁8下部裝有可以伸縮的凸形液壓加載軸10。框架底座15內充滿著液壓油，通過管道與液壓油泵24相連。實驗過程中，通過中央控制臺26操作，由液壓油泵24驅動，升高試驗基座13，下降凸形液壓加載軸10，使凸形液壓加載軸10與上墊塊12的弧形凹面正好接觸后，即可施加軸壓進行試驗。
[0023]位移計11固定于與凸形液壓加載軸10頂端小孔相接的十字鋼架，用于測定試驗過程中試樣的位移情況。
[0024]壓力室進出平臺的組成:壓力室進出平臺主體為兩個軌道支架17，與框架底座15相固接。兩個軌道支架17之間用桁架33連接固定，底部分別通過螺栓21與實驗室大廳水泥地面相接。4個滾輪19通過軌道支架17上的軌道18滾動，從而可以使移動鋼板20左右滑動。利用加載系統主體頂蓋3上固定的壓力室起吊裝置1，將土料試樣壓力室22吊起放置于移動鋼板上，在土料試樣壓力室22底部用螺栓21與移動鋼板連接固定。推動移動鋼板20使土料試樣壓力室22至凸形液壓加載軸10正下方并固定，凸形液壓加載軸10通過土料試樣壓力室22頂部的上墊塊12對土料試樣壓力室22施加軸力，從而可以實現土料試樣在三軸復雜應力條件下多場耦合試驗。同樣的，對于混凝土巖石壓力室23也完全適用。
[0025]試驗數據采集系統:包括安裝在試樣31表面的應變傳感器、水壓傳感器；布置在凸形液壓加載軸10上的軸壓傳感器及位移傳感器；上述傳感器均與中央控制臺26、試驗參數控制柜25相連。
[0026]試樣31內部水壓采用耦合試驗機提供，并且可以調整水壓加載梯度；壓力室內部的銅圈可以實現內部系統的溫度變化；利用應變片、夾式引伸計等可以測得試樣裂縫的開展狀況。在利用壓力室進行多場耦合試驗時，利用參數控制柜25控制試驗環境變量，如圍壓、溫度大小及變化速率等；在加載平臺9上進行不涉及溫度的耦合試驗或水力劈裂試驗時，試驗環境變量如軸壓、高水壓及加載梯度等由中央控制臺26直接控制。同時，利用數據采集系統，可以將實驗過程中采集到的數據實時地輸出至中央控制臺26顯示并存儲。
【權利要求】
1.一種大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統，其特征在于包括: 壓力室及其移動部件； 所述壓力室及其移動部件包括相對平行的兩個軌道支架(17)，軌道支架(17)之間用桁架(33)固定；軌道支架(17)上鋪設有軌道(18)，還包括一移動鋼板(20)，所述移動鋼板(20)底部設置滾輪(19)，所述滾輪(19)設置在所述軌道(18)上；移動鋼板(20)上放置壓力室； 框架反力部件； 包括頂蓋(3)、框架底座(15)及設置在所述頂蓋(3)、框架底座(15)之間的四根螺紋鋼立柱(7)，所述四根螺紋鋼立柱(7)上穿射有中部橫梁(8)，并且所述中部橫梁(8)可在所述四根螺紋鋼立柱(7)上水平升降；頂蓋(3)的上部安裝有用于起吊壓力室的起吊裝置(I);中部橫梁(8)的下部設有可伸縮凸形液壓加載軸(10);所述可伸縮凸形液壓加載軸(10)與液壓油泵(24)相連；所述液壓油泵(24)與中央控制臺(26)相連；框架底座(15)上固定有大直徑鋼塊(14)，大直徑圓鋼塊(14)的上部中心位置螺紋連接有試驗基座(13)，試驗基座(13)通過支柱連接有加載平臺(9);加載平臺(9)上放置試樣(31);所述框架底座(15)與所述兩個軌道支架(17)固接； 以及用于收集、反饋信息的實驗數據采集存儲部件；包括: 安裝在試樣(31)表面的應變傳感器、水壓傳感器；布置在凸形液壓加載軸(10)上的軸壓傳感器及位移傳感器；上述傳感器均與中央控制臺(26)、試驗參數控制柜(25)相連。
2.根據權利要求1所述的一種大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統，其特征在于所述中部橫梁(8)在四個角上貫穿的安裝有四個齒輪螺栓(6)，所述四個齒輪螺栓(6)的內螺紋與螺紋鋼立柱(7)的外螺紋緊密咬合在一起；四個齒輪螺栓(6)中靠同一側的兩個齒輪螺栓(6)通過傳動軸(4)與電動機(2)相連，同時又分別通過兩根傳動鏈條(5)與另外一側的兩個齒輪螺栓(6)相連。
3.根據權利要求2所述的一種大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統，其特征在于所述起吊裝置(I)包括電動機、可伸縮鋼臂、定滑輪及鋼絲繩，其中，可伸縮鋼臂上設置有定滑輪，定滑輪上設有鋼絲繩，鋼絲繩的一端連接掛鉤，另一端與電動機的動力端相連。
4.根據權利要求3所述的一種大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統，其特征在于所述加載平臺(9)外側周圍有環狀凹槽(28)，環狀凹槽(28)兩側分別設有一個排水孔(29)，所述排水孔(29)與皮管(30)相接，用以排除流-固耦合、水力劈裂等試驗過程中的滲水。
5.根據權利要求4所述的一種大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統，其特征在于在試樣(31)的上、下表面分別設置下墊塊和上墊塊(12)，且上墊塊(12)朝向所述可伸縮凸形液壓加載軸(10)的一面上具有弧形凹面。
6.根據權利要求5所述的一種大型流-固-熱多場耦合試驗加載系統，其特征在于所述凸形液壓加載軸(10)頂端設有小孔，小孔內設置十字鋼架，在所述十字鋼架上固定有位移計(11)，位移計(11)內設有位移傳感器。
【文檔編號】G01N3/12GK104458428SQ201410787699
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月17日 優先權日:2014年12月17日
【發明者】嚴中奇, 沈振中, 徐力群, 邱莉婷, 儲凱敏, 甘磊, 焦延濤 申請人:河海大學