CN109443869A - 一种非饱和土多功能三轴仪及其制样装置 - Google Patents

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朱元青
秦建香
刘保健
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Abstract

本发明公开了一种非饱和土多功能三轴仪及其制样装置，包括：台架与压力室、精密体变量测装置、轴向加载活塞和轴向荷载传感器及位移传感器、轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统、水‑气‑电路控制柜、供水装置、微机。本发明可以方便地施加/控制吸力；既能控制应变速率为常数，又能控制偏应力为常数；能在一定应力状态下给试样浸水；在湿胀/湿陷/湿化变形稳定后，通过施加吸力排水减湿，研究在三轴应力条件下干湿循环对土的力学特性的影响；采用微型传感器量测孔隙气压力，可做不排水不排气三轴剪切试验并精确量测孔隙气压力；体变量测精度高，误差小；制样简便，快捷，可准确控制试样的干密度，提高了制样效率和制样技术水平。

Description

一种非饱和土多功能三轴仪及其制样装置
技术领域
本发明属于岩土工程测试设备技术领域，尤其涉及一种非饱和土多功能三轴仪及其制样装置。
背景技术
工程中遇到的土大多处于非饱和状态，如土坝、路堤、边坡等。吸力是非饱和土的一个应力变量，对非饱和土的变形、强度等力学性质影响很大。如在我国分布广泛的膨胀土和湿陷性黄土，都是典型的非饱和土，二者在干燥状态 (吸力高)时的强度和模量大，承载力高、变形小；但在含水量较大(吸力低) 时强度和模量大大减小，承载力低、变形大；如若遇水浸湿，吸力下降，膨胀土产生可观的膨胀变形(湿胀)，而湿陷性黄土则产生很大沉陷变形(湿陷)。又如非饱和土填土(大坝、路堤等)在遇水时吸力下降，结构软化，会产生一定的湿化变形。传统三轴仪不能考虑吸力的作用，仅适用于饱和土，根据传统三轴仪测定的强度和模量指标偏于保守，将导致工程造价增高，经济效益差。此外，传统方法采用击实设备(包括击锤和击实筒、护筒等部件)制备三轴试验的重塑土试样(见国家标准GB/T 50123-1999)，不能准确控制每层的击实厚度，均质性差，用其制备的重塑土试样比较粗糙，效率低，不能准确控制试样的干密度。
综上所述，传统三轴仪不能考虑吸力的作用，仅适用于饱和土；传统方法采用击实设备制备三轴试验的重塑土试样，比较粗糙，效率低，不能准确控制试样的干密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非饱和土多功能三轴仪及其制样装置，旨在解决以下两个问题：①传统三轴仪不能考虑吸力的作用，仅适用于饱和土；②传统方法采用击实设备制备三轴试验的重塑土试样，比较粗糙，效率低，不能准确控制试样的干密度。
本发明是这样实现的，一种非饱和土多功能三轴仪，所述非饱和土多功能三轴仪由台架与压力室、精密体变量测装置、轴向加载活塞和荷载传感器及位移传感器、轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统、水-气-电路控制柜、供水装置、微机组成。
进一步，所述台架由横梁、立柱和底板组成，用于安放压力室、固定轴向加载部件；
所述压力室由压力室底板、有机玻璃筒体和带有竖向加载活塞的顶盖组成；压力室底板的中央突起部位用于安放试样，称为试样底座，为二元结构；试样底座中心部位刻有螺旋槽，螺旋槽上嵌有陶土板；螺旋槽的首尾各外接一个阀门；
所述陶土板外围是环形铝合金隔墙；环形铝合金隔墙外侧是环形水槽，环形水槽中有直径为2mm的孔，孔与压力室外面的浸水阀门连通，用于给试样浸水；水槽顶端嵌有多孔铜圈；铜圈上均匀分布两排直径1mm透水孔；
压力室底板的外侧安装有6个阀门，其中的三个分别用于控制内压力室的压力、外压力室的压力和试样气压力，一个用于给试样浸水，其他两个用于排水和冲洗积聚在螺旋槽中的气泡。
进一步，所述精密体变量测装置是装在有机玻璃筒中的注射器，与内压力室联结；经过同一气压调压阀输出的压缩空气分为两条管路，一条通向给外压力室传递液压的水-气界面，另一条进入精密体变量测装置的有机玻璃筒；
所述注射器的位移用安装传感器的百分表量测，百分表每走一格，代表的体变为0.006cm3；在注射器的活塞顶端开有通气孔，以保证活塞壁内外所受压力相同而不会发胀缩变形。
进一步，所述轴向加载部件固定于台架横梁下方，是一圆柱形液压活塞，内装纯净无气水；活塞下端连接荷载传感器；位移传感器量安装在压力室顶盖上。
进一步，所述轴向变形速率控制/数据采集处理系统由步进电机及其驱动器、调压筒、数据采集程序系统组成；
所述调压筒由黄铜制成，与轴向加载活塞之间用不锈钢管连通，内充无气水；步进电机在微机指令下推动调压筒工作，把调压筒中的水挤进轴向加载部件。
进一步，所述控制柜上安装有控制围压和气压的阀门及电源开关。
本发明的另一目的在于提供一种所述非饱和土多功能三轴仪使用的制样装置，所述制样装置包括制样模筒及底板、制样活塞及套在其上的钢环、脱模支架与脱模活塞、加压台架与千斤顶；
千斤顶固定在台架的底板上，脱模支架固定在千斤顶上面，为压制试样提供平台；模筒下端为台阶状，台阶高8mm；底板中部刻有与模筒台阶匹配的凹槽，用以嵌放模筒；底板两边设置两颗对称的蝴蝶螺钉，用以固定模筒；试样分5层压实而成，每层厚度由套在制样活塞的钢环控制；共有4个钢环，每个钢环厚10mm，高度是试样高度的五分之一。
本发明所述制样装置的制样步骤如下：
(1)把经过风干过筛的散土调配到一定含水率，放进保湿器里静置3d让水分扩散均匀；
(2)把制样模筒用蝴蝶螺钉固定在其底板上，再一起放置在脱模支架顶面；
(3)试样分5层压实，按设计干密度计算每层需要的散土质量，用天平秤量，用漏斗倒入制样模筒中；
(4)压实第一层时在制样活塞上不套钢环，直接把活塞放入模筒中，当制样活塞的翼沿底面被压到与模筒顶面紧密接触时，模筒中土层的厚度恰为试样高度的五分之一；
(5)用尖刀或螺丝刀把第一层土的顶面挫毛，倒入第二层土，在制样活塞上套一个钢环，压实；
(6)余类推，挫毛的目的是保证两相邻层面之间结合良好；
(7)压实过程结束后，松开蝴蝶螺钉，取下模筒，将其放在脱模支架上，用脱模活塞把试样缓缓推出即可；
(8)把推出的试样放在玻璃板上，给试样套上三瓣模，箍紧，用削土刀把试样顶面修平，称重后放入保湿器中备用。
本发明提供的非饱和土多功能三轴仪及其制样装置，与传统三轴仪相比，非饱和土多功能三轴仪具有以下优点：(1)可以方便地施加/控制吸力，研究吸力对非饱和土的变形、强度、水分变化等力学特性的影响；(2)既能控制应变速率为常数，做等速剪切的变形-强度-水分变化的试验；又能控制偏应力为常数，做复杂应力状态(包括净围压、吸力和偏应力)作用下的变形-强度-水量变化的试验；(3)能在一定应力状态(包括净围压、吸力和偏应力)下给试样浸水，研究湿胀/湿陷/湿化变形规律；(4)能在湿胀/湿陷/湿化变形稳定后，通过施加吸力排水减湿，研究在三轴应力条件下干湿循环对土的力学特性的影响；(5) 采用微型传感器量测孔隙气压力，可做不排水不排气三轴剪切试验并精确量测孔隙气压力；(6)体变量测精度高，误差小；传统三轴仪量测体变的精度是 0.1cm3，而本仪器的体变量测精度是0.006cm3。(7)制样简便，快捷，制备一个试样可在10min内完成，试样的几何尺寸(直径、高度)和干密度均可准确控制(试样尺寸与模具内部尺寸完全相同，而模具尺寸是按要求设计加工的，试样干密度的误差不超过0.005g/cm3)，一次加工到位；而传统制样方法是先在直径10cm的土筒中用击锤分层击实(因而无法准确控制试样密度，试样干密度的误差常常超过±0.05g/cm3，达不到试验规程要求(小于±0.03g/cm3)，不得不废弃，重新取土击实)，土样脱模后还要用削土器进行二次加工，才能制成三轴试样(譬如，直径3.91cm，高8cm)，制备一个试样需要60min以上，费工、费时、费料。因而本发明提供的设备可准确控制试样的干密度，提高了制样效率和制样技术水平。
附图说明
图1是本发明实施例提供的非饱和土多功能三轴仪结构示意图；
图2是本发明实施例提供的非饱和土多功能三轴仪压力室及底座结构示意图；
图3是本发明实施例提供的非饱和土多功能三轴仪制样装置结构示意图；
图中：1、台架与压力室；1-1-1、轴向加载活塞；1-1-2、荷载传感器；1-1-3、位移传感器；1-2、横梁；1-3、立柱；1-4、底板；1-5、压力室；1-6、压力室底板；1-7、有机玻璃筒体；1-8、顶盖；1-9、试样底座；1-10、螺旋槽；1-11、陶土板；1-12、螺旋槽首外接阀门；1-13、螺旋槽尾外接阀门；1-14、环形铝合金隔墙；1-15、环形水槽；1-16、直径为2mm的孔；1-17、浸水阀门；1-18、多孔铜圈；1-19、直径1mm透水孔；1-20、内压力室压力控制阀；1-21、外压力室压力控制阀；1-22、试样气压力控制阀；1-23内压力室排气螺钉；1-24、外压力室排气螺钉；1-25进气管；1-26试样帽；1-27、有孔薄铜板；1-28透水石； 1-29试样；2、精密体变量测装置，2-1、有机玻璃筒；2-2、注射器；2-3、气压调压阀(围岩调压阀)；2-4水气界面；2-5、安装传感器的百分表；2-6、通气孔；3、轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统；3-1、步进电机及其驱动器；3-2、调压筒；3-3、数据采集程序系统；3-4、不锈钢管；4、水-气- 电路控制柜；4-1、电源开关；5、供水装置；6、微机；7、制样装置；7-1、制样模筒；7-2、制样底板；7-3、制样活塞；7-4、套在活塞上的钢环；7-5、脱模支架；7-6、脱模活塞；7-7、加压台架；7-8、加压千斤顶；7-9、蝴蝶螺钉。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定用于本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的非饱和土多功能三轴仪采用模块结构，主要部件包括台架与压力室1、精密体变量测装置2、轴向加载活塞1-1-1和荷载传感器1-1-2及位移传感器1-1-3、轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统3、水-气-电路控制柜4、供水装置5、微机6七部分。
(1)台架和压力室1.台架由横梁1-2、立柱1-3和底板1-4组成，用于安放压力室1-5、固定竖向加载部件1-1-1。压力室1-5是仪器的核心部件，由压力室底板1-6、有机玻璃筒体1-7和带有竖向加载活塞的顶盖1-8组成。压力室底板1-6的中央突起部位用于安放试样，称为试样底座1-9，为二元结构。在试样底座1-9中心部位刻有2mm宽、2mm深的螺旋槽1-10，螺旋槽1-10上嵌有进气值为1500kPa、直径21.2mm的陶土板1-11，其作用是过水不过气，实现水气分离和各自独立控制，从而可以利用轴平移技术给试样施加/控制吸力。但试样中的微量空气会扩散和溶解在试样的水分中，并随排水通过陶土板1-11后逸出成为气泡，积聚在螺旋槽1-10中，影响排水量测精度；螺旋槽1-10的首尾各外接一个阀门1-12，1-13，通水30s就可以随时冲走积聚的气泡。
陶土板1-11外围是厚3mm的环形铝合金隔墙1-14。隔墙1-14外侧是宽 2mm、深2mm的环形水槽1-15，水槽1-15中有一直径为2mm的孔1-16，此孔与压力室外面的浸水阀门1-17连通，用于给试样浸水。水槽1-15顶端嵌有多孔铜圈1-18；铜圈1-18的内径27.2mm，外径39.1mm，厚3mm，其上均匀分布两排直径1mm透水孔1-19，以便在浸水时水分能均匀地从试样底面渗入。
设置二元结构底座1-9的三轴仪既可做控制吸力的非饱和土试验，又可在加载稳定后给试样浸水，为研究黄土湿陷、膨胀土湿胀和填土湿化的变形规律提供了方便。
压力室底座1-9的外侧安装有6个阀门，其中的三个分别用于控制内压力室的压力1-20、外压力室的压力1-21和试样气压力1-22，一个用于给试样浸水 1-17，其他两个用于排水1-12和冲洗积聚在螺旋槽中的气泡1-13。
(2)精密体变量测装置2.传统三轴仪用玻璃管量测试样体变，分辨率为 0.1cm3，对体变很小的非饱和土试验而言显得过于粗糙。为进一步提高量测试样体变的精度，本发明配套研制了体变精密量测装置2，其主要部件是一支装在有机玻璃筒2-1中的注射器2-2，与内压力室联结的示意图见图1。经过同一气压调压阀2-3输出的压缩空气分为两条管路，一条通向给外压力室传递液压的水 -气界面2-4，另一条进入精密体变量测装置2的有机玻璃筒2-1。后者推动注射器2-2的活塞向下运动，将活塞下的纯净水压入内压力室，同时把液压传递给试样，为试样施加围压。注射器2-2的位移用安装传感器的百分表2-5量测，百分表每走一格，代表的体变为0.006cm3，比传统量测试样体变的精度提高了16.7 倍。在注射器2-2的活塞顶端开有通气孔2-6，故活塞侧壁内外和注射器筒侧壁内外均受到等值的压力而不会产生胀缩变形，二者侧壁的压缩变形则在进行内压力室体变标定时一并考虑；进一步提高了量测试样体变的精度。
(3)轴向加载活塞1-1-1和荷载传感器1-1-2及位移传感器1-1-3.轴向加载部件1-1-1固定于台架横梁1-2下方，是一圆柱形液压活塞(图1)，内装纯净无气水。活塞1-1-1下端连接荷载传感器1-1-2。试样的轴向变形用位移传感器1-1-3量测，安装在压力室顶盖1-8上(图1)。
(4)轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统3，.该系统由步进电机及其驱动器3-1、调压筒3-2、数据采集程序系统3-3组成。调压筒3-2由黄铜制成，与轴向加载活塞1-1-1之间用不锈钢管3-4连通，内充无气水，不锈钢管3-4内径为1mm、外径为3.2mm，可承受10MPa的压力。步进电机3-1在微机指令下推动调压筒3-2工作，把调压筒3-2中的水挤进轴向加载部件1-1-1，并对水施加压力。此系统设计有7档应变速率，可供试验选用；还能通过电机正、反转和自锁达到稳压目的，从而控制试验的轴向荷载为常数。由步进电机 3-1、软件3-3和轴向荷载传感器1-1-2共同控制轴向加载活塞1-1-1内液压的大小，以达到稳定轴向荷载的目的；换言之，本发明的这一系统既能控制应变、又能控制应力。而传统三轴仪只能控制剪切应变速率，没有控制轴向应力为常数的功能。
(5)供水装置5.浸水的供水装置5采用马利奥特(Mariotte)瓶，该装置类似于给病人输液时的药水瓶，可实现常水头下的供水，并同时量测出进水量。试验时可根据需要调整马氏瓶的位置，以得到合适的水头。
(6)水-气-电路控制柜4上安装有控制围压2-3和气压1-22的阀门及电源开关4-1。
为提高制备重塑非饱和土试样的效率，准确控制试样的干密度，本发明制成相应的制样装置7；如图3所示，主要部件包括制样模筒7-1及底板7-2、制样活塞7-3及套在其上的钢环7-4、脱模支架7-5与脱模活塞7-6、加压台架7-7 与千斤顶7-8。
(1)千斤顶7-8固定在台架7-7的底板上，脱模支架7-5固定在千斤顶7-8 上面，为压制试样提供平台。
(2)模筒7-1下端为台阶状，台阶高8mm；底板7-2中部刻有与模筒台阶匹配的凹槽，用以嵌放模筒7-1；底板7-2两边设置两颗对称的蝴蝶螺钉7-9，用以固定模筒7-1；这两个措施保证在制样时土不会从模筒7-1下端挤出。
(3)试样分5层压实而成，各层厚度相同，每层厚度由套在制样活塞7-3 的钢环7-4控制；共有4个钢环7-4，每个钢环7-4厚10mm，高度是试样高度的五分之一。脱模支架7-5和脱模活塞7-6用以从模筒7-1中推出试样，脱模活塞7-6的长度大于制样活塞7-3的长度。
此设备操作简便，快捷，能够准确控制试样干密度，提高了制样效率和制样技术水平。
本发明实施例提供的制样装置7的制备重塑土样步骤如下：
(1)事先把经过风干过筛的散土调配到一定含水率，然后放进保湿器里静置3d让水分扩散均匀；
(2)把制样模筒7-1用蝴蝶螺钉7-9固定在其底板7-2上，再一起放置在脱模支架7-5顶面
(3)试样分5层压实，按设计干密度计算每层需要的散土质量，用天平秤量，用漏斗倒入制样模筒7-1中；
(4)压实第一层时在制样活塞7-3上不套钢环7-4，直接把活塞7-3放入模筒7-1中，当制样活塞7-3的翼沿底面被压到与模筒7-1顶面紧密接触时，模筒 7-1中土层的厚度恰为试样高度的五分之一；
(5)用尖刀(或螺丝刀)把第一层土的顶面挫毛，倒入第二层土，在制样活塞7-3上套一个钢环7-4，压实；
(6)余类推，挫毛的目的是保证两相邻层面之间结合良好；
(7)压实过程结束后，松开蝴蝶螺钉7-9，取下模筒7-1，将其放在脱模支架7-5上，用脱模活塞7-6把试样缓缓推出即可；
(8)把推出的试样放在玻璃板上，给试样套上三瓣模，箍紧，用削土刀把试样顶面修平，称重后放入保湿器中备用。
下面结合试验对本发明的应用效果作详细的描述。
1.1试验方法和过程描述
1.1.1试验前的准备工作
试验前的准备主要有六项，简介如下。
一是饱和陶土板1-11，步骤如下：①关闭压力室底板1-6外侧的气压阀门 1-22；②通过阀门1-12、1-13用水流冲洗陶土板1-11下的螺旋槽1-10，排除螺旋槽1-10里的空气，持续1min即可；③通过阀门1-20、1-21给内、外压力室充满无气水，并拧紧压力室顶盖1-8上的两个排气螺钉1-23，1-24；④用安装在水-气-电路控制柜4上的围压调压阀2-3施加400kPa的液压，内压力室里的水在压力作用下进入陶土板1-11，同时挤出陶土板1-11中的空气；大约经历3h左右，就有水-气混合体排出；直到排水管中出现没有气泡的连续的水流时，再继续2h，即认为陶土板1-11已经饱和。⑤尔后卸除液压，关闭阀门1-12，1-13，放出压力室中水，但不要把水放完，水位应盖住陶土板1-11，使陶土板1-11处于饱和状态。
有两种方法可以检验陶土板1-11是否完全饱和，以进气值等于500kPa的陶土板为例。一是把压力室1-5里的水放完，打开气压阀1-22，给压力室1-5和陶土板1-11顶面施加500kPa的气压(不能超过陶土板1-11的进气值)，若持续0.5h未见排水管道中有气泡，即认为陶土板1-11达到了完全饱和。二是卸除压力室顶盖1-8后，给陶土板1-11表面上洒满水；用气压排走陶土板1-11下面螺旋槽1-10里的水(从阀门1-12进，从阀门1-13出)；然后关闭排水阀1-13，从螺旋槽1-10的进水阀1-12给陶土板1-11底面施加向上的气压，若持续0.5h未见陶土板1-11表面有气泡，即认为陶土板1-11达到了完全饱和。
陶土板1-11是用胶结剂将其周边胶结在试样底座1-9上的，其胶结强度有限。第二种检验方法使陶土板1-11承受向上的剪力，有可能损坏陶土板1-11，且操作麻烦；而第一种检验陶土板1-11饱和的方法比较安全，简便易行。
二是标定内压力室及其管道的体变，在完成第一项准备工作后进行。步骤如下(参见图2)：①从阀门1-22给压力室1-5内的进气管1-25及试样帽1-26中的小孔充水，待出现连续水流后关闭阀门1-22；②把压力室顶盖1-8倒置，把医用注射器的针头插入到活塞头中小孔的底部，注水挤出空气，使水充满小孔；③安装压力室顶盖1-8；④通过阀门1-20、1-21给内、外压力室充满无气水，设法排除内压力室中的所有气泡，拧紧压力室顶盖1-8上的两个排气螺钉1-23， 1-24；⑤检查阀门1-12、1-13处于关闭状态，记录精密体变量测装置百分表2-5 或传感器的初始读数；⑥通过阀门1-20、1-21给内、外压力室同步分级施加等值液压，同时记录体变稳定后的百分表2-5读数(该读数包括注射器体变、注射器到阀门1-20管路体变及内压力室体变三者之和)，第一级压力为10kPa，第二级加到25kPa，第三级加到50kPa、第四级加到75kPa、第五级加到100kPa；此后每级压力增量为50kPa，直到满足试验的围压水平为止。⑦绘制压力与体变读数的关系曲线，即为标定曲线，供计算试验过程中的试样体变使用。为了减少误差，上述标定一般要重复几次，取其平均值绘制标定曲线。
三是标定荷载传感器1-1-2。可直接用量力环标定其输出数值与压力大小的关系，此处从略。
四是系统检查，包括检查乳胶膜是否渗漏，把完好的乳胶膜裁剪到合适的长度(125mm)，其下脚料可剪成宽度5mm的皮筋，用以把乳胶膜结扎在试样底座1-9和试样帽1-26上；用200kPa的气压排净阀门1-22到试样帽1-26小孔之间的水分(参考图2)；检查各阀门的开关处于正确位置。
五是制备试样。
六是安装试样1-29，按以下步骤进行：①借助承模筒，给试样1-29套上乳胶膜；②把试样1-29直接放在试样底座1-9上，在试样顶上依次放置有孔薄铜板1-27和透水石1-28(参考图2)，用于给试样施加气压力，且铜板1-27不会从试样中吸水；③把每条皮筋折成两圈，用3条皮筋把乳胶膜下端绑扎在试样底座1-9上；④把3条折成两圈的皮筋套在和试样帽1-26相连的进气管1-25上，安装试样帽1-26；⑤用手指轻轻压住试样帽1-26，用湿毛巾从下向上理顺乳胶膜，同时挤出试样与乳胶膜之间的空气，用皮筋把乳胶膜上端结扎在试样帽1-26 上；⑥用洗耳球给乳胶膜四周、皮筋、试样帽1-26顶上、压力室顶盖1-8和筒壁内侧洒满水，以免给压力室1-5充水时残留气泡；同时用注射器针头给活塞顶端的小孔中充满水；⑦安装压力室1-5，给压力室1-5充满水，拧紧压力室顶盖 1-8上的两个排气螺钉1-23，1-24；⑧擦净仪器各处的残留水，收起工具。
1.1.2控制吸力和净围压为常数的非饱和土三轴各向等压固结排水试验
所谓的净围压是围压与气压之差。由于是排水试验，试样的孔隙水压力等于零，试样的吸力就等于所施加的气压力。
①给内外压力室同时施加10kPa的围压，使乳胶膜、试样1-29、薄铜板 1-27、透水石1-28、试样帽1-26之间紧密接触，待变形稳定后记录体变和排水读数，作为试验的初值，在整理试验资料时予以扣除。
②逐级、同时、同步给试样施加围压和气压力，必须保证围压高于气压；在每级压力稳定后记录体变读数和排水读数；直到达到预定的气压力和围压。
1.1.3控制吸力和净围压等于常数的三轴固结排水剪切试验Ⅰ—应变控制试验分为两个阶段：固结阶段和剪切阶段。第一阶段按1.1.2的方法进行。第二阶段的试验方法如下：保持围压和气压不变，选择合适的应变速率进行剪切，实时记录试样的轴向变形、体变和排水，直到试样破坏为止。试样破坏的标准是：偏应力出现峰值后下降，或轴向应变达到15％。
1.1.4控制吸力和净围压等于常数的三轴固结排水剪切试验Ⅱ—应力控制试验分为两个阶段：固结阶段和剪切阶段。第一阶段按1.1.2的方法进行。第二阶段的试验方法如下：①保持围压和气压不变；②根据1.1.1节的第三项准备工作得到的荷载传感器1-1-2标定曲线在电脑中预先设置各级目标荷载值；③选择应变速率进行剪切，当荷载传感器1-1-2读数达到第一级荷载目标值时，命令步进电机3-1自锁，从而保持荷载为常数；还可通过电机正、反转对荷载大小进行适当调整，再通过自锁达到稳压目的；保持第一级目标荷载为常数，直到变形和排水稳定。重复这一步骤，直到试样破坏为止。
1.1.5控制净围压、偏应力和初始吸力等于常数的三轴浸水试验
在1.1.4的某一级荷载下，当变形和排水稳定后，按以下步骤进行：①同时同步减少气压力和围压以保持净围压不变，直到气压为零；②关闭排水阀1-12；③气压阀门1-22为三通阀门，将其旋转到气压管路断开状态，而使另一方向管路开通，作为试样新的排水出口，即，与试样帽1-26相连的细管成为浸水过程中的排水管。④浸水，浸水时水从陶土板1-11外沿钢圈上的小孔1-19进入，从试样帽1-26排出，直到出水量等于进水量、试样变形稳定为止。浸水时需根据试样浸水的难易程度适当调整浸水压力，并同步提高围压和浸水压力值，以保证净围压不变。为了使试样内部的孔隙水压力较快地均匀化并加快浸水速度，在安装试样时，给试样周边均匀放置了6条宽约4mm的滤纸条。试验前计算并测出水充满试样帽1-26到出水阀门1-22这段排水通路所需水量，则总浸水量减去排水量及停留在排水通路中的水就是试样的实际浸水量。
1.1.6控制净围压、偏应力和吸力等于常数的三轴脱湿试验
在完成第1.1.4节试验后，按以下步骤进行：①调整阀门1-22的位置，使其回到浸水前的状态；②打开排水阀门1-12；③同步同时增加围压和气压力以保证净围压不变，直到气压(亦即吸力)达到预定的目标值，让试样在气压作用下排水脱湿，待到变形和排水稳定为止。
1.1.7控制净围压和偏应力为常数的干湿循环试验
重复1.1.4节和1.1.5节的试验过程即可。
1.1.8非饱和土的不排水不排气三轴剪切试验
前7种试验都是控制吸力的排水试验，在试验中水压力始终等于零，而气压控制为常数。在不排水不排气试验中，孔隙水压力和孔隙气压力都是变化的，因而必须分别量测。为量测孔隙水压力，可关闭图2中的阀门1-12或1-13中的一个，而在另一个阀门处安装孔隙水压力传感器即可。由于水是不可压缩的，将孔隙水压力传感器安装在压力室1-5外面对量测结果的影响可以忽略不计。而气的压缩性很大，若把气压传感器安装在压力室1-5外面，就会引起很大的误差。因此，量测孔隙气压力的传感器应紧靠试样。传统传感器的尺寸较大，只能安装在图2的阀门1-22处，连接阀门1-22和试样帽1-26之间的尼龙管中的空气对量测孔隙气压力的影响很大。本发明应用微型传感器成功解决了这一难题，探头直径3mm，可封装在外径8mm的空心螺钉中；而该螺钉恰好可以安装在图2试样帽1-26的小孔中。微型传感器就紧靠试样顶面，因而可准确量测试样中的孔隙气压力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不限制用于本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非饱和土多功能三轴仪，其特征在于，所述非饱和土多功能三轴仪包括：台架与压力室、精密体变量测装置、轴向加载活塞和轴向荷载传感器及位移传感器、轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统、水-气-电路控制柜、供水装置、微机。
2.如权利要求1所述的非饱和土多功能三轴仪，其特征在于，所述台架由横梁、立柱和底板组成，用于安放压力室、固定轴向加载部件；
所述压力室由压力室底板、有机玻璃筒体和带有竖向加载活塞的顶盖组成；压力室底板的中央突起部位用于安放试样，称为试样底座，为二元结构；试样底座中心部位刻有螺旋槽，螺旋槽上嵌有陶土板；螺旋槽的首尾各外接一个阀门；
所述陶土板外围是环形铝合金隔墙；环形铝合金隔墙外侧是环形水槽，环形水槽中有1个直径为2mm的孔，该孔与压力室外面的浸水阀门连通，用于给试样浸水；环形水槽顶端嵌有多孔铜圈；多孔铜圈上均匀分布两排直径1mm透水孔；
压力室底板的外侧安装有6个阀门，其中的三个分别用于控制内压力室的压力、外压力室的压力和试样气压力，一个用于给试样浸水，其他两个用于排水和冲洗积聚在螺旋槽中的气泡。
3.如权利要求1所述的非饱和土多功能三轴仪，其特征在于，所述精密体变量测装置是装在有机玻璃筒中的注射器，与内压力室联结；经过同一气压调压阀输出的压缩空气分为两条管路，一条通向给外压力室传递液压的水-气界面，另一条进入精密体变量测装置的有机玻璃筒；
所述注射器的位移用安装传感器的百分表量测，百分表每走一格，代表的体变为0.006cm3；在注射器的活塞顶端开有通气孔，以保证活塞壁内外所受压力相同不会发胀缩变形。
4.如权利要求1所述的非饱和土多功能三轴仪，其特征在于，所述轴向加载部件固定于台架横梁下方，是一圆柱形液压活塞，内装纯净无气水；活塞下端连接荷载传感器；位移传感器安装在压力室顶盖上。
5.如权利要求1所述的非饱和土多功能三轴仪，其特征在于，所述轴向荷载与轴向变形速率控制/数据采集处理系统由步进电机及其驱动器、调压筒、数据采集程序系统组成；
所述调压筒由黄铜制成，与轴向加载活塞之间用不锈钢管连通，内充无气水；步进电机在微机指令下推动调压筒工作，把调压筒中的水挤进轴向加载部件。
6.如权利要求1所述的非饱和土多功能三轴仪，其特征在于，所述水-气-电路控制柜上安装有控制围压和气压的阀门及电源开关。
7.如权利要求1所述非饱和土多功能三轴仪使用的制样装置，其特征在于，所述制样装置包括制样模筒及底板、制样活塞及套在其上的钢环、脱模支架与脱模活塞、加压台架与千斤顶；
千斤顶固定在加压台架的底板上，脱模支架固定在千斤顶上面，为压制试样提供平台；制样模筒下端为台阶状，台阶高8mm；底板中部刻有与模筒台阶匹配的凹槽，用以嵌放模筒；底板两边设置两颗对称的蝴蝶螺钉，用以固定模筒；试样分5层压实而成，每层厚度由套在制样活塞的钢环控制；共有4个钢环，每个钢环厚10mm，高度是试样高度的五分之一；脱模支架和脱模活塞用以从模筒中推出试样，脱模活塞的长度大于制样活塞的长度。
8.如权利要求7所述的制样装置，其特征在于，所述制样装置制备重塑试样的步骤如下：
(1)把经过风干过筛的散土调配到一定含水率，放进保湿器里静置3d让水分扩散均匀；
(2)把制样模筒用蝴蝶螺钉固定在其底板上，再一起放置在脱模支架顶面；
(3)试样分5层压实，按设计干密度计算每层需要的散土质量，用天平秤量，用漏斗倒入制样模筒中；
(4)压实第一层时在制样活塞上不套钢环，直接把活塞放入模筒中，当制样活塞的翼沿底面被压到与模筒顶面紧密接触时，模筒中土层的厚度恰为试样高度的五分之一；
(5)用尖刀或螺丝刀把第一层土的顶面挫毛，倒入第二层土，在制样活塞上套一个钢环，压实；
(6)余类推，挫毛的目的是保证两相邻层面之间结合良好；
(7)压实过程结束后，松开蝴蝶螺钉，取下模筒，将其放在脱模支架上，用脱模活塞把试样缓缓推出即可；
(8)把推出的试样放在玻璃板上，给试样套上三瓣模，箍紧，用削土刀把试样顶面修平，称重后放入保湿器中备用。
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