CN104048879B - 一种饱和土应力路径全自动三轴试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种饱和土应力路径全自动三轴试验系统，它包括：压力室（1），计算机（2）、轴力体积控制器（3）、围压体积控制器（4）、反压体积控制器（5）、数据采集盒（6）和与计算机（2）相连的压力体积控制系统。本发明所述的三轴试验系统结构设计合理，操作方便，自动化程度高，稳定性好，可精确控制土体的复杂应力路径。

Description

一种饱和土应力路径全自动三轴试验系统

所属技术领域

本发明涉及一种测试饱和土变形、强度特性的试验仪器，尤其涉及一种能精确模拟土体应力路径，能自动处理试验数据，实时生成试验图表的三轴试验系统。

背景技术

三轴仪是用于测试土体变形、强度特性的土工试验仪器，考虑土体真实应力路径的三轴试验能够建立反映原位土体真实力学行为的本构关系，对于科学研究以及土木工程设计具有重大意义。

现有技术的三轴仪自动化程度很低，有的完全依靠手动操作，模拟应力路径的功能差，甚至不具备这样的功能。例如应变控制式三轴仪，由于试验土样的竖向最大主应力完全依赖于围压和土样竖向应变速率，所以无法模拟土样的应力路径。常规的应力控制式三轴仪使用砝码施加轴向力，受限于加载方式和自动化低，只能模拟简单的应力路劲。

经过专利文献检索，现有技术在应力路径和试验自动化方面对常规三轴仪做了一些有益的探索和改进，例如：（1）一种应力路径自动控制三轴仪（中国专利申请号为：201110253505.5），将常规应变控制式三轴仪的轴向加压系统换成由微机控制的气压加压系统，从而实现了应力控制式三轴仪的功能，但是受到气压加载能力和控制灵活性的限制，难以模拟复杂的应力路径。（2）一种基于拉压扭剪耦合的应力路径三轴仪（中国专利申请号为：201310064907.X），轴向荷载通过电动机以及轴向传动丝杠来施加，对于土样竖向变形速率较大的情况轴向荷载的可控性较差，因此能够模拟的应力路径十分有限。（3）一种应力路径全自动液压伺服控制式刚柔性多功能三轴仪（中国专利申请号：201210315390.2），虽然实现了伺服液压控制应力路径，但是由于轴向荷载采用的是反力架竖向加载，并且将荷重传感器置于压力室外部，会导致施加于土样的轴向力无法消除传力杆摩擦力的影响，试验精确度不高。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术的以下不足：

(1)现有三轴仪不能精确控制土体的复杂应力路径(6种应力路径);

(2)仅仅实现元器件操作的自动化，试验过程控制仍旧依靠手动操作（闭环伺服控制），无法自动处理试验数据、实现试验数据可视化。

本发明提供一种自动化程度高，可精确控制土体的复杂应力路径(6种应力路径)的饱和土应力路径全自动三轴试验系统。

技术方案：为了实现以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种饱和土应力路径全自动三轴试验系统，它包括：压力室，计算机、轴力体积控制器、围压体积控制器、反压体积控制器、数据采集盒和与计算机相连的压力体积控制系统；

所述的计算机、轴力体积控制器、围压体积控制器、反压体积控制器和数据采集盒通过通讯串口串联；

所述的压力室包括基座、安装在基座上有机玻璃筒、连接螺杆，安装在有机玻璃筒上的顶板，所述顶板连接有连接杆，连接杆与机玻璃筒内的水下荷重传感器相连，水下荷重传感器下端依次与试样帽和拉伸帽相连；

所述的轴向体积控制器的出水口和压力室基座的基座进水口相连；

所述的围压体积控制器的出水口和压力室的注水口相连；

所述的反压体积控制器的出水口和压力室的反压进水口相连；

所述的压力室底板侧面的排水口连接有孔隙水压力传感器，压力室的基座的悬臂梁上安装有轴向位移传感器；

所述的孔隙水压力传感器、水下荷重传感器和轴向位移传感器的数据线接口分别与数据采集盒的采集端口相连。

作为优选方案，以上所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，所述的轴力体积控制器、围压体积控制器和反压体积控制器均包括控制面板和依次相连的启动步进电机、减速器、带动联轴器、丝杠与活塞，所述的活塞安装在水缸中。所述轴力体积控制器、围压体积控制器、反压体积控制器，通过电机和减速机驱动滚珠丝杠，从而推动水缸活塞输出压力。滚珠丝杠转动的角度和圈数能够精确计算水缸中水体积的变化，精度为0.001ml。

作为优选方案，以上所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，所述的基座包括包括上螺杆、下螺杆、连接上螺杆和下螺杆的螺杆连接套，下螺杆外设有下螺杆隔套，下螺杆贯穿悬臂梁，悬臂梁由螺杆连接套和下螺杆隔套夹紧，所述的下螺杆的下端安装有下活塞，下膜片安装在下活塞和密封螺母之间，且下膜片的边耳固定在压力室基座的内壁上，所述的下膜片与压力室基座底部形成一个与基座进水口连通的小空腔，所述的上螺杆的上端安装上活塞，上膜片安装在上活塞和试样座活塞之间，上膜片的边耳固定在压力室基座的内壁上，试验座活塞的顶面安装有试样座和试样座底板，试验座活塞外周安装有下封板。

作为优选方案，以上所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，所述的压力体积控制系统由微机控制，压力体积控制系统包括中央控制器、2通道16位A/D转换器、薄膜按键控制单元、LCD显示单元、电机驱动单元、液压传感器测量单元、限位开关单元、串口通信单元。

作为优选方案，以上所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，所述的数据采集盒包括8通道16位A/D转换器、中央控制器、串口通信，16位A/D转换器的通道与检测传感器接口。

以上所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，所述的轴力体积控制器的压力输出范围为0~3Mpa，采用金属T型三通三向阀门控制压力输出，其耐压值范围为-10Mpa~10Mpa。

所述围压体积控制器的压力输出范围为0~2Mpa，采用金属T型三通三向阀门控制压力输出，其耐压值范围为-10Mpa~10Mpa。

所述反压体积控制器的压力输出范围为0~2Mpa，采用金属T型三通三向阀门控制压力输出，其耐压值范围为-10Mpa~10Mpa。

所述孔隙水压力传感器为压阻式传感器，量程为：0~2Mpa，精度为1kPa。

所述水下荷重传感器量程为：0~10kN，精度为1N。

所述位移传感器为数显千分表所述位移传感器，量程为：0~50mm，精度为0.003mm，分辨率0.0001mm。

在试验系统的控制上，用户通过控制面板选择试验类型（可以设置多级试验阶段），输入试验所需的所有参数和试验结束条件参数（包括该阶段试验时间、该级试验结束后各控制器如何工作等参数设置），用户输入完毕，三轴试验系统就可以全自动的进行所有试验步骤，实时采集试验数据，实时保存并计算试验所需各类参数数据，显示6种各类试验曲线图（用户可自行设置）。试验系统全自动控制的原理如图4所示。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用闭环控制的水压力体积控制系统，轴压、反压和围压自身实现伺服控制加载，而且整个系统又可实现闭环伺服控制。

2、采用基座底部进水施加试样轴压，应用水下荷重传感器采集轴压，轴压控制更精确。

3、采用拉伸帽结合试样帽为试样施加轴压，能够模拟任意应力路径，能够进行低频循环试验。

4、计算机、轴力体积控制器、围压体积控制器、反压体积控制器形成大闭合回路控制，三个水压力体积控制器各自又形成独立的闭环回路控制，数据采集精度和控制精度更高。

附图说明

图1是饱和土应力路径全自动三轴试验系统的结构示意图。

图2是拉伸帽和试样帽剖面图。

图3是三轴压力室基座剖面图。

图4是试验系统原理图。

图5是试验系统逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1至图3所示，一种饱和土应力路径全自动三轴试验系统，它包括：压力室（1），计算机（2）、轴力体积控制器（3）、围压体积控制器（4）、反压体积控制器（5）、数据采集盒（6）和与计算机（2）相连的压力体积控制系统；

所述的计算机（2）、轴力体积控制器（3）、围压体积控制器（4）、反压体积控制器（5）、数据采集盒（6）通过通讯串口串联；

所述的压力室（1）包括基座（17）、安装在基座（17）上有机玻璃筒（14）、连接螺杆（13），安装在有机玻璃筒（14）上的顶板（8），所述顶板（8）连接有连接杆（7），连接杆（7）与机玻璃筒（14）内的水下荷重传感器（9）相连，水下荷重传感器（9）下端依次与试样帽（11）和拉伸帽（10）相连；

所述的轴向体积控制器（3）的出水口（23）和压力室（1）基座（17）的基座进水口（18）相连；

所述的围压体积控制器（4）的出水口（22）和压力室（1）的注水口（19）相连；

所述的反压体积控制器（5）的出水口（21）和压力室（1）的反压进水口（20）相连；

所述的压力室（1）底板侧面的排水口连接有孔隙水压力传感器（15），压力室（1）的基座（17）的悬臂梁（42）上安装有轴向位移传感器（16）；

所述的孔隙水压力传感器（15）、水下荷重传感器（9）和轴向位移传感器（16）的数据线接口分别与数据采集盒的采集端口相连。

以上所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，所述的轴力体积控制器（3）、围压体积控制器（4）和反压体积控制器（5）均包括控制面板（30）和依次相连的启动步进电机（24）、减速器（25）、带动联轴器（26）、丝杠（27）与活塞28，所述的活塞28安装在水缸（29）中。

以上所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，所述的基座（17）包括包括上螺杆（39）、下螺杆（41）、连接上螺杆（39）和下螺杆（41）的螺杆连接套（40），下螺杆（41）外设有下螺杆隔套（43），下螺杆（41）贯穿悬臂梁（42），悬臂梁（42）由螺杆连接套（40）和下螺杆隔套（43）夹紧，所述的下螺杆（41）的下端安装有下活塞（45），下膜片（44）安装在下活塞（45）和密封螺母（46）之间，且下膜片（44）的边耳固定在压力室基座（17）的内壁上，所述的下膜片（44）与压力室基座（17）底部形成一个与基座进水口（18）连通的小空腔，所述的上螺杆（39）的上端安装上活塞（38），上膜片（37）安装在上活塞（38）和试样座活塞（36）之间，上膜片（37）的边耳固定在压力室基座（17）的内壁上，试验座活塞（36）的顶面安装有试样座（47）和试样座底板（34），试验座活塞（36）外周安装有下封板（35）。

以上所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，所述的压力体积控制系统由微机控制，压力体积控制系统包括中央控制器、2通道16位A/D转换器、薄膜按键控制单元、LCD显示单元、电机驱动单元、液压传感器测量单元、限位开关单元、串口通信单元。

以上所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，所述的数据采集盒（6）包括8通道16位A/D转换器、中央控制器、串口通信，16位A/D转换器的通道与检测传感器接口。

本发明所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，压力体积控制器的工作方式。轴力体积控制器（3）、围压体积控制器（4）和反压体积控制器（5）根据用户在计算机（2）或控制面板（30）中设定的水压力，从串行接口获得电信号，通过启动步进电机（24）和减速器（25），带动联轴器（26）使得丝杠（27）能够精确地旋转一定的圈数或角度，推动水缸（29）中的活塞（28）产生水压力。

三轴压缩和三轴拉伸试验过程中，将饱和土试样（12）安装在试样座（47）上，试样（12）顶面依次安装试样帽（11）和拉伸帽（10）。拉伸帽（10）上端通过螺孔与水下荷载传感器（9）连接，下端与试样帽（11）密封连接。上膜片（37）密封性和耐压性很好，压力室顶板（8）、有机玻璃筒（14）、下封板（35）安装好以后，压力室（1）完全密封。通过注水口（19）能够为试样（12）提供围压。

当轴力体积控制器（3）内的水通过基座进水口（18）进入下膜片（44）下部的空腔时，向上推动压力室基座（17）中间的竖向活动构件（上螺杆（39）、下螺杆（41）、连接上螺杆（39）和下螺杆（41）的螺杆连接套（40），下螺杆隔套（43）），试样座（47）推动试样（12）向上压缩，进行三轴压缩试验。当轴力体积控制器（3）内活塞回退，下膜片（44）下部空腔中的水通过基座进水口（18）流出，压力室基座（17）中间的竖向活动构件向下移动。由于试样（12）的顶面安装了拉伸帽（10），能够确保试样（12）的顶面位置不变，试样（12）随试样座（47）的下移受到拉伸，进行三轴拉伸试验。

试样轴向荷载的采集，由于压力室基座（17）内部安装了上膜片（37）、下膜片（44），因此在轴向荷载施加过程中，（上螺杆（39）、下螺杆（41）、螺杆连接套（40）和下螺杆隔套（43）构成的竖向活动构件与压力室基座（17）内壁的摩擦非常小，可确保轴向荷载施加的准确度。轴向荷载的自动采集依靠安装于连接杆（7）的水下荷重传感器（9）。

连接杆（7）在试样（12）安装完毕以后可以通过紧固密封机构与压力室顶板（8）牢固连接，荷重传感器（9）的数据采集线从连接杆（7）的中间引出到压力室（1）的外面，通过水下荷重传感器（9）采集试样（12）的轴向荷载能够完全消除连接杆（7）与压力室顶板（8）之间的摩擦力，从而可保证轴向荷载采集的精确度。

本发明所涉及的全自动应力路径三轴仪由三轴压力室、三个微机控制的压力体积控制系统、数据采集盒、计算机和相应软件组成。压力体积控制系统可以通过计算机软件控制加载。整个系统由计算机控制，可设置摸拟各种复杂的应力路径，可模拟低频循环加载，并自动实现数据的采集与处理、参数的计算以及图形的绘制，整个系统是闭环回路。

本发明所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，如图4所示，试验运行指令（注水、排水、加压）通过薄膜按键输入中央控制器，中央控制器控制步进电机的速度及转向，启动A/D转换，A/D转换器将采集到的压力、位移、荷重传感器、轴力的模拟信号转换成数字信号发送给中央控制器，同时将采集到的压力与设置的目标压力值不断比较，不断反馈逐渐向目标值逼近，并将采集到的传感器的值用LCD显示屏显示。

如图5所示，开始试验前，打开电源控制开关，实验系统自动进入初始化，进行系统自检，获取传感器初始数据，等待试验开始指令。一旦接到实验开始指令，系统读取输入参数，控制三个步进电机运转，系统记录驱动电机推动升降机主轴运行位移量，同时将荷重传感器、孔隙水压力传感器和位移传感器采集的数据，经A/D转换后反馈给定时监测与校正模块，并在LCD屏幕显示出来，系统记录并储存运行数据。

以上所述，仅为本发明最佳具体实施方法，但本发明的构造特征并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明领域内，可轻易思及的变化或修饰，皆可涵盖在权利要求范围内。

Claims (3)

1.一种饱和土应力路径全自动三轴试验系统，其特征在于，它包括：压力室(1)，计算机(2)、轴力体积控制器(3)、围压体积控制器(4)、反压体积控制器(5)、数据采集盒(6)和与计算机(2)相连的压力体积控制系统；

所述的计算机(2)、轴力体积控制器(3)、围压体积控制器(4)、反压体积控制器(5)、数据采集盒(6)通过通讯串口串联；

所述的压力室(1)包括基座(17)、安装在基座(17)上的有机玻璃筒(14)、连接螺杆(13)及安装在有机玻璃筒(14)上的顶板(8)，所述顶板(8)连接有连接杆(7)，连接杆(7)与有机玻璃筒(14)内的水下荷重传感器(9)相连，水下荷重传感器(9)下端依次与试样帽(11)和拉伸帽(10)相连；

所述的轴力体积控制器(3)的出水口(23)和压力室(1)的基座(17)的基座进水口(18)相连；

所述的围压体积控制器(4)的出水口(22)和压力室(1)的注水口(19)相连；

所述的反压体积控制器(5)的出水口(21)和压力室(1)的反压进水口(20)相连；

所述的压力室(1)底板侧面的排水口连接有孔隙水压力传感器(15)，压力室(1)的基座(17)的悬臂梁(42)上安装有轴向位移传感器(16)；

所述的孔隙水压力传感器(15)、水下荷重传感器(9)和轴向位移传感器(16)的数据线接口分别与数据采集盒的采集端口相连；

所述的轴力体积控制器(3)、围压体积控制器(4)和反压体积控制器(5)均包括控制面板(30)和依次相连的启动步进电机(24)、减速器(25)、带动联轴器(26)、丝杠(27)与活塞(28)，所述的活塞(28)安装在水缸(29)中；

所述的基座(17)包括上螺杆(39)、下螺杆(41)、连接上螺杆(39)和下螺杆(41)的螺杆连接套(40)，下螺杆(41)外设有下螺杆隔套(43)，下螺杆(41)贯穿悬臂梁(42)，悬臂梁(42)由螺杆连接套(40)和下螺杆隔套(43)夹紧，所述的下螺杆(41)的下端安装有下活塞(45)，下膜片(44)安装在下活塞(45)和密封螺母(46)之间，且下膜片(44)的边耳固定在基座(17)的内壁上，所述的下膜片(44)与基座(17)底部形成一个与基座进水口(18)连通的小空腔，所述的上螺杆(39)的上端安装上活塞(38)，上膜片(37)安装在上活塞(38)和试验座活塞(36)之间，上膜片(37)的边耳固定在基座(17)的内壁上，试验座活塞(36)的顶面安装有试样座(47)和试样座底板(34)，试验座活塞(36)外周安装有下封板(35)。

2.根据权利要求1所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，其特征在于，所述的压力体积控制系统由微机控制，压力体积控制系统包括中央控制器、2通道16位A/D转换器、薄膜按键控制单元、LCD显示单元、电机驱动单元、液压传感器测量单元、限位开关单元、串口通信单元。

3.根据权利要求1所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，其特征在于，所述的数据采集盒(6)包括8通道16位A/D转换器、中央控制器、串口通信，16位A/D转换器的通道与检测传感器接口。