CN110044686B - 一种利用反力加载的便携式三轴应力应变测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用反力加载的便携式三轴应力应变测试装置，包括实验装置、传感器组、动力加载装置和伺服电机。伺服电机为实验提供轴压及围压加载动力，实现了实验装置的单动力源优化设计。由线性位移传感器、围压传感器、应力传感器构成数据采集单元，并与伺服电机构成闭环回路，以实现实验路径的自动控制。本装置能够借助实验装置内部构造如反力横梁、反力活塞等的反力作用实现轴压和围压的加载，同时通过伺服电机及传感器组实现自动控制。实验装置高度集成、操作简便、经济、便携，可有效地解决现场土样不易进行三轴应力应变实验的问题。

Description

一种利用反力加载的便携式三轴应力应变测试装置
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体地，涉及一种可利用反力加载方式进行三轴应力应变测试的实验装置。
背景技术
在岩土工程实验中，土工三轴实验仪是以研究土体应力-应变关系而研发的一种基础实验仪器，模拟地基土体三向应力状态以测定土的强度和变形特性。三轴仪的基本工作原理是以液压加载装置对三轴仪的压力腔室加压,提供土体试样两个径向正交应力；以轴向机械加载装置压缩土体试样,施加轴向应力。在实验过程中,记录土体试样的三个正交应力、轴向变形以及体积变化。根据这些实验数据推算出土的抗剪强度等力学性能指标，为堤坝、填坊、建筑物地基等的设计施工提供参考。随着土木工程科技的发展,土工三轴仪的技术要求也越来越高,土工三轴仪向精密化、自动化和智能化的发展趋势也越来越明显。
例如中国专利文献CN109406302A公开了一种手动便携式土工三轴仪，包括有底箱、挤压式充水装置、水压检测仪、压力室、弹性膜、压力腔、样品安装座、排水管、压头、压力感应器、压力表。通过挤压挤压式充水装置，将充水装置内的水充入压力腔内，使弹性膜包裹在样品上，同时，通过水压检测仪观察水压大小，直至水压达到设定值时，停止充水，然后手动调节手动下压装置，将压头压入样品孔中，通过压力感应器和压力表来确定压头的压力大小，根据土样三轴测量方法进行测量。
中国专利CN 101782488B公开了一种实验数据自动测量采集的自动化三轴仪，包括有压力控制装置、数据采集装置、数据测量装置和常规三轴仪；压力控制装置包括：空气压缩机、气压传输三通阀、两个气压传输双向阀、两个气压手动控制器、两个压力表、围压高压密闭蓄水瓶和背压高压密闭蓄水瓶；压力控制装置的输出端传输压力荷载，数据测量装置的输出端与数据采集装置相连传输位移、压力的模拟信号数据和体变、变形的图像数据，数据测量装置设置与常规三轴仪相连传输测量数据和图像信息；孔压计与数据采集装置相连传输应力模拟信号数据信息。
但是，上述两种三轴仪在加载方式上依然需要借助水压装置，在数据采集上不够智能化。
发明内容
本发明在传统三轴仪的基础上，利用反力加载的方式，完成轴压和围压的加载，其目的是解决现有技术智能化水平低、现场土样不易进行三轴应力应变实验的问题。
为了实现以上目的，本发明提供了一种利用反力加载的便携式三轴应力应变测试装置，包括实验装置、传感器组、动力加载装置和伺服电机；
所述实验装置包括一个矩形的反力横梁、一个矩形的围压加载横梁、二根刚性传动杆、二根不锈钢空心筒、压力室和放在压力室中的试样包，所述反力横梁、围压加载横梁、压力室和试样包保持同心；
所述压力室为一圆形空心装置，上部有一个反力活塞，下部有一个压力室底座，即压力室、反力活塞和压力室底座三者构成一个封闭的压力空间；反力活塞中心位置有一根垂直向下的反力加载杆，反力活塞上在反力加载杆位置的两边各设置一根垂直向上的传动杆，传动杆通过螺栓与反力横梁连接；所述压力室底座的横截面为圆形，压力室底座的直径≥反力横梁长边的边长；
所述二根刚性传动杆分别穿过二根不锈钢空心筒，二根刚性传动杆的上部通过螺栓与反力横梁长边的两端连接，下部穿过压力室底座上的通孔与围压加载横梁长边的两端连接；
所述动力加载装置包括一个轴压加载轴和一个围压加载轴，轴压加载轴与压力室保持同心，围压加载轴与轴压加载轴平行，围压加载轴的顶端与围压加载横梁固接；所述伺服电机驱动轴压加载轴和围压加载轴进行档位变换和竖直轴向位移；轴压加载档位时，围压加载轴不发生位移，伺服电机驱动轴压加载轴由下而上穿过围压加载横梁、压力室底座上的通孔进入压力室，并通过反力活塞的作用，对试样包进行加载；围压加载时，轴压加载轴不发生位移，伺服电机驱动围压加载轴拉动围压加载横梁向下位移；
所述试样包包括试样、二块透水石、二个顶台和乳胶膜，二块透水石分别放置在试样的顶端和底端，在两块透水石的另外一个面上各放置一个顶台，最后乳胶膜包裹在外，形成一个试样包，试样包被夹持在反力加载杆和轴压加载轴之间。
优选地，所述传感器组包括线性位移传感器、应力传感器和围压传感器，线性位移传感器和应力传感器分别安装在试样包和试样的底部，围压传感器安装在压力室底座上。
优选地，所述反力活塞的上部有安全阀和排气孔。
优选地，所述压力室底座的一侧开有进水孔。
优选地，刚性传动杆的长度为不锈钢空心筒长度的1.2-1.5倍。
优选地，所述的反力活塞与反力加载杆为螺纹连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)通过伺服电机控制调整至轴压加载挡位，通过反力横梁及反力活塞，施压于试样，达到施加轴压的目的。灵敏度高，传动效率高。
2)通过伺服电机控制调整至围压加载挡位，通过反力横梁及反力活塞，推挤压力室内液体，达到施加围压的目的。无需压力室外注水围压调节装置，极大增强便携性。
3)高精度传感器配合伺服电机保证仪器的精确度。
4)本装置结构简单，功能齐全，操作便捷，实验容易。
5)本发明专利保证实验精确度和智能化的基础上，利用反力加载方式，结构灵活而且便携，有效地解决现场土样不易进行三轴应力应变实验的问题。
附图说明
图1为本发明实验装置工作示意图
图2是本发明中试样包及传感器示意图
图3是本发明中动力加载装置示意图
图4是本发明中围压加载横梁俯视图
其中：1、反力横梁；2、传动杆；3、安全阀；4、反力活塞；5、乳胶膜；6、压力室；7、线性位移传感器；8、进水孔；9、动力加载装置；10、刚性传动杆；11、排气孔；12、反力加载杆；13、顶台；14、应力传感器；15、围压传感器；16、压力室底座；17、伺服电机；18、不锈钢空心筒；19、轴压加载轴；20、围压加载轴；21、围压加载横梁；22、透水石；23、排气孔盖；24、通孔；25、试样包；26、试样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。
由图1所示，本发明一种利用反力加载的便携式三轴应力应变测试装置，包括实验装置、传感器组、动力加载装置9和伺服电机17。
所述实验装置包括一个矩形的反力横梁1、一个矩形的围压加载横梁21、二根刚性传动杆10、二根不锈钢空心筒18、压力室6和放在压力室6中的试样包25，所述反力横梁1、围压加载横梁21、压力室6和试样包25保持同心。
所述压力室6为一圆形空心装置，在本实施例中，压力室上部有一个反力活塞4，下部有一个压力室底座16，即压力室6、反力活塞4和压力室底座16三者构成一个封闭的压力空间。反力活塞4中心位置有一根垂直向下的反力加载杆12，反力活塞4上在反力加载杆12位置的两边各设置一根垂直向上的传动杆2，传动杆2通过螺栓与反力横梁1连接；所述压力室底座16的横截面为圆形，压力室底座16的直径≥反力横梁1长边的边长。
压力室6是安装试样26并使周围压力和轴向荷载作用于试样26的重要部分,在本实施例中，压力室6为不锈钢圆筒，反力活塞4与不锈钢壁密封连接，并可以在不锈钢圆筒中滑动。
在本实施例中，反力活塞4的上部有安全阀3和排气孔11，排气结束后，排气孔用排气孔盖23封闭。压力室底座16的一侧开有进水孔8。另外考虑到位移程度调整的需要，反力活塞4与反力加载杆12为螺纹连接，即反力加载杆12为一螺杆。
所述二根刚性传动杆10分别穿过二根不锈钢空心筒18，二根刚性传动杆10的上部通过螺栓与反力横梁1长边的两端连接，下部穿过压力室底座16上的通孔与围压加载横梁21长边的两端连接。刚性传动杆10的长度为不锈钢空心筒18长度的1.2-1.5倍。在本实施例中，刚性传动杆10的长度为70cm，不锈钢空心筒18的长度为55cm。
由图2所示，所述试样包25包括试样26、二块透水石22、二个顶台13和乳胶膜5，二块透水石22分别放置在试样26的顶端和底端，在两块透水石22的另外一个面上各放置一个顶台13，最后乳胶膜5包裹在外，形成一个试样包25，试样包25被夹持在反力加载杆12和轴压加载轴19之间。
由图3、图4所示，所述动力加载装置9包括一个轴压加载轴19和一个围压加载轴20，轴压加载轴19与压力室6保持同心，围压加载轴20与轴压加载轴19平行，围压加载轴20顶端与围压加载横梁21固接。所述伺服电机17驱动轴压加载轴19和围压加载轴20进行档位变换和竖直轴向位移。轴压加载档位时，围压加载轴20不发生位移，伺服电机17驱动轴压加载轴19由下而上穿过围压加载横梁21、压力室底座16上的通孔24进入压力室6，并通过反力活塞4的作用，对试样包25进行加载；围压加载时，轴压加载轴19不发生位移，伺服电机17驱动围压加载轴20由下而上拉动围压加载横梁21向下位移。
具体的，在轴压加载时，伺服电机17为动力机构和控制机构,即伺服电机17将动力和加载量传至轴压加载轴19，驱动轴压加载轴19竖向位移，施加位移于试样包25的底部，并通过反力横梁1及反力活塞4的反作用,将荷载通过贯通反力活塞4的反力加载杆12施加于试样26之上,完成对试样26的轴向加压。在轴压加载过程中，通过伺服电机17调节压力达到稳压目的，保证试样26在剪切过程中主应力恒定不变。
具体的，在围压加载时,压力室注水密封，由伺服电机17充当动力机构和控制机构,即伺服电机17将动力和加载量传至围压加载轴20，驱动围压加载轴20向下位移而拉动围压加载横梁21向下位移，然后由围压加载横梁21带动二根刚性传动杆10向下位移，使反力横梁1向下移动，并推动反力活塞4沿压力室6内壁滑动，通过推挤压力室6内的液体，施加围压于试样26。在围压加载过程中，通过伺服电机17调节压力达到稳压目的，保证试样26在剪切过程中围压小主应力恒定不变。
所述传感器组包括线性位移传感器7、应力传感器14和围压传感器15，线性位移传感器7和应力传感器14分别安装在试样包25和试样26的底部，围压传感器15安装在压力室底座16上。三个传感器可以通过无线方式发送信号，也可以通过有线方式与伺服电机17相连，构成闭环回路，伺服电机17通过控制轴压加载轴19和一个围压加载轴20的位移，实现精确测量与控制。
本发明具体实施的操作包括：
1、试样制作
根据土工实验规程，预设试样干密度，根据体积法制备高径比为2:1的试样26，然后在两端放上透水石22、顶台13，并用乳胶膜5完全包裹制成试样包25。
2、试样安装
将制作完成的试样包25通过反力活塞4位置放入压力室6，固定试样。
3、仪器安装
试样包25固定完成之后，将反力活塞4与反力横梁1固定。
4、开始实验
通过进水孔8注水至水体从排气孔11均匀排出，关闭进水孔8以及排气孔11。
根据所需围压及轴压大小，控制伺服电机17，先进行围压加载，再进行轴压加载，然后进行三轴压缩实验。
5、数据分析
通过应力传感器14测量记录轴压，围压传感器15测量记录围压，以及线性位移传感器7记录轴向应变；最后导出数据进行分析。

Claims (6)

1.一种利用反力加载的便携式三轴应力应变测试装置，包括实验装置、传感器组、动力加载装置(9)和伺服电机(17)，其特征在于：
所述实验装置包括一个矩形的反力横梁(1)、一个矩形的围压加载横梁(21)、二根刚性传动杆(10)、二根不锈钢空心筒(18)、压力室(6)和放在压力室(6)中的试样包(25)，所述反力横梁(1)、围压加载横梁(21)、压力室(6)和试样包(25)保持同心；
所述压力室(6)为一圆形空心装置，上部有一个反力活塞(4)，下部有一个压力室底座(16)，即压力室(6)、反力活塞(4)和压力室底座(16)三者构成一个封闭的压力空间；反力活塞(4)中心位置有一根垂直向下的反力加载杆(12)，反力活塞(4)上在反力加载杆(12)位置的两边各设置一根垂直向上的传动杆(2)，传动杆(2)通过螺栓与反力横梁(1)连接；所述压力室底座(16)的横截面为圆形，压力室底座(16)的直径≥反力横梁(1)长边的边长；
所述二根刚性传动杆(10)分别穿过二根不锈钢空心筒(18)，二根刚性传动杆(10)的上部通过螺栓与反力横梁(1)长边的两端连接，下部穿过压力室底座(16)上的通孔与围压加载横梁(21)长边的两端连接；
所述动力加载装置(9)包括一个轴压加载轴(19)和一个围压加载轴(20)，轴压加载轴(19)与压力室(6)保持同心，围压加载轴(20)与轴压加载轴(19)平行，围压加载轴(20)的顶端与围压加载横梁(21)固接；所述伺服电机(17)驱动轴压加载轴(19)和围压加载轴(20)进行档位变换和竖直轴向位移；轴压加载档位时，围压加载轴(20)不发生位移，伺服电机(17)驱动轴压加载轴(19)由下而上穿过围压加载横梁(21)、压力室底座(16)上的通孔(24)进入压力室(6)，并通过反力活塞(4)的作用，对试样包(25)进行加载；围压加载时，轴压加载轴(19)不发生位移，伺服电机(17)驱动围压加载轴(20)拉动围压加载横梁(21)向下位移；
所述试样包(25)包括试样(26)、二块透水石(22)、二个顶台(13)和乳胶膜(5)，二块透水石(22)分别放置在试样(26)的顶端和底端，在两块透水石(22)的另外一个面上各放置一个顶台(13)，最后乳胶膜(5)包裹在外，形成一个试样包(25)，试样包(25)被夹持在反力加载杆(12)和轴压加载轴(19)之间。
2.根据权利要求1所述的利用反力加载的便携式三轴应力应变测试装置，其特征在于，所述传感器组包括线性位移传感器(7)、应力传感器(14)和围压传感器(15)，线性位移传感器(7)和应力传感器(14)分别安装在试样包(25)和试样(26)的底部，围压传感器(15)安装在压力室底座(16)上。
3.根据权利要求1所述的利用反力加载的便携式三轴应力应变测试装置，其特征在于，所述反力活塞(4)的上部有安全阀(3)和排气孔(11)。
4.根据权利要求1所述的利用反力加载的便携式三轴应力应变测试装置，其特征在于，所述压力室底座(16)的一侧开有进水孔(8)。
5.根据权利要求1所述的利用反力加载的便携式三轴应力应变测试装置，其特征在于，刚性传动杆(10)的长度为不锈钢空心筒(18)长度的1.2-1.5倍。
6.根据权利要求1所述的利用反力加载的便携式三轴应力应变测试装置，其特征在于，所述的反力活塞(4)与反力加载杆(12)为螺纹连接。
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