CN103175728B - 土的动力真三轴仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土的动力真三轴仪，顶部反力架上安装有轴向电动缸；在机架支座中安装有轴向调节活塞，轴向调节活塞向上与轴向液压缸及压力室底座依次连接，压力室底座向上通过方形筒壁与压力室顶盖之间围成压力室，压力室底座上表面中间部位用于放置试样，试样的四面为四个压力腔，每个压力腔的筒壁分别设置有侧向位移量测机构；压力室顶盖中设置有试样帽，试样帽向上与轴向传力杆连接，轴向传力杆与轴向电动缸同轴连接；各个传感器均与信号采集部分连接，信号采集部分和加载机构与加载控制部分连接。本发明的装置：能够实现实际工程中一般应力条件下三个应力方向分别加动载。

Description

土的动力真三轴仪

技术领域

本发明属于岩土工程检测设备技术领域，涉及一种土的动力真三轴仪。

背景技术

目前现有岩土动力学性质测试设备主要有动单剪仪、常规振动三轴仪、共振柱仪、振动扭剪三轴仪。其中振动扭剪三轴仪已经由单一施加环向循环扭转剪切应力发展为同时施加轴向循环正应力、环向循环扭转剪应力和侧向静压应力的三向振动加载机构。但是，现有的动扭剪三轴仪由于仪器的成本及试验的复杂性，因此在工程应用和研究中显得相对不足，现有的真三轴仪由于不能模拟动荷载情况，在其应用上就显得不够完善，受到了很多限制，导致检测精度不够高。因此完善现有的真三轴仪，使之能够完成动荷载下的试验要求，不仅可以改善扭剪仪在研究应用上的复杂性，同时能完善现有真三轴仪的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种土的动力真三轴仪，解决了现有技术中的真三轴仪由于不能模拟动荷载情况，导致检测精度不够高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种土的动力真三轴仪，在底座上端面设置有机架支座，机架支座向上与顶部反力架固定连接，顶部反力架上端安装有轴向电动缸；

在机架支座中安装有轴向调节活塞，机架支座中设置有升降控制开关、微调手柄及粗调手柄，升降控制开关、微调手柄及粗调手柄均与轴向调节活塞连接，轴向调节活塞的活塞头向上与轴向液压缸固定连接，轴向液压缸设置有液压缸控制开关；

轴向液压缸的活塞杆向上与压力室底座连接，压力室底座设置有底座排水管，底座排水管管路中设置有排水管阀门孔压传感器；压力室底座向上通过筒壁与压力室顶盖之间围成压力室，压力室底座上表面中间部位用于放置试样，试样的四面为四个压力腔，每个压力腔的筒壁外表面分别设置有一套侧向位移量测机构，侧向位移量测机构的外端头与侧向位移传感器接触；每个压力腔的筒壁另外分别设置有一个侧向加压阀门；

压力室顶盖的轴心开口并贯穿设置有试样帽，试样帽向上与轴向传力杆固定连接，轴向传力杆向上穿出顶部反力架与轴向电动缸同轴连接，轴向传力杆中设置有轴向压力传感器；轴向传力杆通过水平连杆安装有轴向位移传感器，轴向位移传感器向下与压力室顶盖上表面纵向连接，试样帽设置有试样上排水管，该试样上排水管管道中安装有试样上排水阀门孔压传感器，

所述的各个传感器均与信号采集部分连接，轴向电动缸、侧向加压阀门均与各自的加载机构连接，信号采集部分和加载机构均与加载控制部分连接。

本发明的有益效果是：能够得到三向主应力、三向主应变、饱和土三向有效主应力及动荷作用过程中孔压的变化和发展性能数据；以及用于研究非饱和土动力学特性及强度变形变化机理；完善了现有真三轴仪加载机构及控制系统，提高动荷作用下土的动力学性质测试技术水平，实现实际工程中一般应力条件下三个应力方向分别加动载，三个应力方向自由变形的模拟手段。还能够用于测试包括主应力主轴偏转、应力路径旋转及不同方向动载作用等复杂应力条件下岩土力学性状反应及土力学特性。

附图说明

图1是本发明土的动力真三轴仪的结构示意图；

图2是本发明装置中的压力室水平剖面示意图；

图3是本发明装置中的压力室轴向剖面示意图；

图4是本发明装置中的加压囊58的截面形状示意图；

图5是本发明装置中的侧向位移量测机构15的放大结构示意图；

图6是本发明装置中的液压加压机构的结构示意图；

图7是本发明装置中的伺服电动缸局部结构示意图一；

图8是本发明装置中的伺服电动缸局部结构示意图二；

图9是本发明装置的数据采集及控制原理框图；

图10是本发明装置中的动力加载及控制原理框图。

图中，1、底座；2、机架支座；3、升降控制开关；4、微调手柄；5、粗调手柄；6、顶部反力架；7、轴向调节活塞；8、活塞头；9、轴向液压缸；10、液压缸控制开关；11、底座排水管；12、排水管阀门孔压传感器；13、压力室底座；14、压力腔；15、侧向位移量测机构；16、侧向位移传感器；17、侧向加压阀门；18、压力室顶盖；19、试样帽；20、轴向传力杆；21、轴向位移传感器；22、试样上排水阀门孔压传感器；23、轴向压力传感器；24、滚柱丝杆；25、轴向电动缸；26、电机座；27、伺服电机；28、侧向电动缸；29、中部耳轴；30、缸体前盖；31、活塞杆；32、侧向液压缸；33、液压力传感器；34、试样；35、限位开关；36、轴向液压进液通道；37、活塞杆；38、行星式滚珠环；39、侧向位移传感器支架；40、支架螺栓；41、筒壁；42、排水口；43、排水通道；44、下透水板；45、转动约束弹簧；46、径向弹性约束机构；47、上透水板；48、转动约束机构；49、电动缸电源；50、隔离板；51、密封螺母；52、导向衬筒；53、侧向收缩杆；54、定位筒连接件；55、密封垫；56、定位筒；57、内端板；58、加压囊；59、程控放大器；60、采样保持器；61、A/D转换器；62、定时与逻辑控制器；63、计算机；64、参量发生器；65、PC数控模块；66、控制电路；67、运动控制卡。

具体实施方式

如图1、图3所示，本发明的土的动力真三轴仪的结构是，在底座1上端面设置有机架支座2，机架支座2通过连接杆向上与顶部反力架6固定连接，顶部反力架6上端安装有轴向电动缸25；在机架支座2中安装有轴向调节活塞7，机架支座2中设置有升降控制开关3、微调手柄4及粗调手柄5，升降控制开关3、微调手柄4及粗调手柄5均与轴向调节活塞7连接，升降控制开关3、微调手柄4及粗调手柄5均用于对轴向调节活塞7的轴向高度调节，轴向调节活塞7的活塞头8向上与轴向液压缸9固定连接，轴向液压缸9设置有液压缸控制开关10；轴向液压缸9的活塞杆37向上与压力室底座13连接，压力室底座13设置有底座排水管11，底座排水管11管路中设置有排水管阀门孔压传感器12；压力室底座13向上通过方形筒壁41与压力室顶盖18之间围成压力室，压力室底座13上表面中间部位用于放置需要检测岩土的试样34，试样34的四面为四个压力腔14，每个压力腔14的筒壁分别设置有侧向位移量测机构15，侧向位移量测机构15的外端头与侧向位移传感器16接触；每个压力腔14的筒壁另外分别设置有一个侧向加压阀门17；压力室顶盖18的轴心开口并贯穿设置有试样帽19，试样帽19向上与轴向传力杆20固定连接，轴向传力杆20向上穿出顶部反力架6与轴向电动缸25同轴连接，轴向传力杆20中设置有轴向压力传感器23；轴向传力杆20通过水平连杆安装有轴向位移传感器21，轴向位移传感器21向下与压力室顶盖18上表面纵向连接，试样帽19设置有试样上排水管，该试样上排水管管道中安装有试样上排水阀门孔压传感器22。

上述的各个传感器均与信号采集部分连接，轴向电动缸25、侧向加压阀门17均与各自的加载机构连接，信号采集部分和加载机构均与加载控制部分连接。

参照图2、图3、图4，压力室的内外结构是，压力室的四个角外表面分别设置有一套转动约束机构48，压力室的四个角上分别穿出有一个隔离板50，每个隔离板50的外端分别穿出一个角与一个转动约束机构48连接，四个隔离板50内端将压力室隔离出前后左右对称的四个压力腔14，每个压力腔14中安装有一个加压囊58，每个压力腔14的筒壁外表面设置有一个侧向位移传感器支架39，每个侧向位移传感器支架39安装有一个侧向位移传感器16，每个侧向位移传感器16的测头与侧向位移量测机构15接触，侧向位移量测机构15与各自的加压囊58连接，侧向位移传感器支架39的连接杆通过支架螺栓40连接；

参照图3，轴向液压缸9设置有轴向液压进液通道36，轴向液压缸9设置有向上的活塞杆37，活塞杆37向上与压力室底座13下表面顶紧接触；试样34的上表面与试样帽19之间设置有上透水板47，试样34的下表面设置有下透水板44，下透水板44设置有排水口42，压力室底座13内部设置有排水通道43，排水口42与排水通道43联通，每个隔离板50的外端头设置有可调整的径向弹性约束机构46，在径向弹性约束机构46上下位置分别设置有一个转动约束机构48，每个转动约束机构48的横向两边分别连接有一组转动约束弹簧45。

隔离板50及转动约束机构48用来防止四个压力腔14互相干扰。径向弹性约束机构46用来辅助隔离板50适应试样34的径向变形。

参照图4，是本发明装置中的柔性的加压囊58的俯视截面图。

参照图5，侧向位移量测机构15的具体结构是，在加压囊58的内侧（靠近试样一侧）内表面设置有内端板57，内端板57上压接有同轴对中的定位筒56，定位筒56内套装有定位筒连接螺栓54，定位筒连接螺栓54穿出加压囊58的外侧表面后设置有密封螺母51，密封螺母51与加压囊58的外侧外表面之间设置有密封垫55；定位筒连接螺栓54外端套装有侧向收缩杆53，侧向收缩杆53与筒壁41之间垫衬有导向衬筒52。

参照图6，侧向压力机构包括结构一致的两个侧方向的液压加载单元，每个液压加载单元包括固定在电机座26上的伺服电机27和中部耳轴29，中部耳轴29中固定安装有侧向电动缸28，侧向电动缸28设置有密封作用的前端盖30，伺服电机27与侧向电动缸28的丝杠传动连接，侧向电动缸28的丝杠与侧向液压缸32中的活塞杆31连接，侧向液压缸32上设置有液压力传感器33，侧向电动缸28的前后端分别设置有一个限位开关35，用于检测丝杠的极限移动位置。

参照图7、图8，是本发明装置中的轴向电动缸25和侧向电动缸28的结构，两者均为伺服电动缸，并且结构一致，包括在缸体外表面设置有电动缸电源49，在缸体后端设置有伺服电机27，在缸体内腔设置有滚柱丝杆24，滚柱丝杆24与伺服电动缸缸体内壁之间设置有行星式滚珠环38，伺服电机27旋转运动通过滚柱丝杆24转换成直线运动，将伺服电机27精确转速控制、精确转数控制和精确扭矩控制（三个最佳优点）转变成精确速度控制、精确位置控制和精确推力控制（三个工作特点），实现滚柱丝杆24的高精度直线运动。图中所示的仅是滚柱丝杆24与试样帽19的轴向连接方式，在试验过程中，滚柱丝杆24带动试样底座上下作直线运动，在试样34固结或往复运动中提供合适的轴向荷载。

参照图9，信号采集部分的结构是，排水管阀门孔压传感器12、四个侧向位移传感器16、轴向位移传感器21、试样上排水阀门孔压传感器22、轴向压力传感器23、两个液压力传感器33一起构成采样信号单元，所有采样信号单元同时与程控放大器59和定时与逻辑控制器62连接，程控放大器59的一路输出信号依次与采样保持器60、A/D转换器61及计算机63连接；程控放大器59的另一路输出信号与定时与逻辑控制器62连接，定时与逻辑控制器62再与计算机63连接。

参照图10，本发明装置的加载控制部分的结构是，包括三参量发生器64，三参量发生器64与PC数控模块65、伺服控制电路66、运动控制卡67依次连接，运动控制卡67再与伺服控制电路66反馈连接；运动控制卡67另外与三个方向的伺服电机27分别连接，每个伺服电机27再通过轴向电动缸25或侧向电动缸28分别与运动控制卡67反馈连接，构成闭合回路。

本发明装置加载控制部分的工作原理是，通过三参量发生器64确定采用加速度、速度、位移加载，通过PC数控模块65进行PID计算，然后将信号输入伺服控制电路66，伺服控制电路66复合信号偏差后将控制信号输入运动控制卡67，运动控制卡67将控制信号发送给所要加载方向的伺服电机27，伺服电机27驱动轴向电动缸25或侧向电动缸28运动，带动轴向液压缸9或侧向液压缸32运动，进而通过侧向压力腔及轴向电动缸25将动荷施加到试样33上；同时，运动控制卡67的控制信号通过位移、速度计加速度反馈又进入伺服控制电路66进行闭环修正。

本发明装置中的底座1、机架支座2、顶部反力架6、轴向调节活塞7、活塞头8、轴向液压缸9、压力室底座13、压力腔14、压力室顶盖18、试样帽19、轴向电动缸25等部件，一起构成主体结构。

本发明装置中的升降控制开关3、微调手柄4、粗调手柄5、轴向调节活塞7、压力腔14、轴向传力杆20、轴向位移传感器21、轴向压力传感器23、轴向电动缸25等部件，一起构成轴向压力机构。

轴向压力机构的工作原理是，通过伺服电机驱动轴向电动缸25，轴向电动缸25驱动液体进入管道，管道内的液体通过液压缸控制开关10进入轴向液压缸9，轴向液压缸9内的液压推动活塞杆37向上运动，进而将轴向压力施加到试样34上，轴向位移传感器21及轴向压力传感器23的量测信号输出反馈至程控放大器59和定时与逻辑控制器62，再经计算机63的程序处理后得到所需的试验数据。

本发明装置中的压力腔14、侧向位移量测机构15、侧向位移传感器16、侧向电动缸28、侧向液压缸32、液压力传感器33等部件，一起构成侧向压力机构。

侧向压力机构的工作原理是，通过伺服电机27驱动侧向电动缸28，侧向电动缸28连动侧向液压缸32的活塞向前运动，驱动侧向液压缸32内液体进入管道，管道内的液体通过侧向加压阀门17进入压力腔14，进而将侧向压力通过加压囊5858施加到试样34上，侧向位移传感器16及液压力传感器33的量测信号输出反馈至程控放大器59和定时与逻辑控制器62，经计算机63内的程序处理后得到所需的试验数据。

本发明装置的结构及工作情况还包括：

①、筒壁41、压力室底座13及压力室顶盖18，均采用不锈钢材料制成，宽度和长度都为120cm，高度为80cm；上透水板47、下透水板44、轴向传力杆20也采用不锈钢材料制成。在压力室内的四块隔离板50，使得侧向分为四个不同的梯形部分，使得小主应力和中主应力的施加互不干扰，并且在试样变形时隔离板50还能实现伸缩和旋转。

②、试样的中主应力和小主应力由两个方向的两对压力腔14提供，两对压力腔14总共包括四个加压囊58，分别安装在四块隔离板50之间，分为水平的直角交叉方向（X向和Y向）。试验时，压力腔14内充满液体，压力的施加是电动缸推动液压来施加到试样上。加压囊58采用乳胶材料制成，在垂直于试样的方向上有足够的变形量，以便能跟踪试样在侧向上的变形，同时也使中主应力和小主应力能够均匀地施加到试样表面上。加压囊58在平行于试样表面方向的尺寸在高度上略大于试样的尺寸，在宽度方向上等于试样的尺寸，这样可使试样的橡皮套在试验过程中始终与加压囊58接触，从而尽可能的消除边角应力的影响。实施例的加压囊58膜厚为0.5mm，轴向长度为7.1cm，水平长度为7.0cm，深度为3.0cm，从外向里的深度方向呈梯形状。

③、固结加压

固结压力由电动缸推动液压通过底座和侧面两对压力腔施加到试样上，在试验固结时能实现三个固结压力的单独施加，三个固结压力即水平的X向压力、Y向压力以及竖直的Z向压力，三个固结压力互不干扰和影响，并且通过三个固结压力的调节，实现了真正的Kc固结。

④、轴向加压

静力通过轴向调节活塞7推动液压施加到轴向液压缸9，轴向液压缸9的活塞上升推动压力室底座13的上升而将应力施加到试样上。动力通过轴向电动缸25推动轴向传力杆20施加到试样上。

⑤、轴向加载、两个侧向加载同时实施，进行混合加载。

上述的③、④、⑤依次为试验加压的先后顺序。

本发明的土的动力真三轴仪，根据试验要求，对长方体试样34施加静荷载和（或）动荷载，即轴向静力主应力、侧向中主静应力、侧向小主静应力分别由轴向压力机构的轴向压力腔9和侧向压力机构的压力腔14控制实现。其中，轴向压力传感器23、液压力传感器33、轴向位移传感器21、侧向位移传感器16的量测信号经自动控制系统反馈于三个方向的伺服电机27实现应力加载，动力通过轴向电动缸25及伺服电机27、伺服控制电路66共同完成。本发明不但能够实现常规动应力应变加载，真三轴条件下的动力应力加载，而且能模拟工程实际中的地震、爆炸等动荷作用下的土体动力强度及变形特性。

Claims (3)

1.一种土的动力真三轴仪，其特征在于：在底座(1)上端面设置有机架支座(2)，机架支座(2)向上与顶部反力架(6)固定连接，顶部反力架(6)上端安装有轴向电动缸(25)；

在机架支座(2)中安装有轴向调节活塞(7)，机架支座(2)中设置有升降控制开关(3)、微调手柄(4)及粗调手柄(5)，升降控制开关(3)、微调手柄(4)及粗调手柄(5)均与轴向调节活塞(7)连接，轴向调节活塞(7)的活塞头(8)向上与轴向液压缸(9)固定连接，轴向液压缸(9)设置有液压缸控制开关(10)；

轴向液压缸(9)的活塞杆(37)向上与压力室底座(13)连接，压力室底座(13)设置有底座排水管(11)，底座排水管(11)管路中设置有排水管阀门孔压传感器(12)；压力室底座(13)向上通过筒壁(41)与压力室顶盖(18)之间围成压力室，压力室底座(13)上表面中间部位用于放置试样(34)，试样(34)的四面为四个压力腔(14)，每个压力腔(14)的筒壁外表面分别设置有一套侧向位移量测机构(15)，侧向位移量测机构(15)的外端头与侧向位移传感器(16)接触；每个压力腔(14)的筒壁另外分别设置有一个侧向加压阀门(17)；

压力室顶盖(18)的轴心开口并贯穿设置有试样帽(19)，试样帽(19)向上与轴向传力杆(20)固定连接，轴向传力杆(20)向上穿出顶部反力架(6)与轴向电动缸(25)同轴连接，轴向传力杆(20)中设置有轴向压力传感器(23)；轴向传力杆(20)通过水平连杆安装有轴向位移传感器(21)，轴向位移传感器(21)向下与压力室顶盖(18)上表面纵向连接，试样帽(19)设置有试样上排水管，该试样上排水管管道中安装有试样上排水阀门孔压传感器(22)，

所述的各个传感器均与信号采集部分连接，轴向电动缸(25)、侧向加压阀门(17)均与各自的加载机构连接，信号采集部分和加载机构均与加载控制部分连接；

所述的压力室的结构是，压力室的四个角上分别穿出有一个隔离板(50)，压力室的四个角外表面分别设置有一套转动约束机构(48)，每个隔离板(50)的外端分别穿出一个角与一个转动约束机构(48)连接；每个隔离板(50)的外端头设置有调整的径向弹性约束机构(46)，两个转动约束机构(48)分别设置在径向弹性约束机构(46)上下位置，每个转动约束机构(48)两边分别设置有一组转动约束弹簧(45)；四个隔离板(50)内端将压力室隔离出前后左右对称的四个压力腔(14)，每个压力腔(14)中安装有一个加压囊(58)，每个压力腔(14)的筒壁外表面设置有一个侧向位移传感器支架(39)，每个侧向位移传感器支架(39)安装有一个侧向位移传感器(16)，侧向位移量测机构(15)与各自的加压囊(58)连接；

所述的试样(34)的上表面与试样帽(19)之间设置有上透水板(47)，试样(34)的下表面设置有下透水板(44)，下透水板(44)设置有排水口(42)，压力室底座(13)内部设置有排水通道(43)，排水口(42)与排水通道(43)联通；

所述的侧向位移量测机构(15)的结构是，在加压囊(58)的内侧内表面设置有内端板(57)，内端板(57)上压接有同轴对中的定位筒(56)，定位筒(56)内套装有定位筒连接螺栓(54)，定位筒连接螺栓(54)穿出加压囊(58)的外侧表面后设置有密封螺母(51)，密封螺母(51)与加压囊(58)的外侧外表面之间设置有密封垫(55)；定位筒连接螺栓(54)外端套装有侧向收缩杆(53)，侧向收缩杆(53)与筒壁(41)之间垫衬有导向衬筒(52)；

所述的加载机构包括一个轴向压力机构和两个侧向压力机构，三个压力机构结构一致，

其中的侧向压力机构包括结构一致的两个侧方向的液压加载单元，每个液压加载单元结构是，包括固定在电机座(26)上的伺服电机(27)和中部耳轴(29)，中部耳轴(29)中固定安装有侧向电动缸(28)，侧向电动缸(28)设置有密封作用的前端盖(30)，伺服电机(27)与侧向电动缸(28)的丝杠传动连接，侧向电动缸(28)的丝杠与侧向液压缸(32)中的活塞杆(31)连接，侧向液压缸(32)上设置有液压力传感器(33)，侧向电动缸(28)的前后端分别设置有一个限位开关(35)；

所述的轴向电动缸(25)和侧向电动缸(28)的结构，两者均为伺服电动缸，并且结构一致，包括在缸体外表面设置有电动缸电源(49)，在缸体后端设置有伺服电机(27)，在缸体内腔设置有滚柱丝杆(24)，滚柱丝杆(24)与伺服电动缸缸体内壁之间设置有行星式滚珠环(38)。

2.根据权利要求1所述的土的动力真三轴仪，其特征在于：所述的信号采集部分的结构是，排水管阀门孔压传感器(12)、四个侧向位移传感器(16)、轴向位移传感器(21)、试样上排水阀门孔压传感器(22)、轴向压力传感器(23)、两个液压力传感器(33)一起构成采样信号单元，所有采样信号单元同时与程控放大器(59)和定时与逻辑控制器(62)连接，程控放大器(59)的一路输出信号依次与采样保持器(60)、A/D转换器(61)及计算机(63)连接；程控放大器(59)的另一路输出信号与定时与逻辑控制器(62)连接，定时与逻辑控制器(62)再与计算机(63)连接。

3.根据权利要求1所述的土的动力真三轴仪，其特征在于：所述的加载控制部分的结构是，包括三参量发生器(64)，三参量发生器(64)依次与PC数控模块(65)、伺服控制电路(66)、运动控制卡(67)连接，运动控制卡(67)再与伺服控制电路(66)反馈连接；运动控制卡(67)另外与三个方向的伺服电机(27)分别连接，每个伺服电机(27)再通过轴向电动缸(25)或侧向电动缸(28)与运动控制卡(67)构成闭合回路。