[发明专利]一种用于低弹模材料的压气式围压三轴流变仪

说明书

技术领域

本发明属于试验仪器技术领域，特别是提供了一种用于低弹模材料的压气式围压三轴流变仪。适用于进行低弹模、低强度材料(土体及模型材料)恒定荷载作用下变形的时间效应研究。

技术背景

地质力学模型试验，是一种从力学理论出发，根据一定的相似原理，采用试验的手段研究特定工程地质条件对工程的影响的方法。它与普通结构模型试验的区别在于，这种试验不仅需要模拟建筑物，还需要在模型中模拟建筑物基岩或围岩的重力以及地质构造，包括岩体中的断层、破碎带、软弱夹层、节理和裂隙等，尽可能体现出岩体非均匀等向、非弹性及非连续、多裂隙体的岩石力学特征；同时在模型的几何尺寸、边界条件及作用荷载、模型材料的容重、强度和变形特性等方面满足相似理论的前提下，尽可能使模型符合实际情况，从而研究围岩或基岩的稳定条件、变形状态及其对建筑物的影响。

地质力学物理模型试验在水利工程尤其是岩土和地下工程科学研究中占有重要地位。但是，由于试验技术的难度极大，地下洞室群三维地质力学模型试验在国内外几乎空白，近几年才有所进展。为了了解岩土及地下工程围岩结构的长期稳定性，在模型试验中需要模拟岩土体材料的时效性能或称流变性能。由于采用的相似模型材料弹模和强度远低于实际岩体材料，根据模型比尺一般只相当于实际岩体材料的1/100甚至更低。为了在试验中模拟岩体流变性能，保持模型材料与实际岩体材料流变性能的相似性，就必须通过试验了解模型材料的流变性能。但是目前国内外的流变试验机几乎都是为高强度材料设计的，试验荷载大、时间长、耗能多、费用高，均不适用于模型材料。本项发明所涉及的流变仪则填补了这一技术和设备的空白。而且使用压缩空气产生围压也是国内外首次。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于低弹模材料的压气式围压三轴流变仪，解决了无低弹模材料的零能耗流变试验设备的问题。

本发明提出了一种基于杠杆式轴压系统施加垂直荷载；压缩空气施加围压荷载；采用空气稳压仓作为围压压力源；采用高精度位移传感器量测轴向流变变形的仪器，可用于弹模低于0.1GPa的模型材料的流变试验。整个试验过程几乎不消耗任何能量。

本发明的三轴流变仪包括：形成试件轴向压力的杠杆加载系统、形成试件侧向围压的压气加载系统、围压舱、压力罐、变形测量系统。压气式围压三轴流变仪组件构成如图1所示。

形成试件轴向压力的杠杆加载系统，包括杠杆支架、杠杆横梁、限位架、轴压作用头、力点吊钩、砝码盘等和仪器平台，这部分属于常规结构。如图1所示。杠杆支架固定在仪器平台的上表面左侧，杠杆横梁通过销轴与支架上的轴孔连接，杠杆可以绕轴转动，并伸出平台；限位架起到防止横梁摆动的作用，固定在平台右侧；轴压作用头位置在横梁左侧距离转动轴中心8cm之处，用螺栓固定在横梁上；力点吊钩和砝码盘悬挂在横梁右端距离转动轴中心80cm的轴上。力点的砝码通过杠杆横梁可以对轴压作用头产生放大10倍的作用。改变力点吊钩的位置就可以得到不同的比例加载。

形成试件侧向围压的压气加载系统，这部分是本发明的特色结构。包括形成围压并使其直接作用于试件侧表面的围压舱3、储存和具有稳定气压作用的大容量压力罐1。大容量压力罐1与围压舱3通过内径6mm的压力软管相连接。

围压舱由密封底板14、围压钢筒7、上密封环12、密封环定位压钣11以及弹性橡胶膜13构成。如图3、4所示。底板用螺栓固定在仪器平台上，其中线与横梁上轴压作用头一致；围压钢筒用螺栓固定在底板上，密封环在围压钢筒上端，通过定位压钣固定的围压钢筒上。图4给出了橡胶膜与围压钢筒连接、形成密封储气空间的方式。)

压力罐上装有压力表、进气阀和出气阀；出气阀通过压力软管与围压舱侧面的进气阀相联。

变形测量系统，由位移传感器2、通道选择器6、数据采集器4、微机5及数据处理软件组成，通过数据电缆连接。

本发明的低弹模压气围压三轴流变仪包括4个相同的加载和测试单元，他们都固定在同一个平台上，平行设置。可以同时进行4个低弹模材料试件在相同或不同加载条件下的流变试验。

本发明的工作原理及积极效果如下：

1、采用移动式杠杆垂直加载方式施加轴向压力，杠杆上的支点和作用点位置固定，而力点是移动式的，既可以施加分级荷载又可以方便地施加各种连续可变荷载；杠杆式轴压系统加垂直荷载，精度、稳定性高，且无需任何能源。

2、采用压缩空气作为围压荷载，实现了

(1)利用高弹性橡胶膜与自行设计的围压仓之间形成的空间储存高压空气，对模型试件形成围压。