CN109932249A - 堆石料三轴试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堆石料三轴试验装置，包括加载系统、温控系统、湿控系统、数据采集及控制系统。加载系统包括反力架和其内部的压力罩组成的承载装置，以及围压作动器、孔压作动器、轴压联合控制器组成的加载装置，湿控系统包括增湿装置、干燥装置和相对湿度测量装置。该试验装置是在传统三轴仪基础上的升级，主要改良了加载系统，并扩充了超声波增湿系统、干湿循环系统。可实现高轴压、高围压、控温度、控相对湿度、长期加载、复杂应力路径加载的堆石料三轴试验。

Description

堆石料三轴试验装置

技术领域

本发明涉及试验装置，尤其涉及堆石料三轴试验装置。

背景技术

堆石坝具有地形适应性好、能就地取材、投资省、施工简单等优点，逐渐成为水电资源开发高坝建设的主要坝型。特高土石坝大多位于高寒高海拔地区，在设计及施工过程中面临着高水头、高应力、温度变换、相对湿度变换、复杂应力路径等多因素联合作用，在运行过程中会遇到长期变形的困扰。因此，复杂环境因素作用下堆石料的力学特性变化规律已成为国内外的研究热点。

现有设备因功能缺失或尺寸限制，无法完全满足复杂条件下堆石料力学特性演化规律的研究需求。如对于堆石料三轴试验的相对湿度控制功能，通过饱和盐溶液产生一定相对湿度湿空气的方法可用于湿度控制，但该种方法针对不同的相对湿度，需要更换不同的盐溶液。对于干湿循环功能，通过向试样内通热风的方法可实现对试样的干燥，但热风会影响试样的温度，使试样产生较大扰动。对于长期加载功能，直接使用电液伺服作动器可实现对试样的长期加载，但一般电液伺服作动器的行程都比较短，会出现行程不够的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种可进行高应力、高围压、宽温度范围、宽相对湿度范围、长期加载及复杂应力路径加载的堆石料三轴试验装置。

技术方案：本发明的堆石料三轴试验装置，包括加载系统、温控系统、湿控系统、数据采集及控制系统，所述加载系统包括反力架和其内部的压力罩组成的承载装置，以及围压作动器和孔压作动器组成的加载装置，其特征在于，所述加载装置还包括连接至压力油缸的轴压联合控制器，压力油缸设置在反力架底座上；所述湿控系统包括相互并联并穿过压力罩连接至压力罩内透水石的增湿装置、干燥装置和相对湿度测量装置；所述数据采集及控制系统包括相互连接的温度控制器、压力控制器和相对湿度控制器，分别连接至伺服控制器，伺服控制器连接至计算机。

伺服控制器可实现轴向位移的等速率控制及轴向压力的等速率控制两种控制方式，传感器采集到数据，传送到伺服控制器，对轴压联合控制器与围压作动器进行动态调节，实现任意应力路径加载的三轴试验。

优选地，所述轴压联合控制器包括并联至压力油缸的液压泵和轴压作动器。液压泵可实现常规三轴剪切的长距离加载，轴压作动器能实现对试样的长期加载。

优选地，所述增湿装置包括加湿器、相对湿度传感器、鼓风机和恒温控制器。

优选地，所述加湿器为超声波加湿器。超声波加湿器可产生高相对湿度的湿空气，吸附式空气干燥机可以产生干燥空气，通过鼓风机驱动，可对试样进行湿化及风干，即可以进行干湿循环的试验。

有益效果：本发明与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)、本发明的试验装置可实现最大4MPa围压、最大2000KN轴力、-20℃—70℃宽温度范围、20％—100％宽相对湿度范围、最长1年加载时间及复杂应力路径加载的三轴压缩试验，并且试样直径可以达到300mm，可减小堆石料尺缩效应的影响。(2)、轴压联合控制器进行轴压的控制，在长期加载试验中可大幅度降低能源消耗，减少噪音。(3)、本发明的湿控系统可以调节空间相对湿度，实现堆石料控相对湿度条件下的三轴试验，亦可实现相对湿度循环变化条件下的三轴试验。(4)、采用特殊应力路径控制系统，可以实现任意应力路径加载的三轴剪切试验。(5)、采用数据采集及记录系统，可实现位移、温度、饱和试样体积变化的直接量测，亦可根据密闭系统水量平衡的原理，实现试样体积变化的间接量测。

附图说明

图1为本发明试验装置整体示意图；

图2为本发明试验装置中的压力罩示意图；

图3为本发明试验装置中的湿控箱示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明的堆石料三轴试验装置，包括加载系统、温控系统、湿控系统、数据采集及控制系统。其中：1位移传感器；2轴压传感器；3高温循环管；4低温循环管；5温度传感器；6保温罩；7试样；8透水石；9压力罩；10反力架；11低温水浴箱；12高温水浴箱；13温度控制器；14蓄水桶；15围压作动器；16孔压作动器；17液压泵；18轴压作动器；19压力油缸；20压力控制器；21增湿装置；22干燥装置；23相对湿度测量装置；24体变管；25相对湿度控制器；26计算机；27高温循环液进口；28高温循环液出口；29低温循环液进口；30低温循环液出口；31相对湿度出口；32相对湿度进口；33围压进口；34孔压进口；35活塞压杆；36相对湿度传感器；37超声波加湿器；38干燥剂；39鼓风机；40恒温控制器；41排气口。其中，本发明与现有技术区别的部件有17、21、22、23、25、31、32、37、40，其余为常规的装置。

加载系统包括：液压泵17和轴压作动器18通过管道并联至压力油缸19，压力油缸19进口处安装压力传感器。压力油缸19安装在反力架10底部，压力罩9坐落在反力架10内。位移传感器1安装在压力罩9顶盖。围压作动器15通过压力管道连接至压力罩9底座的围压进口33，围压进口33处安装压力传感器。孔压作动器16通过压力管道连接至压力罩9底座的孔压进口34，孔压进口34处安装压力传感器。蓄水桶14用于给围压作动器15和孔压作动器16补水，补水结束后阀门应关闭。

温控系统包括：保温罩6包裹着压力罩9，压力罩9内部环绕着两根相互平行的螺旋铜管，分别传送高、低温传导介质。高温循环管3、低温循环管4分别连接至外部的高温水浴箱12、低温水浴箱11，高、低温水浴箱内分别安装有循环泵及温度传感器5。高温水浴的传导介质为导热油，低温水浴的传导介质为防冻液，循环泵可加速恒温介质在螺旋铜管里的循环，经过一定时间可使试样达到一个稳定的温度。压力罩9顶盖安装温度传感器5。

湿控系统包括：增湿装置21和干燥装置22通过并联的方式，穿过压力罩9底座连接至透水石8。增湿装置21内部安装有超声波加湿器37、恒温控制器40、相对湿度传感器36及鼓风机39，恒温控制器40控制超声波加湿器37的水温。干燥装置22内部含有干燥剂38并安装有鼓风机39。相对湿度测量装置20通过管道连接至试样7顶部透水石8。相对湿度测量装置20内部安装有相对湿度传感器36，侧壁上设置有排气孔35。

数据采集及控制系统包括：由温度控制器13，压力控制器19及相对湿度控制器25分别控制温控系统、加载系统和湿控系统，所有传感器均连接至伺服控制器，伺服控制器连接至计算机25。

工作过程：进行试验前先准备试样，将尺寸为φ300*600mm的试样7安装在透水石8上，若进行饱和试样的试验，利用孔压作动器16向试样内自下而上注水直至试样饱和，若进行非饱和试样的试验，则试样安装完成后便直接进入下一步骤；试样安装完成后启动围压作动器15，通过围压进口33施加目标围压，根据试验工况选择是否对试样进行固结，若需要固结，则待试样变形稳定后开始试验，否则直接开始试验。

(1)进行渗透试验：通过压力控制器20设置一定的渗透压力，并启动孔压作动器16对试样7施加渗透压力；渗透水经孔压进口34进入试样7，随后排入体变管24，通过记录体变管24内水位的变化来量测排水量。

(2)进行常规三轴剪切试验：通过压力控制器20设置一定的剪切速度，启动液压泵17对试样施加轴向力，轴向力通过活塞压杆35传递给试样；饱和试样在受剪过程的体积变化通过记录体变管24的水位变化进行量测，非饱和试样的体积变化则通过记录围压作用器15内水量变化与活塞压杆35压入压力罩9而引起水量变化的差值进行量测。

(3)进行长期加载三轴试验：首先通过压力控制器20设置一定的剪切速度，启动液压泵17对试样7施加轴向力直至到达目标应力水平；随后更换轴向力加压通道，启动轴压作动器18进行长期加载；饱和试样在长期加载过程的体积变化通过记录体变管24的水位变化进行量测，非饱和试样长期加载过程中的体积变化则通过记录围压作用器15内水量变化与活塞压杆35压入压力罩9而引起水量变化的差值进行量测。

(4)进行温控三轴试验：首先设置低温水浴11及高温水浴12到目标温度，高温水浴12内的导热油从高温循环液进口27进入压力罩9，在传导高温介质的螺旋铜管内流通，从高温循环液出口28流回至高温水浴12；低温水浴11内的防冻液从低温循环液进口29进入压力罩9，在传导低温介质的螺旋铜管内流通，从低温循环液出口30流回至低温水浴11。温度控制器13根据温度传感器5反馈的温度信息，控制水浴箱中的循环泵对传导介质进行循环，使压力罩9内温度趋向目标温度。温度设置完成后可进行相应的三轴试验。温度控制器13通过对低温水浴11及高温水浴12的联合控制可实现温度循环试验。

(5)进行湿控三轴试验：进行此试验时，试样为非饱和试样。试验具体步骤为：先设置增湿装置21内的空气达到目标相对湿度，通过相对湿度控制器25调节鼓风机39，使增湿装置21内的空气经相对湿度进口32进入试样7；随后经相对湿度出口31进入相对湿度测量装置23，待箱内相对湿度传感器的读数与增湿装置21内的相对湿度传感器的读数一致时，认为试样增湿完成，可开始相应的三轴试验。通过相对湿度控制器25可调节干燥装置22内的鼓风机39，使干燥空气进入试样7，对试样进行干燥，通过增湿装置21与干燥装置22的联合控制可实现干湿循环试验。

Claims (6)

1.一种堆石料三轴试验装置，包括加载系统、温控系统、湿控系统、数据采集及控制系统，所述加载系统包括反力架(10)和其内部的压力罩(9)组成的承载装置，以及围压作动器(15)和孔压作动器(16)组成的加载装置，其特征在于，所述加载装置还包括连接至压力油缸(19)的轴压联合控制器，压力油缸(19)设置在反力架(10)底座上；所述湿控系统包括相互并联并穿过压力罩(9)连接至压力罩(9)内透水石(8)的增湿装置(21)、干燥装置(22)和相对湿度测量装置(23)；所述数据采集及控制系统包括相互连接的温度控制器(13)、压力控制器(20)和相对湿度控制器(25)，分别连接至伺服控制器，伺服控制器连接至计算机(26)。

2.根据权利要求1所述的堆石料三轴试验装置，其特征在于，所述轴压联合控制器包括相互并联至压力油缸(19)的液压泵(17)和轴压作动器(18)。

3.根据权利要求1所述的堆石料三轴试验装置，其特征在于，所述增湿装置(21)包括加湿器(37)、相对湿度传感器(36)、鼓风机(39)和恒温控制器(40)。

4.根据权利要求3所述的堆石料三轴试验装置，其特征在于，所述加湿器(37)为超声波加湿器。

5.根据权利要求1所述的堆石料三轴试验装置，其特征在于，所述干燥装置(22)包括干燥剂(38)和鼓风机(39)。

6.根据权利要求1所述的堆石料三轴试验装置，其特征在于，所述相对湿度测量装置(20)包括相对湿度传感器(36)，侧壁上含有排气口(41)。