一种用于真三轴试验的双向恒压减摩均载机构的制作方法

本发明涉及岩土工程及实验力学测试，具体为一种用于真三轴试验的双向恒压减摩均载机构，尤其是一种能够适配拉伸与压缩两种应力状态，并能在两种状态下均提供稳定减摩与均匀传力功能的一体化机构。

背景技术：

1、三轴试验是研究岩土、混凝土、复合材料等固体材料在复杂三维应力状态下力学特性的核心手段。其通过在试样的三个正交方向（x、y、z）上独立施加并控制应力，以模拟材料在实际工程中的真实受力状态。随着研究深入，对材料在复杂应力路径下的响应需求日益增加，例如研究岩体在真三轴压缩、两压一拉、两拉一压等复杂工况下的力学响应。

2、现有的真三轴试验系统在实现上述复杂加载路径，特别是涉及拉伸加载时，面临两个主要技术瓶颈：

3、第一，减摩与加载模式冲突。为减小加载板与试样端面之间的摩擦约束对试样内部应力均匀性的不利影响，传统方法通常设置减摩装置，如单层滚排、低摩擦垫片或柔性垫层。然而，这些减摩设计大多为单向承压结构。当加载方向由压缩变为拉伸时，滚排无法维持受压接触状态，减摩功能失效。因此，进行拉、压混合路径试验时，往往需要更换或调整减摩部件，严重影响了试验效率与连续性，且操作繁琐易引入误差。此外，真三轴试验为消除应力空白角通常设计互扣式夹具，其随试样变形而错动时彼此间产生摩擦，亦需予以减小。

4、第二，非均匀变形下的荷载传递不均。在真三轴试验中，由于材料的各向异性、初始缺陷或应力集中，试样在加载过程中容易发生不均匀变形。传统的刚性加载板无法自适应这种变形，导致荷载无法均匀传递至试样整个端面，造成局部应力集中，影响试样内部应力场的真实性，甚至导致试样在非目标区域提前破坏，试验数据失真。

5、因此，研制一种能够适应拉压一体化加载、具备稳定减摩效果并能自适应试样不均匀变形的高性能传力均载机构，对于提升真三轴试验尤其是复杂应力路径试验的精度、可靠性和效率，具有迫切需求和重要意义。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于真三轴试验的双向恒压减摩均载机构，以解决现有技术中减摩装置无法适应拉压转换、以及刚性加载无法补偿试样不均匀变形的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种用于真三轴试验的双向恒压减摩均载机构，包括：

4、嵌套式外框架，由套在一起的第一框架与第二框架构成，用于连接轴向加载系统与试样加载端；

5、双向恒压滚排组件，设置于所述嵌套式外框架的内部空间，所述双向恒压滚排组件包括横向滚排和垂向滚排，所述横向滚排和垂向滚排之间设置有承压隔板；所述双向恒压滚排组件被配置为在所述嵌套式外框架承受轴向拉伸载荷或轴向压缩载荷时，其内部滚排均能保持恒定受压接触状态以实现减摩；

6、球头均载组件，设置于所述嵌套式外框架内并邻接所述双向恒压滚排组件，所述球头均载组件包括相互球面配合的球头与球窝承压件，用于将作动器施加的载荷自适应地均匀传递至试样加载表面。

7、优选地，所述第一框架与第二框架均呈回字形结构，所述第一框架包括第一承压基座及设置在第一承压基座上的基座盖板，所述第二框架包括第二承压基座及设置在第二承压基座上的基座盖板。

8、优选地，所述横向滚排和垂向滚排均包括矩形保持架和转动设置在矩形保持架中的多个相互平行的滚柱，横向滚排的滚柱与垂向滚排的滚柱在空间上呈正交布置，且所有滚柱的轴线方向均垂直于作动器的加载方向，用于减小在垂直于加载方向上的摩擦力。

9、优选地，所述双向恒压滚排组件还包括滚排位置调节机构，所述滚排位置调节机构包括设置于所述嵌套式外框架内侧壁与滚排组件外侧壁之间的滚排调节围板，所述滚排调节围板通过平移约束螺栓和对中弹簧与所述嵌套式外框架连接；通过松紧所述平移约束螺栓，能够在所述对中弹簧的作用下驱动所述滚排调节围板移动，以实现对所述双向恒压滚排组件的对中与预定位。

10、优选地，所述球头一体成型于或固定连接于所述第一承压基座顶部内侧，所述球窝承压件设置于双向恒压滚排组件上方、球头下方，球窝承压件的底部为平面并与双向恒压滚排组件接触，球窝承压件上侧中部设置有与球头球面配合的球窝，且球头凸出高度大于球窝深度。

11、优选地，所述球头均载组件还包括球头活动约束机构，所述球头活动约束机构包括设置于所述第一承压基座上的球头调节螺栓；所述球头调节螺栓在试验准备阶段旋紧时能够抵接所述球窝承压件并限制其自由转动，以便于试样平行预紧；在正式加载前松开所述球头调节螺栓，使所述球头能够在所述球窝内自适应转动以保证均载。

12、优选地，所述第一框架与第二框架的基座盖板上均开设有通孔，所述第一承压基座顶部外侧连接作动器，且所述作动器从第二框架的基座盖板上的通孔活动穿出；第二承压基座底部外侧连接压头，且所述压头从第一框架的基座盖板上的通孔活动穿出。

13、本发明还提供一种拉压一体化的真三轴试验机，所述真三轴试验机的轴向加载支路上至少集成有一个所述的用于真三轴试验的双向恒压减摩均载机构。

14、本发明还提供一种基于所述用于真三轴试验的双向恒压减摩均载机构的操作方法，包括以下步骤：

15、步骤一：将所述双向恒压减摩均载机构固定于轴向作动器与试样加载端之间，试验期间无需拆卸或重新安装；

16、步骤二：放置试样前，预先旋紧所述滚排位置调节组件的平移约束螺栓及所述球头活动约束机构的调节螺栓，使均载机构内部组件暂时锁定；将带有互扣式夹具的试样安置于加载台上，利用锁定状态的均载机构辅助调整，确保试样与加载端面居中对正且相互平行，并对试样施加初始预紧力；完成预紧后，松开所述平移约束螺栓与所述调节螺栓，解除对内部组件的运动约束，开始施加正式试验载荷；

17、步骤三：当作动器施加轴向压缩载荷时，载荷依次经由所述第一承压基座、所述球头均载组件、所述双向恒压滚排组件、所述第二承压基座传递至加载端与试样；在加载过程中，所述双向恒压滚排组件滚动减摩，所述球头均载组件自适应转动均载；

18、步骤四：当作动器施加轴向拉伸载荷时，载荷依次经由所述第二承压基座的基座盖板、所述第二承压基座、所述双向恒压滚排组件、所述球头均载组件、所述第一承压基座、所述第一承压基座的基座盖板传递至加载端与试样；在此过程中，所述双向恒压滚排组件保持受压状态滚动减摩，所述球头均载组件自适应转动均载。

19、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

20、1.拉压一体化：独特的嵌套框架与双向恒压滚排设计，使得同一套机构在不更换任何部件的情况下，即可完美适应轴向拉伸、压缩及其混合的复杂加载工况，显著简化了试验操作流程，提高了试验效率与连续性。

21、2.恒压稳定减摩：无论加载方向如何，滚排组件内部的滚动体始终保持受压接触状态，确保了减摩效果的连续性和稳定性，有效降低了试验系统摩擦对试样应力状态的影响，提升了测试精度。

22、3.自适应均载：集成的球头均载组件能够根据试样端面的实际变形情况自适应转动，将集中载荷自动调整为均匀面荷载，避免了因试样不均匀变形导致的应力集中，使试样内部应力场更真实、试验结果更可靠。

23、4.预紧与释放功能：机构集成了滚排位置调节组件和球头活动约束机构，可在试样安装和预紧阶段锁定内部组件，辅助试样对中与平行预紧；在正式试验时释放，使机构发挥减摩与均载功能，操作便捷且人性化。

24、5.结构紧凑、刚度高：将多重功能集成于一个模块化单元内，缩短了加载链，提高了整个加载系统的刚度，有利于精确控制载荷与位移。

25、综上，本发明可在岩土工程、地质力学、材料科学等领域的真三轴试验及相关力学测试中广泛推广与应用。