CN107219160B - 一种智能型土工渗透剪切试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能型土工渗透剪切试验系统，在三轴试验中设置一套辅助加水和排水系统，当控制器中需要加水时，则将水箱中的去气水注入控制器中；当控制器中需要排水时，则将控制器中的水排到另外一处回流水箱中。本发明设置有电子阀门，通过将所有电子开关的线路与数据采集板以及计算机相连结之后，实现计算机对于所有阀门的控制，且针对计算机中的软件开发智能APP，智能手机安装该试验系统的APP后，在联网状态下，可以随时观察试验进程以及实现对于设备中电子开关的控制以及可以进行试验过程的控制。

Description

一种智能型土工渗透剪切试验系统

技术领域

本发明属于渗透剪切试验技术领域，特别设计一种智能型土工渗透剪切试验系统。

背景技术

岩土工程中，土工试验设备的更新速度非常快。随着化学、力学和物理等基础科学的发展，各种新型传感器以及控制系统不断渗透到岩土工程测试的不同方面。这些传感器、数据采集器以及控制器等的发展提高了土工试验测试的精度，促进了土工测试仪器的进步。目前岩土工程中能够进行渗透剪切试验的设备相对较少，仅有三轴仪以及部分环剪仪可以进行。

已有设备中的渗透剪切主要基于伺服电机控制器进行压力和水流量的控制，但是控制器中水箱的容量有限，不能够进行水的后续补充工作。导致渗透试验进行中需要多次中断试验进行人工加水工作，该过程需要试验人员时刻在设备周围且对于试验数据采集都会产生影响，同时增加了试验人员的工作量。已有三轴仪的控制器水箱容量一般在200～500cm³，对于渗透试验一般要求渗透过程稳定后方可终止试验，而不同的岩土体往往具有不同的渗透系数，因此不同岩土体进行渗透试验时达到渗透稳定过程所需要的时间就不相同，这就需要在控制器中水量减少的过程中进行适当补水工作，否则控制器无法提供压力维持渗透。环剪试验系统中的控制器与三轴试验中控制器具有类似的问题。

此外，上述试验设备中，除了对于试验设备进行适当补水工作外，在恒水头渗透试验中，由于存在压力差，一台控制器出水，而另外一台控制器则需要排水，这个过程中控制器的排水工作也需要试验人员定期进行人工排水工作，给试验过程造成了不方便。

目前的试验设备中，较多试验设备不能够进行软件对于硬件的控制，试验中往往需要硬件设置完成之后进行软件的开启；部分实验设备可以进行局部硬件的控制，试验中需要手动和软件同时控制硬件；少量的试验设备可以实现软件对于硬件的全部控制，该过程中只需要试验人员在软件中设置好试验过程，设备可以根据用户需要自动完成后续试验。但水头饱和以及渗透试验中水箱容量有限依然是自动化程度较高的试验设备进一步发展的重要障碍之一。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有伺服电机控制器水箱容量有限的缺陷，提供了一种具有辅助加水和排水系统的智能型土工渗透剪切试验系统。

本发明提供的技术方案是：

一种智能型土工渗透剪切试验系统，包括压力室和设置在压力室内的内压力室，试样设置在内压力室内部，试样顶部设置有顶帽，底部设置有底座；差压传感器一条管路与内压力室里面相连接，另外一条管路与内压力室外侧的标准管相连接；

所述顶帽上设置有两个孔，一个与孔隙水压力传感器连接，另一个与反压控制器及辅助加/排水系统连接；

所述底座上设置有两个孔，一个与孔隙水压力传感器连接，另一个与孔压控制器及辅助加/排水系统连接；

所述反压控制器及辅助加/排水系统和孔压控制器及辅助加/排水系统均包括辅助加/排水系统，所述辅助加/排水系统包括控制器左右两侧的控制器水箱，所述控制器水箱分别与加水水箱和回流水箱连接，所述控制器水箱与加水水箱和回流水箱之间均设置有电子阀门；

所述控制器水箱分别与排水位限位器和进水位限位器连接，以限制控制器水箱的排水水位和加水水位；

其中，一个控制器水箱处于排水状态时，另一个控制器水箱处于加水状态。

优选的是，所述电子阀门与数据集成器连接，所述数据集成器通过数据线与数据采集板连接。

优选的是，所述电子阀门包括：

管路；

指示灯，其用于指示相应管路开启或关闭的状态；

手动操作界面，其设置在电子阀门上，实现手动控制每个管路的开启或关闭状态。

优选的是，还包括：

计算机，其与所述数据采集板连接，接收数据采集板采集的数据信息；

智能设备，其与所述计算机能够进行无线通信，通过所述智能设备进行远程查看或操控。

本发明的有益效果体现在以下方面：

1、通过在现有的试验设备中设置辅助加水和排水系统，可以在试验中实现自动加水和自动排水操作，不需要试验人员在实验室时刻关注伺服电机控制器中水量的变化，大大节约了人力。该辅助系统可以让设备进行长周期的渗透试验，拓展了试验设备的使用范围。

2、通过将现有设备中机械式阀门全部更换为电子阀门后，试验人员可以在计算机上直接进行所有阀门的操作，同时能够通过手机APP连接后实现对设备阀门以及试验系统的远程操作，智能化水平显著提高。

附图说明

图1为本发明所述的渗透剪切试验系统整体图。

图2为本发明所述控制器及加/排水系统效果图

图3为本发明所述电子阀门结构示意图。

图4为本发明所述智能APP操作界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种智能型土工渗透剪切试验系统，包括压力室101，所述压力室101的顶部和底部分别设置有压力室顶板102和压力室底板103。在压力室101内设置有内压力室106，通过设置压力室101和内压力室106进行试样在剪切过程中体变的测试。试样107设置在内压力室106内部，顶帽104与试样107顶部通过透水石和滤纸等间接接触。底座105与试样107底部接触。轴向力传力杆109用于实时采集试样剪切过程中产生了偏应力。孔隙水压力传感器110设置有两个探头，一个进行试样107顶部孔隙水压力的监测，另外一个进行试样107底部的孔隙水压力监测。位移传感器113用于测量试样107的位移。加载设备114主要通过变速箱进行不同速率的加载。数据采集板115不仅仅用于数据的集成，同时是用于计算机117中软件对各类控制器以及阀门的精确控制的重要桥梁。围压控制器116主要将外部空压机产生的气体值能控制为试验所需要的气压值。计算机117能够实时联网，智能设备118与计算机117能够进行无线通信，所述智能设备118为手机或者平板电脑等移动智能设备。智能设备118通过智能APP软件能够实现对于计算机117操作界面的实时监控以及操作，试验人员不在实验室的情况下也能够进行土样各类试验的实时操作与土样实时状态的监测。

本发明还设置有反压控制器及辅助加/排水系统111和孔压控制器及辅助加/排水系统112。

所述试样顶帽104上设置有两个孔，一个与孔隙水压力传感器110连接，另一个与反压控制器及辅助加/排水系统111连接。所述底座105上也设置有两个孔，一个与孔隙水压力传感器110连接，另一个与孔压控制器及辅助加/排水系统112连接。差压传感器108一条管路与内压力室106里面相连接，另外一条管路与内压力室106外侧的标准管相连接。

本发明中所所有传感器均与数据采集板115相连接，通过数据采集板115采集传感器的测量数据，数据采集板115又与计算机117相连接。

如图2所示，本发明提供的反压控制器及辅助加/排水系统111和孔压控制器及辅助加/排水系统112将控制器与加/排水系统进行了集成。

控制器左右两侧有两个水箱控制器水箱204，两个水箱具有一个重要特点：左侧水箱排水的过程中，右侧水箱处于加水状态。底部的传动系统209做了特殊设计，使得两个水箱一个排水时则另外一个处于加水状态。控制器工作中通过软件对电子阀门202进行控制，不同的电子阀门202均具有不同的编号，在软件操作界面上一一对应。控制器水箱204加水时，与加水水箱201相连接的电子阀门202打开，与回流水箱203相连接的电子阀门202关闭，最外侧的电子阀门202也处于关闭状态；控制器水箱排水时，与加水水箱201相连接的电子阀门202关闭，与回流水箱203相连接的电子阀门202打开，最外侧的电子阀门202也处于关闭状态。正常加压过程中，最外侧的电子阀门202处于打开状态，而与加水水箱201相连接的电子阀门202关闭，与回流水箱203相连接的电子阀门202关闭。最外侧的电子阀门202在使用中需要注意的问题是一侧控制器水箱204工作时，另外一侧的电子阀门202需要关闭。

排水位限位器206和进水位限位器207主要在控制器水箱204加水和排水中使用，加水至预定量时，进水位限位器207启动，此时伺服电机控制器205系统自动停止，等待后续操作；排水至预定量时，排水位限位器206启动，此时伺服电机控制器205系统自动停止，等待后续操作。该控制器系统也可以在软件中设置为自动模式，则不需要人工进行后续相关操作。

图2中所有电子阀门202以及伺服电机控制器205均通过数据线与数据集成器208相连接，数据集成器208通过线路与图1中数据采集板115相连接。

如图3所示，电子阀门系统主要由管路以及阀门内部的控制系统组成，阀门处于打开状态时，则阀门对应管路位置的指示灯301显示为绿色；阀门处于关闭状态时，则阀门对应的指示灯301显示为红色。手动操作界面303可以实现电子阀门各个管路302关闭/打开的人工操作。所有电子阀门均通过数据线304与图1中数据采集板115相连接。

本发明通过将控制器与加/排水系统进行了集成，在三轴试验中设置一套辅助加水和排水系统，当控制器中需要加水时，则将水箱中的去气水注入控制器中；当控制器中需要排水时，则将控制器中的水排到另外一处回流水箱中。

如图4所示，智能APP操作界面如下：

设备当前状态显示窗口401：主要显示试验系统所有传感器当前的状态值，如果由于操作错误则传感器显示“error”。

试验方案库402：里面储存了常规UU试验、CU试验、CD试验、K0固结试验、恒水头渗透试验、恒流量渗透试验以及应力路径试验等常见的试验方案，采用方案库中的试验方案进行试验时，所有的阀门以及控制器进入自动工作模式，无需人工单独控制。所有的阀门设置以及控制器操作均通过程序命令预先进行了设置。

高级控制窗口403：主要为试验人员提供了单独操作试验设备的窗口，该窗口中试验人员可以单独设置试验系统中所有电子阀门以及控制器的工作状态，作为整个智能试验系统的备选方案。

计算机远程控制界面404：主要实现对与智能试验系统相连接的计算机进行远程操作，可以远程进行数据传输与计算机控制。

本发明中将所有的阀门全部设置为电子开关，通过将所有电子开关的线路与数据采集板以及计算机相连结之后，实现计算机对于所有阀门的控制，且针对计算机中的软件开发智能APP，智能手机安装该试验系统的APP后，在联网状态下，可以随时观察试验进程以及实现对于设备中电子开关的控制以及可以进行试验过程的控制。后期根据需要，可在该平台基础上进行云技术应用，将常见的三轴试验以及环剪试验等过程存储在云空间，用户在手机连接设备成功后，只需在云试验计划中选择所要进行的试验，设备可以根据设置自动进行后续试验。

本发明使用过程如下：

1.安装试样：装样前务必对三轴仪进行排气操作，将预先削制好的三轴试样小心放置在三轴仪底座上，后结合承膜筒和密封圈将橡皮膜套在试样外侧，并且安装试样顶帽。在此基础上进行试样内压力室的安装，装好内压力室之后务必检查内压力室底部的密封性，后向内压力内部和标准量测管中注入去气蒸馏水，最后在外侧的差压传感器处进行排气操作，结束后进行外压力室的安装。

2.试样饱和：通过抽气饱和、二氧化碳饱和、水头饱和以及反压饱和等方法对所安装试样进行饱和，饱和结束后对试样的饱和度进行检测，待饱和度通过检测后方可进行后续试验。

3.试样固结：饱和度检测符合规范要求后进行试样的固结，当试样的排水量在一定时间内恒定时可认为试样完成了固结过程，便可以进行后续试验过程。

4.试样剪切：试样固结结束后，设置相应的剪切速率对试样进行剪切。

5.渗透试验：完成1～2后，根据试样的应力状态进行后续操作。如果不需要固结，则直接通过计算机设置反压控制器及辅助加/排水系统和孔压控制器及辅助加/排水系统的压力值进行水头差的设置。如果试样需要固结，则在完成1～2之后，再进行水头差的设置。如果进行恒流量渗透试验则只需要将水头设置直接更改为流量设置即可。设置后启动计算机软件开始数据采集以及控制器的实时控制。

6.其他试验：除了常规三轴试验以及渗透试验之外，该智能试验系统还可以进行应力控制试验、K0固结试验以及其他加载试验。可以根据试验人员的具体要求进行不同加载方式试验的设置，通过不同方式的加载以及孔隙水压力的控制进行现场不同工况的模拟，拓展该设备的适用范围。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种智能型土工渗透剪切试验系统，其特征在于，包括压力室和设置在压力室内的内压力室，试样设置在内压力室内部，试样顶部设置有顶帽，底部设置有底座；差压传感器一条管路与内压力室里面相连接，另外一条管路与内压力室外侧的标准管相连接；

所述顶帽上设置有两个孔，一个与孔隙水压力传感器连接，另一个与反压控制器及辅助加/排水系统连接；

所述底座上设置有两个孔，一个与孔隙水压力传感器连接，另一个与孔压控制器及辅助加/排水系统连接；

所述反压控制器及辅助加/排水系统和孔压控制器及辅助加/排水系统均包括辅助加/排水系统，所述辅助加/排水系统包括控制器左右两侧的控制器水箱，所述控制器水箱分别与加水水箱和回流水箱连接，所述控制器水箱与加水水箱和回流水箱之间均设置有电子阀门；

所述控制器水箱分别与排水位限位器和进水位限位器连接，以限制控制器水箱的排水水位和加水水位；

其中，一个控制器水箱处于排水状态时，另一个控制器水箱处于加水状态。

2.根据权利要求1所述的智能型土工渗透剪切试验系统，其特征在于，所述电子阀门与数据集成器连接，所述数据集成器通过数据线与数据采集板连接。

3.根据权利要求2所述的智能型土工渗透剪切试验系统，其特征在于，所述电子阀门包括：

管路；

指示灯，其用于指示相应管路开启或关闭的状态；

手动操作界面，其设置在电子阀门上，实现手动控制每个管路的开启或关闭状态。

4.根据权利要求3所述的智能型土工渗透剪切试验系统，其特征在于，还包括：

计算机，其与所述数据采集板连接，接收数据采集板采集的数据信息；

智能设备，其与所述计算机能够进行无线通信，通过所述智能设备进行远程查看或操控。