累积变形加载真三轴试验箱

《累积变形加载真三轴试验箱》涉及岩石力学试验技术领域，具体地说是一种累积变形加载真三轴试验箱。

真三轴试验是使岩石试件处于三个主应力不相等的应力组合状态下的三轴压缩试验。可以模拟深部岩石受力的真实状态，从而获得相应的真三轴强度极限，在深部岩石钻进、爆破、地下工程等方面，真三轴强度极限是一个不可缺少的重要参数。

利用真三轴试验进行岩石变形规律的研究，较常规三轴试验更接近岩石的真实应力状态，可以在三向应力状态下，考虑中间主应力的影响，研究岩石的各向异性。

真三轴试验设备自1936年Kjellman设计成功以来，中国国内外先后研制了多种真三轴试验设备，中国20世纪80年代之前还没有自主研制和引进真三轴试验设备，后来真三轴试验设备的研制和试验研究也主要是在清华大学、同济大学和河海大学进行。

中国科学院武汉岩土力学研究所石露等人发明提供了一种真三轴压力室（CN201110127278.1）可准确高效的对试样进行预加载定位且不会产生偏心。

以上机构研制的实验室用岩石压力机一般由机械、油液或气体为外部压头提供动力，从而对岩石试件施加载荷进行试验，因为外部压头提供动力，三个方向的压头很容易相互影响，同时压头接触面的摩擦力较大，也会对试验产生影响。另一方面，以上试验设备都比较复杂、昂贵，不适宜一般机构推广使用。

图1为《累积变形加载真三轴试验箱》整体结构示意图；

图2为《累积变形加载真三轴试验箱》纵切面示意图。

2020年7月14日，《累积变形加载真三轴试验箱》获得第二十一届中国专利奖优秀奖。 2100433B

如图1和图2所示，该累积变形加载真三轴试验箱，包含有底座10、箱体1、箱盖2、液压钢囊6和手动压头3，所述箱体1固定设置于底座10，所述箱盖2固定在箱体1顶部并可拆卸，所述箱体1内部中心位置用于放置试件，所述试件四面及顶部设置有多个液压钢囊6，所述设置于试件四面和顶部的液压钢囊6外围分别设置有垫块，所述液压钢囊6通过进油管、出油管与外部油压控制装置的油管连接，所述手动压头3设置为两个，分别通过箱体1的相邻两侧面旋入箱体1内，通过垫块间接对液压钢囊6进行挤压。该实施例中，两个手动压头3分别设置于箱体1的右侧面和后侧面。

作为优选的方式，所述箱体1呈方体对称结构，由厚钢板制作而成，其四个侧面板铆接成一体，固定在底座10上，其底部四角分别设置有立柱7，所述箱盖2上设置有与立柱7相对应的四个孔，并通过螺母8将箱盖2固定于箱体1顶部。

作为优选的方式，所述液压钢囊6的囊体由两块尺寸相同钢板四周边缘焊接而成，所述液压钢囊6的进油管和出油管对称设置，通过箱体1底部的孔与外部油压加压装置连接，并且每两个相邻液压钢囊6的进油管和出油管交错布置。不能出现重叠，避免油管之间的挤压，甚至破裂。

作为优选的方式，所述垫块采用块状垫块4或板状垫块5，通过旋转手动压头3将叠加的液压钢囊6之间的空隙最小化。

作为优选的方式，还包括有肋板9，所述肋板9分别与箱体1和底座10固定连接，用于对箱体1的支护。该实施例中肋板9设置为每个侧面两块。

《累积变形加载真三轴试验箱》的安装试验过程如下：

1、将岩石试件放于箱体1底部中间，将液压钢囊6、块状垫块4和板状垫块5侧面涂油，减少试验中的摩擦；

2、根据岩石试件的岩性提前预测变形量，选取比岩石试件侧面尺寸略小的多个液压钢囊6，预留变形空隙，保证压缩变形后钢囊之间不会相互咬契产生影响；

3、紧贴液压钢囊6放置块状垫块4或板状垫块5；

4、旋转箱体1后侧面和右侧面的手动压头3，使试件四周液压钢囊6相互紧贴挤压一起，将缝隙最小化；

5、液压钢囊6连接进油管、出油管，将所述进油管、出油管通过箱体1底部洞口引出；

6、在试件上方放置多个液压钢囊6，连接进油管、出油管，选择适当块状垫块4或板状垫块5放于试件上方以超出箱体1高度，加盖箱盖2，用螺母8将箱盖2拧紧固定，并保证其水平；

7、调节油压控制设备，进行试验。

累积变形加载真三轴试验箱专利目的

《累积变形加载真三轴试验箱》提供了一种累积变形加载真三轴试验箱，利用具有良好韧性的液压钢囊所产生的变形累积对岩石试件进行“内部加压”，能够进行不同岩性尺寸试件的试验，结构简单，造价低，试验数据精准，操作便捷。

累积变形加载真三轴试验箱技术方案

《累积变形加载真三轴试验箱》采用以下技术方案：

累积变形加载真三轴试验箱，包含有底座、箱体、箱盖、液压钢囊和手动压头，所述箱体固定设置于底座，所述箱盖固定在箱体顶部并可拆卸，所述箱体内部中心位置用于放置试件，所述试件四面及顶部设置有多个液压钢囊，所述设置于试件四面和顶部的液压钢囊外围分别设置有垫块，所述液压钢囊通过进油管、出油管与外部油压控制装置的油管连接，所述手动压头设置为两个，分别通过箱体的相邻两侧面旋入箱体内，通过垫块间接对液压钢囊进行挤压。

所述箱体呈方体对称结构，其底部四角分别设置有立柱，所述箱盖上设置有与立柱相对应的四个孔，并通过螺母将箱盖固定于箱体顶部。

所述液压钢囊的囊体由两块尺寸相同钢板四周边缘焊接而成，所述液压钢囊的进油管和出油管对称设置，通过箱体底部的孔与外部油压加压装置连接，并且每两个相邻液压钢囊的进油管和出油管交错布置。

所述垫块采用块状垫块或板状垫块。

还包括有肋板，所述肋板分别与箱体和底座固定连接，用于对箱体的支护。

累积变形加载真三轴试验箱改善效果

《累积变形加载真三轴试验箱》改变传统试验设备中通过压力机等外力给岩石试件施加压力的方式，结构简单，利用设置于箱体内试件周围的液压钢囊产生的变形累积对试件进行“内部加压”，只需与油压加压装置配合使用，可承担岩石的单轴、双轴、三轴加载试验，也可承担岩爆试验，也可通过控制其中单个液压钢囊的油压对试件变形量进行控制，进行岩石卸载试验，结构简单，液压钢囊可根据试件变形量情况加工成适合的尺寸，成本低廉，操作方便但符合试验操作规范，试验数据精准，适宜研究机构推广应用。

1.累积变形加载真三轴试验箱，其特征在于，包含有底座（10）、箱体（1）、箱盖（2）、液压钢囊（6）和手动压头（3），所述箱体（1）固定设置于底座（10），所述箱盖（2）固定在箱体（1）顶部并可拆卸，所述箱体（1）内部中心位置用于放置试件，所述试件四面及顶部设置有多个液压钢囊（6），所述设置于试件四面和顶部的液压钢囊（6）外围分别设置有垫块，所述液压钢囊（6）通过进油管、出油管与外部油压控制装置的油管连接，所述手动压头（3）设置为两个，分别通过箱体（1）的相邻两侧面旋入箱体（1）内，通过垫块间接对液压钢囊（6）进行挤压。

2.根据权利要求1所述的累积变形加载真三轴试验箱，其特征在于，所述箱体（1）呈方体对称结构，其底部四角分别设置有立柱（7），所述箱盖（2）上设置有与立柱（7）相对应的四个孔，并通过螺母（8）将箱盖（2）固定于箱体（1）顶部。

3.根据权利要求1所述的累积变形加载真三轴试验箱，其特征在于，所述液压钢囊（6）的囊体由两块尺寸相同钢板四周边缘焊接而成，所述液压钢囊（6）的进油管和出油管对称设置，通过箱体（1）底部的孔与外部油压加压装置连接，并且每两个相邻液压钢囊（6）的进油管和出油管交错布置。

4.根据权利要求1所述的累积变形加载真三轴试验箱，其特征在于，所述垫块采用块状垫块（4）或板状垫块（5）。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的累积变形加载真三轴试验箱，其特征在于，还包括有肋板（9），所述肋板（9）分别与箱体（1）和底座（10）固定连接，用于对箱体（1）的支护。

真三轴仪研制目标和思路

真三轴仪可以实现3个轴向分别施加不同大小的主应力，3轴向产生应变，能够模拟土体中一般的应力条件。为了实现3个轴向施加主应力，真三轴试样一般为一个立方体。若真三轴仪的3个轴向均采用平板加载时，每个轴向施加正应力的平板的刚性大，相对于土样，三向加载板可视为刚性板。当试样发生较大变形后，与试样接触的刚性板必然产生相互接触而制约它们的运动，这就影响了3个轴向的加载和变形。三向柔性加载时，便于控制应力，但三向柔性液压囊在接触处存在相互干扰，且不利于独立测试三向应变。双向平板、一向柔性加载时，双向刚性平板之间也存在互相干扰，且它们只能施加大小主应力。因此，改善真三轴试验加载机构，消除现有真三轴仪加载刚性板之间的相互制约，刚性板对试样变形的约束影响，以及柔性液压囊之间的相互干扰使得试样沿三个轴向自由变形，不仅可以克服现有真三轴仪存在的问题，而且使模拟的应力与变形条件更加符合实际。

完善的真三轴仪加载机构能够模拟一般应力条件，3个轴向独立量测变形，以便研究复杂应力条件下岩土材料的力学性状。为此，对该真三轴仪的研制提出如下技术要求：

①能够分别控制应力与应变，在轴向加载过程中可以实现控制加荷速率和变形速率，剪切过程可以实现中主应力联动控制，实现等洛德参数应力路径；

②三向独立加荷，可以分别独立自动控制施加轴向、侧向荷载，既避免两者之间的相互影响，又可以相互协调，使立方体试样上沿轴向和侧向分别承受不同大小的正应力，能够模拟主应力轴偏转和旋转应力路径等土体的真实应力状态，并能进行多种应力路径的真三轴试验；

③能够控制排水条件，可以分别进行固结排水和固结不排水条件试验，同时可以量测孔隙水压力；

④自动量测与控制，实现所有应力信号输入与反馈控制的自动化，以及测试、量测信号的A/D转换和数据的自动采集处理。

同时，真三轴仪还具备以下6个特点：

①水平面内两个主应力方向上应力和变形均呈对称分布；

②土样侧面不受切向约束作用；

③能够适应加载过程立方体土样变形引起侧棱变位的变化；

④能够适应土样侧棱挤出变形的发展；

⑤避免三向主应力加载过程的互相干扰；

⑥加载过程土样保持对称，在水平面上始终中心受荷。

真三轴仪新型真三轴仪的研制

对比以往真三轴仪的优缺点，新研制的真三轴仪是一种轴向刚性、侧向柔性的复合型加载真三轴仪，主要由主机、伺服步进电机液压加载系统和计算机自动控制系统3部分构成。

主机的压力室呈立方体，试样位于刚性底座和顶盖中央，立方体试样的侧面对应的有两组梯形侧压腔，放置柔性液压囊，且与液压/体变控制器连接。在竖向的主轴方向用刚性板施加大主应力σ₁；在水平面内的侧向分别有两对柔性囊相向施加中主应力σ₂和小主应力σ₃。为了主动适应加载过程中试样变形引起棱角的变化和避免中、小主应力之间的相互干扰，压力室的各侧压腔之间设置能够径向弹性伸缩、水平面内弹性转动的隔离板，能够有效分离相邻液压囊。步进伺服电机液压加载系统能够控制三向独立加载，其具有伺服步进电机驱动滚珠丝杆推进液压缸活塞产生液压源，分别与压力室底座下轴向活塞和侧向液压柔性囊连接，通过液压传感器和位移传感器，既能够实现三向独立加载，也能够控制三向加载时柔性囊的体变。同时，还实现了自动控制与数据采集。这是本次仪器开发的核心技术。新型真三轴仪系统及工作原理见图1所示。

真三轴仪主要结构

压力室

压力室由底座、顶盖板、外筒组成。它们都由不锈钢金属材料制成。压力室外筒的形状呈立方体，其中四棱为圆弧形。具体形状见图2，3。压力室横截面直边长200mm，壁厚8mm，高度为150mm，外棱边的倒角弧度为15°。侧压腔的隔板与压力室侧壁连为一体，每个隔板由转动轴承、径向伸缩板组成，径向伸缩弹簧衔嵌在转动轴承内，水平面扭转限制弹簧安装于压力室外侧壁。

试样尺寸为70mm×70mm×70mm，内置于正方形断面的特制的橡胶膜内，两端通过橡皮膜外包薄壁环，且绕过薄壁环内嵌，再嵌入带有密封圈的正方形底或顶座，密封试样上下两端。试样的底座和顶盖均内嵌透水板，便于控制排水条件。橡皮膜密封的试样安置在四个侧压力腔和一个刚性底座及一个刚性帽之间。压力室的工作原理是试样的侧向中主应力σ₂和小主应力σ₃分别由两套伺服步进电机驱动的液压/体变控制器连接的液压柔性囊施加。试样的大主应力由压力室底座下的轴向加荷油缸顶升压力室，通过试样帽由反力主轴施加。当轴向加载时，试样产生轴向压缩变形，侧向可能产生挤出变形，随着侧胀的发生，侧压力腔隔板可产生弹性收缩，适应试样侧棱的位移。

如试样也产生侧向压缩变形，则侧压腔的隔板可产生弹性伸出。当中主应力比小主应力较大作用试样时，试样在水平面上沿小主应力作用方向产生伸展变形，沿中主应力方向产生压缩变形，引起试样侧棱产生转角变位，同样，隔板也可产生水平面转动，从而能够适应试样侧棱的变位。试样的排水条件可由与底座、顶盖透水板连通的排水管阀门控制。压力室实物及其内部结构见图4，5。

加荷系统

固结压力均由伺服步进电机驱动的液压/体变控制器直接供给。两个侧向固结应力分别由两套与侧压腔内柔性囊连接的液压/体变控制器独立控制，大主应方向由与压力室底座下的油缸连接的一套液压/体变控制器独立控制。如图6所示，共有3套伺服步进电机驱动的液压/体变控制器。在试样固结时能实现3个固结应力的单独施加，压缩剪切时3个主应力也互不干扰和影响。两套侧向主应力的液压/体变控制器均在液压缸和移动活塞上装有液压传感器和位移传感器，分别用于控制侧向主应力的大小及液压囊的体变；轴向荷载和试样变形分别由反力主轴上的荷载传感器和压力室顶盖上的位移传感器测量（图7），并反馈于轴向加载的液压/体变控制器。对试样施加轴向荷载，可以分为应变控制式和应力控制式两种。应变控制是指试样按规定的变形速率产生轴向变形，测定产生某一轴向变形所需要的轴向力。应力控制式是指分级加载，测量每级荷载作用下试样的变形量。它们可以分别由轴向荷载传感器和位移传感器量测，并通过自动控系统反馈于伺服步进电机液压/体变控制器控制应力和位移。

量测系统

量测系统包括应力量测、变形量测和孔隙水压力量测。大主应力方向为刚性板加压，因此应力和变形传感器可直接安装在压力室盖板上。侧向应力和变形可通过伺服步进电机加载系统上安装的压力传感器和位移传感器量测。孔隙水压力在排水通道处安装孔压传感器量测。

排水系统

土样在固结和试验时采用的是上下双面排水，在与土样直接接触的顶板和底座上设置有透水板，通过透水板可以进行排水。在做固结排水试验时，可以通过量水管量测试样在试验时的排水量；进行固结不排水试验时，可将排水管连接到孔压传感器上，以测得试样的孔隙水压力。

自动控制系统

真三轴仪的控制系统由应力应变传感器、电阻应变仪、控制调节电路及微机控制系统几部分组成，见图8。土体试样的应力应变，由对应的传感器做相应的输出，输出作为反馈的信号与给定的信号闭环负反馈调节，应力控制与应变控制由切换开关转换，相应的传感器输出信号经放大后输入A/D卡中，由微机完成试验数据的高速采集，以数据文件方式存放于微机中。

附属设备

相关的附属设备包括原状样削样器、重塑样压样器、试样饱和器、橡皮膜、液压橡胶囊等。 2100433B

真三轴试验是使岩石试件处于三个主应力不相等（即σ1>σ2>σ3）的应力组合状态下的三轴压缩试验。

学科：工程地质学

词目：真三轴试验

英文：true triaxial shear test

释文：真三轴试验是使岩石试件处于三个主应力不相等（即σ1>σ2>σ3）的应力组合状态下的三轴压缩试验。真三轴试验可以研究中间主应力（σ2）对岩石变形及强度特性的影响。 2100433B

真三轴仪是一种真实模拟主应力状态的土工测试仪器。

国内外已经研制了多种真三轴仪。按其压力室加荷特性来分，有“刚性”、“柔性”、和“复合”3种形式。它们各有特点，适用范围也不同。

在国外，刚性的真三轴仪主要有瑞典Kjellman研制的真三轴仪和英国剑桥大学Pears研制的剑桥真三轴仪，它们都适用于砂土；柔性的真三轴仪主要有Surrey大学Mengles研制的真三轴仪、墨西哥大学Marsal研制的真三轴仪和美国Lo等研制的真三轴仪；复合型的真三轴仪主要有伦敦大学Green研制的真三轴仪、日本谷藤株式会社和日本诚研舍研制的真三轴仪。中国除了从国外引进真三轴仪外，还有进行改造或自己开发的几种真三轴仪，分别为清华大学真三轴仪、同济大学真三轴仪和河海大学真三轴仪。