一種多軸加載系統(tǒng)及加載方法
【專利摘要】一種多軸加載系統(tǒng)及加載方法，屬于巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明的剛性框架上設(shè)有定位套筒，管筒位于其內(nèi)，第一活塞和第二活塞位于管筒內(nèi)，活塞之間填充有膨脹劑，調(diào)節(jié)螺栓與第一活塞相接觸；壓力傳感器位于剛性框架上，被加載體設(shè)置在第二活塞與壓力傳感器之間。其加載方法為：管筒豎直放置，放入第一活塞，再裝入膨脹劑，將其搗實(shí)平整后覆蓋塑料薄膜，然后放入第二活塞，將管筒水平放置送入定位套筒內(nèi)，在第二活塞與壓力傳感器之間安放被加載體，旋緊調(diào)節(jié)螺栓使被加載體與第二活塞和壓力傳感器緊密接觸；隨著膨脹劑體積的增大，膨脹劑會(huì)在軸向上推動(dòng)第一活塞和第二活塞，壓力傳感器會(huì)記錄下被加載體所受到的膨脹壓的壓力數(shù)值并傳輸給載荷記錄儀。
【專利說明】一種多軸加載系統(tǒng)及加載方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種多軸加載系統(tǒng)及加載方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在巖土工程領(lǐng)域中，對(duì)于巖石物理力學(xué)性質(zhì)的研究，最常用的方法是從現(xiàn)場(chǎng)采集巖塊樣品，在實(shí)驗(yàn)室加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試件，采用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行單軸、雙軸、常規(guī)三軸或真三軸加載試驗(yàn)，以獲取相關(guān)的巖石力學(xué)性能參數(shù)。
[0003]巖體是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)面所包圍的巖塊構(gòu)成，且具有各向異性的特點(diǎn)，為了能夠真實(shí)的反映巖體的力學(xué)性能，通常需要進(jìn)行大型巖體現(xiàn)場(chǎng)原位加載試驗(yàn)，由于壓力試驗(yàn)機(jī)只能安裝在室內(nèi)，無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，而傳統(tǒng)的大型巖體現(xiàn)場(chǎng)原位加載試驗(yàn)又成本昂貴，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，應(yīng)用起來極不方便，在現(xiàn)場(chǎng)原位加載試驗(yàn)中，大多采用的是單軸加載試驗(yàn)。
[0004]隨著研究的深入，人們對(duì)巖石力學(xué)性能的研究不僅僅局限于通過壓力機(jī)試驗(yàn)或者現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)獲取常規(guī)參數(shù)，而是在原有研究基礎(chǔ)之上，加入了爆破、震動(dòng)等動(dòng)載荷進(jìn)行研究，傳統(tǒng)的室內(nèi)加載試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)均采用液壓裝置對(duì)巖樣或巖體進(jìn)行加載，而液壓裝置存在密封制造精度高、受到爆破震動(dòng)等沖擊載荷后容易損壞的缺點(diǎn)，不適合進(jìn)行具有爆破、震動(dòng)等沖擊動(dòng)載荷的試驗(yàn)加載，另外液壓裝置往往體積重量較大，用于現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)時(shí)運(yùn)輸、安裝非常不方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種無需液壓裝置、制造成本低廉、質(zhì)量輕、加載能力大、抗沖擊和震動(dòng)能力強(qiáng)及可重復(fù)使用的多軸加載系統(tǒng)及加載方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種多軸加載系統(tǒng)，包括加載部分、載荷測(cè)量部分及剛性框架，所述的加載部分包括定位套筒、調(diào)節(jié)螺栓、管筒、第一活塞、第二活塞及膨脹劑；所述的載荷測(cè)量部分包括壓力傳感器和載荷記錄儀；所述加載部分與壓力傳感器至少為一組；
[0007]在所述的剛性框架上設(shè)置有定位套筒，管筒位于定位套筒內(nèi)，所述管筒具有通孔，在管筒通孔內(nèi)設(shè)置有第一活塞和第二活塞，第一活塞和第二活塞的徑向尺寸相同，在第一活塞與第二活塞之間填充有膨脹劑；所述第一活塞和第二活塞均與管筒間隙配合，在所述剛性框架上設(shè)置有調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)螺栓的螺紋端與第一活塞相接觸；在與所述加載部分相對(duì)一側(cè)的剛性框架上設(shè)置有壓力傳感器，被加載體設(shè)置在加載部分與壓力傳感器之間；所述壓力傳感器通過線纜與載荷記錄儀采用全橋連接。
[0008]所述剛性框架設(shè)置為可拆卸結(jié)構(gòu)。
[0009]所述定位套筒與剛性框架之間通過定位卡槽相連接。
[0010]在所述第二活塞與被加載體之間設(shè)置有傳力板，傳力板采用鋼質(zhì)材料。
[0011]在所述被加載體與壓力傳感器之間設(shè)置有傳力板，傳力板采用鋼質(zhì)材料。
[0012]在所述第一活塞與調(diào)節(jié)螺栓之間設(shè)置有墊片，墊片采用鋼質(zhì)材料。[0013]所述的第一活塞和第二活塞在軸向的高度之和與管筒的高度相等。
[0014]采用所述的多軸加載系統(tǒng)的加載方法，包括以下步驟:
[0015]步驟一:將管筒豎直放置，將第一活塞放入管筒內(nèi)，令第一活塞位于管筒底部；
[0016]步驟二:將膨脹劑裝入管筒內(nèi)，并將膨脹劑搗實(shí)平整，在搗實(shí)平整后的膨脹劑上表面覆蓋塑料薄膜；
[0017]步驟三:將第二活塞放入管筒內(nèi)，令第二活塞與膨脹劑緊密接觸；
[0018]步驟四:將裝好膨脹劑的管筒水平放置，并送入定位套筒內(nèi)，使第一活塞與剛性框架相接觸；
[0019]步驟五:將被加載體安放于第二活塞和壓力傳感器之間，旋緊調(diào)節(jié)螺栓，使被加載體與第二活塞和壓力傳感器緊密接觸；
[0020]步驟六:隨著時(shí)間的增加，膨脹劑的體積會(huì)不斷增大，受到管筒的徑向約束，膨脹劑會(huì)在軸向上推動(dòng)第一活塞和第二活塞，此時(shí)壓力傳感器會(huì)記錄下被加載體所受到的膨脹壓的壓力數(shù)值，同時(shí)將記錄的膨脹壓的壓力數(shù)值傳輸給載荷記錄儀。
[0021]本發(fā)明的有益效果:
[0022]1、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，無需液壓裝置，對(duì)密封要求不高，管筒可以采用常用的無縫鋼管，第一活塞和第二活塞可以采用圓鋼簡(jiǎn)單加工而成，導(dǎo)致制造成本低廉，對(duì)于制造加工的精度要求也不高。
[0023]2、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)中的液壓裝置相比，重量輕、可拆卸、攜帶方便、使用范圍更廣及室內(nèi)加載和現(xiàn)場(chǎng)原位加載均可使用。
[0024]3、本發(fā)明利用膨脹劑提供加載力，加載力大、載荷穩(wěn)定及加載行程長(zhǎng)。
[0025]4、本發(fā)明根據(jù)不同試驗(yàn)要求，可實(shí)施單軸、雙軸或多軸加載，并通過調(diào)整膨脹劑的用量控制載荷的大小。
[0026]5、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗沖擊和震動(dòng)能力強(qiáng)，能用于加載需要進(jìn)行爆破等具有沖擊震動(dòng)特點(diǎn)的試驗(yàn)，由于制造成本低廉，即使受到?jīng)_擊和震動(dòng)造成破壞，造成的經(jīng)濟(jì)損失也非常小。
[0027]6、本發(fā)明的加載部分在加載試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)于取出的管筒，可先將第一活塞取出，再通過外力推動(dòng)第二活塞將管筒內(nèi)反應(yīng)后的膨脹劑推出，使加載部分可重復(fù)使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的一種多軸加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖中，1-剛性框架，2-緊固螺栓，3-定位套筒，4-調(diào)節(jié)螺栓，5-傳力板，6-墊片，7-管筒，8-第一活塞，9-第二活塞，10-膨脹劑，11-壓力傳感器，12-載荷記錄儀，13-被加載體，14-線纜。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0031]如圖1所示，一種多軸加載系統(tǒng)，包括加載部分、載荷測(cè)量部分及剛性框架1，所述的加載部分包括定位套筒3、調(diào)節(jié)螺栓4、管筒7、第一活塞8、第二活塞9及膨脹劑10 ;所述的載荷測(cè)量部分包括壓力傳感器11和載荷記錄儀12 ;所述加載部分與壓力傳感器11設(shè)置為兩組，且兩組之間采用垂直分布；
[0032]在所述剛性框架I上設(shè)置有定位套筒3，管筒7位于定位套筒3內(nèi)，所述管筒7具有通孔，在管筒7通孔內(nèi)設(shè)置有第一活塞8和第二活塞9，第一活塞8和第二活塞9的徑向尺寸相同，在第一活塞8與第二活塞9之間設(shè)置有膨脹劑10 ;所述第一活塞8和第二活塞9均與管筒7間隙配合；在所述剛性框架I上設(shè)置有調(diào)節(jié)螺栓4，調(diào)節(jié)螺栓4的螺紋端與第一活塞8相接觸；在與所述加載部分相對(duì)一側(cè)的剛性框架I上設(shè)置有壓力傳感器11，被加載體設(shè)置在加載部分與壓力傳感器11之間；所述壓力傳感器11通過線纜14與載荷記錄儀12采用全橋連接。
[0033]所述剛性框架I設(shè)置為可拆卸結(jié)構(gòu)，各部件之間通過緊固螺栓2相固接。
[0034]所述定位套筒3與剛性框架I之間通過定位卡槽相連接。
[0035]在所述第二活塞9與被加載體13之間設(shè)置有傳力板5，傳力板5采用鋼質(zhì)材料。
[0036]在所述被加載體13與壓力傳感器11之間設(shè)置有傳力板5，傳力板5采用鋼質(zhì)材料。
[0037]在所述第一活塞8與調(diào)節(jié)螺栓4之間設(shè)置有墊片6，墊片6采用鋼質(zhì)材料。
[0038]所述的第一活塞8和第二活塞9在軸向的高度之和與管筒7的高度相等。
[0039]本實(shí)施例中，膨脹劑10選用為靜態(tài)破碎劑，被加載體13選用尺寸為200mmX 200mm X 200mm的花崗巖試件；加載部分的管筒7采用內(nèi)徑為Φ 150mm、外徑為Φ 177_、壁厚為13.5_、高為200_的無縫鋼管；第一活塞8和第二活塞9均采用直徑為Φ 150mm的圓鋼，高度分別為50mm和150mm ;壓力傳感器11的型號(hào)為BHR-4/100T，其的量程為O?1000KN，載荷記錄儀12的型號(hào)為DH3818型。
[0040]采用所述的多軸加載系統(tǒng)的加載方法，包括以下步驟:
[0041]步驟一:首先通過緊固螺栓2組裝剛性框架1，將組裝好的剛性框架I水平安放于地面上，通過定位卡槽將定位套筒3固裝到剛性框架I上，保證定位套筒3的軸向與地面保持水平，將壓力傳感器11固定在剛性框架I上，同時(shí)利用線纜14將壓力傳感器11和載荷記錄儀12全橋連接在一起；將管筒7的內(nèi)壁、第一活塞8和第二活塞9的外壁打磨光滑，管筒7內(nèi)壁與第一活塞8和第二活塞9的外壁之間留有0.1mm的間隙，將管筒7豎直放置，將高度為50mm的第一活塞8放入管筒7內(nèi)，令第一活塞8位于管筒7底部，保證第一活塞8能夠在管筒7內(nèi)沿軸向自由移動(dòng)；
[0042]步驟二:稱量1800g的膨脹劑10，同時(shí)用量筒量取360ml的水，此時(shí)水與膨脹劑10的水灰比為20:100，將兩者混合攪拌均勻后倒入管筒7內(nèi)，再將膨脹劑10搗實(shí)平整，在搗實(shí)平整后的膨脹劑10上表面覆蓋塑料薄膜；
[0043]步驟三:將管筒7內(nèi)壁清理干凈，再放入高度為150mm的第二活塞9，并用橡皮錘輕輕敲擊第二活塞9上表面，使第二活塞9與膨脹劑10緊密接觸；
[0044]步驟四:將裝好膨脹劑10的管筒7水平放置，先將墊片6送入定位套筒3內(nèi)，再將管筒7送入定位套筒3內(nèi)，并使第一活塞8與墊片6相接觸，同時(shí)墊片6與調(diào)節(jié)螺栓4相接觸；
[0045]步驟五:將被加載體13安放于第二活塞9和壓力傳感器11之間，同時(shí)為了更好的保證傳遞載荷的均勻性，在被加載體13與壓力傳感器11之間、被加載體13與第二活塞9之間均加裝傳力板5，調(diào)整被加載體13和傳力板5，盡可能保證壓力傳感器11、被加載體13、第二活塞9、第一活塞8及傳力板5的中心重合；然后旋緊調(diào)節(jié)螺栓4，隨著調(diào)節(jié)螺栓4的不斷旋緊，使被加載體13與第二活塞9和壓力傳感器11之間緊密接觸，此時(shí)預(yù)緊力大約為 30KN ；
[0046]步驟六:隨著管筒7中膨脹劑10與水的不斷反應(yīng)，膨脹劑10的體積會(huì)不斷增大，由于受到管筒7的徑向約束，膨脹劑10在軸向上會(huì)推動(dòng)第一活塞8和第二活塞9，但由于第一活塞8和第二活塞9均受到約束也無法產(chǎn)生位移，因此膨脹劑10通過第一活塞8和第二活塞9對(duì)壓力傳感器11產(chǎn)生作用力，同時(shí)壓力傳感器11會(huì)記錄下被加載體13所受到的膨脹壓的壓力數(shù)值，同時(shí)將記錄的膨脹壓的壓力數(shù)值傳輸給載荷記錄儀12 ;當(dāng)膨脹劑10與水的反應(yīng)到后期時(shí)，軸向的膨脹壓增長(zhǎng)速率會(huì)變慢，當(dāng)膨脹壓趨于平穩(wěn)時(shí)，認(rèn)定反應(yīng)結(jié)束，最終將載荷記錄儀12上的膨脹壓的壓力數(shù)值除以被加載體13的截面積，即可得到被加載體13受到的載荷的大小。
【權(quán)利要求】
1.一種多軸加載系統(tǒng)，其特征在于:包括加載部分、載荷測(cè)量部分及剛性框架，所述的加載部分包括定位套筒、調(diào)節(jié)螺栓、管筒、第一活塞、第二活塞及膨脹劑；所述的載荷測(cè)量部分包括壓力傳感器和載荷記錄儀；所述加載部分與壓力傳感器至少為一組； 在所述的剛性框架上設(shè)置有定位套筒，管筒位于定位套筒內(nèi)，所述管筒具有通孔，在管筒通孔內(nèi)設(shè)置有第一活塞和第二活塞，第一活塞和第二活塞的徑向尺寸相同，在第一活塞與第二活塞之間填充有膨脹劑；所述第一活塞和第二活塞均與管筒間隙配合，在所述剛性框架上設(shè)置有調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)螺栓的螺紋端與第一活塞相接觸；在與所述加載部分相對(duì)一側(cè)的剛性框架上設(shè)置有壓力傳感器，被加載體設(shè)置在加載部分與壓力傳感器之間；所述壓力傳感器通過線纜與載荷記錄儀采用全橋連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多軸加載系統(tǒng)，其特征在于:所述剛性框架設(shè)置為可拆卸結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多軸加載系統(tǒng)，其特征在于:所述定位套筒與剛性框架之間通過定位卡槽相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多軸加載系統(tǒng)，其特征在于:在所述第二活塞與被加載體之間設(shè)置有傳力板，傳力板采用鋼質(zhì)材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多軸加載系統(tǒng)，其特征在于:在所述被加載體與壓力傳感器之間設(shè)置有傳力板，傳力板采用鋼質(zhì)材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多軸加載系統(tǒng)，其特征在于:在所述第一活塞與調(diào)節(jié)螺栓之間設(shè)置有墊片，墊片采用鋼質(zhì)材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多軸加載系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一活塞和第二活塞在軸向的高度之和與管筒的高度相等。
8.采用權(quán)利要求1所述的多軸加載系統(tǒng)的加載方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一:將管筒豎直放置，將第一活塞放入管筒內(nèi)，令第一活塞位于管筒底部； 步驟二:將膨脹劑裝入管筒內(nèi)，并將膨脹劑搗實(shí)平整，在搗實(shí)平整后的膨脹劑上表面覆蓋塑料薄膜； 步驟三:將第二活塞放入管筒內(nèi)，令第二活塞與膨脹劑緊密接觸； 步驟四:將裝好膨脹劑的管筒水平放置，并送入定位套筒內(nèi)，使第一活塞與剛性框架相接觸； 步驟五:將被加載體安放于第二活塞和壓力傳感器之間，旋緊調(diào)節(jié)螺栓，使被加載體與第二活塞和壓力傳感器緊密接觸； 步驟六:隨著時(shí)間的增加，膨脹劑的體積會(huì)不斷增大，受到管筒的徑向約束，膨脹劑會(huì)在軸向上推動(dòng)第一活塞和第二活塞，此時(shí)壓力傳感器會(huì)記錄下被加載體所受到的膨脹壓的壓力數(shù)值，同時(shí)將記錄的膨脹壓的壓力數(shù)值傳輸給載荷記錄儀。
【文檔編號(hào)】G01N3/08GK103499491SQ201310436055
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】張鳳鵬, 田軍, 戴星航, 李元輝, 馮夏庭, 邱兆國(guó), 劉建坡, 徐香新 申請(qǐng)人:東北大學(xué)