CN104535423A - 动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置及控制方法，其中该装置包括：轴向位移传感器、计算机系统、测量与电液控制器、位移传感器、油缸活塞、电液伺服阀、非饱和体变测量活塞、围压传感器、非饱和体变测量缸、三轴压力室、轴向加载活塞杆、轴向油缸活塞、轴向电液伺服阀、轴向油缸、活塞杆和试样容器；测量与电液控制器包括信号发生器芯片，信号发生器芯片采用16位DA芯片；测量与电液控制器还包括测量芯片，测量芯片采用20位AD芯片；测量与电液控制器还包括前置放大器、滤波器、程控放大器、PID及MPU。本发明提供的装置及方法保证了围压控制的稳定、可靠，提高了控制、运行过程的可靠性和适应能力。

Description

动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置及控制方法

技术领域

本发明涉及岩土力学试验领域，尤其涉及一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置及控制方法。

背景技术

在岩土力学试验领域，三轴试验机一般被应用于饱和及非饱和体变的测量，相关技术中的三轴试验机一般仅适用于饱和体变的测量，对于动态三轴试验，由于需要时刻保持压力(周围压力)基本不变，因此要求系统有极高的响应速度，才能保证测量的精度及准确性。相关技术中的三轴试验机，在动态三轴试验中，由于无法保证围压控制的稳定性及可靠性，因此并不适合于非饱和体变的测量。相关技术中的三轴仪围压控制系统，为了提高围压的稳定性，一般将活塞缸通过一根水管与多个水平缸串联使用，这种力图使用水管进行围压调整的方式，其原理为：主机活塞缸上腔需进水；振动过程由主机活塞缸上腔少量水源通过水导管向压力室进行补偿。这种多装置耦合联动方式，有一定的稳压作用，但不具备测定大型试件饱和、非饱和体变的功能。另外，这种通过多个作动器耦合联动，力图通过缸与缸至压力室使其试件在振动试验过程中提高围压的稳定性的结构，由于环节过多，缸体偏小，干扰颇大等原因，实际上并不具备测量体变的功能和能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置及控制、测量方法，以全新的自适应系统运行、土料静、动力特性的原理、方法解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置，包括：轴向位移传感器、计算机系统、测量与电液控制器、位移传感器、油缸活塞、电液伺服阀、非饱和体变测量活塞、围压传感器、非饱和体变测量缸、三轴压力室、轴向加载活塞杆、轴向油缸活塞、轴向电液伺服阀、轴向油缸、活塞杆和试样容器；

计算机系统与测量与电液控制器通过电缆连接；测量与电液控制器分别与电液伺服阀、位移传感器、围压传感器和轴向位移传感器通过导线连接；油缸活塞和非饱和体变测量活塞设置在非饱和体变测量缸内，并通过活塞杆相连接；电液伺服阀的两端通过管道分别连接油缸活塞两侧的油室；位移传感器设置在活塞杆上。

测量与电液控制器包括信号发生器芯片，信号发生器芯片采用16位DA芯片；

测量与电液控制器还包括测量芯片，测量芯片采用20位AD芯片；

测量与电液控制器还包括前置放大器、滤波器、程控放大器、PID及MPU。

本发明还提供了一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量控制方法，包括：

根据土体的力学特性及试件的剪缩、剪涨的运行状态，进行增益、积分、微分的初步预估，得到初步预估结果；

根据得到的初步预估结果，在试件的最大振动应变和振动应力拟定条件下，确定振动频率及数据采集频率；

根据土体的密实度及剪缩、剪涨特性，确定增益反馈的参数；

根据确定的增益反馈的参数，在拟定的饱和或非饱和的固结条件下，进行振动体变测量试验，确定地震残余变形参数。

进一步，根据土体的密实度及剪缩、剪涨特性，确定增益反馈的参数，包括：根据在同样的固结条件、不同的振动频率及不同的应力、应变关系下，对至少两个试件进行试验所获得的结果，通过判断调整，确定针对所述试件自适应变化所需的数据采集及处理的运行参数。

进一步，进行振动体变测量试验，包括：

对试样饱和固结，并在振动过程中饱和排水；

固结排气，并在振动过程中非饱和排气；

确定试样体积变化增量，以试验前体变缸标定结果为标尺，测定、校准数采记录结果，并按相应模式整理试验曲线、参数，以供地震永久变形计算分析使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该装置采用先进的电液伺服液压技术和最新的电子控制测量技术(测量与电液控制器)，通过精密实时控制实现了对系统的围压施加控制、体变量随土体试件变化而自适应变化的测量，使系统的非饱和和体变测量与饱和体变测量功能同时具备，保证了围压控制的稳定、可靠，提高了试验结果的准确性及可靠性；该方法以全新的自适应系统运行，满足土料静、动力特性原理，进一步提高了试验结果的准确性及可靠性。

附图说明

图1为本发明动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置的结构示意图；

图2为本发明自适应系统的结构框图；

图3为试验1中体变随时间变化的曲线图；

图4为试验1中围压随时间变化的曲线图；

图5为试验2中体变随时间变化的曲线图；

图6为试验2中围压随时间变化的曲线图；

图7为本发明本发明动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量控制方法的流程图；

图8为坝壳砂砾料残余体应变εv随振动次数N的关系曲线图；

图9为过渡料残余体应变εv随振动次数N的关系曲线图；

图10为坝基砂砾料残余体应变εv随振动次数N的关系曲线图；

图11为坝壳砂砾料残余体应变εv与动剪应力Δτ关系曲线图；

图12为残余体应变εv与动剪应力比Δτ/σ₀′的关系曲线图；

图13为不同固结应力条件和动剪应力作用下坝壳砂砾料、过渡料和坝基砂砾料的残余轴应变εp随振动次数N的变化关系图；

图14为不同等效振次条件下残余轴应变εp与动剪应力Δτ及残余轴应变εp与动剪应力比Δτ/σ0′的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1所示，图1为本发明动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置的结构示意图。

在本实施方式中，动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置，包括：

轴向位移传感器1、计算机系统2、测量与电液控制器3、位移传感器4、油缸活塞5、电液伺服阀6、非饱和体变测量活塞7、围压传感器8、非饱和体变测量缸9、三轴压力室10、轴向加载活塞杆12、轴向油缸活塞13、轴向电液伺服阀14、轴向油缸15、活塞杆16和试样容器17。粗颗粒土试样17作为试验样本放置在试样容器17内。

计算机系统2内装载有测控软件，用于对饱和及非饱和体变进行测量控制。计算机系统2与测量与电液控制器3通过电缆连接，用于即时处理数据和参数，并向测量与电液控制器3下发指令。测量与电液控制器3分别与电液伺服阀6、位移传感器4、围压传感器8和轴向位移传感器1通过导线连接，根据动作指令控制上述元器件动作。油缸活塞5和非饱和体变测量活塞7设置在非饱和体变测量缸9内，并通过活塞杆16相连接，电液伺服阀6的两端通过管道分别连接油缸活塞5两侧的油室。位移传感器4设置在活塞杆16上，用于记录活塞杆16的位移数据，并将位移数据传送给测量测量与电液控制器3。

轴向油缸活塞13设置在轴向油缸15内，轴向电液伺服阀14的两端通过管道分别连接轴向油缸活塞13两侧的油室。试样容器17设置在三轴压力室10内，在试样容器17和三轴压力室10之间的空间充满水。围压传感器8通过管道分别连接非饱和体变测量缸9和三轴压力室10。轴向油缸活塞13通过轴向加载活塞杆12伸入试样容器17内部。轴向位移传感器1设置在轴向加载活塞杆12上，用于测量轴向加载活塞杆12的位移数据，并将位移数据传送给测量与电液控制器3。

测量与电液控制器3包括信号发生器芯片，信号发生器芯片采用16位DA芯片；

测量与电液控制器3还包括测量芯片，测量芯片采用20位AD芯片；

测量与电液控制器3还包括前置放大器、滤波器、程控放大器、PID(Proportion Integration Differentiation，比例积分微分)及MPU(Microprocessor Unit，微处理器)。

活塞杆16和非饱和体变测量缸9之间，以及轴向加载活塞杆12与三轴压力室10和轴向油缸15之间均匀设置有密封环。

在本实施例中，测量非饱和体变的原理是：采用先进的电液伺服液压技术和最新的电子控制测量技术(测量与电液控制器)，使该装置处于周围压力控制之下，伺服系统会在周围压力发生任何变化时，迅速移动活塞，使周围压力迅速恢复到所需压力值，即当压力升高时，伺服系统迅速将活塞向压力减小的方向移动，当压力降低时，伺服系统迅速将活塞向压力增加的方向移动，最终达到压力基本不变。参图2所示，图2为本发明自适应系统的结构框图。在本实施例中，在动态三轴试验时，要保持压力基本不变，该装置需要具有极高的响应速度。如图2所示，本实施例通过将测量与电液控制器3，包括前置放大器、滤波器、程控放大器、(高速)高精度AD、PID、高性能参考信号源16位DA、MPU，与小位移传感器(位移传感器4)，围压传感器(围压传感器8)，大位移传感器(轴向位移传感器1)，电液伺服阀(电液伺服阀6)，压力分配器，PC计算机、显示器、打印机、PC键盘(计算机系统2)组成自适应系统，该系统通过采用高分辨率高精度的DA芯片(16位DA)作为信号发生器芯片，采用高分辨率高精度AD芯片(20位DA)作为测量用芯片,使系统具有1/50000以上的分辨率，使系统具有优于0.5％的测量精度。该系统采用位移和压力两种闭环控制方式，确保设备运行安全和系统运行可靠。系统在待机期间切换到位移控制方式，可调整油缸的工作位置，控制系统排气，进行试验准备等工作。系统在工作期间切换到压力控制方式，可以准确的设置围压大小，或按一定的规律施加围压，调整围压。在当轴向施加动态负荷时，系统仍能够保持围压的稳定和准确。在系统工作的全过程，高精度的位移传感器能够准确地反映出试样的体变量。

在本实施例中，该装置采用动态伺服油缸(轴向油缸15)，确保系统的控制灵活，确保系统具有极高的动态响应特性。同时动态伺服油缸具有足够的刚度，也能确保体变的测量具有足够的精度。系统的相当的油水交换系统采用全不锈钢结构，确保系统的长期使用而不被损坏。

在本实施例中，该装置使用时，取适量粗颗粒土试样11放入三轴压力室10，通过轴向加载活塞杆12向粗颗粒土试样11施加轴向载荷，并通过非饱和体变测量活塞7向试样施加周围压力，这样就可以测量测量粗颗粒土试样11的非饱和体变。

该动静三轴试验机通过电液伺服阀6和测量与电液控制器3控制，可以准确施加与保持周围压力。在轴向通过轴向电液伺服阀14轴向油缸活塞13和轴向加载活塞杆12向粗颗粒土试样11施加轴向载荷时，轴向加载活塞杆12将伸入试样容器17，由于充满水的三轴压力室10的体积不变，这将造成三轴压力室10水压变化，水压的变化通过围压传感器8反馈到测量与电液控制器3，又通过电液伺服阀6控制油缸活塞5和非饱和体变测量活塞7动作调整周围压力，这个过程将使周围压力保持稳定。

通过非饱和体变测量活塞7、轴向加载活塞杆12的面积，以及他们的位移数据，利用计算机系统2即可计算非饱和体变值。值得说明的是，利用上述系统还可以对饱和体变进行测量。

为了表明本装置测量控制的准确性和可靠性，下面通过具体试验进一步说明：

参图3至图6所示，图3为试验1中体变随时间变化的曲线图；图4为试验1中围压随时间变化的曲线图；图5为试验2中体变随时间变化的曲线图；图6为试验2中围压随时间变化的曲线图。

参图3至图6的曲线图分别是在两次动三轴实验中得到的非饱和体变变化的全过程，和围压变化的全过程。根据试件土体剪缩、剪涨特性的变化规律设定控制参数，其参数的合理性是由试验的来，通过自适应系统完成：从非饱和体变变化的全过程中掌握体变变化的规律，即第一级体变量特大，以后每级体变量迅速逐级减小，并趋于稳定。体变变化规律趋于2次曲线。从围压变化的全过程可以看出，除第一级围压下降稍大外，以后围压变化基本稳定，围压的波动量较小。由此可以看出，本非饱和体变装置控制围压基本稳定，所测体变具有极高的可信度。

参图7所示，图7为本发明动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量控制方法的流程图。

本实施例还提供了一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量控制方法，包括：

步骤S101，根据土体的力学特性及试件的剪缩、剪涨的运行状态，进行增益、积分、微分的初步预估，得到初步预估结果；

步骤S103，根据得到的初步预估结果，在试件的最大振动应变和振动应力拟定条件下，确定振动频率及数据采集频率；

步骤S105，根据土体的密实度及剪缩、剪涨特性，确定增益反馈的参数；

步骤S107，根据确定的增益反馈的参数，在拟定的饱和或非饱和的固结条件下，进行振动体变测量试验，确定地震残余变形参数。

在本实施例中，步骤S105具体包括：根据在同样的固结条件、不同的振动频率及不同的应力、应变关系下，对至少两个试件进行试验所获得的结果，通过判断调整，确定针对所述试件自适应变化所需的数据采集及处理的运行参数。

在本实施例中，步骤S107中，进行振动体变测量试验，进一步包括：对试样饱和固结，并在振动过程中饱和排水；固结排气，并在振动过程中非饱和排气；确定试样体积变化增量，以试验前体变缸标定结果为标尺，测定、校准数采记录结果，并按相应模式整理试验曲线、参数，以供地震永久变形计算分析使用。

通过上述动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量控制方法，本发明进一步提高了试验结果的准确性及可靠性。

下面通过试验对残余变形特性做进一步说明：

同一试验和同样的应力条件，残余体应变和残余轴应变的大小均与等效振次有关，等效振次取决于地震震级，本次按12、20和30次对试验结果进行了整理，对应的地震震级分别为7、7.5和8级。

残余体变特性：

参图8至图10所示，图8为坝壳砂砾料残余体应变εv随振动次数N的关系曲线图；图9为过渡料残余体应变εv随振动次数N的关系曲线图；图10为坝基砂砾料残余体应变εv随振动次数N的关系曲线图。

根据试验结果，可以整理出不同固结应力条件和动剪应力作用下坝壳砂砾料、过渡料和坝基砂砾料的残余体应变εv随振动次数N的关系，如图8～图10所示。其中Δτ＝Δσ/2为试样45度面上的动剪应力，σ0′为45度面上初始法向应力，σ₀′＝(σ₁′+σ₃′)/2；Δσ为轴向动应力幅值；N为等效振动周次。

从图8～图10中可以看出，残余体应变εv与土的类型、固结应力条件和动剪应力Δτ等有关。在一定的固结应力条件和动剪应力作用下，残余体应变εv随振动次数N的增大而增大。固结应力条件和振动次数N一定时，作用在试样上的动剪应力越大，所引起的残余体应变εv越大。

参图11及图12所示，图11为坝壳砂砾料残余体应变εv与动剪应力Δτ关系曲线图；图12为残余体应变εv与动剪应力比Δτ/σ₀′的关系曲线图。

根据上述残余体应变εv与振动次数N的关系曲线，可分别整理出坝壳砂砾料、过渡料和坝基砂砾料的残余体应变εv与动剪应力Δτ关系曲线，如图11。进一步，整理成残余体应变εv与动剪应力比Δτ/σ₀′及的关系曲线，如图12所示。从这些图中可以看出固结应力条件和动剪应力Δτ对残余体应变εv的影响。当固结应力条件一定时，残余体应变εv随动剪应力的增大而增大。当固结比Kc和振次N一定时，在相同的动剪应力作用下，围压力σ₃′越大，残余体应变εv越小。

根据试验结果，残余体应变εv与动剪应力比Δτ/σ₀′的关系可用幂函数形式近似表示如下：

${\mathrm{\ϵ}}_v=K_v{(\mathrm{\Δ\τ}/{\mathrm{\σ}}_0^{\′})}^{n_v}$

式中，Kv、nv分别为与土性、应力状态及振次N有关的系数和指数，由试验结果确定，等效振次N＝12、20和30时不同固结应力条件下的残余体变系数和指数值见表1，残余体应变εv以百分数表示。

表1  残余体应变系数和指数

残余轴应变特性：

参图13至图14所示，图13为不同固结应力条件和动剪应力作用下坝壳砂砾料、过渡料和坝基砂砾料(垫层料)的残余轴应变εp随振动次数N的变化关系图；图14为不同等效振次条件下残余轴应变εp与动剪应力Δτ及残余轴应变εp与动剪应力比Δτ/σ0′的关系曲线图。

不同固结应力条件和动剪应力作用下坝壳砂砾料、过渡料和坝基砂砾料的残余轴应变εp随振动次数N的变化关系如图13所示。根据残余轴应变εp与振动次数N的关系曲线，可分别整理出不同等效振次条件下残余轴应变εp与动剪应力Δτ及残余轴应变εp与动剪应力比Δτ/σ0′的关系曲线，如图14所示，可以看出残余轴应变随动剪应力的变化与残余体应变有基本类似的规律。

根据试验结果，残余轴向应变εp与动剪应力比Δτ/σ0′的关系也可用幂函数形式近似表示如下：

${\mathrm{\ϵ}}_p=K_p{(\mathrm{\Δ\τ}/{\mathrm{\σ}}_0^{\′})}^{n_p}$

式中，Kp、np分别为与土性、应力状态及振次N有关的系数和指数，由试验结果确定，等效振次N＝12、20和30时不同固结应力条件下的残余轴向应变系数和指数值见表2，残余轴应变εp以百分数表示。

表2  残余轴向应变系数和指数

本发明通过提供了一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量控制装置，采用先进的电液伺服液压技术和最新的电子控制测量技术(测量与电液控制器)，通过精密实时控制实现了对系统的围压施加控制、体变量随土体试件变化而自适应变化的测量，使系统的非饱和和体变测量与饱和体变测量功能同时具备，保证了围压控制的稳定、可靠，提高了试验结果的准确性及可靠性。并通过提供了一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量控制方法，以全新的自适应系统运行，满足土料静、动力特性原理，进一步提高了试验结果的准确性及可靠性。

本发明保证了自适应系统信号跟踪的灵敏性和抗干扰能力、提高了动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置及控制、运行过程的可靠性和适应能力，并具备了自适应系统操控方法简便、数控、数采精度高、试验结果准确、可靠、重复性好等功能特点。同时，该套原理、方法可适应于不同类型的大、中、小三轴试验仪改造升级之用，具有较高的技术推广价值。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置，其特征在于，包括：轴向位移传感器、计算机系统、测量与电液控制器、位移传感器、油缸活塞、电液伺服阀、非饱和体变测量活塞、围压传感器、非饱和体变测量缸、三轴压力室、轴向加载活塞杆、轴向油缸活塞、轴向电液伺服阀、轴向油缸、活塞杆和试样容器；

所述计算机系统与所述测量与电液控制器通过电缆连接；所述测量与电液控制器分别与所述电液伺服阀、位移传感器、围压传感器和轴向位移传感器通过导线连接；所述油缸活塞和非饱和体变测量活塞设置在所述非饱和体变测量缸内，并通过所述活塞杆相连接；所述电液伺服阀的两端通过管道分别连接所述油缸活塞两侧的油室；所述位移传感器设置在所述活塞杆上。

所述测量与电液控制器包括信号发生器芯片，所述信号发生器芯片采用16位DA芯片；

所述测量与电液控制器还包括测量芯片，所述测量芯片采用20位AD芯片；

所述测量与电液控制器还包括前置放大器、滤波器、程控放大器、PID及MPU。

2.一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量控制方法，其特征在于，包括：

根据土体的力学特性及试件的剪缩、剪涨的运行状态，进行增益、积分、微分的初步预估，得到初步预估结果；

根据得到的初步预估结果，在试件的最大振动应变和振动应力拟定条件下，确定振动频率及数据采集频率；

根据土体的密实度及剪缩、剪涨特性，确定增益反馈的参数；

根据确定的增益反馈的参数，在拟定的饱和或非饱和的固结条件下，进行振动体变测量试验，确定地震残余变形参数。

3.根据权利要求2所述的动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量控制方法，其特征在于，根据土体的密实度及剪缩、剪涨特性，确定增益反馈的参数，包括：

根据在同样的固结条件、不同的振动频率及不同的应力、应变关系下，对至少两个试件进行试验所获得的结果，通过判断调整，确定针对所述试件自适应变化所需的数据采集及处理的运行参数。

4.根据权利要求3所述的动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量控制方法，其特征在于，进行振动体变测量试验，包括：

对试样饱和固结，并在振动过程中饱和排水；

固结排气，并在振动过程中非饱和排气；

确定试样体积变化增量，以试验前体变缸标定结果为标尺，测定、校准数采记录结果，并按相应模式整理试验曲线、参数，以供地震永久变形计算分析使用。