CN108007787A - 压力室及动静态三轴试验系统 - Google Patents

Abstract

一种压力室及动静态三轴试验系统，属于粗粒土试验领域，压力室包括上支座、下支座、外层壁、及内层壁，外层壁和内层壁均连接于上支座和下支座之间，且内层壁位于外层壁之内，外层壁和内层壁之间形成外层水腔，内层壁用于放置粗粒土样品，内层壁和粗粒土之间能形成围压水腔。动静态三轴试验系统包括上述的压力室。本压力室具有结构合理，利于粗粒土测试的特点。本动静态三轴试验系统，用于对粗粒土进行试验，其结构合理，可以实现对粗粒土的准确测量。

Description

压力室及动静态三轴试验系统

技术领域

本发明涉及粗粒土试验领域，具体而言，涉及一种压力室及动静态三轴试验系统。

背景技术

非饱和粗粒土的试验广泛应用于水利、电力、冶金、矿山、地质、大型工民建筑、山地灾害、工程勘察设计研究部门与高等院校的教学研究工作。同时也应用于大型水坝、高速公路路基、高铁铁路边坡、冶金矿山、建筑勘察设计、资源环境及抗震研究部门中，进行地震模拟研究。压力室是构成粗粒土试验系统中的主要设备之一。

但是，现有的压力室大多存在结构不合理，不利于粗粒土的测试的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压力室，其具有结构合理，利于粗粒土测试的特点。

本发明的另一目的在于提供一种动静态三轴试验系统，其结构合理，可以实现对粗粒土的准确测量。

本发明的实施例是这样实现的：

一种压力室，其包括上支座、下支座、外层壁、及内层壁，外层壁和内层壁均连接于上支座和下支座之间，且内层壁位于外层壁之内，外层壁和内层壁之间形成外层水腔，内层壁用于放置粗粒土样品，内层壁和粗粒土之间能形成围压水腔。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，外层壁由刚性材料制成，内层壁由柔性材料制成。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，内层壁由不锈钢材料制成。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上支座设置有载荷施加轴和自平衡水缸，载荷施加轴贯穿自平衡水缸且一端抵住粗粒土样品，自平衡水缸内设置有活塞，活塞固定连接于载荷施加轴，活塞将自平衡水平分隔为上腔和下腔，上腔和下腔分别与外层水腔连通。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，自平衡水缸的侧壁设置有多个流道，多个流道一端分别与上腔和下腔连通，另一端分别与外层水腔连通。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，活塞设置有密封圈，密封圈位于活塞的周面和自平衡水缸的内壁之间。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上腔和下腔内均设置有压力补偿件，压力补偿件能在上腔和下腔中的压力增大时吸收压力和在上腔和下腔中的压力减小时释放压力。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，压力补偿件为皮囊式蓄能器或空气弹簧。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，压力室包括外层水源和围压水源，外层水源用于向外层水腔输送液体，围压水源用于向围压水腔输送液体。

一种动静态三轴试验系统，用于对粗粒土进行试验，其包括上述的压力室，压力室用于放置待试验的粗粒土样品。

本发明实施例的有益效果是：

本压力室包括上支座、下支座、外层壁、及内层壁，外层壁和内层壁均连接于上支座和下支座之间，且内层壁位于外层壁之内，外层壁和内层壁之间形成外层水腔，内层壁用于放置粗粒土样品，内层壁和粗粒土之间能形成围压水腔。本压力室具有结构合理，利于粗粒土测试的特点。

本动静态三轴试验系统，用于对粗粒土进行试验，其包括上述的压力室，压力室用于放置待试验的粗粒土样品，其结构合理，可以实现对粗粒土的准确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的动静态三轴试验系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激振器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的压力室和外体变测量装置的连接示意图；

图4为本发明实施例提供的压力室的内部结构示意图；

图5为图4的A部放大图；

图6为图4的B部放大图；

图7为本发明实施例提供的外层水源的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的压力室和内体变测量装置的结构示意图。

图标：100－动静态三轴试验系统；200－主机结构；210－上梁；220－下梁；230－立柱；300－激振器；310－安装座；320－动力件；330－密封罩；340－位移计；400－压力室；410－上支座；420－下支座；430－外层壁；440－内层壁；431－外层水腔；441－内腔；451－围压水腔；460－载荷施加轴；470－自平衡水缸；480－稳压结构；481－活塞；482－上腔；483－下腔；484－流道；500－外体变测量装置；510－外层水源；511－计量液缸；512－动力装置；520－围压水源；600－内体变测量装置；610－孔压水源；620－反压水源；630－压力传感器；640－饱和水箱；650－真空泵；700－陶土板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，本实施例提供了一种动静态三轴试验系统100，其用于对粗粒土样品进行试验，以便获取粗粒土样品的各项性能参数。本动静态三轴试验系统100包括主机结构200、激振器300、压力室400、体变测量装置及控制系统。激振器300和压力室400安装于主机结构200，激振器300用于向粗粒土施加载荷，压力室400用于放置待试验的粗粒土样品，体变测量装置用于测量粗粒土样品在激振器300的载荷作用下的体积变化，控制系统用于控制激振器300和体变测量装置的自动运行。

其中，主机结构200包括上梁210、下梁220及四根立柱230，每根立柱230的两端分别连接于上梁210和下梁220，从而形成大致呈长方体形的框架结构。

请参照图2，激振器300设置于上梁210。激振器300可以采用各种结构形式，本实施例中，激振器300可以包括安装座310和动力件320。安装座310呈圆管状且贯穿上梁210，安装座310固定连接于上梁210且底部与上梁210的下表面平齐，顶部高于上梁210的上表面。

动力件320为油缸，可选地，油缸为双向双作用低摩阻密封液压油缸。油缸的缸筒呈圆盘状且轴线与安装座310的轴线重合，缸筒的边缘固定连接于安装座310的一端，油缸的活塞杆能相对于缸筒直线往复移动，活塞杆贯穿安装座310且两端位于安装座310外，其中一端伸入压力室400内。

为了防止灰尘进入油缸，影响油缸的正常工作，本实施例中，激振器300还包括防尘罩，防尘罩大致呈阶梯轴状且为中空薄壳结构，其包括一体成型的大径部和小径部，其中大径部连接于上梁210且罩住安装座310高出上梁210的上表面的部位，小径部则罩住油缸位于安装座310外的部位。活塞杆位于安装座310外的一端能在防尘罩能直线往复移动。

为了精确测量活塞杆的移动距离，防尘罩内设置有位移计340，位移计340与控制系统电连接。位移计340可以采用各种结构形式，本实施例中，位移计340为磁致伸缩位移传感器。位移计340的两端分别与防尘罩远离安装座310的一端和油缸位于安装座310外的一端连接。这样，当活塞杆相对于缸筒移动时，位移计340就可以检测出活塞杆的位移值，并将其反馈给控制系统，以便控制系统进行相关的计算。

为了方便位移计340的安装和拆卸，防尘罩远离安装座310的一端可拆卸连接有安装头。可拆卸连接的方式有很多，本实施例中，安装头螺纹连接于防尘罩。位移计340远离活塞481缸的一端可拆卸连接于安装头。

本实施例中，防尘罩、缸筒及安装座310可以通过多个螺钉连接，多个螺钉沿缸筒的圆周方向间隔设置，每个螺钉的头部压住防尘罩的外壁，螺杆依次穿过防尘罩和缸筒后锁入安装座310内。

请参照图3－4，压力室400位于上梁210、下梁220及四根立柱230共同围成的空腔内。压力室400可以采用各种结构形式，本实施例中，压力室400包括上支座410、下支座420、外层壁430及内层壁440。

其中，外层壁430由刚性材料制成，内层壁440由柔性材料制成，可选地，内层壁440由不锈钢材料制成。不锈钢结构的厚度为3－5毫米，使其不但具有较好的防锈性，而且具有适当弹性。外层壁430和内层壁440均连接于上支座410和下支座420之间，且内层壁440位于外层壁430之内，外层壁430和内层壁440之间形成外层水腔431。内层壁440用于放置粗粒土样品，内层壁440和粗粒土之间能形成围压水腔451。

上支座410和下支座420均呈圆盘状，上支座410位于下支座420的上方。上支座410设置有载荷施加轴460和自平衡水缸470，载荷施加轴460可以为单独地零件且与活塞杆伸入压力室400的一端连接，也可以为活塞杆本身。载荷施加轴460贯穿自平衡水缸470且远离缸筒的一端抵住粗粒土样品。自平衡水缸470用于辅助保持外层水腔431和围压水腔451的压力平衡。自平衡水缸470内设置有活塞481，活塞481固定连接于载荷施加轴460且两者轴线重合，活塞481将自平衡水平分隔为上腔482和下腔483，上腔482和下腔483分别与外层水腔431连通。

为了扩大通流面积，保证液体的流速，自平衡水缸470的侧壁设置有多个流道484，多个流道484一端分别与上腔482和下腔483连通，另一端分别与外层水腔431连通。

为了提高活塞481的密封性能，本实施例中，活塞481设置有密封圈，可选地，活塞481的周面设置有环形安装槽，密封圈套设与环形安装槽内且位于活塞481的周面和自平衡水缸470的内壁之间，从而有效保证活塞481的周面和自平衡水缸470的内壁之间的密封性。

为了提高自平衡水缸470的自平衡功能，上腔482和下腔483内均设置有压力补偿件，压力补偿件能在上腔482和下腔483中的压力增大时吸收压力和在上腔482和下腔483中的压力减小时释放压力。压力补偿件可以采用各种结构和形式，本实施例中，压力补偿件为皮囊式蓄能器或空气弹簧。

本自平衡水缸470的工作原理和过程是这样的：

当激振器300工作时，活塞481在活塞杆的驱动下向下运动，压缩压力室400内的水压，会造成围压水腔451的压力升高，同时将下腔483流出的水经过流道484和外层水腔431后流向上腔482，从而达到自行补偿压力的目的和效果。反向时，活塞481向上运动，上腔482的水则通过流道484流向下腔483，这就能消除激震时活塞481在压力室400中移动引起的压力变化。同时上下两个腔室均配有皮囊式蓄能器或者空气弹簧，以便辅助吸收激震时产生的水压脉动，再配合围压水源520的自动稳压功能就能确保围压水源520压力稳定，就能达到较好的围压平衡稳定功能。

自平衡缸内充满液体，用位移计340可以实时监测自平衡缸活塞481的具体位置，就可以计算出自平衡缸随着轴向加载激振后，活塞481上、下移动的距离，也可以计算出活塞481动态体积对压力室400体积的影响。由于自平衡缸两腔相互联通，液体自动交替循环，同时两腔各配有一台适当容积的皮囊式蓄能器或空气弹簧，能使加载激振时活塞481进出造成的围压变化得到自动补偿，能有效减少压力变化，为围压水腔451压力的稳定提供了有利条件。

体变测量装置包括外体变测量装置500和内体变测量装置600。请参照图5－7，外体变测量装置500用于测量粗粒土样品在激振器300的载荷作用下的外部体积的变化。外体变测量装置500包括压力传感器630、外层水源510及围压水源520，外层水源510用于向外层水腔431输入液体，围压水源520用于向围压水腔451输入液体。

压力传感器630用于测量外层水源510及围压水源520的压力，并且压力传感器630与控制系统电连接。外层水源510及围压水源520均包括计量液缸511以及用于将计量液缸511中的液体注入述外层水腔431及围压水腔451的动力结构，动力结构与控制系统电连接。通过压力传感器630监测外层水腔431及围压水腔451的压力，并且通过控制系统控制动力结构调整将计量液缸511中的液体注入述外层水腔431及围压水腔451的液体，便能对外层水腔431及围压水腔451的压力进行具体的调整，使两者始终处于平衡状态。

本外体变测量装置500的工作原理是：

将待试验的样品置于压力室400的内腔441中，外体变测量装置500通过围压水源520与外层水源510的配合工作以保证外层水腔431与围压水腔451的压力平衡。

之后，待外层水腔431与围压水腔451的压力平衡后，通过载荷施加轴460向设置在内腔441内的试样施加压力和载荷，在试样承受压力和载荷的过程中，通过压力补偿件及自平衡水缸470的配合工作，能在活塞481进出造成的压力变化时起到自动补偿的作用，能有效减少压力变化，起到较好的压力平衡稳定功能，进一步确保围压水腔451中的压力稳定，为围压水源520控制系统最终调整稳定围压提供了有利条件。

随后，若内腔441中的试样发生体积的变化时，由于外层水腔431及围压水腔451之间处于压力平衡的状态，而由于试样的体积变化，便会造成内腔441的容积变化，由此在围压水腔451的压力不变的情况下，由于样发生体积的变化变化导致通过围压水源520向围压水腔451内的注水体积变化，由此通过围压水源520向围压水腔451内的注水体积的变化，以及位移计340所测得的数据便能较为精准的计算出试样承受载荷的情况下的体变量。故该外体变测量装置500能够直接测量粗粒土样品外部压缩(与剪涨)后发生的试样体积变化。

请参照图8，内变体测量装置用于测量粗粒土样品在激振器300的载荷作用下的内部体积的变化。内体变测量装置600包括孔压水源610和反压水源620，孔压水源610用于向粗粒土样品的底部输入液体，反压水源620用于向粗粒土样品的底部输入液体。两者的具体结构可以参照外层水源510和围压水源520的结构，此处不再赘述。

在测试的过程中，粗粒土放置在压力室400的内腔441中，孔压水源610用于由压力室400的底部向陶土板700输入液体，反压水源620用于向粗粒土样品的顶部输入液体，由此通过孔压水源610及反压水源620的配合工作，便能对压力室400内的粗粒土样品的顶部压力及底部的压力进行调整。

该内体变测量装置600通过孔压水源610与反压水源620的配合工作以实现对压力室400内的粗粒土样品的顶部压力及底部的压力进行控制，目的是对粗粒土样品的顶部及底部之间的压力进行控制。由于在压力室400内的粗粒土样品在压力和载荷作用下发生内部体积变化之后，粗粒土样品中会排出部分水，故通过孔压水源610与反压水源620对压力室400内的粗粒土样品的顶部压力及底部的压力进行调整，使得在粗粒土样品的顶部及底部之间存在压力差(孔压水源610的压力小于反压水源620的压力)，便能引导粗粒土样品中由于内部体积变化排出的水向孔压水源610端流出。由此，简化操作的步骤，能够方便直接的得到更为精确的粗粒土样品内部体积变化之后的排水量数据。

进一步地，在本实施例中，为对孔压水源610及反压水源620的压力进行实时的监测，以便于对孔压水源610及反压水源620的水压进行调整，故在孔压水源610及反压水源620上均设有压力传感器630。

需要说明的是，进行内体变测量需要使得粗粒土样品处于饱和状态，为防止放置到压力室400内部的粗粒土样品为饱和粗粒土，故该内体变测量装置600还包括能够提高粗粒土样品饱和度的结构。

具体的，在本实施例中，该内体变测量装置600包括用于由压力室400的底部向陶土板700输入液体的饱和水箱640，以及与压力室400连通的真空泵650。通过饱和水箱640对粗粒土样品施加水头压力，能够提高粗粒土样品饱和度。另外，需要说明的是，当通过饱和水箱640施加的水头压力不能使得粗粒土样品饱和时，可以通过真空泵650对压力室400进行抽真空处理，或是反压水源620的反压压力对粗粒土样品完成饱和。

该内体变测量装置600的工作原理是：

通过孔压水源610与反压水源620的配合工作以实现对压力室400内的粗粒土样品的顶部压力及底部的压力进行控制，目的是对粗粒土样品的顶部及底部之间的压力进行控制。由于在压力室400内的粗粒土样品在外力作用下发生内部体积变化之后，粗粒土样品中会排出部分水，故通过孔压水源610与反压水源620对压力室400内的粗粒土样品的顶部压力及底部的压力进行调整，使得在粗粒土样品的顶部及底部之间存在压力差(孔压水源610的压力小于反压水源620的压力)，便能引导粗粒土样品中由于内部体积变化排出的水向孔压水源610端流出。由此，简化操作的步骤，能够方便。直接的得到更为精确的粗粒土样品内部体积变化之后的排水量数据。

该内体变测量系统在进行测试的过程中，通过将进行测试的粗粒土样品放入内腔441中，进行饱和处理。

随后，通过载荷施加轴460向设置在内腔441内的粗粒土样品施加外力测试。并同时需要保证外层水腔431与围压水腔451的压力平衡以及粗粒土样品的顶部及底部之间存在压力差(孔压水源610的压力小于反压水源620的压力)。

在粗粒土样品承受外力的过程中，通过自平衡水缸470能够保持外层水腔431中的压力不变，并且在在粗粒土样品承受外力时会造成粗粒土样品的外部体积变化及内部体积变化。

当内腔441中的粗粒土样品发生外部体积的变化时，由于外层水腔431及围压水腔451之间处于压力平衡的状态，而由于粗粒土样品的外部体积变化，便会造成内腔441的容积变化。由此，在围压水腔451的压力不变的情况下，由于粗粒土样品发生体积的变化变化导致通过围压供水结构向围压水腔451内的注水体积变化，由此通过围压供水结构向围压水腔451内的注水体积的变化，便能较为精准的计算出试样承受载荷的情况下的体变量。故该内体变测量系统能够直接测量粗粒土样品外部压缩(与剪涨)后发生的试样体积变化。

与此同时，在压力室400内的粗粒土样品在外力作用下，粗粒土样品同时会发生内部体积变化，粗粒土样品在发生内部体积变化后，会导致粗粒土样品中的水分被排出。并且在孔压水源610及反压水源620的压力的引导作用下，粗粒土样品中由于内部体积变化所排出的水会向孔压水源610端流出。由此，能够方便直接的得到更为精确的粗粒土样品在外力作用下的排水量数据。

陶土板700结构设置于下支座420的内壁且位于待试验的样品的下方。具体地，本实施例中，在进行粗粒土试验的过程当中，由于陶土板700结构容易被破坏，故为保证试验正常进行，并在不影响试验正常进行的情况下，本实施例中，采用的是设置多个陶土板700的方式，其目的是在不影响由粗粒土样品中排出的液体通过陶土板700向孔压水源610流动，通过设置多个陶土板700，减小陶土板700的在试验过程中的应力，避免在试验的过程中陶土板700被破坏，从而导致需要暂停试验，并更换陶土板700结构中的陶土板700。而且这样的设置方式，能够降低陶土板700被破坏的几率，并且能够降低陶土板700的维护成本，从而起到节约试验时间及试验成本的作用。

其次，为防止在进行粗粒土试验的过程当中陶土板700结构被破坏，在本实施例中，在保护垫与陶土板700之间还可以设置安装板，并且在安装板上可以设置有多个用于安装多个陶土板700的凹槽，多个凹槽与多个陶土板700一一对应，通过将陶土板700对应安装在凹槽内，能够进一步对陶土板700起到保护作用。

综上，本动静态三轴试验系统100，用于对粗粒土样品进行试验，其包括主机结构200、激振器300、压力室400、体变测量装置及控制系统，激振器300和压力室400安装于主机结构200，激振器300用于向粗粒土施加载荷，压力室400用于放置待试验的粗粒土样品，体变测量装置用于测量粗粒土样品在激振器300的载荷作用下的体积变化，控制系统用于控制激振器300和体变测量装置的自动运行。本动静态三轴试验系统100可以测量粗粒土样品在激振状态下的内外体积变化，从而获得粗粒土的各项力学性能参数，不但功能全面丰富，试验结果准确，可扩展性强，而且自动化程度高，操作简单方便，有效弥补了现有的三轴试验系统的缺陷。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压力室，其特征在于，包括上支座、下支座、外层壁、及内层壁，所述外层壁和内层壁均连接于所述上支座和所述下支座之间，且所述内层壁位于所述外层壁之内，所述外层壁和所述内层壁之间形成外层水腔，所述内层壁用于放置粗粒土样品，所述内层壁和所述粗粒土之间能形成围压水腔。

2.根据权利要求1所述的压力室，其特征在于，所述外层壁由刚性材料制成，所述内层壁由柔性材料制成。

3.根据权利要求2所述的压力室，其特征在于，所述内层壁由不锈钢材料制成。

4.根据权利要求2所述的压力室，其特征在于，所述上支座设置有载荷施加轴和自平衡水缸，所述载荷施加轴贯穿所述自平衡水缸且一端抵住粗粒土样品，所述自平衡水缸内设置有活塞，所述活塞固定连接于所述载荷施加轴，所述活塞将自平衡水平分隔为上腔和下腔，所述上腔和下腔分别与外层水腔连通。

5.根据权利要求4所述的压力室，其特征在于，所述自平衡水缸的侧壁设置有多个流道，所述多个流道一端分别与所述上腔和下腔连通，另一端分别与外层水腔连通。

6.根据权利要求4所述的压力室，其特征在于，所述活塞设置有密封圈，所述密封圈位于所述活塞的周面和所述自平衡水缸的内壁之间。

7.根据权利要求4所述的压力室，其特征在于，所述上腔和下腔内均设置有压力补偿件，所述压力补偿件能在所述上腔和下腔中的压力增大时吸收压力和在所述上腔和下腔中的压力减小时释放压力。

8.根据权利要求7所述的压力室，其特征在于，所述压力补偿件为皮囊式蓄能器或空气弹簧。

9.根据权利要求1所述的压力室，其特征在于，所述压力室包括外层水源和围压水源，所述外层水源用于向外层水腔输送液体，所述围压水源用于向围压水腔输送液体。

10.一种动静态三轴试验系统，用于对粗粒土进行试验，其特征在于，包括权利要求1－9任意一项所述的压力室，所述压力室用于放置待试验的粗粒土样品。