一种变角加载试验机

摘要

本发明公开一种变角加载试验机，包括底板和固定连接在底板上的底座，底座内开设有岩样腔，岩样腔内放置有方形试样；底座一侧固定连接有两平行设置的弧形拉力梁，两弧形拉力梁之间滑动连接有变角加载机构，底座上开设有通孔,变角加载机构输出端通过通孔与方形试样抵接。本发明可以模拟开挖扰动下方向和量值不断变化的应力加卸载，对于认识岩土体在开挖扰动工况下的力学行为具有重要意义。

权利要求

1.一种变角加载试验机，其特征在于，包括底板(1)和固定连接在所述底板(1)上的底座(2)，所述底座(2)内开设有岩样腔(4)，所述岩样腔(4)内放置有方形试样(5)；所述底座(2)一侧固定连接有两平行设置的弧形拉力梁(6)，两所述弧形拉力梁(6)之间滑动连接有变角加载机构，所述底座(2)上开设有通孔,所述变角加载机构输出端通过所述通孔与所述方形试样(5)抵接；

所述方形试样(5)外侧固定连接有第一压板(18)和若干第二压板(19)，所述第二压板(19)与所述岩样腔(4)抵接，所述变角加载机构包括滑动连接在两所述弧形拉力梁(6)之间的第一压力缸(13)，所述第一压力缸(13)输出端固定连接有压垫(14)，所述压垫(14)远离所述第一压力缸(13)的一侧固定连接有负荷传感器(15)的一侧，所述负荷传感器(15)另一侧固定连接有圆压头(16)，所述第一压板(18)远离所述方形试样(5)的一侧开设有与所述圆压头(16)相适配的弧形槽(20)，所述圆压头(16)与所述弧形槽(20)抵接，所述第一压力缸(13)上对称铰接有活塞缸(17)，所述活塞缸(17)位于两所述弧形拉力梁(6)之间，所述活塞缸(17)与所述弧形拉力梁(6)铰接连接。

2.根据权利要求1所述的一种变角加载试验机，其特征在于：所述第一压力缸(13)远离所述压垫(14)一侧固定连接有两个拉板(21)，所述第一压力缸(13)靠近所述压垫(14)的一侧固定连接有支板(23)，所述弧形拉力梁(6)位于所述支板(23)与所述拉板(21)之间；所述拉板(21)、所述支板(23)末端均转动连接有滚轮(22)，所述滚轮(22)与所述弧形拉力梁(6)滑动配合。

3.根据权利要求2所述的一种变角加载试验机，其特征在于：所述通孔包括第一通孔(7)、第二通孔(8)、第四通孔(10)、第五通孔(11)和第六通孔(12)，所述第二通孔(8)、第四通孔(10)、第五通孔(11)和第六通孔(12)位于同一平面，所述第二通孔(8)、第四通孔(10)、第五通孔(11)和第六通孔(12)的轴线均与所述第一通孔(7)的轴线垂直；所述第二通孔(8)、第四通孔(10)、第五通孔(11)和第六通孔(12)内均设置有定向加载机构，所述第六通孔(12)内的所述定向加载机构与所述底板(1)固定连接；所述定向加载机构输出端与所述第二压板(19)抵接；所述变角加载机构通过所述第一通孔(7)与所述第一压板(18)抵接。

4.根据权利要求3所述的一种变角加载试验机，其特征在于：所述定向加载机构包括第二压力缸(27)，所述第二压力缸(27)的活塞端固定连接有压垫(14)，所述压垫(14)远离所述第一压力缸(13)的一侧固定连接有负荷传感器(15)的一侧，所述负荷传感器(15)另一侧固定连接有球座(29)，所述球座(29)远离所述负荷传感器(15)的一端固定连接有抵接头(28)，所述抵接头(28)与所述第二压板(19)抵接。

5.根据权利要求4所述的一种变角加载试验机，其特征在于：所述底座(2)远离所述第一通孔(7)的一侧开设有第三通孔(9)，所述第三通孔(9)与所述第一通孔(7)同轴设置，所述第三通孔(9)与所述岩样腔(4)连通；所述底板(1)上固定连接有支柱(26)，所述支柱(26)远离所述底板(1)的一端固定连接有下梁(3)，所述底座(2)远离所述弧形拉力梁(6)的一侧固定连接有立柱(25)，所述立柱(25)远离所述底座(2)的一端与所述下梁(3)固定连接；所述下梁(3)上开设有安装孔，所述安装孔内安装有所述定向加载机构，所述定向加载机构的输出端与所述第二压板(19)抵接。

6.根据权利要求4所述的一种变角加载试验机，其特征在于：所述第一压力缸(13)和所述第二压力缸(27)上均安装有位移传感器(30)。

7.根据权利要求1所述的一种变角加载试验机，其特征在于：两所述弧形拉力梁(6)之间设置有转套(31)，所述转套(31)与所述弧形拉力梁(6)转动连接，所述活塞缸(17)通过所述转套(31)与所述弧形拉力梁(6)转动连接。

8.根据权利要求1所述的一种变角加载试验机，其特征在于：所述第一压力缸(13)两侧均固定连接有铰接座(32)，两所述活塞缸(17)输出端通过所述铰接座(32)与所述第一压力缸(13)铰接。

说明书

一种变角加载试验机

技术领域

[0001] 本发明涉及岩石测试技术领域，特别是涉及一种变角加载试验机。

背景技术

[0002] 已有研究表明，岩土体在开挖扰动下，其掌子面前方岩土体所受的力的大小和方向均在变化(Read et al.,1998；Eberhardt,2001)。在隧洞开挖过程中，隧洞不同位置的应
力量值和大小均随着掌子面推进不断变化。这就使得实际工程中岩土体所受到的力方向总
是变化的，岩土体内部的裂纹起裂、扩展演化在这种变加载方向力作用下更趋复杂。而目前
在实验室单轴或三轴加载获取岩体变形强度特性中，加载则是简单地沿某一固定方向(轴
向)的加载，直至试样破坏，应力路径与工程岩体的受力路径完全不同。因此，造成实验室得
出的裂纹起裂扩展应力、峰值强度等与工程现场岩体的裂纹起裂扩展应力和强度相差甚
大，难以有效预测工程岩体强度(Cai&Kaiser，2014；Guo et al.,2016)。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种变角加载试验机，以解决上述现有技术存在的问题。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种变角加载试验机，包括底板和固定连接在所述底板上的底座，所述底座内开设有岩样腔，所述岩样腔内放置有方
形试样；所述底座一侧固定连接有两平行设置的弧形拉力梁，两所述弧形拉力梁之间滑动
连接有变角加载机构，所述底座上开设有通孔,所述变角加载机构输出端通过所述通孔与
所述方形试样抵接。

[0005] 优选的,所述变角加载机构包括滑动连接在两所述弧形拉力梁之间的第一压力缸，所述第一压力缸输出端固定连接有压垫，所述压垫远离所述第一压力缸的一侧固定连
接有负荷传感器的一侧，所述负荷传感器另一侧固定连接有圆压头，所述圆压头与所述方
形试样抵接；所述第一压力缸上对称铰接有活塞缸，所述活塞缸位于两所述弧形拉力梁之
间，所述活塞缸与所述弧形拉力梁铰接连接。

[0006] 优选的,所述方形试样外侧固定连接有第一压板和若干第二压板，所述第二压板与所述岩样腔抵接，所述第一压板远离所述方形试样的一侧开设有与所述圆压头相适配的
弧形槽，所述圆压头与所述弧形槽抵接。

[0007] 优选的,所述第一压力缸远离所述压垫一侧固定连接有两个拉板，所述第一压力缸靠近所述压垫的一侧固定连接有支板，所述弧形拉力梁位于所述支板与所述拉板之间；
所述拉板、所述支板末端均转动连接有滚轮，所述滚轮与所述弧形拉力梁滑动配合。

[0008] 优选的,所述通孔包括第一通孔、第二通孔、第四通孔、第五通孔和第六通孔，所述第二通孔、第四通孔、第五通孔和第六通孔位于同一平面，所述第二通孔、第四通孔、第五通
孔和第六通孔的轴线均与所述第一通孔的轴线垂直；所述第二通孔、第四通孔、第五通孔和
第六通孔内均设置有定向加载机构，所述第六通孔内的所述定向加载机构与所述底板固定
连接；所述定向加载机构输出端与所述第二压板抵接；所述变角加载机构通过所述第一通
孔与所述第一压板抵接。

[0009] 优选的,所述定向加载机构包括第二压力缸，所述第二压力缸的活塞端固定连接有压垫，所述压垫远离所述第一压力缸的一侧固定连接有负荷传感器的一侧，所述负荷传
感器另一侧固定连接有球座，所述球座远离所述负荷传感器的一端固定连接有抵接头，所
述抵接头与所述第二压板抵接。

[0010] 优选的,所述底座远离所述第一通孔的一侧开设有第三通孔，所述第三通孔与所述第一通孔同轴设置，所述第三通孔与所述岩样腔连通；所述底板上固定连接有支柱，所述
支柱远离所述底板的一端固定连接有下梁，所述底座远离所述弧形拉力梁的一侧固定连接
有立柱，所述立柱远离所述底座的一端与所述下梁固定连接；所述下梁上开设有安装孔，所
述安装孔内安装有所述定向加载机构，所述定向加载机构的输出端与所述第二压板抵接。

[0011] 优选的,所述第一压力缸和所述第二压力缸上均安装有位移传感器。

[0012] 优选的,两所述弧形拉力梁之间设置有转套，所述转套与所述弧形拉力梁转动连接，所述活塞缸通过所述转套与所述弧形拉力梁转动连接。

[0013] 优选的,所述第一压力缸两侧均固定连接有铰接座，两所述活塞缸输出端通过所述铰接座与所述第一压力缸铰接。

[0014] 本发明公开了以下技术效果：

[0015] 本发明公开了一种可多向加载的试验装置，可以模拟开挖扰动下方向和量值不断变化的应力加卸载，对于认识岩土体在开挖扰动工况下的力学行为具有重要意义。

附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。

[0017] 图1为本发明一种变角加载试验机的轴测示意图；

[0018] 图2为图1中B处的放大图；

[0019] 图3为本发明一种变角加载试验机的主视图；

[0020] 图4为图3中沿D‑D方向的剖视图；

[0021] 图5为图3中沿F‑F方向的剖视图；

[0022] 图6为图5中C处的放大图；

[0023] 图7为图4中A处的放大图。

[0024] 其中，底板‑1、底座‑2、下梁‑3、岩样腔‑4、方形试样‑5、弧形拉力梁‑6、第一通孔‑7、第二通孔‑8、第三通孔‑9、第四通孔‑10、第五通孔‑11、第六通孔‑12、第一压力缸‑13、压
垫‑14、负荷传感器‑15、圆压头‑16、活塞缸‑17、第一压板‑18、第二压板‑19、弧形槽‑20、拉
板‑21、滚轮‑22、支板‑23、立柱‑25、支柱‑26、第二压力缸‑27、抵接头‑28、球座‑29、位移传
感器‑30、转套‑31、铰接座‑32

具体实施方式

[0025] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0026] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0027] 本发明提供一种变角加载试验机，包括底板1和固定连接在底板1上的底座2，底座2内开设有岩样腔4，岩样腔4内放置有方形试样5；底座2一侧固定连接有两平行设置的弧形
拉力梁6，两弧形拉力梁6之间滑动连接有变角加载机构，底座2上开设有通孔,变角加载机
构输出端通过通孔与方形试样5抵接。

[0028] 进一步的,为保证装置能够对方形试样5各个方向都进行塔里加载，底座2水平周向等间距开设有第一通孔7、第二通孔8、第三通孔9和第四通孔10，底座2竖直方向开设有同
轴设置的第五通孔11和第六通孔12，第一通孔7、第二通孔8、第三通孔9、第四通孔10、第五
通孔11和第六通孔12均与岩样腔4连通；第一通孔7、第三通孔9同轴设置，第二通孔8、第四
通孔10同轴设置；并且第一通孔7、第二通孔8和第五通孔11轴线的交点位于岩样腔4的中
心；第二通孔8、第三通孔9、第四通孔10、第五通孔11和第六通孔12内设置定向加载机构，变
角加载机构输出端通过所述第一通孔7伸入岩样腔4且与方形试样5抵接。通过控制第二通
孔8内的定向加载机构静止，控制第四通孔10内的定向加载机构运行来控制方形试样5前后
方向应力加载实验；通过控制第五通孔11内的定向加载机构静止，第六通孔12内的定向加
载机构运行控制方形试样5竖直方向上的应力加载实验；通过控制第三通孔9内的定向加载
机构静止，通过变角加载机构在不同方向对方形试样5进行应力加载，以此实现对方形试样
5在所受应力大小方向不断变化情况下的实验；变角加载机构的加载角度为±10°，也可根
据需求制作达到±20°。

[0029] 进一步的,为保证变角加载机构能够为方形试样5施加大小的应力，两弧形拉力梁6之间设置第一压力缸13，第一压力缸13输出端固定连接有压垫14，压垫14远离第一压力缸
13的一侧固定连接有负荷传感器15的一侧，负荷传感器15另一侧固定连接有圆压头16，圆
压头16与方形试样5抵接；通过第一压力缸13提供以及控制输出压应力，同时通过负荷传感
器15监测压应力大小，避免输出应力太大或太小，通过圆压头16对第一压板18直接挤压作
用方形试样5，实现为方形试样5提供压应力，并且控制压应力的大小。为保证变角加载机构
能够为方形试样5施加不同角度的应力，第一压力缸13上对称铰接有活塞缸17，活塞缸17位
于两弧形拉力梁6之间且与两弧形拉力梁6转动连接；通过控制其中一活塞缸17伸出，另一
活塞缸17收回，控制第一压力缸13在两弧形拉力梁6之间以弧形拉力梁6的形状为轨迹移
动，从而实现为方形试样5提供不同方向应力的目的。

[0030] 进一步的,为保证方形试样5各个受到变角加载机构和定向加载机构的压应力均匀，方形试样5外侧固定连接有第一压板18和若干第二压板19，第一压与变角加载机构；定
向加载机构分别与第二压板19抵接。变角加载机构和定向加载机构分别将力施加到第一压
板18和第二压板19，通过推动第一压板18和第二压板19对方形试样5进行挤压，保证方形试
样5各个面受力均匀。同时为保证当第一压力缸13在两拉力梁之间移动变换应力角度时圆
压头16在第一压板18上发生滑动，第一压板18远离方形试样5的一侧开设有与圆压头16相
适配的弧形槽20，圆压头16与弧形槽20抵接；通过弧形槽20对圆压头16进行限位，同时减小
了圆压头16与第一压板18之间的摩擦力。

[0031] 进一步的,为保证第一压力缸13在两拉力梁之间滑动，同时对第一压力缸13进行限位，避免第一压力缸13沿方形试样5反方向弹出，第一压力缸13一侧固定连接有两个拉板
21，两拉板21均位于弧形拉力梁6远离底板1的一侧，两拉板21一端均转动连接有滚轮22，滚
轮22与弧形拉力梁6滑动配合；第一压力缸13远离拉板21的一侧固定连接有支板23，支板23
位于弧形拉力梁6靠近底座2的一侧，支板23一端固定连接有滚轮22，滚轮22与弧形拉力梁6
滑动配合，滚轮22位于顶部弧形拉力梁6远离底板1的一侧。为保证拉板21能够对第一压力
缸13进行限位，同时为滚轮22提供安装位置，拉板21的长度大于两倍拉力梁的厚度与两拉
力梁之间距离的和，小于三倍拉力梁的厚度与两拉力梁之间距离的和；支板23的长度于拉
力梁的厚度小于两倍拉力梁的厚度。通过支板23上的滚轮22和拉板21上的滚轮22保证第一
压力缸13在两拉力梁之间滑动，同时利用支板23和拉板21对第一压力缸13进行限位，保证
第一压力缸13始终处于两拉力梁之间。

[0032] 进一步的，为给变角加载机构提供相对的支撑力，保证变角加载机构在施加应力的时候，方形试样5对立面处于静止状态，底板1远离弧形拉力梁6的一侧固定连接有立柱
25，立柱25远离底板1的一端与下梁3固定连接，底板1顶面固定连接有支柱26，支柱26远离
地板的一端与下梁3固定连接，下梁3上开设有安装孔，第三通孔9内的定向加载机构包括固
定连接在安装孔内的第二压力缸27，第二压力缸27活塞端通过第三通孔9伸入岩样腔4并固
定连接有压垫14的一侧，压垫14另一侧固定连接有负荷传感器15的一侧，负荷传感器15另
一侧固定连接有球座29，球座29上转动连接有抵接头28，抵接头28与第二压板19抵接。通过
第二压力缸27对方形试样5施加与变角记载机构相反的挤压应力，保证方形试样5在受到变
角加载机构应力挤压的时候对立面处于静止状态。

[0033] 进一步的,为监测第一压力缸13和第二压力缸27活塞端的伸出长度，第一压力缸13和第二压力缸27上均安装位移传感器30。

[0034] 进一步的,为对方形试样5的前方施加压应力，同时保证其对立的后方处于固定状态，第二通孔8和第四通孔10内均设置定向加载机构；为对方形试样5的竖直方向施加压应
力，同时保证其对立的底面处于固定状态，第五通孔11和第六通孔12内均设置定向加载机
构，通过驱动第二通孔8内的定向加载机构对方形试样5施加压应力，同时第四通孔10内的
定向加载机构保持静止，实现对试样前后方向应力施加实验；通过驱动第五通孔11内的定
向加载机构对试样施加压应力，同时第六通孔12内的定向加载机构保持静止，实现对方形
试样5竖直方向上的应力加载实验。定向应力加载部包括分别固定连接在第二通孔8、第四
通孔10、第五通孔11和第六通孔12内的第二压力缸27第二压力缸27的活塞端固定连接有压
垫14，压垫14远离第一压力缸13的一侧固定连接有负荷传感器15的一侧，负荷传感器15另
一侧固定连接有球座29的一侧，球座29另一侧固定连接有抵接头28，抵接头28与第二压板
19对应设置。

[0035] 进一步的,为保证第一压力缸13在两拉力梁之间转动时活塞缸17能够及时调整角度，两弧形拉力梁6之间设置有转套31，转套31与弧形拉力梁6转动连接，活塞缸17位于转套
31之间且与转套31转动连接。

[0036] 进一步的,为保证活塞缸17能铰接在第一压力缸13两侧，第一压力缸13两侧均固定连接有铰接座32，两活塞缸17的输出端分别铰接在铰接座32上。

[0037] 本发明使用时，将制作好的方形试样5五个面上固定连接第二压板19，其余一个面固定第一压板18，将方形试样5放置到岩样腔4内，使第一压板18与变角加载部的圆压头16
抵接，使第四通孔10、第六通孔12和第三通孔9内的定向加载机构处于静止状态，启动第二
通孔8和第五通孔11内的第二压力缸27，压力缸带动球座29上的抵接头28对方形试样5产生
前后方向竖直方向上的压应力，来对方形试样5进行实验；同时可通过第二压力缸27控制压
应力的大小来对在承受不同大小压应力情况下方形试样5进行实验。启动两拉力梁之间的
第一压力缸13，第一压力缸13带动圆压头16对方形试样5提供压应力，同时启动活塞缸17通
过活塞缸17带动第一压力缸13在两拉力梁之间转动，以模拟方形试样5受到不同大小、不同
方向应力。

[0038] 本发明公开了一种可多向加载的试验装置，可以模拟开挖扰动下方向和量值不断变化的应力加卸载，对于认识岩土体在开挖扰动工况下的力学行为具有重要意义。

[0039] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、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。

[0040] 以上的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的
各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。