本發(fā)明涉及借助于測定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)來測試或分析材料領(lǐng)域，尤其涉及一種用機械應(yīng)力測試固體材料的強度特性的裝置，具體是一種利用硐室反壓施加超大荷載的超大型力學(xué)性能試驗裝置，可以對全級配堆石料進(jìn)行壓縮試驗和直剪試驗。

背景技術(shù)：

1、壓縮試驗是一種在有側(cè)限條件、軸向壓力下，使土體排水固結(jié)變形，測定土體加載和排水條件下變形與壓力、變形與時間的關(guān)系的試驗。直剪試驗是將土體置于不同的豎直壓力下，施加水平剪切力進(jìn)行剪切，然后根據(jù)庫倫定律確定土體的抗剪強度系數(shù)、內(nèi)摩擦角和凝聚力的一種土工試驗。對粗粒土進(jìn)行壓縮試驗和直剪試驗時，需要采用大型土工壓縮儀和大型土工直剪儀。

2、現(xiàn)有的大型土工壓縮儀和大型土工直剪儀結(jié)構(gòu)相近，均包括底座，底座上設(shè)置有立柱和下壓頭，立柱一般為兩根，兩根立柱之間連接橫梁，橫梁上固定安裝上壓頭，下壓頭位于上壓頭的正下方，試樣盒放置于上壓頭和下壓頭之間，底座內(nèi)設(shè)有用于頂推下壓頭的液壓千斤頂，或者橫梁上安裝用于頂推上壓頭的液壓千斤頂。大型土工壓縮儀和大型土工直剪儀不同之處在于試樣盒和加載方式，前者的試樣盒包括盒體和頂蓋，后者的試樣盒包括上剪切盒和下剪切盒，在加載方式上，前者僅加載豎向壓力，后者除了加載豎向壓力外，還要向上剪切盒施加水平剪切力。

3、現(xiàn)有的大型土工壓縮儀和大型土工直剪儀通過液壓裝置施加豎向壓力，都是利用立柱平衡液壓千斤頂?shù)姆戳Γ上蛟嚇邮┘拥淖畲筘Q向壓力約為750kn，可向試樣施加的最大水平剪切力約為310kn，可允許的顆粒最大粒徑約為100mm，適用于最大直徑約為500mm的試樣。對于大型土工直剪儀，由于施加水平剪切力的液壓千斤頂依賴于底座和橫梁提供反力，可施加的水平剪切力有限，只能對最大直徑約為500mm的試樣進(jìn)行直剪試驗。最大直徑約為500mm的試樣可允許的顆粒最大粒徑約為100mm。

4、高土石壩工程廣泛使用的堆石料的最大粒徑一般高達(dá)600～800mm，現(xiàn)有的大型土工壓縮儀對粗粒土試樣的允許顆粒粒徑要求與實際填筑堆石料最大粒徑和顆粒級配相差甚遠(yuǎn)。當(dāng)前擬建、在建的數(shù)座300m級特高土石壩，其壩體最大應(yīng)力超過5mpa，探究堆石料在這種高圍壓下的力學(xué)強度和變形特性是特高土石壩設(shè)計、建造和安全評價的關(guān)鍵，因此亟需研制可施加超大壓力、開展超大尺寸的全級配堆石料試樣力學(xué)性能試驗的裝置。這種裝置實現(xiàn)的關(guān)鍵在于超大尺寸、超高壓力、便于操作并滿足精度要求的試驗設(shè)備體系的研制，尤其是如何為施加超高豎直壓力(如40000kn)和水平剪切力(如20000kn)的液壓裝置提供反力支撐。此外，超大型的壓縮試驗與直剪試驗均需要超高要求的試驗設(shè)備和反力支承體系，試驗裝置的制造與安裝、試驗場選擇與建造技術(shù)要求高、成本高，兩項試驗集成實現(xiàn)的需求高。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種硐室反壓式全級配堆石料力學(xué)性試驗裝置，目的在于大幅提高壓縮試驗可以施加的軸向壓力，實現(xiàn)堆石料全級配料制樣，并模擬特高壩堆石體應(yīng)力環(huán)境開展堆石料強度和變形特性試驗研究。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：硐室反壓式全級配堆石料力學(xué)性試驗裝置，包括深埋地下的硐室和安裝于硐室內(nèi)的試驗裝置，硐室的端頭設(shè)有與外界連通的隧洞，硐室的頂部、底部和側(cè)壁均設(shè)置鋼筋混凝土的襯砌，硐室頂部的襯砌的表面設(shè)有第一承壓板，第一承壓板對應(yīng)的平面水平，第一承壓板的頂面固定連接至少一根第一錨固件，第一錨固件的一段埋于硐室頂部的襯砌內(nèi)，另一段插入硐室頂部的巖體內(nèi)；硐室側(cè)壁的襯砌的表面設(shè)有兩塊第二承壓板，兩塊第二承壓板各自對應(yīng)的兩個平面均豎直且相互平行，兩塊第二承壓板背對硐室的面分別固定連接至少一根第二錨固件，第二錨固件的一段埋于硐室側(cè)壁的襯砌內(nèi)，另一段插入硐室側(cè)壁的巖體內(nèi)；第一承壓板的底部懸掛有至少一臺豎向布置的第一液壓裝置，各臺第一液壓裝置通過油管與液壓站相連，各臺第一液壓裝置的頂升方向均為豎直方向；硐室底部的襯砌上設(shè)有下壓座，下壓座固定于第一承壓板的正下方，下壓座包括下支撐架及其頂部的支撐板，下支撐架與支撐板之間設(shè)有滾動裝置，支撐板的頂部固定有下壓板，下壓板的周圍設(shè)有至少三塊墊塊，各塊墊塊的高度相等并且小于下壓板的厚度，各塊墊塊上放置有試樣筒，下壓板的形狀與試樣筒在水平截面上的形狀適配，并且下壓板位于試樣筒的內(nèi)部，下壓板的外環(huán)面與試樣筒的內(nèi)壁之間間隙配合；試樣筒包括直接放置于墊塊上的下剪切盒以及位于下剪切盒上部的上剪切盒，下剪切盒的頂面與上剪切盒的底面均為水平面，上剪切盒與下剪切盒之間設(shè)有滾動裝置和固定連接結(jié)構(gòu)，上剪切盒與硐室側(cè)壁的襯砌之間設(shè)有反力支座，反力支座的一端與硐室側(cè)壁的第二承壓板相連、另一端與上剪切盒抵接，下剪切盒與硐室側(cè)壁的襯砌之間設(shè)有至少一臺沿水平向布置的第二液壓裝置，各臺第二液壓裝置的頂升方向水平，各臺第二液壓裝置通過油管與液壓站相連，各臺第二液壓裝置的一端固定于洞室側(cè)壁的第二承壓板、另一端與下剪切盒抵接，第二液壓裝置與反力支座布置于試樣筒相對的兩側(cè)；第一液壓裝置的正下方設(shè)有與之固定連接或抵接配合的上壓座，上壓座的底面為水平面，上壓座位于上剪切盒的內(nèi)部，上壓座外環(huán)面與上剪切盒的內(nèi)壁之間間隙配合，上壓座的底面、上剪切盒的內(nèi)壁、下剪切盒的內(nèi)壁和下壓板的頂面共同形成圓柱狀或直棱柱狀的試驗腔。

3、第一承壓板需要直接懸掛安裝包括第一液壓裝置，為了保證第一承壓板各個部位均能穩(wěn)固地錨固于硐室頂部的襯砌內(nèi)，進(jìn)一步的是：第一承壓板的底面與硐室頂部的襯砌底面共面，第一承壓板的頂面固定連接有固定架，第一錨固件與固定架固定連接；或者，第一承壓板的頂面還固定連接有多個彎鉤，彎鉤埋于硐室頂部的襯砌內(nèi)。例如，彎鉤的一端固定連接于第一承壓板，彎鉤的另一端設(shè)有彎頭并與硐室頂部的襯砌的配筋相連。

4、第一錨固件和第二錨固件均起到支護(hù)和加固的作用，具體的：第一錨固件和第二錨固件均為錨桿。為了確保第一錨固件和第二錨固件的支護(hù)和加固的作用，具體的：錨桿的入巖深度不低于4.50m。

5、為了確保第一承壓板和第二承壓板可以提供足夠大的反力，具體的：第一承壓板和第二承壓板均為鋼板。一般的，鋼板的厚度不低于4cm。壓縮試驗期間，試樣被壓縮，試樣筒會下降。為了降低試樣筒下降時其內(nèi)壁與下壓板的外環(huán)面之間的阻力，進(jìn)一步的是：下剪切盒的內(nèi)壁與下壓板的外環(huán)面之間設(shè)有滾動裝置，下壓板頂面的邊緣固定有密封環(huán)，密封環(huán)將下壓板外環(huán)面與試樣筒內(nèi)壁之間的間隙與壓縮試驗腔隔開。

6、下剪切盒試樣筒的質(zhì)量大，為了便于下剪切盒在下壓座的頂部準(zhǔn)確就位，進(jìn)一步的是：下壓板呈上小下大的圓臺狀或棱臺狀。

7、壓縮試驗時，墊塊起到臨時支撐試樣筒的作用，也即是墊塊在壓縮試驗期間會被取出，而直剪試驗時，墊塊無需取出。為了保證墊塊的穩(wěn)固，進(jìn)一步的是：墊塊與下壓座之間設(shè)有臨時固定結(jié)構(gòu)。

8、為了便于同步取出各個墊塊，進(jìn)一步的是：下壓座設(shè)有與各個墊塊一一對應(yīng)的第三液壓裝置，第三液壓裝置沿各個墊塊對應(yīng)的圓心在水平面呈放射狀布置，第三液壓裝置的頂升端與墊塊抵接，各臺第三液壓裝置通過油管與液壓站相連；或者，墊塊設(shè)有拉環(huán)。

9、為了降低取出墊塊的難度，更進(jìn)一步的是：墊塊呈楔形；或者，墊塊與試樣筒之間以及墊塊與下壓座之間設(shè)有滾動裝置。

10、滾動裝置的作用是降低相對運動的兩者之間的摩擦力。具體的：下支撐架與支撐板之間的滾動裝置、墊塊與試樣筒之間的滾動裝置以及墊塊與下壓座之間的滾動裝置均為滾珠、裝有多個滾珠的滾珠托架、輥筒或裝有多根輥筒的輥筒托架，輥筒的軸向與第二液壓裝置的頂升方向垂直或者與對應(yīng)的第三液壓裝置的頂升方向垂直；上剪切盒與下剪切盒之間的滾動裝置以及下剪切盒與下壓板之間的滾動裝置均為滾珠，或者為裝有多個滾珠的滾珠托架。

11、試驗腔用于裝填需要進(jìn)行壓縮試驗和直剪試驗的填筑料并制樣，試樣筒對試樣形成側(cè)限條件。進(jìn)一步的是：上剪切盒為一個整體，或者由至少兩段沿豎直方向依次拼接而成；下剪切盒為一個整體，或者由至少兩段沿豎直方向依次拼接而成。

12、土工試驗前期，先在硐室外制樣，然后將試樣移入硐室內(nèi)進(jìn)行土工試驗。為了便于移動下壓座以及放置或安裝于上壓座的試樣等物體，進(jìn)一步的是：下壓座的底部設(shè)有至少兩列行走輪，每列行走輪包括至少兩個行走輪，各列行走輪相互平行，硐室底部的襯砌與隧洞底部的襯砌上水平鋪設(shè)有連續(xù)的軌道，軌道與行走輪相互適配，各列行走輪放置于導(dǎo)軌上。

13、為了使第一液壓裝置向上壓座施加的力的方向保持豎直，也為了使第二液壓裝置向下剪切盒施加的力的方向保持水平，進(jìn)一步的是：各臺第一液壓裝置的頂升端設(shè)有球面壓座，各臺第二液壓裝置的頂升端設(shè)有球面壓座。

14、為了使第一液壓裝置和上剪切盒之間的空間更大，也為了使第二液壓裝置和下剪切盒之間的空間更大，以便于試驗操作，進(jìn)一步的是：第一液壓裝置與上壓座之間設(shè)有傳力柱或傳力架，第二液壓裝置與下剪切盒之間設(shè)有傳力柱或傳力架。

15、為了便于獲取壓縮試驗和直剪試驗的數(shù)據(jù)并控制兩種試驗的進(jìn)程，進(jìn)一步的是：硐室反壓式全級配堆石料力學(xué)性試驗裝置還包括測量裝置和控制系統(tǒng)，測量裝置包括用于監(jiān)測上壓座的下壓力以及監(jiān)測第二液壓裝置對下剪切盒的水平剪切力的測力裝置，以及用于監(jiān)測上壓座的位移以及監(jiān)測下剪切盒的位移的測位移裝置，測力裝置和測位移裝置均與控制系統(tǒng)電連接，液壓站與控制系統(tǒng)電連接。

16、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明既可以對包含大粒徑填筑料的試樣進(jìn)行超大荷載的壓縮試驗，又可以進(jìn)行超大荷載的直剪試驗，僅需要簡單調(diào)整即可。上剪切盒與下剪切盒之間設(shè)有固定連接結(jié)構(gòu)，可以將上剪切盒與下剪切盒連接為一個整體的試樣筒，解除固定連接結(jié)構(gòu)，試樣筒成為可以相對移動的上剪切盒與下剪切盒。進(jìn)行壓縮試驗時，第二液壓裝置不啟動，進(jìn)行直剪試驗時，第二液壓裝置根據(jù)試驗要求啟動。墊塊可以一直固定于下壓座，也可以從下壓座取出，可以根據(jù)試驗類型決定是否取出墊塊。

17、本發(fā)明利用硐室頂部和硐室底部為各臺第一液壓裝置提供豎向反力，第一液壓裝置可以為一臺或多臺，第一液壓裝置可以施加的總的豎直壓力大。本發(fā)明同時利用硐室側(cè)壁為各臺第二液壓裝置提供水平向反力，第二液壓裝置可以為一臺或多臺，第二液壓裝置可以施加的總的水平剪切力大。本發(fā)明可以為試驗提供超大的豎直壓力和水平剪切力大，試驗腔的尺寸可以足夠大，可以對包含顆粒粒徑達(dá)600～800mm的堆石料進(jìn)行全級配制樣并模擬特高壩堆石體應(yīng)力環(huán)境開展壓縮試驗和直剪試驗，測試堆石料的力學(xué)參數(shù)。

18、本發(fā)明用于進(jìn)行壓縮試驗時，試樣在試驗腔內(nèi)固結(jié)到一定程度后，將各個墊塊取出，此時試樣筒處于類似“懸?！钡臓顟B(tài)，接著通過第一液壓裝置向下進(jìn)行頂推，上壓座向試樣頂部施加豎向壓力，與此同時，下壓板向試樣底部施加向上的反力，使試樣雙向同步壓縮變形。試樣雙向同步壓縮變形，使豎向壓力可更有效地傳遞至試樣，顯著提高壓縮試驗的效率并改善試樣受力的均勻性，更重要的是試樣與制樣筒內(nèi)壁之間的摩擦力由單向變?yōu)橄鄬Φ碾p向，試樣與試樣筒之間的摩擦力對試樣有效應(yīng)力的影響倍減，試樣筒對試樣的壓縮變形的影響顯著降低，壓縮試驗測得的數(shù)據(jù)(豎向壓力和位移)更加準(zhǔn)確。

19、本發(fā)明用于進(jìn)行直剪試驗時，上剪切盒保持固定，下剪切盒由第二液壓裝置推動進(jìn)行剪切試驗，減少直剪試驗對第一液壓裝置的擾動，保證直剪試驗的安全，并對剪切面進(jìn)行有效控制。如果上剪切盒移動，下剪切盒靜止，在豎直壓力下和水平剪切力的合力作用下，高應(yīng)力的剪切過程中剪切面易向上方斜向滑出，上剪切盒易于傾覆。上剪切盒與下剪切盒之間設(shè)有滾動裝置，避免上下剪切盒之間存在很大的摩擦力，避免最終的試驗成果數(shù)據(jù)失真；下支撐架與支撐板之間設(shè)有滾動裝置，降低摩擦力對直剪試驗結(jié)果的影響。

20、硐室的頂部、底部和側(cè)壁均為鋼筋混凝土的襯砌并且為一個整體，確保試驗加載過程中硐室的穩(wěn)固。硐室頂部的鋼筋混凝土襯砌的表面設(shè)有第一承壓板、內(nèi)部設(shè)有固定承壓板并植入巖壁的錨固件，承壓板、錨固件、襯砌及巖壁形成協(xié)同受力、傳力的穩(wěn)固支承體系，可以為豎向布置的第一液壓裝置提供強大支承和反壓力。硐室相對的兩個側(cè)壁的襯砌的表面分別設(shè)有第二承壓板，硐室側(cè)壁的襯砌的表面設(shè)有第二承壓板、內(nèi)部設(shè)有固定承壓板并植入巖壁的錨固件，承壓板、錨固件、襯砌及巖壁形成協(xié)同受力、傳力穩(wěn)固的支承體系。硐室位于堅硬穩(wěn)固的山體內(nèi)或地下，硐室的圍巖壓覆厚度大、強度高、模量大，作為土工試驗的反力支承體的變形很小，可以為土工試驗所需的豎向壓力和水平剪切力提供強大的反力，實現(xiàn)超大尺寸試樣、超高荷載下的力學(xué)強度和變形試驗，突破性解決大粒徑粗粒土全級配土工試驗難于施加超高豎向壓力(如40000kn)和水平剪切力(如20000kn)的難題。