CN102353596A - 一种应力路径自动控制三轴仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种应力路径自动控制三轴仪，包括：压力控制装置、数据测量与采集装置、常规三轴仪微机。其中，压力控制装置的输入端与微机相连，输出端与常规三轴仪相连以传输压力荷载；数据测量与采集装置输入端与三轴仪相连，传输位移、压力和体变的模拟信号数据，输出端与微机相连，记录数据。本发明在常规三轴仪的基础上实现了应力路径自动控制实验的功能，可以进行复杂的应力路径实验；轴向加压气缸的添加使常规三轴仪能进行拉伸实验；围压与轴向压力在实验过程中都可自动变化，且数据的测量与采集过程自动，具有功能强大，操作简便的特点。

Description

一种应力路径自动控制三轴仪

技术领域

本发明涉及土木工程室内试验技术领域的装置，且特别涉及一种应力路径自动控制三轴仪。

背景技术

在建立土的本构模型时，必须首先确定塑性屈服面方程。应力路径试验是获得塑性屈服面的重要手段，要求试验仪器能对荷载进行自动控制，以获得符合要求的各种应力路径。

应力路径试验中最常用的仪器母体是常规三轴仪。常规三轴仪主要用来测量土的强度指标、应力应变关系和应力路径，是直观简单且可靠有效的实验设备。自1930年研制成功以来，历经70多年的发展，已在土工领域有着广泛的应用。常规三轴仪能进行排水和不排水剪切实验，可以完整的反映试样从开始变形到破坏的整个过程，数据量测可靠，是基本的室内土工试验仪器。

但一般常规三轴仪有其局限性：它只能进行应变控制实验，通过电机带动压力室以一定速率上升来实现轴向应力加载，无法进行应力控制实验；围压大小需要手动控制，不便于在实验过程中连续变化。基于以上原因常规三轴仪无法用来进行复杂的应力路径实验。

经对现有文献检索发现与现有技术具有相关性的专利为：应变控制式三轴仪剪切装置(中国专利申请号为：02286391.5)，该专利在三轴主机的立柱上，放置多个压力室支撑装置，以实现三至四个土样同时固结、分别剪切的目的，但是该技术未涉及应力路径自动控制方面的技术。另外还有专利：一种土工三轴仪压力室(中国专利申请号为：200810037713.X)，该专利涉及一种土工三轴仪压力室，具有一个与压力罩顶盖中心滑配的活塞，活塞的断面面积和形状与压力室中具体试验的试样的断面面积和形状相同。实现了土样无侧限条件，试验土样的种类和最大高度都得到了增加，提高了压力室的通用性。但是该技术也未涉及应力路径自动控制方面的技术。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种应力路径自动控制三轴仪。本发明通过在常规三轴仪上改进和加装压力控制装置、数据采集装置和数据测量装置，实现了三轴仪上应力路径自动控制的功能。

为了达到上述目的，本发明提出一种应力路径自动控制三轴仪，应用于土木工程领域，包括：

压力控制装置、数据测量与采集装置、三轴仪与微机；

其中，所述压力控制装置的输入端与所述微机相连，所述压力控制装置的输出端与所述三轴仪相连以传输压力荷载；

所述数据测量与采集装置的输入端与所述三轴仪相连，传输位移、压力和体变的模拟信号数据，所述数据测量与采集装置的输出端与所述微机相连。

进一步的，所述压力控制装置包括：

空气压缩机、气压传输三通阀、轴向加压装置和围压加压装置；

其中：所述轴向加压装置的输入端接收压力信号，其输出端与所述三轴仪相连，控制轴向压力；

所述围压加压装置的输入端接收压力信号，其输出端与所述三轴仪相连，控制围压；

所述气压传输三通阀分别与所述空气压缩机、轴向加压装置和围压加压装置相连，控制总的气压通断。

进一步的，所述气压传输三通阀采用金属制T型三通三向阀门，其耐压范围为-10MPa～+10MPa。

进一步的，所述轴向加压装置包括第一电空转换器、第一单向阀与轴向加压气缸；所述围压加压装置包括第二电空转换器、第二单向阀与围压高压密闭蓄水瓶。

进一步的，所述第一单向阀和第二单向阀为金属制双通单向阀门，耐压范围为-10MPa～+10MPa。

进一步的，所述第一电空转换器和第二电空转换器在收到电压信号时负责气流控制的挡板和喷嘴间的间距变窄，控制压力上升；反之则压力下降，其压力输入范围：0.8～1.2MPa，压力输出范围：0.02～0.84MPa，电压范围：0～10V。

进一步的，所述数据测量与采集装置包括：压力传感器、位移计、体变计与孔压计、数据采集仪；

其中：所述压力传感器的输入端分别与所述轴向加压装置与所述围压加压装置连接，测量压力，所述压力传感器的输出端与所述数据采集仪相连；

所述位移计设置在所述三轴仪上，测量土体轴向变形，所述位移计的输出端与所述数据采集仪相连；

所述体变计与所述三轴仪的排水口相连，测量土体体变，所述体变计的输出端与所述数据采集仪相连；

所述孔压计采用所述三轴仪的测量设备，测量孔隙水压力，所述孔压计的输出端与所述数据采集仪相连。

进一步的，所述孔压计采用应变式压力传感器，其工作范围为：0MPa～1.0Mpa；所述位移计采用应变式位移传感器，其工作范围为：0mm～30mm；所述压力传感器采用应变式压力传感器，其工作范围为0～1.0MPa。

进一步的，所述微机包括：数模转换卡、计算机与控制程序模块；

其中，所述数模转换卡的输入端与所述计算机相连，接收数字信号，所述数模转换卡的输出端与电空转换器相连，传输模拟信号；数据采集仪输出端与所述计算机相连，所述计算机中的控制程序模块接收数据，处理并储存，同时通过所述计算机向所述数模转换卡发送数字信号控制压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在常规三轴仪的基础上实现了应力路径自动控制实验的功能，可以进行复杂的应力路径实验；轴向加压气缸的添加使常规三轴仪能进行拉伸实验；围压与轴向压力在实验过程中都可自动变化，且数据的测量与采集过程自动。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的应力路径自动控制三轴仪结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的应力路径自动控制三轴仪结构示意图。本发明提出一种应力路径自动控制三轴仪，应用于土木工程领域，包括：压力控制装置1、数据测量与采集装置2、三轴仪3与微机4；其中，所述压力控制装置1的输入端与所述微机4相连，所述压力控制装置1的输出端与所述三轴仪3相连以传输压力荷载；所述数据测量与采集装置2的输入端与所述三轴仪3相连，传输位移、压力和体变的模拟信号数据，所述数据测量与采集装置2的输出端与所述微机4相连。

根据本发明较佳实施例，所述压力控制装置1包括：空气压缩机5、气压传输三通阀6、轴向加压装置22和围压加压装置23；其中：所述轴向加压装置22的输入端接收压力信号，其输出端与所述三轴仪3相连，控制轴向压力；所述围压加压装置23的输入端接收压力信号，其输出端与所述三轴仪3相连，控制围压；所述气压传输三通阀6分别与所述空气压缩机5、轴向加压装置22和围压加压装置23相连，控制总的气压通断。背压无需自动控制，沿用原常规三轴仪3的加压系统。

进一步的，所述气压传输三通阀6采用金属制T型三通三向阀门，其耐压范围为-10MPa～+10MPa。

所述轴向加压装置22包括第一电空转换器7、第一单向阀9与轴向加压气缸11；所述围压加压装置23包括第二电空转换器8、第二单向阀10与围压高压密闭蓄水瓶12。

进一步的，所述第一单向阀9和第二单向阀10为金属制双通单向阀门，耐压范围为-10MPa～+10MPa。所述第一电空转换器7和第二电空转换器8在收到电压信号时负责气流控制的挡板和喷嘴间的间距变窄，控制压力上升；反之则压力下降，其压力输入范围：0.8～1.2MPa，压力输出范围：0.02～0.84MPa，电压范围：0～10V。所述的轴向加压气缸11直径为20cm。所述的围压高压密闭蓄水瓶12直径为25cm，高40cm。

根据本发明较佳实施例，所述数据测量与采集装置2包括：压力传感器13和14、位移计17、体变计16与孔压计15、数据采集仪18；其中：所述压力传感器13和14的输入端分别与所述轴向加压装置22中第一电空转换器7以及所述围压加压装置23中第二电空转换器8连接，测量压力，所述压力传感器13和14的输出端与所述数据采集仪18相连；所述位移计17设置在所述三轴仪3上，测量土体轴向变形，所述位移计17的输出端与所述数据采集仪18相连；所述体变计16与所述三轴仪3的排水口相连，测量土体体变，所述体变计16的输出端与所述数据采集仪18相连；所述孔压计15采用所述三轴仪3的测量设备，测量孔隙水压力，所述孔压计15的输出端与所述数据采集仪18相连。

进一步的，本实施例选用的三轴仪3是国内具有大量用户的SJ-1A常规三轴仪，该常规三轴仪3包括：压力室、变速箱、支架、电机和孔压计15。所述孔压计15采用应变式压力传感器，其工作范围为：0MPa～1.0Mpa；所述位移计17采用应变式位移传感器，其工作范围为：0mm～30mm；所述压力传感器13和14采用应变式压力传感器，其工作范围为0～1.0MPa。

根据本发明较佳实施例，所述微机4包括：数模转换卡21、计算机19与控制程序模块20；其中，所述数模转换卡21的输入端与所述计算机19相连，接收数字信号，所述数模转换卡21的输出端与第一电空转换器7以及第二电空转换器8相连，传输模拟信号；数据采集仪18输出端与所述计算机19相连，所述计算机19中的控制程序模块20接收数据，处理并储存，同时通过所述计算机19向所述数模转换卡21发送数字信号控制压力。

本发明较佳实施例的工作过程如下：

1、安装试件至压力室，并调整位移计17和体变计16至合适的初始状态。

2、打开气压传输三通阀6至连通状态，将压力室内注满水。

3、打开计算机19，打开数据采集仪18，开始进行压力调整。

4、第一电空自动转换器7和第二电空自动转换器8逐渐提高输出电压(从0到9v)，将压力由0提升至某任意值，并测得各电压值对应的输出空气压力值，得到电压与输出空气压力的相关曲线与比例系数。后续工作中将按照该比例系数在用电压来控制输出空气压力。

5、将自动控制部分的压力归零，打开第一单向阀9和第二单向阀10。

6、在控制程序模块20中输入试样尺寸，固结及剪切时间，测试应力路径等信息。

7、启动控制程序模块20，测试由电脑全自动控制固结和剪切过程，并将试验数据存储在计算机19的记忆装置(一般为硬盘)内，直至剪切结束。

8、对计算机19内存储的数据进行相应处理，得到所需结果。

综上所述，本发明在常规三轴仪的基础上实现了应力路径自动控制实验的功能，可以进行复杂的应力路径实验；轴向加压气缸的添加使常规三轴仪能进行拉伸实验；围压与轴向压力在实验过程中都可自动变化，且数据的测量与采集过程自动，具有功能强大，操作简便的特点。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种应力路径自动控制三轴仪，应用于土木工程领域，其特征在于，包括：

压力控制装置、数据测量与采集装置、三轴仪与微机；

其中，所述压力控制装置的输入端与所述微机相连，所述压力控制装置的输出端与所述三轴仪相连以传输压力荷载；

所述数据测量与采集装置的输入端与所述三轴仪相连，传输位移、压力和体变的模拟信号数据，所述数据测量与采集装置的输出端与所述微机相连。

2.根据权利要求1所述的应力路径自动控制三轴仪，其特征在于，所述压力控制装置包括：

空气压缩机、气压传输三通阀、轴向加压装置和围压加压装置；

其中：所述轴向加压装置的输入端接收压力信号，其输出端与所述三轴仪相连，控制轴向压力；

所述围压加压装置的输入端接收压力信号，其输出端与所述三轴仪相连，控制围压；

所述气压传输三通阀分别与所述空气压缩机、轴向加压装置和围压加压装置相连，控制总的气压通断。

3.根据权利要求2所述的应力路径自动控制三轴仪，其特征在于，所述气压传输三通阀采用金属制T型三通三向阀门，其耐压范围为-10MPa～+10MPa。

4.根据权利要求2所述的应力路径自动控制三轴仪，其特征在于，所述轴向加压装置包括第一电空转换器、第一单向阀与轴向加压气缸；所述围压加压装置包括第二电空转换器、第二单向阀与围压高压密闭蓄水瓶。

5.根据权利要求4所述的应力路径自动控制三轴仪，其特征在于，所述第一单向阀和第二单向阀为金属制双通单向阀门，耐压范围为-10MPa～+10MPa。

6.根据权利要求4所述的应力路径自动控制三轴仪，其特征在于，所述第一电空转换器和第二电空转换器在收到电压信号时负责气流控制的挡板和喷嘴间的间距变窄，控制压力上升；反之则压力下降，其压力输入范围：0.8～1.2MPa，压力输出范围：0.02～0.84MPa，电压范围：0～10V。

7.根据权利要求2所述的应力路径自动控制三轴仪，其特征在于，所述数据测量与采集装置包括：压力传感器、位移计、体变计与孔压计、数据采集仪；

其中：所述压力传感器的输入端分别与所述轴向加压装置与所述围压加压装置连接，测量压力，所述压力传感器的输出端与所述数据采集仪相连；

所述位移计设置在所述三轴仪上，测量土体轴向变形，所述位移计的输出端与所述数据采集仪相连；

所述体变计与所述三轴仪的排水口相连，测量土体体变，所述体变计的输出端与所述数据采集仪相连；

所述孔压计采用所述三轴仪的测量设备，测量孔隙水压力，所述孔压计的输出端与所述数据采集仪相连。

8.根据权利要求7所述的应力路径自动控制三轴仪，其特征在于，所述孔压计采用应变式压力传感器，其工作范围为：0MPa～1.0Mpa；所述位移计采用应变式位移传感器，其工作范围为：0mm～30mm；所述压力传感器采用应变式压力传感器，其工作范围为0～1.0MPa。

9.根据权利要求2所述的应力路径自动控制三轴仪，其特征在于，所述微机包括：数模转换卡、计算机与控制程序模块；

其中，所述数模转换卡的输入端与所述计算机相连，接收数字信号，所述数模转换卡的输出端与电空转换器相连，传输模拟信号；数据采集仪输出端与所述计算机相连，所述计算机中的控制程序模块接收数据，处理并储存，同时通过所述计算机向所述数模转换卡发送数字信号控制压力。

Images