专利名称：压扭多轴加载试验机的制作方法
技术领域：
本发明机械加载设备，特别是涉及应用于复杂加载条件下土体材料和理想粒状材 料的力学特性测试试验的压扭多轴加载试验机。
背景技术：
在土木工程技术领域，各类工程建设的安全性主要取决于所采用的工程材料和结 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。因此，对土体材料的单元试验是评价土体材料的变形强度特性与 力学关系的最为基本且最为重要的手段。在现有技术中，通常采用常规三轴仪来进行土体 材料的试验。但是，该三轴仪只能进行三轴压缩和拉伸等常规的试验路径。而在实际的工 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，需要不断发展满足复 杂加载条件要求的试验设备。例如，目前已经开发了空心圆柱扭剪仪和真三轴仪等来实现较为复杂的加载条 件，但该空心圆柱扭剪仪和真三轴仪存在明显的不足。已有的空心圆柱扭剪仪的试样尺寸 与试验机出力均过�。荒苷攵允导使こ讨写嬖诘母哂α�、各种复杂加载条件下粗粒土和 粒径较大的理想粒状土体模拟材料进行试验研究。此外，已有的真三轴仪尚不能解决好三 个方向运动耦合、受力条件不均勻的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明用于解决现有技术中的问题中的至少一个。相应地，本发明需要 提供一种压扭多轴加载试验机，所述压扭多轴加载试验机可以提供集压扭组合、平面应变、 真三轴等复杂加载于一体，并适于在工程建设中常用的粗粒土以及理想状土体模拟材料的 静动力单元的试验。根据本发明的一方面，提供了一种压扭多轴加载试验机，包括机架；试样压力 室，所述试样压力室设置在所述机架上，用于在其中容纳试样；轴压控制器，所述轴压控制 器可操作用于设置在所述试样压力室内的试样施加轴向载荷；围压控制器，所述围压控制 器可操作用于对设置在所述试样压力室内的试样施加围压载荷；以及油源系统，所述油源 控制系统用于分别控制所述轴压控制器和围压控制器以施加不同路径的载荷，其中所述轴 压控制器与所述围压控制器被配置成缓冲试样压力室中试样加载时轴向受力与围压受力 華禹合。根据本发明，所述压扭多轴加载试验机可以提供集压扭组合、平面应变、真三轴等 复杂加载于一体，并适于在工程建设中常用的粗粒土以及理想状土体模拟材料的静动力单 元的试验。根据本发明的一个实施例，所述轴压控制器包括轴向液压缸，用于对所述试样压 力室施加轴向载荷；以及轴向电液伺服阀，所述轴向电液伺服阀用于伺服控制所述轴向液
根据本发明的一个实施例，所述围压控制器包括围压液压缸，所述对所述试样压 力室施加围压载荷；以及侧向电液伺服阀，所述侧向电液伺服阀用于伺服控制所述围压液 压缸。根据本发明的一个实施例，所述压扭多轴加载试验机进一步包括孔压液压缸，所 述孔压液压缸用于在油源系统的作用下对试样施加孔压载荷。 根据本发明的一个实施例，所述压扭多轴加载试验机进一步包括内压液压缸，所 述内压液压缸用于在油源系统的作用下对试样的内部施加载荷。根据本发明的一个实施例，所述压扭多轴加载试验机进一步包括扭转液压缸，所 述扭转液压缸用于在扭转装置的作用下对试样施加扭转载荷；以及扭转装置，所述扭转液 压缸驱动所述扭转装置进行扭转。根据本发明的一个实施例，所述轴压控制器进一步包括轴压串联水缸，所述轴向 串联水缸与所述轴向液压缸串联连接；所述围压控制器进一步包括围压串联水缸，所述 围压串联水缸与所述围压液压缸串联连接，其中所述围压串联水缸与所述轴压串联水缸流 体连通。根据本发明的一个实施例，所述轴向串联水缸设置在所述机架的顶部，所述围压 串联水缸与所述机架相邻水平设置。根据本发明的一个实施例，所述轴向液压缸的最下方的端部设置有压扭负荷传感 器，所述压扭负荷传感器用于检测施加在所述试样压力室上的轴向载荷和扭转载荷。根据本发明的一个实施例，所述试样压力室包括室筒；压力室盖，所述压力室盖 用于盖住所述室筒的顶部开口 ；压力室底盘，所述压力室底盘用于密封所述室筒的底部开 口 ；以及加荷活塞，所述加荷活塞密封地穿透所述压力室盖，以对压力室内容纳的试样施加 载荷。根据本发明的一个实施例，所述机架包括底座；设置在所述底座中的升降机构； 四根支架，所述四根支架竖直设置在所述底座上；中横梁，所述中横梁用于水平地固定所述 四根支架；两根立柱，所述两根立柱设置在所述中横梁上；以及上横梁，所述上横梁用于水 平地固定所述两根立柱。根据本发明的一个实施例，所述压扭多轴加载试验机，进一步包括制样系统，所 述制样系统包括空心圆柱试样制样装置，用于形成空心圆柱试样；三轴试样制样装置，所 述三轴试样制样装置用于形成三轴试样；以及真三轴试样制样装置，所述真三轴试样制样 装置用于形成真三轴试样。根据本发明的一个实施例，所述油源系统包括轴压控制油路，所述轴压控制油路 驱动轴向电液伺服阀以驱动轴向液压缸产生轴向力；围压控制油路，所述围压控制由于驱 动围压伺服阀以驱动围压液压缸产生侧向力；扭转控制油路，所述扭转控制油路控制扭转 电液伺服阀以驱动扭转液压缸，从而所述扭转液压缸驱动由液压缸活塞的力通过扭转装置 产生扭力以作用于试样的上表面。根据本发明的一个实施例，所述油源系统进一步包括孔压控制油路，所述孔压控 制油路用于驱动孔压液压缸以对所述试样产生孔压；以及内压控制油路，所述内压控制油 路用于驱动所述内压液压缸以对空心试样产生内压。
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根据本发明的一个实施例，所述压扭多轴加载试验机进一步包括水气系统，所述 水气系统用于控制所述试样压力室内的供水；所述试样压力室内的围压控制；向放置在 试样压力室内的试样内部浸饱和水；加反压以测量所述试样压力室内的围压；以及施加上 下孔压。根据本发明的一个实施例，所述水气系统包括反压罐，包括封闭的体变量罐，所 述体变量罐的上部容纳压缩空气、下部容纳液体；设置在所述体变量罐内的磁致伸缩液位 传感器，以测量所述反压罐内的体变化；空压机，所述空压机用于提供具有预定压力的压力 气体；以及真空泵，所述真空泵连接至所述的试样压力室的内部，以对设置在试样压力室内 的试样抽真空。根据本发明的一个实施例，所述试样压力室为真三轴压力室，所述真三轴压力室 进一步包括四个橡皮囊，所述橡皮囊设置在所述室筒的四个侧壁内，且可向所述橡皮囊内 供给液体，以施加垂直于轴向的压力；边角加力装置，所述边角加力装置分别设置在所述室 筒的拐角以施加边角力。根据本发明的一个实施例，所述试样压力室为平面应变压力室，所述平面应变压 力室进一步包括两个橡皮囊，所述橡皮囊设置在所述室筒的两个相对的侧壁上，所述橡皮 囊被限制在刚性方框内且可向所述橡皮囊内供给液体；以及正面加力装置，所述正面加力 装置用于对设置在所述平面应变压力室中的试样施加沿着预定方向的变形限制。根据本发明的上述实施例，与现有的实验设备相比，所述压扭多轴加载试验机的 优点在于，1)试验机出力大；2)试样尺寸大且可调整，试样形状包括实心圆柱、空心圆柱和立方体三种；3)扭转剪切力与轴力作用互不干扰；4)扭转角度动静态均勻可控；5)作用在空心圆柱试样上的扭力、轴力、试样内外压，立方体试样上的三向作用 力，以及体变或孔隙水压力均采用电液伺服自动控制系统，可根据试验要求有效地实现多 种静动态任意组合加载的复杂应力路径；6)可实现多种控制模式，包括应力控制、应变控制、应力应变交替和组合控制；7)实现基于微机自动控制的多通道数据采集；8)可实现不规则波的动态加载。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。
本发明的上述和/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显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的示意图；图2显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的主体部分的结构 示意图；图3显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的工作原理示意7
图4显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的油源系统的结构 示意图；图5显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的水气原理示意图；图6A显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的真三轴压力室的 剖视图，图6B显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的真三轴压力室的 俯视图；以及图7A显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的平面应变压力室 的剖视图，图7B显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的平面应变压力 室的俯视图。
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，而不能解释为对本发明的限制。下面将参照附图来详细描述根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机。本 发明的压扭多轴加载试验机由五部分组成1)主机部分主机刚性框架，压扭试验压力室、真三轴试验压力室或者平面应变 试验压力室，轴压控制器、围压控制器、扭转装置与电液伺服阀、孔压作动器与电液伺服阀， 扭转剪切力与轴力分离机构；2)水气系统试样饱和装置，真空度调控装置，体变测控装置；3)油源系统油箱，油泵及电机，阀组，稳压系统，控制操作柜；4)电控系统力传感器、压力传感器、位移传感器、温度传感器、霍尔效应传感器， 工控计算机，采集板与控制柜；5)制样系统空心圆柱试样制样装置、三轴试样制样装置、真三轴试样制样装置， 真空泵，空气压缩机。下面将参照附图来详细描述该压扭多轴加载试验机，其中图1显示了根据本发明 的一个实施例的压扭多轴加载试验机的示意图；图2显示了根据本发明的一个实施例的压 扭多轴加载试验机的主机部分的结构示意图；图3显示了根据本发明的一个实施例的压扭 多轴加载试验机的工作原理示意图；图4显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载 试验机的油源系统的结构示意图；图5显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试 验机的水气原理示意图；图6A显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的 真三轴压力室的剖视图，图6B显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的 真三轴压力室的俯视图；以及图7A显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验 机的平面应变压力室的剖视图，图7B显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试 验机的平面应变压力室的俯视图。根据本发明的一个实施例，所述压扭多轴加载试验机包括机架；试样压力室，所 述试样压力室设置在所述机架上，用于在其中容纳试样；轴压控制器，所述轴压控制器可操 作用于设置在所述试样压力室内的试样施加轴向载荷；围压控制器，所述围压控制器可操 作用于对设置在所述试样压力室内的试样施加围压载荷；以及油源系统，所述油源控制系统用于分别控制所述轴压控制器和围压控制器以施加不同路径的载荷，其中所述轴压控制 器与所述围压控制器被配置成缓冲试样压力室中试样加载时轴向受力与围压受力耦合。如图1所示，所述压扭多轴加载试验机可以主要包括主机部分1、油源系统2、水气 系统3、电液伺服控制系统4和制样系统(未示出)。所述主机部分1主要由机架、轴向液 压缸121，围压液压缸135，围压串联水缸138，试样压力室105，压扭负荷传感器126，导轨 146等组成。所述导轨146使得所述主体部分1可移动，以增加操作的灵活性。图2显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的主机部分1的结构 示意图，图3显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的工作原理示意图。根据本发明的一个实施例，所述轴压控制器包括轴向液压缸121，用于对所述试 样压力室105施加轴向载荷；以及轴向电液伺服阀141，所述轴向电液伺服阀141用于伺服 控制所述轴向液压缸121。所述围压控制器包括围压液压缸135，所述对所述试样压力室 105施加围压载荷；以及侧向电液伺服阀137，所述侧向电液伺服阀137用于伺服控制所述 围压液压缸135。根据本发明的一个实施例，所述压扭多轴加载试验机进一步包括孔压液压缸 201，所述孔压液压缸201用于在油源系统2的作用下对试样施加孔压载荷。所述压扭多轴 加载试验机可以进一步包括内压液压缸202，所述内压液压缸202用于在油源系统的作用 下对试样的内部施加载荷。根据本发明的一个实施例，所述压扭多轴加载试验机进一步包括扭转液压缸 203，所述扭转液压缸203用于在扭转装置140的作用下对试样施加扭转载荷；以及扭转装 置140 (未示出)，所述扭转液压缸203驱动所述扭转装置140进行扭转。根据本发明的一个实施例，所述轴压控制器进一步包括轴压串联水缸，所述轴向 串联水缸与所述轴向液压缸串联连接；所述围压控制器进一步包括围压串联水缸120，所 述围压串联水缸120与所述围压液压缸串联连接，其中所述围压串联水缸120与所述轴压 串联水缸流体连通，从而通过采用轴压串联水缸和围压串联水缸彼此串联的方式解决了试 样压力室105内试样轴向受力与围压耦合的问题。根据本发明的一个实施例，所述机架包括底座111 ；设置在所述底座111中的升 降机构134 ；四根支架115，所述四根支架115竖直设置在所述底座111上；中横梁117，所 述中横梁117用于水平地固定所述四根支架115 ；两根立柱125，所述两根立柱125设置在 所述中横梁117上；以及上横梁119，所述上横梁119用于水平地固定所述两根立柱125。 即在本发明中，上框架由中横梁117、2根立柱125、上横梁119构成，底座111，4根立柱115 构成足够刚度的下框架。上横梁119上设置有轴向液压缸121，由轴压串联水缸121，轴向 电液伺服阀141，蓄能器142，轴位移传感器124等组成。在中横梁的上方可以装有扭转液压缸118，所述扭转液压缸118与扭转装置140组 成扭转施力系统，从而在轴向、扭转作双向激振时、轴向施力轴沿扭转作动器活塞的铜套作 上下运动。在活塞杆下方装有万向铰的支杆144，使活塞杆作水平X轴、Y轴运动时起支承 作用。根据本发明的一个实施例，所述轴压串联水缸121设置在所述机架的顶部，所述围压 串联水缸与所述机架相邻水平设置。围压液压缸135和围压串联水缸120内采用组合密封，从而磨擦力�。钊酥С� 长，可承受较大的侧向力。
轴向液压缸121的上方可以串联设置围压串联水缸120，围压串联水缸120通过钢 管139与主机部分1内的轴向液压缸中的围压串联水缸138相通。轴向液压缸121的活塞 杆最下方端部可以安装一个压扭负荷传感器126，从而利用所述压扭负荷传感器126可以 测量施加到试样上的压力载荷和扭转载荷。围压液压缸121安装在机架的后方，由液压缸156、侧向电液伺服阀137，并串联一 个柱塞水缸138组成。根据本发明的一个实施例，所述试样压力室105包括室筒129 ；压力室盖127，所 述压力室盖127用于盖住所述室筒129的顶部开口 ；压力室底盘130，所述压力室底盘130 用于密封所述室筒129的底部开口 ；以及加荷活塞116，所述加荷活塞116密封地穿透所述 压力室盖127，以对压力室内容纳的试样施加载荷。试样压力室105的底盘接头上可以装有围压力传感器112，上孔压力传感器113， 下孔压力传感器114。从上述结构中可以看出，主机部分1采用了由升降机构134，底座111，4根支架 131，中横梁117构成的下框架式结构及由中横梁117、两根立柱125、上横梁119组成的上 框架结构，保证了足够的机架刚度，这样就可以满足该机多种材料的试验要求，不但能做土 材料的空心圆柱扭剪试验还能进行液化强度试验。进一步地，在本发明中，采用轴向串联水缸120的方式解决了轴向受力与围压耦 合的问题。同样在本发明的一个实施例中，采用轴向、扭转运动相分离的机构，即可单独做 轴向激振、也可与扭剪伺服液压缸共同激振工作，从而使得压扭的试验功能得以实现。根据 本发明，所述压扭多轴加载试验机可以提供集压扭组合、平面应变、真三轴等复杂加载于一 体，并适于在工程建设中常用的粗粒土以及理想状土体模拟材料的静动力单元的试验。根据本发明的一个实施例，所述压扭多轴加载试验机可以进一步包括制样系统 (未示出)，所述制样系统包括空心圆柱试样制样装置，用于形成空心圆柱试样；三轴试样 制样装置，所述三轴试样制样装置用于形成三轴试样；以及真三轴试样制样装置，所述真三 轴试样制样装置用于形成真三轴试样。此外，如图2中所示，所述试样压力室105可以从所述主体部分1中可移动地从其 中取出，例如在图2中可以利用导轨146将所述试样压力室105里用滑轮滑出，方便替换所 述试样压力室105，从而使所述压扭多轴加载试验机使用更加方便。图2中的左侧显示了该 压扭多轴加载试验机的主视图，右侧显示了该压扭多轴加载试验机的右视图。下面将参照图4来描述根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的油源 系统，其中图4显示了所述油源系统的结构示意图。如图4中所示，泵站下设主油箱171，内装有带阀门的滤油器172，油过滤后进入 174，该泵由主电机192带动。泵打出来的高压油通过单向阀175和精密滤油器176进入主 油路。在单向阀175的旁路上装有比例溢流阀196，它能单独调整液压系统的压力。溢流阀 出来的油经过回油滤油器198进入散热器199后回到主油箱171。主油箱上装有电接点温 度计170，起到超温保护作用。同样，另一组泵站内装带阀门的滤油器197，油过滤后进入轴向泵194，该泵由电 机195带动。泵打出来的高压油通过单向阀193和精密滤油器176进入油路。从上述结构中可以看出，该结构两个泵站可并联，即可单独给系统供压力油，也可同时给系统供压力油，可以满足为不同试验条件提供不同流量的压力油。油箱装有散热器 和电接点温度计则对系统长时间工作起到降温和保护作用。如图4中所示，所述油源系统的油路可分为轴压控制油路，压力油经过精密滤油 器184进入轴向伺服阀185后再进入轴向液压缸产生轴向力；在轴向伺服阀进、出油路上各 装有蓄能器188，以解决压力油瞬时不足及压力波动问题；围压控制油路，压力油经过围压精密滤油器183进入围压伺服阀181后再进入围 压液压缸产生侧向力，推动围压液压缸182的活塞使压力室的水产生压力，从而使试件形 成围压，在围压伺服阀181的进、出油路上也装有蓄能器182 ；扭转控制油路，压力油经过精密滤油器189进入扭转伺服阀190后再进入扭转液 压缸191。由液压缸活塞的力通过扭转装置使试样产生扭力从而将载荷作用在试样的上表 面上；孔压控制油路，所述孔压控制油路用于驱动孔压液压缸以对所述试样产生孔压； 以及内压控制油路，所述内压控制油路用于驱动所述内压液压缸以对空心试样产生内压。由以上结构可以看出，所述油源系统、电液伺服系统可以依据试验的要求可单独 工作、也可同时地操作，从而极大地方便了用户使用。在所述油源系统的控制中，可以进一步设置有各种指示灯以指示各种状态，如高 压、低压、运行等状态，超温、超压时也可以进一步设置有铃声报警装置等，从而在报警的同 时卸掉系统的高压，使系统处于低压状态，以保证系统的安全可靠性和稳定性。根据本发明的一个实施例，所述压扭多轴加载试验机可以进一步包括水气系统， 所述水气系统用于控制所述试样压力室105内的供水；所述试样压力室105内的围压控 制；向放置在试样压力室105内的试样内部浸饱和水；加反压以测量所述试样压力室105 内的围压；以及施加上下孔压。根据本发明的一个实施例，所述水气系统包括反压罐217，包括封闭的体变量 罐，所述体变量罐的上部容纳压缩空气、下部容纳液体；设置在所述体变量罐内的磁致伸缩 液位传感器216，以测量所述反压罐217内的体变化；空压机229，所述空压机229用于提供 具有预定压力的压力气体；以及真空泵238，所述真空泵238连接至所述的试样压力室105 的内部，以对设置在试样压力室105内的试样抽真空。图5显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的水气系统的示意 图。如上所述，所述水气系统具有向试样压力室105供水、施加和控制围压、向试样内部浸 饱和水及加反压测量围压、上、下孔压，测量试样体积变化等功能。主要由反压罐217、空气 减压阀214、空压机229、真空泵238等构成，如图5中所示。反压罐217下部的水在水阀223关时，经管道、阀221、222与试样压力室105的试 样下孔相通，从而使试样内可产生反压。从上述水气系统图中可以看出，由于采用高精度的磁致位移传感器216装入体变 量罐217内，根据磁致位移传感器216测出的排水高度与体变量罐217的面积就可求得体 积变化值且能够保证测量精度。而空气减压阀214能把来自空压机229的压力气体调到预定压力。由于真空泵
11238的采用，可以对试样内部抽真空，以便使乳胶模与模筒紧密贴合，试样可以挺立和浸饱 和水。以上结构使得试样由的制备、抽真空以及浸脱气水变得容易。下面将参照图6、7来描述本发明的试样压力室的具体实施例。图6A显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的真三轴压力室的 剖视图，图6B显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的真三轴压力室的 俯视图。所述试样压力室105为真三轴压力室105，所述真三轴压力室105进一步包括四 个橡皮囊244，所述橡皮囊244设置在所述室筒的四个侧壁内，且可向所述橡皮囊内供给例 如水的液体，进而给试样施加X轴和Y轴向的压力，即施加垂直于轴向的压力；边角加力装 置248，所述边角加力装置248分别设置在所述室筒的拐角以施加边角力。图7A显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的平面应变压力室 的剖视图，图7B显示了根据本发明的一个实施例的压扭多轴加载试验机的平面应变压力 室的俯视图。如图7中所示，所述试样压力室105为平面应变压力室，主要由压力活塞251， 上盖252，橡皮囊254，压力室罩255，底座257，正面加力装置258。所述橡皮囊254设置在 所述室筒的两个相对的侧壁上，所述橡皮囊254被限制在刚性方框内且可向所述橡皮囊内 供给液体。所述正面加力装置258用于对设置在所述平面应变压力室中的试样施加沿着预 定方向的变形限制。在操作中，通过活塞251对试样施加轴向荷载ol，设置在试样的两侧 的橡皮囊254被限制在刚性方框内，并与三轴试验的周围压力源联接，通过它向试样施加 小主应力σ3，最大值可以为2MPa。通过正面加力装置258限制试样在试验过程中沿ο 2 方向的变形，其中一块固定板装有一个荷重传感器260，用以测定中主应力ο 2的值。如上所述，在本发明中，所述压扭多轴加载试验机通过以下几项关键技术来实 现1)采用互不干扰的运动分离机构技术，实现高精度的压扭分离运动，使试样同时 承受压力和扭剪作用；2)采用角度传感器与闭环伺服一体测控技术，对试样稳定地施加勻角速度扭转；3)采用油源并联液压控制技术，可实现流量和压力大幅增减的及时调控；4)采用与压力室连通轴向水缸的稳压调控技术，克服轴向荷载作用引起压力室压 力不稳定或围压荷载作用引起轴向荷载不稳定的问题，高精度地实现系统内水体积守恒以 确保压力室内的压力稳定；5)采用数字化电液伺服调控技术，分离试样轴向受力与围压耦合作用，以实现双 向动静态完全独立加载；6)采用真空度和体变联合调控技术，实现大范围的孔压和体积变化的量测与控 制；7)采用柔性约束和刚性约束相结合的三向独立加载装置及测控技术，可互不干扰 地实现真三轴与平面应变加载试验路径；8)采用尺寸可调的制样装置及加载技术，实现多种尺寸的空心圆柱、实心圆柱和 立方体试样的试验。任何提及“ 一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例，，等意指结合该实施例描述的 具体构件、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处的该示意性 表述不一定指的是相同的实施例。而且，当结合任何实施例描述具体构件、结构或者特点时，所主张的是，结合其他的实施例实现这样的构件、结构或者特点均落在本领域技术人员 的范围之内。 尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式
进行了详细的描 述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施 例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围 之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱 离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其 等同物限定。
权利要求
一种压扭多轴加载试验机，包括机架；试样压力室，所述试样压力室设置在所述机架上，用于在其中容纳试样；轴压控制器，所述轴压控制器可操作用于设置在所述试样压力室内的试样施加轴向载荷；围压控制器，所述围压控制器可操作用于对设置在所述试样压力室内的试样施加围压载荷；以及油源系统，所述油源控制系统用于分别控制所述轴压控制器和围压控制器以施加不同路径的载荷，其中所述轴压控制器与所述围压控制器被配置成缓冲试样压力室中试样加载时轴向受力与围压受力耦合。
2.根据权利要求1所述的压扭多轴加载试验机，其特征在于，所述轴压控制器包括 轴向液压缸，用于对所述试样压力室施加轴向载荷；以及轴向电液伺服阀，所述轴向电液伺服阀用于伺服控制所述轴向液压缸。
3.根据权利要求2所述的压扭多轴加载试验机，其特征在于，所述围压控制器包括 围压液压缸，所述对所述试样压力室施加围压载荷；以及侧向电液伺服阀，所述侧向电液伺服阀用于伺服控制所述围压液压缸。
4.根据权利要求1所述的压扭多轴加载试验机，进一步包括孔压液压缸，所述孔压液压缸用于在油源系统的作用下对试样施加孔压载荷。
5.根据权利要求1所述的压扭多轴加载试验机，进一步包括内压液压缸，所述内压液压缸用于在油源系统的作用下对试样的内部施加载荷。
6.根据权利要求3所述的压扭多轴加载试验机，进一步包括扭转液压缸，所述扭转液压缸用于在扭转装置的作用下对试样施加扭转载荷；以及 扭转装置，所述扭转液压缸驱动所述扭转装置进行扭转。
7.根据权利要求3所述的压扭多轴加载试验机，其特征在于，所述轴压控制器进一步 包括轴压串联水缸，所述轴向串联水缸与所述轴向液压缸串联连接；所述围压控制器进一步包括围压串联水缸，所述围压串联水缸与所述围压液压缸串 联连接，其中所述围压串联水缸与所述轴压串联水缸流体连通。
8.根据权利要求7所述的压扭多轴加载试验机，其特征在于，所述轴向串联水缸设置 在所述机架的顶部，所述围压串联水缸与所述机架相邻水平设置。
9.根据权利要求8所述的压扭多轴加载试验机，其特征在于，所述轴向液压缸的最下 方的端部设置有压扭负荷传感器，所述压扭负荷传感器用于检测施加在所述试样压力室上 的轴向载荷和扭转载荷。
10.根据权利要求1所述的压扭多轴加载试验机，其特征在于，所述试样压力室包括 室筒；压力室盖，所述压力室盖用于盖住所述室筒的顶部开口 ；压力室底盘，所述压力室底盘用于密封所述室筒的底部开口 ；以及加荷活塞，所述加荷活塞密封地穿透所述压力室盖，以对压力室内容纳的试样施加载荷。
11.根据权利要求1所述的压扭多轴加载试验机，其特征在于，所述机架包括 底座；设置在所述底座中的升降机构； 四根支架，所述四根支架竖直设置在所述底座上； 中横梁，所述中横梁用于水平地固定所述四根支架； 两根立柱，所述两根立柱设置在所述中横梁上；以及 上横梁，所述上横梁用于水平地固定所述两根立柱。
12.根据权利要求1所述的压扭多轴加载试验机，进一步包括制样系统，所述制样系 统包括空心圆柱试样制样装置，用于形成空心圆柱试样；三轴试样制样装置，所述三轴试样制样装置用于形成三轴试样；以及真三轴试样制样装置，所述真三轴试样制样装置用于形成真三轴试样。
13.根据权利要求6所述的压扭多轴加载试验机，其特征在于，所述油源系统包括 轴压控制油路，所述轴压控制油路驱动轴向电液伺服阀以驱动轴向液压缸产生轴向力；围压控制油路，所述围压控制由于驱动围压伺服阀以驱动围压液压缸产生侧向力； 扭转控制油路，所述扭转控制油路控制扭转电液伺服阀以驱动扭转液压缸，从而所述 扭转液压缸驱动由液压缸活塞的力通过扭转装置产生扭力以作用于试样的上表面。
14.根据权利要求13所述的压扭多轴加载试验机，其特征在于，所述油源系统进一步 包括孔压控制油路，所述孔压控制油路用于驱动孔压液压缸以对所述试样产生孔压；以及 内压控制油路，所述内压控制油路用于驱动所述内压液压缸以对空心试样产生内压。
15.根据权利要求6所述的压扭多轴加载试验机，进一步包括 水气系统，所述水气系统用于控制所述试样压力室内的供水； 所述试样压力室内的围压控制； 向放置在试样压力室内的试样内部浸饱和水； 加反压以测量所述试样压力室内的围压；以及 施加上下孔压。
16.根据权利要求6所述的压扭多轴加载试验机，其特征在于，所述水气系统包括 反压罐，包括封闭的体变量罐，所述体变量罐的上部容纳压缩空气、下部容纳液体；设置在所述体变量罐内的磁致伸缩液位传感器，以测量所述反压罐内的体变化； 空压机，所述空压机用于提供具有预定压力的压力气体；以及 真空泵，所述真空泵连接至所述的试样压力室的内部，以对设置在试样压力室内的试 样抽真空。
17.根据权利要求10所述的压扭多轴加载试验机，其特征在于，所述试样压力室为真 三轴压力室，所述真三轴压力室进一步包括四个橡皮囊，所述橡皮囊设置在所述室筒的四个侧壁内，且可向所述橡皮囊内供给液 体，以施加垂直于轴向的压力；边角加力装置，所述边角加力装置分别设置在所述室筒的拐角以施加边角力。
18.根据权利要求10所述的压扭多轴加载试验机，其特征在于，所述试样压力室为平 面应变压力室，所述平面应变压力室进一步包括两个橡皮囊，所述橡皮囊设置在所述室筒的两个相对的侧壁上，所述橡皮囊被限制在 刚性方框内且可向所述橡皮囊内供给液体；以及正面加力装置，所述正面加力装置用于对设置在所述平面应变压力室中的试样施加沿 着预定方向的变形限制。
全文摘要
本发明公开了一种压扭多轴加载试验机，包括机架；试样压力室，设置在所述机架上，以在其中容纳试样；轴压控制器，所述轴压控制器可操作用于设置在所述试样压力室内的试样施加轴向载荷；围压控制器，所述围压控制器可操作用于对设置在所述试样压力室内的试样施加围压载荷；以及油源系统，所述油源控制系统用于分别控制所述轴压控制器和围压控制器以施加不同路径的载荷，其中所述轴压控制器与所述围压控制器被配置成缓冲试样压力室中试样加载时轴向受力与围压受力耦合。根据本发明的压扭多轴加载试验机，可以提供集压扭组合、平面应变、真三轴等复杂加载于一体，并适于在工程建设中常用的粗粒土以及理想状土体模拟材料的静动力单元的试验。
文档编号G01N3/22GK101949800SQ20101026192
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月24日 优先权日2010年8月24日
发明者刘超, 张建民, 杨利伟, 肖雪宏, 郑瑞华 申请人:清华大学
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