CN109060565A - 一种小型高频低应力幅土动三轴仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型高频低应力幅土动三轴仪，包括加载系统、加速度测量系统、轴力测量系统、水压测量系统、气压测量系统和位移测量系统；所述的加载系统包括小型电磁振动台、活塞、气缸、砝码、推杆、压力室；所述的加载系统可以控制静荷载和动荷载；所述的静荷载的控制通过控制轴向应力和围压实现，所述的轴向应力的控制通过控制活塞的推力和砝码的重量实现，所述的围压由压力室提供，实现较高的静应力水平；所述的动荷载由小型电磁振动台控制，所述的小型电磁振动台通过高频振动将惯性力以动荷载的形式施加于试样，实现高频动荷载的高振次加载，获得较高的测量精度。

Description

一种小型高频低应力幅土动三轴仪
技术领域
本发明涉及岩土工程技术和环境振动工程领域，具体地说，特别涉及到一种小型高频低应力幅土动三轴仪。
背景技术
地下空间利用中的交通荷载、机械振动对周边土体产生动荷载作用，其特点是循环次数多、动应力幅小，而且土体具有较大的正应力水平。土体在这样的动荷载作用下可产生孔隙水压上升、土体软化等现象。
液压、气压或齿轮驱动的土动三轴仪是目前室内实验的常见实验装置，可以再现正应力水平(达到400kPa)，但是其频率低(一般低于20Hz)，低应力幅控制困难(一般高于5kPa)，长期加载的运行成本高(液压系统的油源温度上升)等。这对于模拟上述动荷载作用是非常不利的。采用振动加载模式的土动三轴仪是上个世纪流行的实验装置，但对于低应力幅控制困难，对正应力的测量精度不高，同样不满足对上述动荷载的模拟。
小型高频土动荷载实验装置是最近出现的实验装置，其特征是频率高(例如100Hz)，低应力幅控制简单(一般低于5kPa)，且长期加载的运行成本低的装置；非常适合模拟地表附近的交通荷载、机械振动。但是其难于达到较高的正应力水平，且不能控制围压，所以难以模拟较深土层的三维受力情况。
目前室内实验装置无法同时满足这几个要求，所以需要设计出一种频率高 (例如100Hz)、动应力幅低(一般低于5kPa)、正应力水平比较高(400kPa)，且长期加载的运行成本低的装置。小型高频低应力幅土动三轴仪是为弥补上述仪器的不足而提出的一种实验装置，其设计原理与以往仪器的原理完全不同，目前国内还没有此类实验装置。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种小型高频低应力幅土动三轴仪，以解决现有技术中存在的问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种小型高频低应力幅土动三轴仪，包括加载系统、加速度测量系统、轴力测量系统、水压测量系统、气压测量系统和位移测量系统；所述的加载系统包括小型电磁振动台、活塞、气缸、砝码、推杆、压力室；所述的压力室位于底座上，所述的压力室内设有试样，所述的试样为橡皮膜覆盖，所述的橡皮膜的上下两端分别固定在底座和顶盖，所述的多段推杆底端连接顶盖，所述的多段推杆的上设有拉压传感器，所述的砝码与推杆之间用螺栓固结，所述的活塞位于气缸内部，所述的活塞的一端与推杆顶端连接；所述的加载系统可以控制静荷载和动荷载；所述的静荷载的控制通过控制轴向应力和围压实现，所述的轴向应力的控制通过控制活塞的推力和砝码的重量实现，所述的围压由压力室提供，实现较高的静应力水平；所述的动荷载由小型电磁振动台控制，所述的小型电磁振动台通过高频振动将惯性力以动荷载的形式施加于试样，实现高频动荷载的高振次加载，获得较高的测量精度。
进一步的，所述的加载系统的加载框架通过底座固定在振动台台面上；通过增减砝码和调节振动台加速度，可实现对低应力幅的精确控制。
进一步的，所述的加速度测量系统的加速度传感器通过磁力座直接固定在砝码上，测定砝码的加速度，加速度传感器通过导线连接在数采仪上。
进一步的，所述的轴力测量系统包括拉压传感器的上下端都与相应的推杆相连，传感器电路接入数采仪。
进一步的，所述的水压测量系统包括水压传感器的探头通过管道与压力室底部相连，传感器电路接入数采仪。
进一步的，所述的气压测量系统包括气压传感器的探头通过管道与压力室底部相连，传感器电路接入数采仪。
进一步的，所述的位移测量系统的激光位移传感器探头，通过支座固定在砝码上，激光位移传感器测量砝码与框架顶板之间的相对位移，导线的一端接到激光位移传感器探头，另一端接入数采仪。
进一步的，所述的加速度测量系统、轴力测量系统、水压测量系统、气压测量系统和位移测量系统可以共用数采仪，所述的数采仪接入计算机，进行数据存储和数据处理。
进一步的，所述的轴向应力σa的计算方法为σa＝(F+m·a)/A+σc，F为拉压传感器得到的测量值；m为拉压传感器以下、试样顶部以上顶盖和一段推杆的质量；a为加速度传感器得到的测量值，其加速方向向上为正；σc为围压；A为试样横截面面积。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明100Hz高频动荷载的1,000,000次以上高振次加载；实现低至1kPa 的低应力幅的精确控制，其误差小于10Pa；实现400kPa较高轴向应力水平的三轴试验；实现围压恒定的三轴试验；测量精度高：轴向应力±100Pa，水压±4Pa，位移±0.05mm；本发明可完成传统的土动三轴仪不能完成的特殊的三轴实验；结构简单，制作方便，成本较低。
附图说明
图1为本发明所述的一种小型高频低应力幅土动三轴仪的结构示意图。
图中，1.振动台控制器，2.振动台台面，3.框架台座，4.底座，5.水压传感器，6.顶盖，7.拉压传感器，8.激光位移传感器，9.活塞，10.气缸，11.加速度传感器，12.框架立杆，13.框架顶板，14.砝码，15.推杆，16.压力室，17.橡皮膜，18.试样，19.气压传感器，20.数采仪，21.计算机。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，一种小型高频低应力幅土动三轴仪，所述发明与传统的仪器相比，其频率100Hz远高于传统仪器的20Hz频率，达到1,000,000次以上的振动，而本发明低应力幅控制较传统仪器控制简单，一般低于5kPa，其正应力为400kPa 水平较高，拥有很高的测量精度，其测量轴向应力误差小于50Pa，水压误差小于4Pa，位移误差小于0.05mm；所述的小型高频低应力幅土动三轴仪包括：加载系统a、加速度测量系统b、轴力测量系统c、水压测量系统d、气压测量系统 e和位移测量系统f；所述的加载系统a包括小型电磁振动台、活塞9、气缸10、砝码14、推杆15、压力室16；所述的压力室16位于底座4上，所述的压力室 16内设有试样18，所述的试样18为橡皮膜17覆盖，所述的橡皮膜17的上下两端分别固定在底座4和顶盖6，所述的多段推杆15底端连接顶盖6，所述的多段推杆15的上设有拉压传感器7，所述的砝码14与推杆15之间用螺栓固结，所述的活塞9位于气缸10内部，所述的活塞9的一端与推杆15顶端连接；所述的加载系统a可以控制静荷载和动荷载；所述的静荷载的控制通过控制轴向应力和围压实现，所述的轴向应力的控制通过控制活塞9的推力和砝码14的重量实现，所述的围压由压力室16提供，实现较高的静应力水平；所述的动荷载由小型电磁振动台控制，所述的小型电磁振动台通过高频振动将惯性力以动荷载的形式施加于试样18，实现高频动荷载的高振次加载，获得较高的测量精度。
所述的加载系统a的加载框架通过底座4固定在振动台台面2上；通过增减砝码14和调节振动台加速度，可实现对低应力幅(1-50kPa)的精确控制(± 10Pa)；所述气缸10与容积10L的储气罐相连，用于控制轴向静应力，推荐气缸行程150mm、直径40mm；振动台产生的振动用于控制轴向动应力；围压由压力室16提供，推荐围压0-400kPa。
所述的加速度测量系统b的加速度传感器11通过磁力座直接固定在砝码14 上，测定砝码14的加速度，加速度传感器11通过导线连接在数采仪20上。加速度传感器的测量范围推荐0-50g。
所述的轴力测量系统c包括拉压传感器7的上下端都与相应的推杆15相连，传感器电路接入数采仪20，其推荐测量精度±0.1N。
所述的水压测量系统d包括水压传感器5的探头通过管道与压力室16底部相连，传感器电路接入数采仪20，其推荐测量精度±4Pa。
所述的气压测量系统e包括气压传感器19的探头通过管道与压力室16底部相连，传感器电路接入数采仪20，其推荐测量精度±4Pa。
所述的位移测量系统f的激光位移传感器8探头，通过支座固定在砝码14 上，激光位移传感器8测量砝码14与框架顶板13之间的相对位移，导线的一端接到激光位移传感器8探头，另一端接入数采仪20，推荐激光位移传感器8 的测量精度±0.025mm。
所述的加速度测量系统b、轴力测量系统c、水压测量系统d、气压测量系统e和位移测量系统f可以共用数采仪20，所述的数采仪20具有加速度传感器 11、拉压传感器7、水压传感器5、气压传感器19和激光位移传感器8的变送器功能和供电功能，若无此类功能，需要另加相应的变送器或电源，所述的数采仪20接入计算机21，进行数据存储和数据处理。
在实验时，采用的试样18其尺寸为高80mm、直径39.2mm，该试样18覆盖在橡皮膜17中，橡皮膜17的上下两端分别固定在底座4和顶盖6之间。静荷载主要由加载系统a中的气压控制，气缸10通过加载装置将轴向压力施加于试样18，压力室16将围压施加于试样18；动荷载由加载系统a中的振动台控制，小型电磁振动台通过加载装置将高频动荷载施加于试样18。本实验通过轴力、轴向位移、孔隙水压、围压和加速度分别由轴力测量系统c、位移测量系统 f、水压测量系统d、气压测量系统e、加速度测量系统b完成。
其采用计算方法，轴向应力σa的计算方法：
σa＝(F+m·a)/A+σc
式中，F为拉压传感器7得到的测量值；m为拉压传感器7以下、试样18 顶部以上的部件的质量；a为加速度传感器11得到的测量值，其加速度方向向上为正；σc为围压；A为试样18横截面面积。有效应力、轴向应变、孔隙水压、围压的计算方法与传统的三轴试验中的计算方法相同；如果气缸10压力100kPa、内径40mm，试样直径39.2mm，未加砝码14，忽略摩檫力，那么F将达到125N；进一步假设σc为300kPa，且假设连杆15截面积远小于试样18的截面积，对应的轴向应力σa将达到400kPa。
测量误差分析：轴向应力σa的计算方法，排除了推杆15与压力室16之间的摩擦力的影响，计算值准确。但是考虑到拉压传感器7量程为100N，其测量值F的误差可达±0.1N，试样的横截面面积A为12cm2，由此产生的轴向应力σa的误差为±83Pa，其对应的动应力幅的误差为±42Pa，因此可以实现的动应力幅低至1kPa，对应的误差为±4％。有效应力、轴向应变、孔隙水压、围压的测量误差分析方法与传统的三轴试验中的测量误差分析方法相同。
动荷载加载时的轴向应力控制方法。参照图1，轴向应力σa受活塞9的推力、砝码14的重量、推杆15的重量、拉压传感器7的重量、顶盖6的重量、以及推杆15与压力室16之间的摩擦力共同控制。在其它条件不变的情况下，调节砝码14的质量和振动台垂直方向的振动加速度即可控制轴向应力。在砝码14 最小质量1N、可控的振动加速度为±0.01g的条件下，对应的轴向应力为±10Pa，实现对动应力幅的精确控制。
动荷载效果的评估方法是：在排水实验中，水压、各有效主应力的平均值都基本保持不变，而位移增加；可用位移增加量评估高频动荷载对试样力学性能的影响。在不排水实验中，水压、各有效主应力的平均值都发生变化，而体积的平均值不变；可用水压、各有效主应力的平均值的增加量评估高频动荷载对试样力学性能的影响。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种小型高频低应力幅土动三轴仪，包括加载系统(a)、加速度测量系统(b)、轴力测量系统(c)、水压测量系统(d)、气压测量系统(e)和位移测量系统(f)；其特征在于：所述的加载系统(a)包括小型电磁振动台、活塞(9)、气缸(10)、砝码(14)、推杆(15)、压力室(16)；所述的压力室(16)位于底座(4)上，所述的压力室(16)内设有试样(18)，所述的试样(18)为橡皮膜(17)覆盖，所述的橡皮膜(17)的上下两端分别固定在底座(4)和顶盖(6)，所述的多段推杆(15)底端连接顶盖(6)，所述的多段推杆(15)的上设有拉压传感器(7)，所述的砝码(14)与推杆(15)之间用螺栓固结，所述的活塞(9)位于气缸(10)内部，所述的活塞(9)的一端与推杆(15)顶端连接；所述的加载系统(a)可以控制静荷载和动荷载；所述的静荷载的控制通过控制轴向应力和围压实现，所述的轴向应力为活塞(9)的推力、砝码(14)的重量、推杆(15)的重量、拉压传感器(7)的重量、顶盖(6)的重量、以及推杆(15)与压力室(16)之间的摩擦力共同控制，所述的围压由压力室(16)提供，所述的气缸(10)通过加载装置将推力施加于试样(18)，所述的压力室(16)将围压施加于试样(18)，实现较高的静应力水平；所述的动荷载由小型电磁振动台控制，所述的小型电磁振动台通过高频振动将惯性力以动荷载的形式施加于试样(18)，实现了高频动荷载的高振次加载，获得较高的测量精度。
2.根据权利要求1所述的一种小型高频低应力幅土动三轴仪，其特征在于：所述的加载系统(a)的加载框架通过底座(4)固定在振动台台面(2)上；通过增减砝码(14)和调节振动台加速度，可实现对低应力幅的精确控制。
3.根据权利要求1所述的一种小型高频低应力幅土动三轴仪，其特征在于：所述的加速度测量系统(b)的加速度传感器(11)通过磁力座直接固定在砝码(14)上，测定砝码(14)的加速度，加速度传感器(11)通过导线连接在数采仪(20)上。
4.根据权利要求1所述的一种小型高频低应力幅土动三轴仪，其特征在于：所述的轴力测量系统(c)包括拉压传感器(7)的上下端都与相应的推杆(15)相连，传感器电路接入数采仪(20)。
5.根据权利要求1所述的一种小型高频低应力幅土动三轴仪，其特征在于：所述的水压测量系统(d)包括水压传感器(5)的探头通过管道与压力室(16)底部相连，传感器电路接入数采仪(20)。
6.根据权利要求1所述的一种小型高频低应力幅土动三轴仪，其特征在于：所述的气压测量系统(e)包括气压传感器(19)的探头通过管道与压力室(16)底部相连，传感器电路接入数采仪(20)。
7.根据权利要求1所述的一种小型高频低应力幅土动三轴仪，其特征在于：所述的位移测量系统(f)的激光位移传感器(8)探头，通过支座固定在砝码(14)上，激光位移传感器(8)测量砝码(14)与框架顶板(13)之间的相对位移，导线的一端接到激光位移传感器(8)探头，另一端接入数采仪(20)。
8.根据权利要求1所述的一种小型高频低应力幅土动三轴仪，其特征在于：所述的加速度测量系统(b)、轴力测量系统(c)、水压测量系统(d)、气压测量系统(e)和位移测量系统(f)可以共用数采仪(20)，所述的数采仪(20)接入计算机(21)，进行数据存储和数据处理。
9.根据权利要求1所述的一种小型高频低应力幅土动三轴仪，其特征在于：所述的轴向应力σa的计算方法为σa＝(F+m·a)/A+σc，F为拉压传感器(7)得到的测量值；m为拉压传感器(7)以下、试样(18)顶部以上顶盖(6)和一段推杆(15)的质量；a为加速度传感器(11)得到的测量值，其加速方向向上为正；σc为围压；A为试样横截面面积。
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