CN103454138A

CN103454138A - 一种卧式压力室结构土工平面应变三轴仪

Info

Publication number: CN103454138A
Application number: CN2013103568407A
Authority: CN
Inventors: 邵生俊; 罗爱忠; 潘德勇; 王晓峰; 马林
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2013-08-15
Filing date: 2013-08-15
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-08-15
Also published as: CN103454138B

Abstract

本发明公开了一种卧式压力室结构土工平面应变三轴仪，包括主机部分、三向应力加载及量测机构、采集控制机构三部分，主机部分的结构是，包括固定安装在底座上的四个立柱，在该四个立柱上段固定安装有底盘及顶盖，在底盘及顶盖的四边固定连接有侧壁，底盘、顶盖及四个侧壁共同围成压力室，压力室内腔中心放置有长方体形状的试样；三向应力加载及量测机构包括大应力、小应力和中应力加载及量测机构。本发明的装置，通过平面应变三轴试验可以得到三向应力、两向主应变、非饱和三向应力，互不干扰；实现了平面应变试验的剪切带及局部化变形的研究；能够在平面应力路径条件下研究非饱和土的力学特性及强度变形变化机理。

Description

一种卧式压力室结构土工平面应变三轴仪

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种卧式压力室结构土工平面应变三轴仪。

背景技术

现有的土力学性质测试设备主要有直剪仪、常规三轴仪、真三轴仪和平面应变三轴仪。其中直剪仪模拟给定剪切面上的法向应力和切向应力，可测试剪切面上的剪应力和剪应变，但不能够控制排水条件；常规三轴仪模拟轴对称应力条件，不能实现一般应力条件土力学特性的测试；真三轴仪可实现土体中一般的应力条件的模拟，但对于许多平面应变边值问题，进行真三轴试验相对繁琐，且难以全过程模拟平面应变条件；平面应变三轴仪主要控制三向应力不同，其中一个轴向的应变为零，是一种特殊的复杂应力状态的真三轴仪。

由于实际工程中，大多数土工问题都近似于平面应变问题，如土石坝、路堤、挡土墙及条形基础等，开展平面应变试验具有实际意义。另外，由于孔隙的变化及土颗粒的滑移、破碎等形式共同作用导致土的变形，通过平面应变试验能够得到土颗粒滑移、破碎的变化规律，进行土的局部化变形及剪切带形成机理的研究，从而为分析土的力学特性及其物理本质（也即是物质结构特性），提供有力的方法和途径。

平面应变三轴仪的结构设计难点在于侧向两个应力相互独立，并且必须一个侧向主应变始终为零，另外，对于孔隙水和孔隙气压力的控制和量测较难控制。因此，改善现有平面应变试验的加载机构，克服以上难点，开发一种符合工程实际中土的平面应变问题的实验仪器，具有显著的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种卧式压力室结构土工平面应变三轴仪，解决了现有技术中的平面应变三轴仪中保持一个方向主应变始终为零，以及孔隙水和孔隙气压力的控制和量测较难控制的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种卧式压力室结构土工平面应变三轴仪，包括主机部分、三向应力加载及量测机构、采集控制机构，

主机部分的结构是，包括固定安装在底座上的四个立柱，在该四个立柱上段固定安装有底盘及顶盖，在底盘及顶盖的四边固定连接有侧壁，底盘、顶盖及四个侧壁共同围成压力室，压力室内腔中心放置有长方体形状的试样；

三向应力加载及量测机构包括大应力、小应力和中应力加载及量测机构。

本发明的卧式压力室结构土工平面应变三轴仪，其特点还在于：

中应力加载及量测机构的结构是，在顶盖及底盘内表面分别镶嵌有上活动板和下活动板，上活动板和下活动板分别与试样的上下端面接触；下活动板向下连接有中应力测力缸，中应力测力缸与中应力传感器连接，下活动板上表面另外镶嵌有下透水板，下透水板与孔隙水压力传感器B连通；上活动板下表面中心位置的凹槽中设置有上透水板，上透水板与孔隙水压力传感器A连通。

上活动板下表面设置有凹槽，凹槽中镶嵌有上透水板，上活动板中心设置有排气孔，上透水板通过排气孔与孔隙水压力传感器A连通。

下活动板的上表面另外设置有两个凹槽，其中的一个凹槽内安置有下透水板，下透水板向下通过排水孔与孔隙水压力传感器B连通；同时，下活动板另外的一个凹槽内设置有土压力盒，土压力盒下端连通中应力测力缸，中应力测力缸与底盘固定连接。

大、小应力加载及量测机构的结构是，围绕试样的四面分别设置有一个侧板，相邻的侧板依次垂直滑动接触，四块侧板与试样作用面分成了正交的两组；每块侧板外侧面顶触安装有一组杆端小车及滑块；在四个侧壁上分别固定安装有一个液压缸，每个液压缸上分别设置有一个排气阀，每个液压缸的活塞杆通过连接杆伸进压力室内与一组杆端小车对应连接；四个液压缸沿试样侧面作用的大应力和小应力方向对应设置为两对，两对液压缸上分别同轴安装有大应力传感器及小应力传感器，大应力传感器和小应力传感器分别对应连通各自的一套液压源压力缸；两对液压缸的活塞杆上分别设置有大应力位移传感器及小应力位移传感器。

杆端小车包括杆端轮座，杆端轮座平行安装有多个轮轴，每个轮轴两端通过轴承安装有滚轮；杆端轮座通过螺纹圆柱销与连接杆支撑连接；滚轮与试样接触面的侧板外侧面滚动接触，同时，滑块上安装的导向轮与试样接触面的侧板外侧面滚动接触。

本发明的有益效果是，能够完成大、小应力的独立加载及其变形的独立量测，以及中应力量测及其变形为零的有效控制；实现了对孔隙气、孔隙水压力的控制和量测；实现了平面应变应力状态的模拟，以及测定土在平面应变状态下土的力学特性参数；试验操作简单方便。

附图说明

图1是本发明装置中的主机部分立剖面示意图；

图2是本发明装置中的主机部分横剖面示意图；

图3是本发明装置中的上活动板结构示意图；

图4是本发明装置中的下活动板结构示意图；

图5是本发明装置中的顶盖及上活动板结构示意图；

图6是本发明装置中的底盘结构示意图；

图7是本发明装置中的液压缸结构示意图；

图8是本发明装置中的杆端小车结构示意图；

图9是本发明装置中的步进电机驱动液压缸结构示意图。

图中，1.下活动板，2.液压缸，3.杆端小车，4.侧板，5.滑块，6.压力室，7.底座，8.立柱，9.底盘，10.顶盖，11.上透水板，12.上活动板，13.中应力测力缸，14.下透水板，15.大应力位移传感器，16.连接杆，17.六角头螺栓，18.排气阀，19.土压力盒，20.盖形螺母，21.试样，22.凹槽，23.排水孔，24.排气孔，25.固定螺栓，26.螺孔，27.连通管接头，28.油塞，29.轴承，30.杆端轮座，31.螺纹圆柱销，32.小应力位移传感器，33.中应力传感器，34.大应力传感器，35.小应力传感器，36.孔隙水压力传感器A，37.孔隙水压力传感器B，38.液压源压力缸，39.滚珠丝杆接头，40.滚珠丝杆导向座，41.固定座，42.滚珠丝杆，43.减速器接头，44.步进电机，45.导向轮，46.滚轮，47.活塞。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明卧式压力室结构土工平面应变三轴仪的结构是，包括主机部分、三向应力加载及量测机构、采集控制机构三部分。其中主机部分是实现对长方体试样施加应力以及排水条件控制的核心。三向应力加载及量测机构包括大应力、小应力和中应力加载及量测机构，通过三套液压油缸机构，分别对试样施加大应力、小应力和中应力，每个液压油缸分别与一套步进电机驱动丝杠推动液压缸活塞的液压源连接，每个步进电机驱动可由计算机实现控制程序发出指令，控制液压大小或者一定的活塞位移速率，实现液压的输出。采集控制机构，包括液压载荷的控制以及通过下位机电子板配合上位机程序，自动实施量测信号的采集和信息处理，已有成熟的技术在此不再重复。

本发明装置中的试样21为长方体形状，水平方向垂直的两对加载力称为大、小应力，竖直方向的加载力称为中应力，均可以实现单独或联合加载。

参照图1、图2，本发明装置的主机部分的结构是，包括固定安装在底座7上的四个立柱8，在该四个立柱8上段固定安装有底盘9及顶盖10，在底盘9及顶盖10的四边固定连接有侧壁，底盘9、顶盖10及四个侧壁共同围成压力室6，压力室6内腔中放置有长方体形状的试样21；

四个立柱8下端头通过六角头螺栓17固定安装在底座7上，四个立柱8上端头穿过底盘9及顶盖10后套接有盖形螺母20，实现可靠固定；

中应力加载及量测机构的结构是，顶盖10及底盘9内表面分别镶嵌有上活动板12和下活动板1，上活动板12和下活动板1分别与试样21的上下端面接触；下活动板1向下连接有中应力测力缸13，中应力测力缸13与中应力传感器33连接，下活动板1上表面另外镶嵌有下透水板14，下透水板14与孔隙水压力传感器B37连通；上活动板12下表面中心位置的凹槽中设置有上透水板11，上透水板11与孔隙水压力传感器A36连通；

大、小应力加载及量测机构的结构是，紧贴试样21的四个侧面分别设置有一个侧板4，相邻的侧板4依次垂直滑动接触，四块侧板4与试样21作用面分成了正交的两组，用于对试样21施加正交面上的两组对称荷载，构成了试样21的大、小应力；每块侧板4外侧面顶触安装有一组杆端小车3及滑块5；在四个侧壁上分别固定安装有一个液压缸2，每个液压缸2上分别设置有一个排气阀18，每个液压缸2的活塞杆通过连接杆16伸进压力室6内与一组杆端小车3对应连接，四组杆端小车3的滚轮46与对应方向的侧板4滚动接触；四个液压缸2沿试样21侧面作用的大应力和小应力方向对应设置为两对，两对液压缸2上分别同轴安装有大应力传感器34及小应力传感器35，大应力传感器34和小应力传感器35分别对应连通各自的一套液压源压力缸38；两对液压缸2的活塞杆上分别设置有大应力位移传感器15及小应力位移传感器32。

参照图3、图5，在上活动板12下表面设置有凹槽22，凹槽22中镶嵌有上透水板11，以利于量测加载过程中试样21中快孔隙水压力，上活动板12中心设置有排气孔24，上透水板11通过排气孔24与孔隙水压力传感器A36连通，用于加载过程中流体的排除或孔隙压力的量测。上活动板12通过固定螺栓25及盖形螺母20固定于顶盖10内，上活动板12采用固定螺栓25固定于顶盖上，限制试样竖向的变形。

参照图4、图6，在下活动板1的上表面另外设置有两个凹槽，其中的一个凹槽内安置有下透水板14，下透水板14向下通过排水孔23与孔隙水压力传感器B37连通，以利于量测加载过程中试样21的孔隙水压力。同时，下活动板1另外的一个凹槽内设置有土压力盒19，土压力盒19下端连通中应力测力缸13，中应力测力缸13通过固定螺栓与底盘9固定连接。

参照图7，液压缸2外接液压源，一方面推动活塞47前进，将液压源的流体注入该液压缸2内；另一方面通过连通管接头27与对称方向的一侧液压缸2串接，从而使液压油通过活塞47与杆端小车3的连接对试样21侧面进行加载，保证了加载过程中的试样21受力在两个水平方向的对称性。活塞47通过油塞28与连接杆16连接，实现对杆端小车3的加载。每个液压缸2通过螺孔26中的螺栓固定于顶盖10和底盘9之间的侧壁上。

参照图8，杆端小车3包括杆端轮座30，杆端轮座30平行安装有多个轮轴，每个轮轴两端通过轴承29安装有滚轮46；杆端轮座30通过螺纹圆柱销31与连接杆16支撑连接。滚轮46与试样接触面的侧板4外侧面滚动接触，同时滑块5上安装的导向轮45与试样接触面的侧板4外侧面滚动接触。当侧板4受连接杆16加载力时，为了适应试样21的变形，作用于试样21侧面的侧板4沿着导向轮45及滚轮46实现横向自由运动。杆端小车3通过滚轮46沿侧板4外侧面运动，消除了侧板4运动与杆端小车3和滑块5之间的摩擦。

如图9所示，本发明装置中的步进电机驱动液压缸结构是，在固定座41上安装有步进电机44，液压源由步进电机44伺服控制，步进电机44通过减速器接头43与滚珠丝杆42连接，滚珠丝杆42设置有滚珠丝杆导向座40，滚珠丝杆42通过滚珠丝杆接头39与液压源压力缸38内的活塞连接，提供液压源的输出液压。

试验过程中，为了保证中应力方向（竖向）的变形为零，底盘9和顶盖10保证与压力室6中的试样21固定接触，底盘9上的下透水板14及孔隙水压力传感器B37能够实现排水条件和不排水条件下的孔隙水压力的量测；同时底盘9上的中应力测力缸13及中应力传感器33能够实现对竖直应变方向的中应力的量测。

本发明装置的工作原理是：

1）四块侧板4、下活动板1、上活动板12紧贴在试样21的长方体各面；下活动板1与上活动板12一起限制试样21竖向变形，能够提供中应力方向应变等于零的条件；水平面内试样21长边方向一对侧板4对试样施加大应力，水平面内试样21短边方向一对侧板4对试样施加小应力。

2）大应力位移传感器15、小应力位移传感器32、大应力传感器34、中应力传感器33、小应力传感器35、孔隙水压力传感器A36及孔隙水压力传感器B37均与采集控制机构连接，实现三个方向加载机构的闭环控制；各个量测信号经过采集控制机构后，输出闭环式调节信号，并控制三个方向加载机构动作，进而对试样21实施各个应力的加载。

3）将长方体试样21放置于下活动板1和四块侧板4构成的空腔内，固定上活动板12，控制试样21竖向的变形；通过液压缸2连接步进电机44驱动产生液压的液压源压力缸38，对试样21施加固结压力；固结完成后，可保持小应力不变，增加大应力，对试样进行剪切实验。

4）试样21固结过程中，通过底座7上设置的中应力的量测装置及孔隙水压力的量测装置，测试试样的中应力及孔隙水压力；通过下透水板14和上透水板11排出试样内的孔隙水，消除试样内的孔隙水压力。

5），在试样21的剪切过程中，作用于试样21的四块侧板4保持为竖直平面，通过液压缸2量测的液压确定大应力和小应力；四块侧板4随着试样变形自由平行滑动，杆端小车3沿着侧板4自由滚动，使得两个方向上的四个连接杆16的作用点始终保持不变；试样变形时侧板4还能实现平滑移动以适应两个方向的变形，避免了小应力和大应力的互相干扰。

6）针对非饱和土，将下透水板14更换为陶土板，通过陶土板控制孔隙水压力，通过上透气板11控制气压力，实现非饱和土的平面应变试验。利用底盘9中安装的陶土板增加孔隙水压力传感器及体变控制装置，以量测和控制孔隙水压力；利用顶盖10内嵌的上透气板11连接孔隙气压力传感器，以控制和量测孔隙气压力。

7）在平面应变三轴试验中，固结加压采用微机控制。固结压力由液压缸2连接步进电机驱动活塞的液压源压力缸38提供，液压再传递到液压缸2内的活塞47上，通过连接杆16及其杆端小车3作用于侧板4，对试样21施加荷载。在试验固结时同样能实现两个方向固结应力的单独施加，两个固结应力互不干扰和影响，并且通过两个固结应力的调节，可以真实模拟实际的平面固结应力条件。

本发明的卧式压力室机构，通过平面应变三轴试验可以得到三向应力、两向主应变、非饱和三向应力，互不干扰；通过平面应变试验的剪切带及局部化变形的研究，可以得到土颗粒滑移、破碎的变化规律，为分析土的力学特性及其物理本质（即物质结构特性），提供有力的方法和途径；通过孔隙水压力和孔隙气压力的量测技术能够在平面应力路径条件下研究非饱和土的力学特性及强度变形变化机理。

Claims

1.一种卧式压力室结构土工平面应变三轴仪，其特点在于：包括主机部分、三向应力加载及量测机构、采集控制机构三部分，

主机部分的结构是，包括固定安装在底座（7）上的四个立柱（8），在该四个立柱（8）上段固定安装有底盘（9）及顶盖（10），在底盘（9）及顶盖（10）的四边固定连接有侧壁，底盘（9）、顶盖（10）及四个侧壁共同围成压力室（6），压力室（6）内腔中心放置有长方体形状的试样（21）；

2.根据权利要求1所述的卧式压力室结构土工平面应变三轴仪，其特点在于：所述的中应力加载及量测机构的结构是，在顶盖（10）及底盘（9）内表面分别镶嵌有上活动板（12）和下活动板（1），上活动板（12）和下活动板（1）分别与试样（21）的上下端面接触；下活动板（1）向下连接有中应力测力缸（13），中应力测力缸（13）与中应力传感器（33）连接，下活动板（1）上表面另外镶嵌有下透水板（14），下透水板（14）与孔隙水压力传感器B（37）连通；上活动板（12）下表面中心位置的凹槽中设置有上透水板（11），上透水板（11）与孔隙水压力传感器A（36）连通。

3.根据权利要求2所述的卧式压力室结构土工平面应变三轴仪，其特点在于：所述的上活动板（12）下表面设置有凹槽（22），凹槽（22）中镶嵌有上透水板（11），上活动板（12）中心设置有排气孔（24），上透水板（11）通过排气孔（24）与孔隙水压力传感器A（36）连通。

4.根据权利要求2所述的卧式压力室结构土工平面应变三轴仪，其特点在于：所述的下活动板（1）的上表面另外设置有两个凹槽，其中的一个凹槽内安置有下透水板（14），下透水板（14）向下通过排水孔（23）与孔隙水压力传感器B（37）连通；同时，下活动板（1）另外的一个凹槽内设置有土压力盒（19），土压力盒（19）下端连通中应力测力缸（13），中应力测力缸（13）与底盘（9）固定连接。

5.根据权利要求2所述的卧式压力室结构土工平面应变三轴仪，其特点在于：所述的大、小应力加载及量测机构的结构是，围绕试样（21）的四面分别设置有一个侧板（4），相邻的侧板（4）依次垂直滑动接触，四块侧板（4）与试样（21）作用面分成了正交的两组；每块侧板（4）外侧面顶触安装有一组杆端小车（3）及滑块（5）；在四个侧壁上分别固定安装有一个液压缸（2），每个液压缸（2）上分别设置有一个排气阀（18），每个液压缸（2）的活塞杆通过连接杆（16）伸进压力室（6）内与一组杆端小车（3）对应连接；四个液压缸（2）沿试样（21）侧面作用的大应力和小应力方向对应设置为两对，两对液压缸（2）上分别同轴安装有大应力传感器（34）及小应力传感器（35），大应力传感器（34）和小应力传感器（35）分别对应连通各自的一套液压源压力缸（38）；两对液压缸（2）的活塞杆上分别设置有大应力位移传感器（15）及小应力位移传感器（32）。

6.根据权利要求5所述的卧式压力室结构土工平面应变三轴仪，其特点在于：所述的杆端小车（3）包括杆端轮座（30），杆端轮座（30）平行安装有多个轮轴，每个轮轴两端通过轴承（29）安装有滚轮（46）；杆端轮座（30）通过螺纹圆柱销（31）与连接杆（16）支撑连接；滚轮（46）与试样接触面的侧板（4）外侧面滚动接触，同时，滑块（5）上安装的导向轮（45）与试样接触面的侧板（4）外侧面滚动接触。