专利名称：双轴压缩试验设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料分析领域，特别适用于土力学与粒状介质力学研究中复杂加载条 件土体材料和理想粒状材料的力学特性测试试验。
背景技术：
工程实际中，涉及其安全性，主要取决于工程材料和结构的变形、强度与稳定性。 土体作为工程建设中最为广泛使用的材料、地基或环境，与工程建设的安全性密不可分。土 体材料单元试验是评价土体材料变形强度特性与力学关系的最为基本的手段。常规三轴仪 是目前国内外最为常用的土体材料单元试验设备。该设备只能进行三轴压缩和伸长等常规 试验路径。但实际工程中，作用在土体单元上的荷载及其路径变化是极其复杂多样的。为了研究土体材料在各种复杂加载条件下的变形强度特性，需要不断发展满足这 一要求的试验设备。已有的三轴剪切仪分析材料性能时，只能单独施加剪应力，不能解决多 个方向运动耦合、受力条件不均勻的缺陷。

发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的 在于提出适用于二维理想粒状材料的双轴压缩试验设备，适用于工程建设中常见的粗粒土 和理想粒状土体模拟材料的静动力单元试验。根据本发明的一种双轴压缩试验设备，包括轴向荷载加载装置，所述轴向荷载加 载装置包括固定设置的上、下反力架；和轴向加载平台，所述轴向加载平台设置在所述上 反力架下方并可升降；方形框架，设置于所述轴向加载平台上；用于承载材料试样的试样 容器，所述试样容器包括置于所述方形框架上的容器底板；两侧分别可水平移动的左、右 侧压板；以及位于顶部且沿垂直方向可移动的加载盖板，所述轴向加载平台提升时推动容 器底板向所述试样容器中的材料试样施加轴向荷载；第一水平荷载加载装置，用于推动所 述左侧压板以向所述材料试样施加水平荷载；以及第二水平荷载加载装置，用于推动所述 右侧压板以向所述材料试样施加水平荷载。根据本发明的双轴压缩试验设备，适用于二维理想粒状材料，在不考虑应力主轴 旋转的前提下，可在两个正交方向分别施加正应力以实现不同的加载路径，不需要单独施 加剪应力，更进一步地，该双轴压缩试验设备能够连续的跟踪试样在变形过程中的细观组 构演化过程。另外，根据本发明的双轴压缩试验设备还具有如下附加技术特征所述双轴压缩试验设备还包括轴向导向杆，设置在所述方形框架上以限制所述 加载盖板的轴向转动，所述加载盖板沿所述轴向导向杆轴向地移动，和水平导向杆，设置在 所述方形框架上以限制所述左侧压板和右侧压板的水平方向的转动，所述侧压板可沿所述 水平导向杆水平地移动。水平导向杆可防止由于左、右侧压板倾斜而导致出现较大的系统阻力，而轴向导向杆可防止加载盖板转动而影响试样表面的应力分布，从而造成对试验精度的影响。所述水平导向杆和所述左、右侧压板之间分别设有滚针轴套，可减少侧压板所受 摩擦力，相应摩擦系数可降至0. 01左右。所述左侧压板、右侧压板、容器底板以及所述加载盖板之间采用相互交错的栅状 结构，从而所述加载盖板以及所述容器底板分别在所述左侧压板、右侧压板之间轴向可移 动，且所述左侧压板、右侧压板分别在所述加载盖板、容器底板之间水平可移动。。可防止由 于试样容器边角处的颗粒挤出现象而影响体应变，同时避免试样轴向与水平向相邻边界之 间的干扰。第一水平荷载加载装置包括第一压力气源和第一气缸，和第二水平荷载加载装置 包括第二压力气源和第二气缸，分别用于提供并调整左、右水平向的荷载。所述第一水平荷载加载装置和第二水平荷载加载装置分别进一步包括第一和第 二油缸，所述第一和第二油缸分别与第一和第二压力气源相连，用于提供油压。由于气体具有可压缩性，如果只用气缸向材料试样提供水平载荷时，由于气体的 压缩性使得传递至左、右侧压板上的力减小，从而出现施加载荷不准确。因此，本发明的发 明人在水平荷载通过第一气缸、第二气缸传递至左侧压板和右侧压板之前，将所施加的力 通过所述第一油缸、第二油缸进行传递，由于液压油的可压缩性极小，从而使得荷载的传递 更为精确，同时通过气缸保持少部分气体以对所施加的载荷进行缓冲。所述容器底板和所述框架底板之间设有水平运动保持组件，所述水平运动保持组 件包括平直式运动保持架；以及滚动针，所述滚动针保持在所述平直式运动保持架内，由 此可以减少试样的端部的摩擦阻力的影响。所述双轴压缩试验设备进一步包括设置在所述加载盖板上的第一力传感器，以及 分别安装在两个侧压板之上的第二力传感器和第三力传感器。所述双轴压缩试验设备进一步包括设置在所述侧压板之上的至少一个水平位移 传感器和设置在所述框架底板之上的至少一个轴向位移传感器。所述双轴压缩试验设备还包括用于采集各个传感器信号的数据采集卡，所述数据 采集卡将各个传感器的信号转换为数字信号后发送给计算装置进行处理。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。


本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中图1是本发明的一个实施例的双轴压缩试验设备的结构示意图；图2是图1中所示的双轴压缩试验设备中的水平运动保持组件，其中，图2(a)显 示了水平运动保持组件的俯视图，图2(b)显示了水平运动保持组件的主视图；图3是图1中所示的左右侧压板、容器底板以及加载盖板之间采用相互交错的栅 状结构的示意图；图4是根据本发明的另一个实施例的双轴压缩试验设备的结构示意图；以及图5是根据本发明的再一个实施例的双轴压缩试验设备的测试受力和变形的示意图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须 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。下面参考图1描述根据本发明实施例的双轴压缩试验设备。如图1所示，根据本发明的一个实施例的双轴压缩试验设备，包括轴向荷载加载 装置1、方形框架2、试样容器3、第一水平荷载加载装置41和第二水平荷载加载装置42。作为本发明的一个实施例，轴向荷载加载装置1可以基于现有的三轴剪切仪来提 供轴向的压力和反力，并实现轴向上的应变控制。该轴向荷载加载装置1包括固定设置的 上反力架11、下反力架12和在上反力架11下方且可升降的轴向加载平台13。方形框架2安装在轴向加载平台13上，包括底板、左侧板和右侧板，其中左、右侧 板用于固定第一水平荷载加载装置41和第二水平荷载加载装置42等固定部件。试样容器3用于承载材料试样8，在一个示例中，材料试样8是由金属棒堆积成的 二维粒状材料圆柱形试样。试样容器3包括容器底板31、两侧分别可移动的侧压板(左侧 压板321和右侧压板322)及顶部的可移动的加载盖板33。其中，容器底板31置于方形框 架2的底板上，而左侧压板321和右侧压板322用于传递水平向压力。加载盖板33用于传 递轴向压力，且加载盖板33与上反力架11连接。轴向加载平台1提升时推动容器底板31 向试样容器3中的材料试样8施加轴向荷载。如图4所示，根据本发明的另一个实施例的双轴压缩试验设备，方形框架2还包括 上板。由于试样容器边角处的颗粒挤出将会影响体应变，是材料试验中不允许出现的。 为防止这种颗粒挤出现象，同时避免试样轴向与水平向相邻边界之间的干扰，因此，在该实 施例中，左侧压板321与右侧压板322、容器底板31以及加载盖板33之间采用相互交错的 栅状结构，如图3所示，从而加载盖板33以及所述容器底板31分别在左侧压板321、右侧压 板322之间轴向可移动，且左侧压板321、右侧压板322分别在加载盖板33、容器底板31之 间水平可移动。这种栅状结构可能会导致部分摩擦阻力。通过在锯齿之间预留一定缝隙可 解决该问题。如图4所示，位于左侧压板321的左侧的第一水平荷载加载装置41和位于右侧压 板322的右侧的第二水平荷载加载装置42，分别用于推动两个侧压板以向材料试样施加水 平荷载。第一水平荷载加载装置41包括第一压力气源411和第一气缸412，而第二水平荷 载加载装置42包括第二压力气源421和第二气缸422。第一水平荷载加载装置41和第二 水平荷载加载装置42提供并调整水平向的荷载，为应力控制方式。优选地，第一水平荷载 加载装置41和第二水平荷载加载装置42还进一步分别包括第一油缸413和第二油缸423。 由于气体具有可压缩性，如果只用气缸向材料试样提供水平载荷时，由于气体的压缩性使
6得传递至左侧压板321、右侧压板322上的力减小，从而出现施加载荷不准确。因此，本发明 的发明人在水平荷载通过第一气缸412、第二气缸421传递至左侧压板321和右侧压板322 之前，将所施加的力通过所述第一油缸413、第二油缸423进行传递，由于液压油的可压缩 性极小，从而使得荷载的传递更为精确，同时通过气缸保持少部分气体以对所施加的载荷 进行缓冲。由于两个侧压板倾斜会导致较大的系统阻力，因此，为限制侧压板的转动，在框架 2上固定多根水平方向的水平导向杆5，可选地，水平导向杆5的数量为2个，即在试样容器 的前、后分别设有一个，使得两个侧压板可分别沿水平导向杆5移动。另一方面，加载盖板 33的转动同样会影响试样表面的应力分布，对试验精度有一定影响。因此同样在框架2内 固定多根轴向的轴向导向杆6，其中，轴向导向杆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，可选地，轴向导向杆6的数量为4个。加载盖板33的两端 可滑动地连接在4个轴向导向杆上，这样，4个轴向导向杆可限制加载盖板33的转动。试验 表明，使用轴向导向杆6和水平导向杆5，可将左侧压板321、右侧压板322及加载盖板33 的转动均限制在1°以内，满足试验精度要求。更进一步地，材料试验中试样边界处的摩擦也会给试验结果引入误差。该试验系 统可能存在的摩擦阻力出现在两处试样端部、两个侧压板和水平导向杆5之间。为减少端 部摩擦阻力的影响，如图1所示，在本发明的一个示例中，容器底板31和框架2的底板之间 设有如图2所示的滚动针与平直式运动保持架组件。而在本发明的另一个示例中，水平导 向杆5和左、右侧压板之间分别设有滚针轴套9，如图4中所示，可减少左、右侧压板所受摩 擦力，相应摩擦系数可降至0. 01左右。由此，在本发明的实施例的双轴压缩试验设备中，轴向荷载加载装置1、加载盖板 33、容器底板31以及轴向导向杆6共同构成了本试验系统的轴向的加载与传力装置，主要 在轴向上形成对材料试样8的应变控制，其中轴向荷载加载装置1用于在轴向上提供并调 整载荷，而加载盖板33和容器底板31将轴向载荷传递至材料试样8，轴向导向杆6用于防 止加载盖板33发生旋转。而由第一水平荷载加载装置41和左侧压板321、第二水平荷载加 载装置42和右侧压板322以及水平导向杆5共同构成了本试验系统的水平向的加载与传 力装置，其中，而第一、第二水平荷载加载装置用于提供并调整水平向的荷载，而左侧压板 321和右侧压板322将水平向载荷传递至材料试样8，水平导向杆5用于防止俩侧压板发生 旋转。另外，方形框架用于固定第一气缸412、第二气缸422、轴向导向杆6及水平导向杆5 等固定部件，并分别为第一气缸412和第二气缸422提供水平向反力。加载过程中，试样顶部的加载盖板33轴向位置可不变；方形框架2的底板连同试 样8(以及左、右侧压板和容器底板31) —起随轴向加载平台13升降，试样8的高度(即加 载盖板33和容器底板31之间的距离)随之发生变化，因此控制轴向加载平台13的升降即 可控制试样8的轴向力荷载。表1示出的是根据本发明的双轴压缩试验设备的主要加载性能指标。表 1加栽能力/t试样尺寸/mm允许变形/mm轴向 水平 高度 宽度 轴向 水平根据本发明的另一个实施例的双轴压缩试验设备，建立了由传感器、数据采集卡 和数据处理软件组成的完整数据采集系统，用于自动采集试样在水平与轴向两个方向上的 受力和变形等数据。因此，该系统还进一步包括设置在加载盖板上的第一力传感器FTV，以 及分别安装在两个侧压板之上的第二力传感器FTL和第三力传感器FTR。其中，在一个示例 中，还包括设置在侧压板之上的至少一个水平位移传感器和设置在框架2的底板之上的至 少一个轴向位移传感器，以及用于采集各个传感器信号的数据采集卡，数据采集卡将各个 传感器的信号转换为数字信号后发送给计算装置进行处理。在本发明的一个可选实施例中，如图5所示，试样所受轴向压力P传递到框架2上 通过置于框架2顶部的力传感器FTV测量，水平方向所受压力FL和FR通过分别安装在左、 右侧压板外侧的力传感器FTL和FTR测量。位移通过DTl DT6共6个位移传感器测量。 其中DTl DT4为水平位移传感器，DT5、DT6为轴向位移传感器，即在材料试样8的三个可 动边界上分别用两个位移传感器测量其位移，减少由于边界发生转动造成的测量误差。传 感器测量精度均为0. FS。传感器测得的电信号经放大后传递给数据采集卡转换为数字信号，再传递给计算 机后由数据处理软件处理。可选地，可采用的数据采集卡型号为阿尔泰USB2010A，具有12 位精度，16路双端输入，数据采集速率为每秒100k。数据处理软件是在阿尔泰公司提供的 示例程序基础上修改而成，通过对多次数据采集结果平均的方法减少噪声影响。根据各传 感器电压输出结果，通过计算可得到试样的应力应变曲线。根据本发明的双轴压缩试验设备，适用于二维理想粒状材料，在不考虑应力主轴 旋转的前提下，可在两个正交方向分别施加正应力以实现不同的加载路径，更进一步地，该 双轴压缩试验设备能够连续的跟踪试样在变形过程中的细观组构演化过程。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换 和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
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权利要求
一种双轴压缩试验设备，其特征在于，包括轴向荷载加载装置，所述轴向荷载加载装置包括固定设置的上、下反力架；和轴向加载平台，所述轴向加载平台设置在所述上反力架下方并可升降；方形框架，设置于所述轴向加载平台上；用于承载材料试样的试样容器，所述试样容器包括置于所述方形框架上的容器底板；两侧分别可水平移动的左、右侧压板；以及位于顶部且沿垂直方向可移动的加载盖板，所述轴向加载平台提升时推动容器底板向所述试样容器中的材料试样施加轴向荷载；第一水平荷载加载装置，用于推动所述左侧压板以向所述材料试样施加水平荷载；以及第二水平荷载加载装置，用于推动所述右侧压板以向所述材料试样施加水平荷载。
2.如权利要求1所述的双轴压缩试验设备，其特征在于，还包括轴向导向杆，设置在所述方形框架上以限制所述加载盖板的轴向转动，所述加载盖板 沿所述轴向导向杆轴向地移动，和水平导向杆，设置在所述方形框架上以限制所述左侧压板和右侧压板的水平方向的转 动，所述侧压板可沿所述水平导向杆水平地移动。
3.如权利要求2所述的双轴压缩试验设备，其特征在于，所述水平导向杆和所述左、右 侧压板之间分别设有滚针轴套。
4.如权利要求1所述的双轴压缩试验设备，其特征在于，所述左侧压板、右侧压板、容 器底板以及所述加载盖板之间采用相互交错的栅状结构，从而所述加载盖板以及所述容器 底板分别在所述左侧压板、右侧压板之间轴向可移动，且所述左侧压板、右侧压板分别在所 述加载盖板、容器底板之间水平可移动。
5.如权利要求1所述的双轴压缩试验设备，其特征在于，所述第一水平荷载加载装置 包括第一压力气源和第一气缸，第二水平荷载加载装置包括第二压力气源和第二气缸。
6.如权利要求5所述的双轴压缩试验设备，其特征在于，所述第一水平荷载加载装置 和第二水平荷载加载装置分别进一步包括第一和第二油缸，所述第一和第二油缸分别与第 一和第二压力气源相连，用于提供油压。
7.如权利要求1所述的双轴压缩试验设备，其特征在于，所述容器底板和所述框架底 板之间设有水平运动保持组件，所述水平运动保持组件包括平直式运动保持架；以及滚动针，所述滚动针保持在所述平直式运动保持架内。
8.如权利要求1所述的双轴压缩试验设备，其特征在于，进一步包括设置在所述加载 盖板上的第一力传感器，以及分别安装在两个侧压板之上的第二力传感器和第三力传感器。
9.如权利要求1所述的双轴压缩试验设备，其特征在于，进一步包括设置在所述侧压 板之上的至少一个水平位移传感器和设置在所述框架底板之上的至少一个轴向位移传感器。
10.如权利要求8或9所述的双轴压缩试验设备，其特征在于，还包括用于采集各个传 感器信号的数据采集卡，所述数据采集卡将各个传感器的信号转换为数字信号后发送给计 算装置进行处理。
全文摘要
本发明公开了一种双轴压缩试验设备，包括轴向荷载加载装置，所述轴向荷载加载装置包括固定设置的上、下反力架；和轴向加载平台，所述轴向加载平台设置在所述上反力架下方并可升降；方形框架，设置于所述轴向加载平台上；用于承载材料试样的试样容器，所述试样容器包括置于所述方形框架上的容器底板；两侧分别可水平移动的左、右侧压板；以及位于顶部且沿垂直方向可移动的加载盖板；第一水平荷载加载装置以及第二水平荷载加载装置。根据本发明的双轴压缩试验设备，适用于二维理想粒状材料，在不考虑应力主轴旋转的前提下，可在两个正交方向分别施加正应力以实现不同的加载路径。
文档编号G01N3/02GK101907547SQ20101022567
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月5日 优先权日2010年7月5日
发明者张嘎, 张建民, 张连卫, 张雷, 郑瑞华 申请人:清华大学