CN104749042B - 基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，包含主机部分、水循环和稳压推力水源部分、数据采集和处理部分。其中水循环和稳压推力水源部分主要由两台推力稳压水源构成的两个独立的水路部分组成，即用于围压室提供稳定压力的围压控制水路和用于内体变和吸力精密量测的监测水路。本发明不采用传统非饱和仪器必须使用的陶土板而仍沿用轴平移技术，实现非饱和土体体变精确量测和试验过程中吸力的控制，因而省略了陶土板饱和的过程，同时也避免了陶土板排水滞后的问题并精确控制非饱和土中的吸力。本发明可全程实现自动化控制和量测，满足实验原理合理、量测精度高、技术可行的要求，大大提高了试验的效率。

Description

基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪

技术领域

本发明涉及室内土工实验测试装置，尤其是用于研究非饱和土体的静三轴仪，属于岩土工程测试和非饱和土力学实验设备范畴。

背景技术

“土木工程”之土分为饱和土与非饱和土，百分之九十的陆地土属于非饱和土范畴，近年来，随着国家和地区重大工程中对土体力学特性研究的要求越来越高，要求室内土工实验条件与实际工程条件一致，针对非饱和土的力学特性室内实验研究乃大势所趋。在上个世纪九十年代前，设备研制技术还无法实现非饱和力学测试，而21世纪以来，国际上已开始研制和推广非饱和土力学特性实验设备。

时至今日，实验理论已经完善，设备研制条件具备，但目前国内仅可自主生产饱和土测试设备，而非饱和土实验设备，特别是非饱和土三轴仪仍需进口(如德国Wille、英国GDS等产品)。当前，国内国际进行非饱和土研究通常采用陶土板法实现体变量测，然而高进气值陶土板完全依赖进口，自主研发难度大进口设备购置费用高，而且陶土板作为一种脆性材料极易损坏破碎，一旦一块陶土板出现微裂缝即宣告失效。因此，维护和运行带有陶土板的仪器成本高，周期长，给用户带来极大的不变。上述诸缺点预示着研制不用陶土板的非饱和土测试仪器非常必要。

在现有的动静三轴仪体变量测方面，均采用了外体变量测法，即量测实验过程中三轴压力室内水体积的变化来表示土体的体变。此方法的缺陷是把压力室看成绝对刚性结构，在施加围压时其体积不变。然而，在通常采用的压力室材料为有机玻璃的条件下，是根本不可能实现上述要求的。采用外体变量测法，用有机玻璃作为压力室材料时，为保证测量结果更准确，通常在实验前标定固定压力下压力室的体积变化，然后对实验结果的体变值进行修正。显然标定的过程显得繁琐且不一定准确，因此有必要开发内体变量测方法及装置。

在非饱和土的相关试验中，吸力控制是一项关键技术。吸力能否精确控制关系到非饱和土体性质能否准确反映。如今市场上受到认可的非饱和仪器大多采用轴平移技术来实现吸力的控制，即通过陶土板“过水不过气”的特性，认为施加在土体内的气压力等于吸力。但是，仍采用轴平移技术而摒弃陶土板的方法达到吸力可控的研究国内尚未见报道。

近三年来，除原有高校与科研单位因为纵向科研项目对非饱和三轴仪等非饱和土工设备的需求外，水利、电力、地质、石油、山地灾害、矿山、铁道、海洋等岩土工程勘察、设计与施工单位需求急速增大，主要用于重大工程设计与施工的可研和初研需要。因此，自主研发高精度的非饱和土三轴仪并投产，可满足工程与科研界对科研仪器的需要，达到实验原理合理、实验测试精度高、技术可行的要求。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明旨在提供一种简便实用、量测结果准确、吸力可控的非饱和土体静三轴仪，并能实现试验全过程的自动化控制和试验数据的自动化处理。在未采用传统的陶土板的条件下，实现了对非饱和土体体变的精确量测，尤其是采用了内体变的方法进行体变量测和吸力控制，解决了以往国产非饱和三轴仪器试验原理不合理、测试精度不高的难题。

本发明解决上述问题的技术方案是：

基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，其主要组成部分是：主机部分、水循环和稳

压推力水源部分、数据采集和处理部分，其中：

主机部分构成主要为：反力支架2立于底座1外沿、轴向调整活塞3立于底座1中部；顶部置有轴向加载杆9的围压室置于轴向调整活塞3上，其中围压室由围压室壁5、围压室固定螺栓6和围压室盖7组成；被测试样11置于加载杆9与调整活塞3之间，被测试样11设置有便于试样有效接触的试样帽，即上试样帽10A和下试样帽10B,其中下试样帽10B中设置有连通围压室内外的体变排水孔13；围压室壁为有机玻璃材料制成，围压室盖为金属盖，通过围压室固定螺栓6将两者连接；

所述水循环和稳压推力水源部分：主要由两台推力稳压水源构成的两个独立的水路部分组成，即用于围压室提供稳定压力的围压控制水路和用于内体变和吸力精密量测的监测水路；围压控制水路中推力稳压水源14A的与进水口18A与围压室4下方的围压注水孔12相连；内体变和吸力精密量测的监测水路中推力稳压水源14B的与进水口18B通过U型胶管与围压室底部轴向调整活塞3的体变排水孔13相连，所述体变排水孔的另一端与立于围压室内轴向加载杆9与轴向调整活塞3间的被测试样11的底部相接触；

数据采集和处理部分主要由一台数据采集与处理器21，一台控制计算机22，一个量测U型胶管17两端压差的压差传感器20，三个设置在不同水路的水压力传感器19及设置在加载杆9上的轴力传感器8组成，通过采集水压力传感器的读数反馈到控制计算机，计算机再给出控制命令调节电机的工作状态实现水压力的控制。

主机中围压室由围压室壁、围压室固定螺栓和围压室盖组成。在整个实验过程中，通过调节轴向调整活塞的位置和轴力传感器的数据采集，实现轴向荷载的自动控制。其外壳成分为有机玻璃，围压盖材料为不锈钢，外壳和围压盖均能承受一定的压力，并近似的认为围压室外壳为刚性，能保证在施加围压时不漏水、不变形。围压室下方有围压注水口，围压水通过此孔注入并施加围压。

基于内体变精密量测的非饱和土静三轴仪，其中稳压推力水源是实现体变量测和吸力控制的关键部分。水循环和稳压推力水源部分主要作用是进行水压力控制，一套用于围压控制，一套用于内体变的精密量测和吸力。所述稳压推力水源的主要组成部分是：进水口，活塞限位保护装置，活塞缸筒，活塞，电机，涡轮，蜗杆，滚珠丝杆外筒，滚珠丝杆内筒，滚珠丝杆，丝杆止动块，限位孔，涡轮蜗杆固定轴承。其中活塞筒内填充的液压介质为水。其调节水压力的原理是：通过电机的正反转动带动涡轮蜗杆的转动，进而带动活塞和滚轴丝杆的平动，实现活塞缸筒内压力的调节。用于围压控制的稳压推力水源控制围压压力稳定在一个固定值。

通过一根U型管一端与测试试样底端相连，控制U型管水平段的压力差为一个稳定值，这个稳定的压力值是土体中气体压力与水压力的差值，即试验过程中需要控制的吸力值。这样，即通过轴平移技术实现了吸力的控制。

非饱和土体的内体变值量测，是在吸力控制的过程中，通过伺服电机带动稳压推力水源内部滚轴丝杆前进或者后退使U型管水平段的压力差为一个稳定值，通过量测滚轴丝杆的位移量，再乘以丝杆的截面积，得到的这个体积就是非饱和土体的内体变值。

数据采集和处理部分主要由数据采集与处理器，控制计算机，压差传感器，水压力传感器和轴力传感器等组成，通过采集各传感器的读数反馈到控制计算机，计算机再给出控制命令调节电机的工作状态实现轴向荷载和水压力的控制。

本发明的有益效果在于，不采用传统非饱和仪器必须使用的陶土板而仍沿用轴平移技术，实现非饱和土体体变精确量测和试验过程中吸力的控制，因而省略了陶土板饱和的过程，同时也避免了陶土板排水滞后的问题。同时，本发明也能精确控制非饱和土中的吸力。本发明使用过程中全程实现自动化控制和量测，满足实验原理合理、量测精度高、技术可行的要求，大大提高了试验的效率。

本发明摒弃了传统非饱和测试仪器中使用的陶土板，大大降低了仪器维护的成本，缩短了仪器的维护周期，使非饱和土的强度和体变的量测不再困难和复杂，提高了实验的效率。

本发明简单实用，操作简单，与普通三轴仪操作差异不大，且全过程实现自动化控制，数据处理也由计算机自动完成，能达到实验测试精度高的要求。同时，本发明成本价格较国外进口仪器大大降低，将积极推动国内科研单位开展非饱和土研究。

附图说明

图1是这种非饱和三轴仪的整体结构示意图，

图2是围压室剖面图，

图3是稳压推力水源的正立面图，

图4是稳压推力水源的俯视图。

图中：1是底座，2是反力支架，3是轴向调整活塞，4是围压室，5是围压室壁，6是围压室固定螺杆，7是围压室盖，8是轴力传感器，9是轴向加载杆，10是试样帽，11是被测试样，12是围压注水孔，13是体变排水孔，14是推力稳压水源，15是电机，16是硬质塑料水管及水阀，17是U型胶管，18是进水口，19是水压力传感器，20是压差传感器，21是数据采集与处理器，22是计算机，23是活塞限位保护装置，24是活塞缸筒，25是活塞，26是涡轮，27是蜗杆，28是滚珠丝杆外筒，29是滚珠丝杆内筒，30是滚珠丝杆，31是丝杆止动块，32是限位孔，33是涡轮蜗杆固定轴承。

具体实施方式

下面参照说明附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1至图4给出了本发明的整体结构示意图和各个重要部件的剖面图。基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，主要有如下部分组成：主机部分、水循环和稳压推力水源部分、数据采集和处理部分。

参照附图1和附图2，主机部分构成主要为：反力支架2立于底座1外沿、轴向调整活塞3立于底座1中部；顶部置有轴向加载杆9的围压室置于轴向调整活塞3上，其中围压室由围压室壁5、围压室固定螺栓6和围压室盖7组成；被测试样11置于加载杆9与调整活塞3之间，被测试样11设置有便于试样有效接触的试样帽，即上试样帽10A和下试样帽10B,其中下试样帽10B中设置有连通围压室内外的体变排水孔13；围压室壁为有机玻璃材料制成，围压室盖为金属盖，通过围压室固定螺栓6将两者连接。

通过调节轴向调整活塞3的位置，使试样11与轴向加载杆9接触，实现轴向荷载的施加。轴向加载杆与轴力传感器8接触则可量测轴力的大小，并反馈数据采集与处理器，通过电脑控制活塞3的位置使轴向荷载稳定在某一数值上。

参照附图1，数据采集和处理部分主要由一台数据采集与处理器21，一台控制计算机22，一个量测U型胶管17两端压差的压差传感器20，三个设置在不同水路的水压力传感器19及设置在加载杆9上的轴力传感器8组成，通过采集水压力传感器的读数反馈到控制计算机，计算机再给出控制命令调节电机的工作状态实现水压力的控制。必要时还可以增加轴向位移传感器和环向位移传感器。

本发明主体结构中有两套稳压推力水源，其核心部件是滚轴丝杆，主要作用是进行水压力控制，一套用于围压控制，一套用于内体变的精密量测和吸力控制。

本发明的水循环和稳压推力水源部分主要由两台推力稳压水源构成的两个独立的水路部分组成，即用于围压室提供稳定压力的围压控制水路和用于内体变和吸力精密量测的监测水路；围压控制水路中推力稳压水源14A的与进水口18A与围压室4下方的围压注水孔12相连；内体变和吸力精密量测的监测水路中推力稳压水源14B的与进水口18B通过U型胶管与围压室底部轴向调整活塞3的体变排水孔13相连，所述体变排水孔的另一端与立于围压室内轴向加载杆9与轴向调整活塞3间的被测试样11的底部相接触。

参照附图3和附图4可看出推力稳压水源的构成，实际上推力稳压水源是一由涡轮蜗杆副驱动并沿滚珠丝杆机构的活塞水腔，其中主要包括活塞缸筒24，活塞25，电机15，涡轮26，蜗杆27构件，电机15受数据采集与处理器21控制；滚珠丝杆机构包括：滚珠丝杆外筒28，滚珠丝杆内筒29，滚珠丝杆30，丝杆止动块31，限位孔32，涡轮蜗杆固定轴承33。

活塞限位保护装置23，活塞缸筒24，活塞25，电机15，涡轮26，蜗杆27，滚珠丝杆外筒28，滚珠丝杆内筒29，滚珠丝杆30，丝杆止动块31，限位孔32，涡轮蜗杆固定轴承33。其中稳压推力水源中活塞缸筒内的液压介质为水。稳压推力水源进水口18与围压进水孔12或者体变排水孔13相连，水压力的调节是通过电机带动涡轮26转动，涡轮带动蜗杆27从而调节活塞25和滚珠丝杆30的位置，活塞位置的改变也即施加的水压力发生改变，滚珠丝杆位置的改变则可通过丝杆截面面积乘以丝杆移动的距离精确计算排水量。其中涡轮蜗杆部件通过固定轴承33固定。当活塞位置运动到极限位置时，活塞会带动限位保护装置触碰到外部的开关，从而停止电机15工作，防止稳压推力水源缸筒受到损坏。

用于围压控制的稳压推力水源工作原理是：围压室4的下方有一个围压注水孔12，通过硬质塑料水管与稳压推力水源进水口18相连接，围压压力值通过水压力传感器19采集，并反馈到数据采集和处理器21和控制计算机22，通过控制计算机发出的指令可自动调整活塞25的位置，实时调节围压值，使围压保持稳定值。

用于内体变的精密量测的稳压推力水源的工作原理是：制好的非饱和标准试样11安放在围压室底座上，试样上下两端各安放一个试样帽10，其中下部试样帽开体变排水孔13，体变排水孔13通过两段硬质塑料水管16和一段U型胶管17与稳压推力水源进水口18相连接。为保证实验中量测的准确性，需要两段的硬质塑料水管的水平段保持在同一水平面，两段水平段各安装一个水压力传感器19，两个水压力传感器的数值反馈到压差传感器20，压差传感器的数值再反馈到数据采集与处理器和控制计算机。当施加轴向荷载时，试样11内的水和气体通过管路排到稳压推力水源的缸筒内，在整个实验过程中，通过稳压推力水源中丝杆和活塞的位置自动调节压差传感器的数值，使其始终保持为某一固定值，即试验需要控制的吸力值。这样，通过计算丝杆的截面面积与丝杆移动的距离精确计算土体中的排水量，也即非饱和土体的体变量。

Claims (5)

1.基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，其主要组成部分是：主机部分、水循环和稳压推力水源部分、数据采集和处理部分，其中：

主机部分构成主要为：反力支架(2)立于底座(1)外沿、轴向调整活塞(3)立于底座(1)中部；顶部设置有轴向加载杆(9)的围压室置于轴向调整活塞(3)上，其中围压室由围压室壁(5)、围压室固定螺栓(6)和围压室盖(7)组成；被测试样(11)置于加载杆(9)与调整活塞(3)之间，被测试样(11)设置有便于试样有效接触的试样帽，即上试样帽(10A)和下试样帽(10B)，其中下试样帽(10B)中设置有连通围压室内外的体变排水孔(13)；围压室壁为有机玻璃材料制成，围压室盖为金属盖，通过围压室固定螺栓(6)将两者连接；

所述水循环和稳压推力水源部分：主要由两台稳压推力水源构成的两个独立的水路部分组成，即用于围压室提供稳定压力的围压控制水路和用于内体变和吸力精密量测的监测水路；围压控制水路中稳压推力水源(14A)的进水口(18A)与围压室(4)下方的围压注水孔(12)相连；内体变和吸力精密量测的监测水路中稳压推力水源(14B)的进水口(18B)通过U型胶管与围压室底部轴向调整活塞(3)的体变排水孔(13)相连，所述体变排水孔的另一端与立于围压室内轴向加载杆(9)与轴向调整活塞(3)间的被测试样(11)的底部相接触；

所述稳压推力水源为一由涡轮蜗杆副驱动并沿滚珠丝杆机构的活塞水腔，其中主要包括活塞缸筒(24)，活塞(25)，电机(15)，涡轮(26)，蜗杆(27)构件，电机(15)受数据采集与处理器(21)控制；滚珠丝杆机构包括：滚珠丝杆外筒(28)，滚珠丝杆内筒(29)，滚珠丝杆(30)，丝杆止动块(31)，限位孔(32)，涡轮蜗杆固定轴承(33)；

数据采集和处理部分主要由一台数据采集与处理器(21)，一台控制计算机(22)，一个量测U型胶管(17)两端压差的压差传感器(20)，三个设置在不同水路的水压力传感器(19)及设置在加载杆(9)上的轴力传感器(8)组成，通过采集水压力传感器的读数反馈到控制计算机，计算机再给出控制命令调节电机的工作状态实现水压力的控制。

2.根据权利要求1所述之基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，其特征在于，所述稳压推力水源用于围压控制，通过计算机控制系统控制围压压力稳定在一个固定值，实现实验过程中围压始终保持固定值。

3.根据权利要求1所述之基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，其特征在于，用于内体变的精密量测和吸力控制的稳压推力水源，通过一根U型管一端与测试试样底端相连，控制U型管水平段的压力差为一个稳定值，这个稳定的压力值是土体中气体压力与水压力的差值，即试验过程中需要控制的吸力值，即通过轴平移技术实现吸力的控制。

4.根据权利要求1所述之基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，其特征在于，所述非饱和土体的内体变值量测，是在吸力控制的过程中，通过伺服电机带动稳压推力水源内部滚轴丝杆前进或者后退使U型管水平段的压力差为一个稳定值，通过量测滚轴丝杆的位移量，再乘以丝杆的截面积，得到的这个体积就是非饱和土体的内体变值。

5.根据权利要求1所述之基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，其特征在于，所述数据采集和处理部分主要由数据采集与处理器，控制计算机，压差传感器，水压力传感器和轴力传感器组成，通过采集各传感器的读数反馈到控制计算机，计算机再给出控制命令调节电机的工作状态实现轴向荷载和水压力的控制。

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