CN109253925A - 一种三联温控非饱和土三轴试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三联温控非饱和土三轴试验系统，包括：加载台、至少两个并联的三轴压力室、压力控制系统、温度控制系统和数据测量采集系统。三轴压力室包括，压力室底座、压力室壁和压力室顶盖，压力室底座上方由下至上依次为陶土板、试样、透水石、试样帽。压力控制系统和温度控制系统与数据测量采集系统电路连接，压力控制系统包括水压系统、气压系统和围压系统。温度控制系统中的每个压力室温度统一控制，水压系统中每个压力室的水压统一控制，气压系统中每个压力室的气压单独控制，围压系统中，每个压力室的围压单独控制。本发明通过以上方法实现了三轴仪的科研效率高，温度控制精准，体变测量精准。

Description

一种三联温控非饱和土三轴试验系统
技术领域
本发明涉及岩土工程实验技术领域，尤其涉及一种三联温控非饱和土三轴试验系统。
背景技术
随着岩土工程建设的发展，使得岩土基本性质的研究成为一个重要课题。实验室实验是研究岩土温度效应的必要手段，但是现在非饱和土实验平衡吸力会耗费很长的时间，很多实验使用的温控土工压力室大多为单个压力室，在一定的时间内并不能完成足够多的实验，导致实验效率较为低下。如申请号为CN201720847636.9《一种用于土工三轴装置的可控温体变量测内室》的专利中，仅有一个压力室，在进行非饱和土实验时会耗费很长的时间。由于非饱和土试验时，压力室壁会受到较大的围压，普通材料制成的压力室壁不可避免的会产生较大变形，导致试样体积变化测量不准确，并且，目前温控的非饱和土三轴试验系统仅能控制大于室温的温度，而不能进行负温控制。
因此，迫切的需要研发一种实验效率高，测试范围广并且测量试样体变精准的装置。
发明内容
本发明的实施例提供了一种压力室并联的温控土工三轴系统，以解决以上问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种三联温控非饱和土三轴试验系统，包括：加载台、至少两个并联的三轴压力室、压力控制系统、温度控制系统和数据测量采集系统；
所述的三轴压力室包括压力室底座、压力室壁和压力室顶盖，所述的压力室底座上方由下至上依次为陶土板、试样、透水石和试样帽；
所述的压力控制系统、温度控制系统与所述的数据测量采集系统电路连接；
所述的压力控制系统包括水压系统、气压系统和围压系统；
所述的温度控制系统对各个三轴压力室的温度进行统一控制，所述的水压系统对各个三轴压力室的水压进行统一控制，所述的气压系统对各个三轴压力室的气压分别进行单独控制，所述的围压系统中对各个三轴压力室的围压分别进行单独控制。
进一步地，所述的温度控制系统包括每个压力室的进水口、出水口、螺旋铜管和贯穿每个压力室顶盖并且固定连接在每个所述压力室内部的温度传感器，所述的每个温度传感器的一端置于对应压力室内，所述的每个温度传感器的另一端通过电线与同一个水浴箱相连，所述的进水口和出水口在所述的压力室内部通过所述的螺旋铜管连接，所述的每个压力室的进水口和出水口分别通过水管连接后一起并入到所述的水浴箱，用于控制压力室内的温度，实现螺旋铜管和水浴箱的水循环；
所述的水压系统设置有与每个压力室底座内部连通的反压接口和反压出水口，所述的每个反压接口处连接有反压接头，每个所述反压接头通过管道连接到同一个反压控制器，用于对试样进行水压控制，每个反压出水口装有一个压力传感器，用于示出孔隙水压的大小；
所述的气压系统包括试样帽所述试样帽上安装的连通压力室内空气的气压接头，每个所述的气压接头处设置一个气压调节阀，每个气压调节阀连接有一个气压控制器，通过调节每个所述的气压控制器来调节每个气压室内的气压；
所述的围压系统包括在每个压力室底座边缘处安装的与每个压力室内部连通的压力室围压接头，每个所述压力室围压接头连接一个围压控制器，通过围压控制器分别调节三个压力室内的围压大小。
进一步地，所述的压力室壁的材料为航空铝，抵抗围压为2MPa—3MPa。
进一步地，所述的水浴箱中的液体为油，所述的水浴箱的温控范围为-10℃—60℃。
进一步地，所述的压力室的底座为非饱和土底座或/和常规饱和土底座。
进一步地，所述的陶土板为高进气值陶土板。
进一步地，所述的加载台包括承台、升降台、两根支杆、横梁、轴向荷载传感器和轴向位移传感器：
所述的两根支杆的下端与承台固定连接，上端穿过所述的横梁两端，并由固定螺栓固定连接；所述的轴向荷载传感器上端与所述的加载台架中点处相连接，所述的轴向位移传感器下端与顶盖相接触，所述的升降台置于所述的压力室底座的下部，通过控制升降台的升降来对试样施加轴向压力，所述的轴向荷载传感器和轴向位移传感器测量试样受到的轴向力和轴向变形。
进一步地，所述的温度传感器与所述的压力室顶盖通过螺帽固定连接。
进一步地，所述的压力室外部设置有保温层。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的压力室并联的温控土工三轴系统，通过水浴箱实现温度控制，能够不用搬动仪器即可完成温度控制，并且并联至少两个压力室，可以同时进行至少两个非饱和土试验，极大的提高效率。将压力室外壁材料采用用航空铝材料，可以很大程度上抑制在高围压条件下外壁的变形，控温采用油浴的情况下，对于负温条件下，使温度控制系统控制在-10℃—60℃，扩大使用范围，广泛的提高了仪器的使用率以及使用效率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例提供的带单个压力室的温控非饱和土三轴试验系统的剖面图；
图2为本发明实施例提供的三个压力室并联的温控非饱和土三轴试验系统的剖面示意图。
附图标记说明：
1—轴向位移传感器 2—轴向荷载传感器 3—温度传感器
4—压力室顶盖 5—进水口 6—气压接头
7—试样帽 8—透水石 9—压力室壁
10—螺旋铜管 11—反压接口 12—试样
13—压力室围压接头 14—保温层 15—出水口
16—陶土板 17—反压出水口 18—压力室底座
19—压力传感器 20—承台 21—横梁
22—支杆 23—升降台
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明的实施例提供了一种压力室并联的温控土工三轴系统，旨在通过压力室并联，改变压力壁的材料以及温控系统，从而提高实验效率，精化测量。
实施例一
本发明实施例提供一种压力室并联的温控土工三轴系统，包括：加载台、至少两个并联的三轴压力室、压力控制系统、温度控制系统和数据测量采集系统。
图1为单个压力室的温控土工三轴装置的剖面图，根据图1，压力室包括，压力室底座18、压力室壁9和压力室顶盖4，压力室底座上方由下至上依次为陶土板16、试样12、透水石8和试样帽7。
压力控制系统和温度控制系统与数据测量采集系统电路连接。
温度控制系统包括每个压力室的进水口5、出水口15、螺旋铜管10和贯穿每个压力室顶盖4并且固定连接在每个压力室内部的温度传感器3，所述的每个温度传感器3的一端置于对应压力室内，另一端通过电线与同一个水浴箱相连，进水口5和出水口15在压力室内部通过螺旋铜管10连接，每个压力室的进水口5和出水口15分别通过水管连接后一起并入到水浴箱中，用于控制压力室内的温度，实现螺旋铜管8和水浴箱的水循环。
压力控制系统包括水压系统、气压系统和围压系统。
温度控制系统中的每个压力室温度统一控制，水压系统中每个压力室的水压统一控制，气压系统中每个压力室的气压单独控制，围压系统中，每个压力室的围压单独控制。
水压系统包括在每个压力室底座18内部设置的与压力室内部连通的反压接口11、反压出水口17，所述的每个反压接口处连接有反压接头，每个所述反压接头通过管道连接到同一个反压控制器，用于对试样进行水压控制，每个反压出水口装有一个压力传感器，用于示出孔隙水压的大小。
气压系统包括试样帽7上安装的连通压力室内空气的气压接头6，每个气压接头6处有一个气压调节阀，每个气压调节阀连接有一个气压控制器，通过调节每个气压控制器来调节每个气压室内的气压。
需要说明的是，气压控制器是通过压缩自身气缸内的气体给试样施加压力。
围压系统包括压力室底座18，在每个压力室底座18的边缘处安装有与每个压力室内部连通的压力室围压接头13，每个压力室围压接头13连接一个围压控制器，通过围压控制器分别调节三个压力室内的围压大小。
需要说明的是，压力室内部的围压是通过压力室围压接头13连接至围压控制器进行控制，整个压力室内充满水，通过水压控制围压。
所有的控制器和传感器均与信号采集盒相连，通过计算机采集信息并控制试验进程，构成数据测量采集系统。
优选地，压力室壁9的材料为航空铝，抵抗围压为2MPa—3MPa，能有效抵抗围压造成压力室的体积变化。
优选地，所述的水浴箱的温控范围为-10℃—60℃，所述水浴箱中的液体在温度低于0℃时为硅油，在温度大于或者等于0℃时为水。
优选地，压力室的底座为非饱和土底座或/和常规饱和土底座。饱和土底座和非饱和土底座的区别是:非饱和土底座有高进气值陶土板，可以控制吸力。
轴压控制器通与非饱和土底座下部的液压缸相连，通过轴压控制器内的承压水控制压力室底座18下部的升降台23的升降来对试样12施加轴向压力。
优选地，陶土板为高进气值陶土板，允许水进入而阻止气体的进入。
进一步地，加载台包括承台20、升降台23、两根支杆22、横梁21、轴向荷载传感器2和轴向位移传感器1。
两根支杆22的下端与承台20固定连接，上端穿过横梁21两端，并由固定螺栓固定连接；轴向荷载传感器2上端与加载台架中点处相连接，轴向位移传感器1下端与压力室顶盖4相接触，升降台23置于压力室底座18的下部，通过控制升降台23的升降来对试样施加轴向压力，轴向荷载传感器2和轴向位移传感器1测量试样受到的轴向力和轴向变形。
优选地，温度传感器3与压力室顶盖4通过一个固定螺帽连接。
优选地，压力室外部设置有保温层，能有效防止热量的散失。
实施例二
本发明实施例提供的三个压力室并联的土工三轴系统的剖面示意图，如图2所示。温度传感器接头24—26分别连接三个压力室内的温度传感器，然后一起连接至水浴箱内，通过计算机控制可以实现对整个系统的温度调节和控制。水浴进水口27—29通过管道一并连入水浴箱内，水浴箱通过温度传感器控制温度后，水可以通过进水口27—29流入螺旋铜管内，实现对压力室内的温度控制，三个水浴出水口36—38通过管道连接后一起并入水浴箱，实现螺旋铜管和水浴箱的水循环。
每个气压接头30—32处均有一个气压调节阀，气压通过气压泵施加，具体的气压数值通过调节每个气压阀来实现。
三个围压接头33—35中的每个接头连接一个围压控制器，通过围压控制器分别调节三个压力室内的围压大小。
三个反压接头39—41通过管道连接至一个反压控制器，每个试样的吸力通过改变气压和反压来控制。42—44为反压出水口，每个反压出水口均设置一个传感器，可以读出孔隙水压的大小。
系统内的传感器和控制器均连接至计算机，通过计算机来控制。
压力室并联的温控土工三轴系统的具体实验过程，包括：
(1)饱和陶土板
施加不超过50kPa的反压，打开孔压传感器端阀门，排出管路和底座内部的气泡，然后关闭阀门，当发现陶土板上表面完全被水覆盖，表明陶土板基本饱和，由于实验室较干燥，最好在陶土板上面覆盖已成型透明薄膜。
(2)安装试样
在安装试样中应该借助辅助装样工具，时刻注意减小对试样的扰动，在安装试样帽之前应该用细毛刷或者手将试样与橡皮膜之间的气泡赶出，试样安装后应采用抹布将底座上面的泥浆擦出，避免泥浆进入压力室内部。安装时注意顶帽的连接管应旋转缠绕试样，以避免试样触碰内压力室。
(3)安装压力室
试样装好之后安装压力室，安装压力室前，应该将压力室底座上的压力密封圈涂一层硅脂。
(4)压力室内注水
打开压力室顶部的排气孔，通过压力室注水端口给压力室注水，水充满整个压力室后，关闭压力室注水阀门和上部的排气孔。
(5)加压检查
在压力室加压前先检查一遍压力室与外界相通的阀门是否关闭，同时保证孔隙气压管路处于不连接状态，并打开阀门。通过计算机施加一个20kPa的围压，观察压力室是否密封，当压力室无漏水且孔隙气压端口无水流出时连接压力室的孔隙气压管路。
(6)传感器清零
将体变、轴向力和位移传感器读数清零。
(7)试样接触
点击软件中荷重传感器眼睛，连续点击Read，逆时针拎动压力杆上部的螺栓让压力杆向下移动，观察荷重传感器的读数，当荷重传感器读数有一定数值(0.005)时固定压力杆。
(8)通过软件设置试验
综上所述，本发明实施例提供的多个压力室并联的温控非饱和土三轴试验系统能同时进行三组试样的饱和或非饱和土试验，尤其对于非饱和土试验来说，这样可以节省大量时间和精力。同时，利用水浴温控系统来进行温度控制，避免将仪器移动，从而避免了对试样土的扰动，提高了实验精度。通过测量进入/排除压力室的水的体积进行试样体变测量比较简单，通过计算机读数即可完成。高强度航空铝制成的压力室外壁可有效抵抗高围压下的变形，使试样变形测量更精确。
本发明实施例尽可能减小了压力室重量和体积，压力室内部围压水体积较小，大概为500ml左右，使试样体积变化测量更加准确。通过把水浴中液体换为油，可以控制负温，扩大了仪器的使用率和使用效率。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种三联温控非饱和土三轴试验系统，其特征在于，包括：加载台、至少两个并联的三轴压力室、压力控制系统、温度控制系统和数据测量采集系统；
所述的三轴压力室包括压力室底座、压力室壁和压力室顶盖，所述的压力室底座上方由下至上依次为陶土板、试样、透水石和试样帽；
所述的压力控制系统、温度控制系统与所述的数据测量采集系统电路连接；
所述的压力控制系统包括水压系统、气压系统和围压系统；
所述的温度控制系统对各个三轴压力室的温度进行统一控制，所述的水压系统对各个三轴压力室的水压进行统一控制，所述的气压系统对各个三轴压力室的气压分别进行单独控制，所述的围压系统中对各个三轴压力室的围压分别进行单独控制。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述的温度控制系统包括每个压力室的进水口、出水口、螺旋铜管和贯穿每个压力室顶盖并且固定连接在每个所述压力室内部的温度传感器，所述的每个温度传感器的一端置于对应压力室内，所述的每个温度传感器的另一端通过电线与同一个水浴箱相连，所述的进水口和出水口在所述的压力室内部通过所述的螺旋铜管连接，所述的每个压力室的进水口和出水口分别通过水管连接后一起并入到所述的水浴箱，用于控制压力室内的温度，实现螺旋铜管和水浴箱的水循环；
所述的水压系统设置有与每个压力室底座内部连通的反压接口和反压出水口，所述的每个反压接口处连接有反压接头，每个所述反压接头通过管道连接到同一个反压控制器，用于对试样进行水压控制，每个反压出水口装有一个压力传感器，用于示出孔隙水压的大小；
所述的气压系统包括试样帽所述试样帽上安装的连通压力室内空气的气压接头，每个所述的气压接头处设置一个气压调节阀，每个气压调节阀连接有一个气压控制器，通过调节每个所述的气压控制器来调节每个气压室内的气压；
所述的围压系统包括在每个压力室底座边缘处安装的与每个压力室内部连通的压力室围压接头，每个所述压力室围压接头连接一个围压控制器，通过围压控制器分别调节三个压力室内的围压大小。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的压力室壁的材料为航空铝，抵抗围压为2MPa—3MPa。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的水浴箱的温控范围为-10℃—60℃，所述水浴箱中的液体在温度低于0℃时为硅油，在温度大于或者等于0℃时为水。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的压力室的底座为非饱和土底座或/和常规饱和土底座。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的陶土板为高进气值陶土板。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的加载台包括承台、升降台、两根支杆、横梁、轴向荷载传感器和轴向位移传感器：
所述的两根支杆的下端与承台固定连接，上端穿过所述的横梁两端，并由固定螺栓固定连接；所述的轴向荷载传感器上端与所述的加载台架中点处相连接，所述的轴向位移传感器下端与顶盖相接触，所述的升降台置于所述的压力室底座的下部，通过控制升降台的升降来对试样施加轴向压力，所述的轴向荷载传感器和轴向位移传感器测量试样受到的轴向力和轴向变形。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的温度传感器与所述的压力室顶盖通过螺帽固定连接。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的压力室外部设置有保温层。
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