一種梯度圍壓加載方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種梯度圍壓加載方法，利用嵌套在剛性圓筒內(nèi)的理想彈塑性材料層受壓間接實現(xiàn)試樣的圍壓加載，所述的剛性圓筒是完全剛性，所述理想彈塑性材料層的豎直梯度方向與試樣的非均質(zhì)豎直梯度方向一致；通過控制所述理想彈塑性材料層的彈性模量沿試樣高度方向的連續(xù)分布或非連續(xù)分布，可實現(xiàn)試樣在高度方向上圍壓的連續(xù)分布或非連續(xù)分布；通過控制實驗過程中雙向同時施壓的位移量，實現(xiàn)試樣所受壓力梯度和平均壓力的恒定。該方法簡單、經(jīng)濟、操作靈活，能夠在室內(nèi)模擬實際地層中巖土介質(zhì)所受的非均勻壓力分布，具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢。
【專利說明】一種梯度圍壓加載方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種試樣的圍壓加載方法，尤其是一種梯度圍壓加載方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 試樣在不同圍壓下的試驗結(jié)果，是分析試樣的強度及變形的基本依據(jù)，對現(xiàn)場基 礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工等做出指導(dǎo)。目前已有土工三軸儀、凍土三軸儀以及巖石三軸儀，均是在 恒定圍壓下對試樣的強度及變形進行測試，試驗結(jié)果作為試樣的基本力學(xué)性質(zhì)，然后進行 理論公式的推導(dǎo)、數(shù)值模擬的計算。這種處理方法是把試樣作為一個點單元進行處理，首先 還原試樣現(xiàn)場的圍壓大小，然后進行堅向荷載的施加，但是這種簡化的處理與現(xiàn)場土體實 際周圍壓力不完全吻合。
[0003] 現(xiàn)場土體的周圍壓力沿堅向呈現(xiàn)梯度增加的趨勢，因此用點單元簡化得到的結(jié)果 與實際有出入。因此亟需一種可以實現(xiàn)試樣的梯度圍壓加載的方法，此試樣不再是一個材 料單元，可以看作一個微模型結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)場土體實際的周圍壓力分布更為吻合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明提供一種梯度圍壓的加載方法，解決現(xiàn)有試驗中試樣高度方向 圍壓恒定的問題。
[0005] 技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：梯度圍壓加載方法，利用嵌 套在剛性圓筒內(nèi)的理想彈塑性材料層受試樣擠壓間接實現(xiàn)試樣的圍壓加載，通過控制理想 彈塑性材料層的彈性模量即屈服應(yīng)力沿試樣高度方向的梯度分布，實現(xiàn)試樣在高度方向上 所受壓力的梯度分布；具體步驟如下：
[0006] (1)制備具有堅向梯度的試樣，制備彈性模量即屈服強度沿試樣高度方向梯度變 化的理想彈塑性材料層；
[0007] (2)將理想彈塑性材料層嵌套在剛性圓筒中，放置試樣于理想彈塑性材料層的空 腔中，放置環(huán)形箍在剛性圓筒上、下表面，并用螺栓固定，放置加載帽于試樣上、下表面；
[0008] (3)通過加載帽對試樣進行堅向加載，試樣徑向膨脹，擠壓理想彈塑性材料層，理 想彈塑性材料層產(chǎn)生變形，超過理想彈性范圍后屈服，屈服強度即試樣的圍壓保持不變；由 于理想彈塑性材料層的屈服強度沿堅向梯度變化，則試樣的圍壓呈現(xiàn)堅向梯度變化。
[0009] 更進一步的，所述的剛性圓筒是完全剛性，所述理想彈塑性材料層的堅直梯度方 向與試樣的非均質(zhì)堅直梯度方向一致；通過控制所述理想彈塑性材料層的彈性模量即屈服 強度沿試樣高度方向的連續(xù)分布即梯度恒定或非連續(xù)分布即梯度變化，可實現(xiàn)試樣在高度 方向上圍壓的連續(xù)分布或非連續(xù)分布；試樣荷載施加方向為雙向同步加載，且加載步長相 同。
[0010] 有益效果，由于采用了上述方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下顯著特點和優(yōu) 勢：該方法簡單、經(jīng)濟、操作靈活，能夠在室內(nèi)模擬實際地層中巖土介質(zhì)所受的非均勻壓力 分布，具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢。 toon] 1、本發(fā)明中通過調(diào)整理想彈塑性材料層的屈服強度，即可實現(xiàn)圍壓梯度大小的變 化，能夠適用不同量級的圍壓加載；通過控制理想彈塑性材料層的堅向分布，則可實現(xiàn)圍壓 梯度的連續(xù)分布或非連續(xù)分布。
[0012] 2、試樣的堅直梯度沿高度方向可以由小變大，也可以由大變小，圍壓梯度方向與 試樣梯度方向保持一致，能夠研究不同圍壓梯度及其梯度組合條件下的土體強度變形規(guī) 律。
[0013] 3、本發(fā)明中的加載方向是雙向同步加載，在保證初始理想彈性材料層的屈服強度 分布即梯度和平均值恒定條件下，始終能保持試樣所受圍壓梯度和平均壓力的恒定。
[0014] 4、本發(fā)明中實驗對象可以是融土試樣、凍土試樣、軟巖試樣等，也可是傳感、測試、 保溫等高分子功能材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明中實現(xiàn)梯度圍壓加載方法的結(jié)構(gòu)裝置示意圖。
[0016] 圖2為理想彈塑性材料層的本構(gòu)關(guān)系示意圖。
[0017] 圖3為理想彈塑性材料層可施加的連續(xù)圍壓示意圖。
[0018] 圖4為理想彈塑性材料層可施加的非連續(xù)圍壓示意圖。
[0019] 圖中，1、加載帽；2、環(huán)形箍；3、剛性圓筒；4、理想彈塑性材料層；5、螺栓；6、試樣； 7、堅直梯度方向。

【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0021] 一種梯度圍壓加載方法，如附圖1所示，利用嵌套在剛性圓筒3內(nèi)的理想彈塑性材 料層4受試樣6擠壓間接實現(xiàn)試樣6的圍壓加載，通過控制理想彈塑性材料層4的彈性模 量（屈服應(yīng)力）沿試樣6高度方向的梯度分布，實現(xiàn)試樣6在高度方向上所受壓力的梯度分 布。剛性圓筒3是完全剛性。理想彈塑性材料層4外表面與剛性圓筒3內(nèi)表面緊密接觸， 理想彈塑性材料層4內(nèi)表面與試樣6表面緊密接觸。理想彈塑性材料層4的堅直梯度方向 7與試樣6的堅直梯度方向7 -致。
[0022] 通過控制理想彈塑性材料層4的彈性模量（屈服強度）沿試樣6高度方向的連續(xù) 分布或非連續(xù)分布，可實現(xiàn)試樣6在高度方向上圍壓的連續(xù)分布或非連續(xù)分布，如圖3、4所 /_J、1 〇
[0023] 本發(fā)明中理想彈塑性材料層4的本構(gòu)關(guān)系如圖2所示。理想彈塑性材料層4的制 作，可以通過控制石蠟、凡士林、粉末橡膠的比例，可以調(diào)整屈服強度（彈性模量），則可以 實現(xiàn)理想彈塑性材料層4的屈服強度沿高度方向的梯度分布。
[0024] 本發(fā)明包括以下步驟：
[0025] a、制備具有堅向梯度的試樣6,制備彈性模量即屈服強度沿試樣高度方向梯度變 化的理想彈塑性材料層4 ;
[0026] b、將理想彈塑性材料層4嵌套在剛性圓筒3中，放置試樣6于理想彈塑性材料層 4的空腔中，放置環(huán)形箍2在剛性圓筒3上、下表面，并用螺栓5固定，放置加載帽1于試樣 6上、下表面；
[0027] c、通過加載帽1對試樣6進行堅向雙向加載，試樣6徑向膨脹，擠壓理想彈塑性材 料層4,理想彈塑性材料層4產(chǎn)生變形，超過理想彈性范圍后屈服，屈服強度即試樣6的圍壓 保持不變；由于理想彈塑性材料層4的屈服強度沿堅向梯度變化，則試樣6的圍壓呈現(xiàn)堅向 梯度變化。
[0028] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種梯度圍壓加載方法，其特征是：梯度圍壓加載方法，利用嵌套在剛性圓筒內(nèi)的 理想彈塑性材料層受試樣擠壓間接實現(xiàn)試樣的圍壓加載，通過控制理想彈塑性材料層的彈 性模量即屈服應(yīng)力沿試樣高度方向的梯度分布，實現(xiàn)試樣在高度方向上所受壓力的梯度分 布； 具體步驟如下： (1) 制備具有堅向梯度的試樣，制備彈性模量即屈服強度沿試樣高度方向梯度變化的 理想彈塑性材料層； (2) 將理想彈塑性材料層嵌套在剛性圓筒中，放置試樣于理想彈塑性材料層的空腔中， 放置環(huán)形箍在剛性圓筒上、下表面，并用螺栓固定，放置加載帽于試樣上、下表面； (3) 通過加載帽對試樣進行堅向加載，試樣徑向膨脹，擠壓理想彈塑性材料層，理想彈 塑性材料層產(chǎn)生變形，超過理想彈性范圍后屈服，屈服強度即試樣的圍壓保持不變；由于理 想彈塑性材料層的屈服強度沿堅向梯度變化，則試樣的圍壓呈現(xiàn)堅向梯度變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度圍壓加載方法，其特征在于：所述的剛性圓筒是完 全剛性，所述理想彈塑性材料層的堅直梯度方向與試樣的非均質(zhì)堅直梯度方向一致；通過 控制所述理想彈塑性材料層的彈性模量即屈服強度沿試樣高度方向的連續(xù)分布即梯度恒 定或非連續(xù)分布即梯度變化，可實現(xiàn)試樣在高度方向上圍壓的連續(xù)分布或非連續(xù)分布；試 樣荷載施加方向為雙向同步加載，且加載步長相同。
【文檔編號】G01N3/08GK104215506SQ201410470292
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】趙曉東, 路貴林, 張明, 賴澤金, 季雨坤 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)