CN115683872A - 一种可消除膜顺变效应影响的动静态三轴试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种可消除膜顺变效应影响的动静态三轴试验方法，基于激光式位移控制全表面变形测量装置和补偿装置实现。首先，安装压力室测量装置，制备砂砾料三轴试样，进行试样安装。其次，对饱和砂砾料三轴试样进行固结试验、逐级加载，对膜嵌入量随有效围压的变化进行准确测量。再次，继续进行三轴试样动力不排水加载试验。最后，根据膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线计算补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体体积。本发明可以在准确测量膜嵌入量的前提下进行后续动静三轴试验，并针对膜嵌入量随有效围压的变化进行实时补偿；能够实现膜嵌入量随有效围压变化的精准测量，同时消除试验加卸载过程中膜嵌入效应对于三轴试样体积变形或孔隙水压力变化的影响。
Description
技术领域
本发明属于土工试验技术领域，涉及一种可消除膜顺变效应影响的动静态三轴试验方法。
技术背景
橡皮膜作为三轴试验中的关键影响因素，其相关研究不甚充分，目前，人们仍无法充分考虑并消除橡皮膜对于实验的影响，导致结果可靠性不足，严重制约粗粒土动力研究的深入。因此，消除橡皮膜影响是粗粒土力学特性研究中的关键课题。
在三轴不排水试验中，橡皮膜主要存在顺变效应，即不排水试验中，有效应力的变化导致橡皮膜嵌入体积顺势改变而影响孔隙水压力真实表现的现象。其中，橡皮膜顺变性消除方法主要有物理缓解、仪器补偿和计算修正3类。物理缓解主要为处理试样外表面凹陷，如外表面涂抹硅橡胶或黏土、细砂充填孔隙或冷冻试样表面光滑切割等。但这类方法对试样带来的附加影响难以估计，且如涂胶法无法完全抵消橡皮膜顺变。仪器补偿需根据提前确定的橡皮膜嵌入体积，向试样内或特制的双层膜间进行及时补水，补偿因橡皮膜顺变导致试样局部排水影响，被认为可完全消除橡皮膜影响。计算修正基于三轴试验，从孔压发展角度对结果修正，得到相对真实的孔压发展规律，方法需根据大量复杂的工作建立合理孔压模型并获取可靠修正系数，在土动力学早期难以广泛开展，至今仍鲜有应用。综上，因应用效果、适用范围或理论发展等因素，橡皮膜顺变性消除方法在过去近20年应用甚少，未能取得更深入发展，阻碍着液化理论深化，导致当前的土壤液化研究，尤其是大颗粒粗粒土的液化研究，对其常避而不谈或选择性忽略。
由此可见，目前急需一种可以更好的消除橡皮膜顺变效应的措施以减少其对试验结果的影响，从而提高试验结果的精确度和准确性。
发明内容
本发明的目的是提出一种能较大程度消除橡皮膜顺变效应的装置的使用方法，在进行常规三轴不排水试验时，使用该方法对砂砾料三轴试验表面膜嵌入量进行精准的测量，且在试验过程中对于膜顺变效应进行实时补偿修正，以解决膜顺变效应对于试验结果影响的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的试验装置为：
一种可消除膜顺变效应影响的动静态三轴试验方法，用于对砂砾料进行力学特性等试验研究，基于压力室测量装置和补偿装置实现，其中压力室测量装置和补偿装置通过软管300连接，软管300上设有阀门。
所述的压力室测量装置安置在主体支座结构的下台上部中心位置处，为砂砾料三轴试样提供安装空间，同时为后续试验提供所需的应力环境，测量橡皮膜的嵌入量。所述的压力室测量装置包括：笔式位移传感器101、上排水口直通阀102、下排水口直通阀103、上孔隙水压力传感器104、下孔隙水压力传感器105、滑台106、RSF光栅尺107、圆环驱动器108、L型连接板109、无刷伺服电机110、钢制台座111、三轴试样底部排水管112、外置式轮辐式压力传感器113、钢垫板114、实心加载轴115、高精度围压传感器116、三轴压力室上盘117、内置式微型压力传感器118、三轴试样顶部排水管119、三轴试样帽120、钢制圆环内环121A、钢制圆环外环121B、有机玻璃三轴压力室外壳122、激光位移传感器测量装置123、三轴试样124、三轴试样底座125、台柱126、三轴压力室下盘127。所述的外置式轮辐式压力传感器113上表面连接口与加载装置的油缸活塞轴下端相连，其下表面连接口与实心加载轴115上端相连，用于测量三轴试样实际受力；所述的外置式轮辐式压力传感器113下表面与实心加载轴115连接；所述的实心加载轴115下端与内置式微型压力传感器117上端法兰构件相连，内置式微型压力传感器118端法兰构件与三轴试样帽120相连；所述的钢垫板114一端设有通孔与实心加载轴115连接，钢垫板114平面与其下方的三轴压力室上盘117平行；所述的笔式位移传感器101垂直立于钢垫板114之上，用于测量三轴试样124的轴向变形；所述的三轴压力室上盘117非中心处开有通孔，用于装配下孔隙水压力传感器105、上孔隙水压力传感器104以及高精度围压传感器116，上孔隙水压力传感器104上侧设置上排水口直通阀102，下孔隙水压力传感器105上侧设置下排水口直通阀103；所述的三轴试样底座125固定于三轴压力室下盘127的中心位置，用于放置三轴试样124，在三轴压力室下盘127边缘处按圆周方向等距垂直设置三根台柱126，用于支撑整体结构；所述的有机玻璃三轴压力室外壳122装配在三轴压力室上盘117和三轴压力室下盘127之间，并通过螺栓固定；所述三轴试样帽120中心位置开孔，孔洞上端通过三轴试样顶部排水管119与上排水口直通阀102输入端相连；三轴试样底座125中心位置开孔，孔洞下端通过三轴试样底部排水管112与下排水口直通阀102输入端相连。所述的钢制台座111使用螺栓固定在三轴压力室下盘127外边缘处；所述的RSF光栅尺107一侧紧贴L型连接板109垂直一侧并固定在钢制台座111上，滑台106与无刷伺服电机110相邻布置，使其底部嵌入钢制台座111，并用螺栓进行调平固定；所述的滑台106上滑块外侧与十字型钢片一侧相连，并位于钢片正中心，在十字型钢片外边缘设置两个锚固孔，用于锁紧RSF光栅尺107上滑块；所述的钢制圆环外环121B外边缘设有通孔，固定于L型连接板109水平一侧，钢制圆环内环121A与钢制圆环外环121B之间安装有支撑架与钢珠，使得二者可以相互转动；所述的圆环驱动器108固定在L型连接板垂直一侧，用于驱动钢制圆环内环121A旋转；所述的激光位移传感器测量装置123包含有四个激光位移传感器，在竖直方向上垂直排列于钢架上，相邻激光位移传感器的间距为三轴试样124高度的1/4；所述的激光位移传感器测量装置123的钢架末端通过螺栓固定在钢制圆环内环121A内边缘处。
所述的补偿装置用于向试样内注水以消除橡皮膜的顺变性，包括：三通接头201、高精度反压传感器202、无刷伺服电机203、活塞杆液压缸204、连接杆205、活塞轴206、补偿装置控制柜207、直线电动推杆208、法兰支座209、钢制底座210。所述的法兰支座209为∏形板结构，由一个横板和两个竖板固定连接组成，法兰支座209的两个竖板安装在钢制底座210上部；所述的直线电动推杆208安装在法兰支座209横板的上表面；所述的无刷伺服电机203安装在法兰支座209板的下表面，无刷伺服电机203的输出端穿过法兰支座209与直线电动推杆208连接，无刷伺服电机203用于驱动直线电动推杆208。所述的直线电动推杆208上端通过连接杆205与活塞杆液压缸204的法兰固定连接，活塞杆液压缸204的活塞与直线电动推杆208内部的活塞轴206连接。所述的三通接头201具有三个接口，三个接口分别连接高精度反压传感器202、下排水口直通阀的输出端和活塞杆液压缸204的液压出口。所述的补偿装置柜207安装在钢制底座210上，用于对补偿装置供电。所述的高精度反压传感器202和无刷伺服电机203与补偿装置控制柜207电连接，补偿装置控制柜207与工控机通信连接。
所述的可消除膜顺变效应影响的动静态三轴试验方法，包括以下步骤：
第一步，安装压力室测量装置，制备砂砾料三轴试样，并进行试样安装，调整激光位移传感器测量装置123的位置，使四个激光位移传感器激光水平，同时使激光位移传感器测量装置123最下端的激光位移传感器的激光与三轴试样底部平齐，此时最顶端的激光位移传感器应对准三轴试样124的3/4高度的水平面。之后，对砂砾料三轴试样进行通气、饱和。同时，将上孔隙水压力传感器104数据线、下孔隙水压力传感器105数据线、高精度围压传感器116数据线、内置式微型压力传感器118数据线、外置式轮辐式压力传感器113数据线、笔式位移传感器101数据线、压力室测量装置的无刷伺服电机110控制线、补偿装置的无刷伺服电机203控制线、激光位移传感器测量装置123数据线及RSF光栅尺107数据线与控制采集电控机上数据采集控制卡相连。完成试验加载前的所有准备工作。
第二步，对饱和砂砾料三轴试样进行固结试验，通过工控机调整压力室的围压，对三轴试样124逐级进行加载，在该过程中对膜嵌入量随有效围压的变化进行准确测量。测量方法如下：
在固结试验过程中，首先启动无刷伺服电机110带动激光位移传感器测量装置123从三轴试样124底部自下而上扫描，测得三轴试样的轴向应变εh；然后保持竖向位置不变，启动圆环驱动器108驱动钢制圆环内环121A带动激光位移传感器测量装置123绕三轴试样124旋转，测量径向应变，之后控制无刷伺服电机110使激光位移传感器测量装置123下降三轴试样124约1/40的高度，控制竖直高度不变，再次启动圆环驱动器108驱动钢制圆环内环121A带动激光位移传感器测量装置123绕三轴试样124旋转，测量径向应变。之后保持每一次的下降高度不变重复以上操作直至激光位移传感器测量装置123回到初始位置，即可测得三周试样124的径向应变εr。
计算得三轴试样的骨架体积应变为：
2×εr+εh＝εv_骨架
则砂砾料三轴试样骨架体积变形V骨架为：
V骨架＝εv_骨架×V原
此时，通过电子天平测量排出水的质量，即三轴试样124的总体积变形V总，进而计算出膜嵌入的体积V膜嵌入：
V膜嵌入＝V总-V骨架
上述固结试验中测得的膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线作为后续动静加卸载试验膜嵌入效应修正输入量。此时，围压即为有效围压，上述膜嵌入量随围压变化的关系曲线即为膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线。
第三步，固结试验结束之后，关闭下排水口直通阀103，继续进行砂砾料三轴试样动力不排水加载试验。通过工控机设定加卸载控制方式以及加卸载速率，控制外置加载装置，对砂砾料三轴试样124进行动力加载，将笔式位移传感器101作为砂砾料三轴试样实际轴向变形信号源。加载过程中，实时采集并保存内置式微型压力传感器118、外置式轮辐式压力传感器113、笔式位移传感器101、上孔隙水压力传感器104、孔隙水压力传感器112及高精度围压传感器116的数据；因是动力试验，取上孔隙水压力传感器104和下孔隙水压力传感器105测得的孔压值的平均值作为砂砾料三轴试样内部压力值；高精度围压传感器116测得围压值为实际围压值。
第四步，根据膜嵌入量随围压变化的关系曲线即为膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线计算补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体的体积，方法具体如下：
在动力试验过程中，定义初始时刻t0的围压为u0,定义下一时刻t1的有效围压为u1，此时的孔压为u′1，有效围压随孔压的上升而逐渐降低，其计算方法如下：
u1＝u0-u′1
在试验过程中，围压传感器将有效围压的数值传输给工控机，工控机根据固结试验中获得的膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，首先根据围压u0确定t0时刻的膜嵌入量Vt0膜嵌入；随着试验的进行到下一时刻t1时，工控机根据围压试验中获得的膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，继续根据有效围压u1确定t1时刻的膜嵌入量为Vt1膜嵌入，由此计算出补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体的体积V补偿，计算方法为：
V补偿＝Vt0膜嵌入-Vt1膜嵌入
若V补偿>0,表示补偿装置向三轴试样内部吸出液体；若V补偿<0，表示补偿装置三轴试样内部推入液体。
根据实时有效围压值与膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，获得实时膜嵌入量，再根据上述计算方法计算出实时补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体的体积，补偿装置控制柜207控制无刷伺服电机203转速与转动方向，无刷伺服电机203转子带动直线电动推杆208转子运动，直线电动推杆208转子带动直线活塞轴206运动，直线活塞轴206带动活塞杆液压缸204活塞运动，将液体推入或吸出砂砾料三轴试样内部，实现实时补偿。控制及采集程序不断重复上述步骤至动力加卸载试验结束。
本发明的有益效果为：
(1)本发明方法可以在准确测量膜嵌入量的前提下，进行后续动静三轴试验，包含排水试验及不排水试验，在上述各类型试验过程中，针对膜嵌入量随有效围压的变化进行实时补偿，修正膜嵌入效应对于砂砾料三轴试样体积变形或孔隙水压力变化的影响。
(2)本发明方法实现了膜嵌入量随有效围压变化的精准测量，同时消除了试验加卸载过程中膜嵌入效应对于三轴砂砾料三轴试样体积变形或孔隙水压力变化的影响。实现了膜嵌入量的精准测量，为土工试验和砂砾料本构关系研究的发展提供了更便利、更有效的试验手段，具有良好的推广价值。
附图说明
图1为本方法使用的动静态三轴试验装置整体示意图；
图2为使用本方法测得膜嵌入量随有效围压变化曲线；
图3为使用本方法考虑膜顺变效应的孔压与未考虑膜顺变效应对比图。
其中：101笔式位移传感器；102上排水口直通阀；103下排水口直通阀；104上孔隙水压力传感器；105下孔隙水压力传感器；106滑台；107RSF光栅尺；108圆环驱动器；109L型连接板；110无刷伺服电机；111钢制台座；112三轴试样底部排水管；113外置式轮辐式压力传感器；114钢垫板；115实心加载轴；116高精度围压传感器；117三轴压力室上盘；118内置式微型压力传感器；119三轴试样顶部排水管；120三轴试试样帽；121A钢制圆环内环；121B钢制圆环外环；122有机玻璃三轴压力室外壳；123激光位移传感器测量装置；124三轴试样；125三轴试样底座；126台柱；127三轴压力室下盘；201三通接头；202高精度反压传感器；203无刷伺服电机；204活塞杆液压缸；205连接杆；206活塞轴；207补偿装置控制柜；208直线电动推杆；209法兰支座；210钢制底座；300软管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细且清晰地描述。所描述的具体实施例仅是本发明众多实施例中的一部分，并不代表全部实施例。一般地，附图中所展示的本发明实施例的组件可以按照不同组合方式进行安装并实施。基于本发明所描述的具体实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的具体实施例中，应该明确说明的是，一些表示相对方向或者相对位置的术语，例如“上部”、“下部”、“一侧”、“中心”、“圆周”、“顶部”等，都是为了描述某一具体构件相对其他构件所处的方位或者位置关系。该方位或者位置的描述，仅仅是为了方便且清晰的描述具体实施例，并不代表实际实施工程中不一定被严格限定，可以根据各构件尺寸等实际信息加以改动。
在本发明的具体实施例中，应该明确说明的是，“夹具”、“耐压PE管”、“螺栓”等辅助配件不作具体说明，不作标号，仅用实际名称代替，实际实施过程中根据所需尺寸或者功能进行选取。
首先介绍一种可消除膜嵌入效应影响的动静态三轴试验方法的试验装置，用于对砂砾料进行力学特性等试验研究，所述的试验装置主要包括压力室测量装置及补偿装置两部分。
如图1所述的压力室测量装置安置在主体支座结构的下台上部中心位置处，为砂砾料三轴试样提供安装空间，同时为后续试验提供所需的应力环境，测量橡皮膜的嵌入量。所述的压力室测量装置包括：笔式位移传感器101、上排水口直通阀102、下排水口直通阀103、上孔隙水压力传感器104、下孔隙水压力传感器105、滑台106、RSF光栅尺107、圆环驱动器108、L型连接板109、无刷伺服电机110、钢制台座111、三轴试样底部排水管112、外置式轮辐式压力传感器113、钢垫板114、实心加载轴115、高精度围压传感器116、三轴压力室上盘117、内置式微型压力传感器118、三轴试样顶部排水管119、三轴试试样帽120、钢制圆环内环121A、钢制圆环外环121B、有机玻璃三轴压力室外壳122、激光位移传感器测量装置123、三轴试样124、三轴试样底座125、台柱126、三轴压力室下盘127。所述的外置式轮辐式压力传感器113上表面连接口与加载装置的油缸活塞轴下端相连，其下表面连接口与实心加载轴115上端相连，用于测量三轴试样实际受力；所述的外置式轮辐式压力传感器113下表面与实心加载轴115连接；所述的实心加载轴115下端与内置式微型压力传感器117上端法兰构件相连，内置式微型压力传感器118端法兰构件与三轴试样帽120相连；所述的钢垫板114一端设有通孔与实心加载轴115连接，钢垫板114平面与其下方的三轴压力室上盘117平行；所述的笔式位移传感器101垂直立于钢垫板114之上，用于测量三轴试样124的轴向变形；所述的三轴压力室上盘117非中心处开有通孔，用于装配下孔隙水压力传感器105、上孔隙水压力传感器104以及高精度围压传感器116，上孔隙水压力传感器104上侧设置上排水口直通阀102，下孔隙水压力传感器105上侧设置下排水口直通阀103；所述的三轴试样底座125固定于三轴压力室下盘127的中心位置，用于放置三轴试样124，在三轴压力室下盘127边缘处按圆周方向等距垂直设置三根台柱126，用于支撑整体结构；所述的有机玻璃三轴压力室外壳122装配在三轴压力室上盘117和三轴压力室下盘127之间，并通过螺栓固定；所述三轴试样帽120中心位置开孔，孔洞上端通过三轴试样顶部排水管119与上排水口直通阀102输入端相连；三轴试样底座125中心位置开孔，孔洞下端通过三轴试样底部排水管112与下排水口直通阀102输入端相连。所述的钢制台座111使用螺栓固定在三轴压力室下盘127外边缘处；所述的RSF光栅尺107一侧紧贴L型连接板109垂直一侧并固定在钢制台座111上，滑台106与无刷伺服电机110相邻布置，使其底部嵌入钢制台座111，并用螺栓进行调平固定；所述的滑台106上滑块外侧与十字型钢片一侧相连，并位于钢片正中心，在十字型钢片外边缘设置两个锚固孔，用于锁紧RSF光栅尺107上滑块；所述的钢制圆环外环121B外边缘设有通孔，固定于L型连接板109水平一侧，钢制圆环内环121A与钢制圆环外环121B之间安装有支撑架与钢珠，使得二者可以相互转动；所述的圆环驱动器108固定在L型连接板垂直一侧，用于驱动钢制圆环内环121A旋转；所述的激光位移传感器测量装置123包含有四个激光位移传感器，在竖直方向上垂直排列于钢架上，相邻激光位移传感器的间距为三轴试样124高度的1/4；所述的激光位移传感器测量装置123的钢架末端通过螺栓固定在钢制圆环内环121A内边缘处。
如图1所述的补偿装置包括：三通接头201；高精度反压传感器202；无刷伺服电机203；活塞杆液压缸204；连接杆205；活塞轴206；补偿装置控制柜207；直线电动推杆208；法兰支座209；钢制底座210。所述的法兰支座209为∏形板结构，由一个横板和两个竖板固定连接组成，法兰支座209的两个竖板安装在钢制底座210上部；所述的直线电动推杆208安装在法兰支座209横板的上表面；所述的无刷伺服电机203安装在法兰支座209板的下表面，无刷伺服电机203的输出端穿过法兰支座209与直线电动推杆208连接，无刷伺服电机203用于驱动直线电动推杆208。所述的直线电动推杆208上端通过连接杆205与活塞杆液压缸204的法兰固定连接，活塞杆液压缸204的活塞与直线电动推杆208内部的活塞轴206连接。所述的三通接头201具有三个接口，三个接口分别连接高精度反压传感器202、下排水口直通阀的输出端和活塞杆液压缸204的液压出口。所述的补偿装置柜207安装在钢制底座210上，用于对补偿装置供电。所述的高精度反压传感器202和无刷伺服电机203与补偿装置控制柜207电连接，补偿装置控制柜207与工控机通信连接。
压力室测量装置和补偿装置通过软管300连接，组成本方法所需的试验装置。
下面先以围压为200KPa的动三轴加载试验为例介绍一种可消除膜顺变效应影响的动静态三轴试验方法：
首先，按照附图1及上述说明完成各管路或线路连接及各类传感器安装，然后按照《土工试验规程SL237-1999》制备砂砾料三轴试样，并进行试样安装。之后将激光位移传感器测量装置123安装在三轴仪压力室有机玻璃壳外部。
进一步地，继续按照《土工试验规程SL237-1999》，对砂砾料三轴试样进行通气，饱和。同时，将上孔隙水压力传感器104数据线，下孔隙水压力传感器105数据线，高精度围压传感器116数据线，内置式微型压力传感器118数据线，外置式轮辐式压力传感器113数据线，笔式位移传感器101数据线，压力室测量装置的无刷伺服电机110控制线，补偿装置的无刷伺服电机203控制线，激光位移传感器测量装置123数据线及RSF光栅尺107数据线与控制采集电控机上数据采集控制卡相连。完成试验加载前的所有准备工作。
进一步地，对饱和砂砾料三轴试样进行固结试验，操作工控机的控制程序调整压力室的围压，按照30KPa、50KPa、100KPa、150KPa、200KPa的围压等级逐级进行加载，在该过程中对膜嵌入量随有效围压的变化进行准确测量。测量方法简述如下：
在固结试验过程中，首先启动无刷伺服电机110带动激光位移传感器测量装置123从三轴试样124底部自下而上扫描，测得三轴试样的轴向应变εh，然后启动圆环驱动器108驱动钢制圆环内环121A带动激光位移传感器测量装置123绕三轴试样124旋转测量径向应变εr，计算得三轴试样的骨架体积应变为：
2×εr+εh＝εv_骨架
则砂砾料三轴试样骨架体积变形V骨架为：
V骨架＝εv_骨架×V原
此时，通过电子天平测量排出水的质量，即试样的总体积变形V总，进而可计算出膜嵌入的体积V膜嵌入：
V膜嵌入＝V总-V骨架
上述固结试验中测得的膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线作为后续动静加卸载试验膜嵌入效应修正输入量。此时，围压即为有效围压，上述膜嵌入量随围压变化的关系曲线即为膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，如图2所示。
固结试验结束之后，闭上排水口直通阀，继续进行砂砾料三轴试样动力不排水加载试验。操纵工控机控制程序，设定加卸载控制方式以及加卸载速率，控制液压轴向动力装置，对砂砾料三轴试样进行动力加载，将笔式位移传感器101作为砂砾料三轴试样实际轴向变形信号源。加载过程中，操纵工控机实时采集并保存内置式微型压力传感器118，外置式轮辐式压力传感器113，笔式位移传感器101，上孔隙水压力传感器104，下孔隙水压力传感器105及高精度围压传感器116的数据；因是动力试验，取上孔隙水压力传感器104和下孔隙水压力传感器105测得的孔压值的平均值作为砂砾料三轴试样内部压力值；高精度围压传感器116测得围压值为实际围压值。
工控机根据膜嵌入量随围压变化的关系曲线即为膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线计算补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体的体积的方法具体介绍如下：
在动力试验过程中，定义初始时刻t0的围压为u0,定义下一时刻t1的有效围压为u1，此时的孔压为u′1，有效围压随孔压的上升而逐渐降低，其计算方法如下：
u1＝u0-u′1
在试验过程中，围压传感器将有效围压的数值传输给工控机，工控机根据固结试验中获得的膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，如图2，首先根据围压u0确定t0时刻的膜嵌入量Vt0膜嵌入；随着试验的进行到下一时刻t1时，工控机根据围压试验中获得的膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，继续根据有效围压u1确定t1时刻的膜嵌入量为Vt1膜嵌入，由此计算出补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体的体积V补偿，计算方法为：
V补偿＝Vt0膜嵌入-Vt1膜嵌入
若V补偿>0,表示补偿装置向三轴试样内部吸出液体；若V补偿<0，表示补偿装置三轴试样内部推入液体。
工控机根据实时有效围压值与膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，获得实时膜嵌入量，再根据上述计算方法计算出实时补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体的体积，控制程序发送控制信号至补偿装置控制柜207，补偿装置控制柜207控制无刷伺服电机203转速与转动方向，无刷伺服电机203转子带动直线电动推杆208转子运动，直线电动推杆208转子带动直线活塞轴206运动，直线活塞轴206带动活塞杆液压缸204活塞运动，将液体推入或吸出砂砾料三轴试样内部，实现实时补偿。控制及采集程序不断重复上述步骤至动力加卸载试验结束，试验结束后将装置拆卸清理待用。
之后，再次进行与上述试验工况完全相同的动三轴加载试验。制样，安装，通气及饱和过程与上述试验完全一致。在固结试验开始前，关闭连接补偿装置与压力室测量装置的软管300上的阀门，使补偿装置与压力室测量装置隔绝开来。之后进行与上述试验完全相同的动力加载试验，加载过程中，操纵工控机实时采集并保存内置式微型压力传感器118，外置式轮辐式压力传感器113，笔式位移传感器101，上孔隙水压力传感器104，下孔隙水压力传感器105及高精度围压传感器116的数据。
两次试验的试验结果对比如图3，其中未使用补偿方法的实验结果为曲线A，本发明使用补偿方法的实验结果为曲线B，可以明显看出使用本方法进行的动三轴加载试验实验结果相较于未使用补偿装置的动三轴加载试验，结果更为精确，达到了消除橡皮膜顺变效应的目的。
综上所述，本发明方法可以在准确测量膜嵌入量的前提下，进行后续动静三轴试验，包含排水试验及不排水试验，在上述各类型试验过程中，针对膜嵌入量随有效围压的变化进行实时补偿，修正膜嵌入效应对于砂砾料三轴试样体积变形或孔隙水压力变化的影响。
本发明方法实现了膜嵌入量随有效围压变化的精准测量，同时消除了试验加卸载过程中膜嵌入效应对于三轴砂砾料三轴试样体积变形或孔隙水压力变化的影响。为土工试验和砂砾料本构关系研究的发展提供了更便利、更有效的试验手段，具有良好的推广价值。
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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种可消除膜顺变效应影响的动静态三轴试验方法，其特征在于，所述的动静态三轴试验方法基于压力室测量装置和补偿装置实现，其中压力室测量装置和补偿装置通过软管(300)连接，软管(300)上设有阀门；具体包括以下步骤：
第一步，组建压力室测量装置和补偿装置
将压力室测量装置安装在主体支座结构的下台上部中心位置处，其中压力室测量装置包括笔式位移传感器(101)、上排水口直通阀(102)、下排水口直通阀(103)、上孔隙水压力传感器(104)、下孔隙水压力传感器(105)、滑台(106)、RSF光栅尺(107)、圆环驱动器(108)、L型连接板(109)、无刷伺服电机(110)、钢制台座(111)、三轴试样底部排水管(112)、外置式轮辐式压力传感器(113)、钢垫板(114)、实心加载轴(115)、高精度围压传感器(116)、三轴压力室上盘(117)、内置式微型压力传感器(118)、三轴试样顶部排水管(119)、三轴试样帽(120)、钢制圆环内环(121A)、钢制圆环外环(121B)、有机玻璃三轴压力室外壳(122)、激光位移传感器测量装置(123)、三轴试样(124)、三轴试样底座(125)、台柱(126)、三轴压力室下盘(127)；所述的外置式轮辐式压力传感器(113)上表面与加载装置下端相连，其下表面与实心加载轴(115)上端相连，用于测量三轴试样实际受力；所述的外置式轮辐式压力传感器(113)下表面与实心加载轴(115)连接；所述的实心加载轴(115)下端与内置式微型压力传感器(117)上端相连，内置式微型压力传感器(118)端法兰构件与三轴试样帽(120)相连；所述的钢垫板(114)一端设有通孔与实心加载轴(115)连接，钢垫板(114)平面与其下方的三轴压力室上盘(117)平行；所述的笔式位移传感器(101)垂直立于钢垫板(114)之上，用于测量三轴试样(124)的轴向变形；所述的三轴压力室上盘(117)非中心处开有多个通孔，用于装配下孔隙水压力传感器(105、上孔隙水压力传感器(104)以及高精度围压传感器(116)；所述的三轴试样底座(125)用于放置三轴试样(124)，在三轴压力室下盘(127)边缘处设置台柱(126)；所述的有机玻璃三轴压力室外壳(122)装配在三轴压力室上盘(117)和三轴压力室下盘(127)之间；所述三轴试样帽(120)中心位置开孔，孔洞上端通过三轴试样顶部排水管(119)与上排水口直通阀(102)输入端相连；三轴试样底座(125)中心位置开孔，孔洞下端通过三轴试样底部排水管(112)与下排水口直通阀(102)输入端相连；所述的钢制台座(111)固定在三轴压力室下盘(127)外边缘处；所述的RSF光栅尺(107)一侧紧贴L型连接板(109)垂直一侧并固定在钢制台座(111)上，滑台(106)与无刷伺服电机(110)相邻布置，使其底部嵌入钢制台座(111)；所述的滑台(106)上滑块外侧与十字型钢片一侧相连，并位于钢片正中心，在十字型钢片外边缘设置锚固孔，用于锁紧RSF光栅尺(107)上滑块；所述的钢制圆环外环(121B)外边缘设有通孔，固定于L型连接板(109)水平一侧，钢制圆环内环(121A)与钢制圆环外环(121B)之间安装有支撑架与钢珠，使得二者可以相互转动；所述的圆环驱动器(108)固定在L型连接板垂直一侧，用于驱动钢制圆环内环(121A)旋转；所述的激光位移传感器测量装置(123)包含有四个激光位移传感器，在竖直方向上垂直排列于钢架上；所述的激光位移传感器测量装置(123)的钢架末端通过螺栓固定在钢制圆环内环(121A)内边缘处；
所述的补偿装置用于向试样内注水以消除橡皮膜的顺变性，包括三通接头(201)、高精度反压传感器(202)、无刷伺服电机(203)、活塞杆液压缸(204)、连接杆(205)、活塞轴(206)、直线电动推杆(208)、法兰支座(209)、钢制底座(210)；所述的法兰支座(209)为∏形板结构，由一个横板和两个竖板固定连接组成，法兰支座(209)的两个竖板安装在钢制底座(210)上部；所述的直线电动推杆(208)安装在法兰支座(209)横板的上表面；所述的无刷伺服电机(203)安装在法兰支座(209)板的下表面，无刷伺服电机(203)的输出端穿过法兰支座(209)与直线电动推杆(208)连接，无刷伺服电机(203)用于驱动直线电动推杆(208)；所述的直线电动推杆(208)上端通过连接杆(205与活塞杆液压缸(204)的法兰固定连接，活塞杆液压缸(204的活塞与直线电动推杆(208内部的活塞轴(206)连接；所述的三通接头(201)分别连接高精度反压传感器(202)、下排水口直通阀的输出端和活塞杆液压缸(204)的液压出口；在钢制底座(210)上安装与工控机通信连接的补偿装置柜(207)，用于对补偿装置供电，高精度反压传感器(202)和无刷伺服电机(203)与补偿装置控制柜(207)电连接；
第二步，安装压力室测量装置，制备砂砾料三轴试样，并进行试样安装，调整激光位移传感器测量装置(123)的位置，使四个激光位移传感器激光水平，同时使激光位移传感器测量装置(123)最下端的激光位移传感器的激光与三轴试样底部平齐，此时最顶端的激光位移传感器应对准三轴试样(124)的3/4高度的水平面；之后，对砂砾料三轴试样进行通气、饱和；同时，将上孔隙水压力传感器(104)数据线、下孔隙水压力传感器(105)数据线、高精度围压传感器(116)数据线、内置式微型压力传感器(118)数据线、外置式轮辐式压力传感器(113)数据线、笔式位移传感器(101)数据线、压力室测量装置的无刷伺服电机(110)控制线、补偿装置的无刷伺服电机(203)控制线、激光位移传感器测量装置(123)数据线及RSF光栅尺(107)数据线与控制采集电控机上数据采集控制卡相连；完成试验加载前的所有准备工作；
第三步，对饱和砂砾料三轴试样进行固结试验，通过工控机调整压力室的围压，对三轴试样(124)逐级进行加载，在该过程中对膜嵌入量随有效围压的变化进行准确测量；测量方法如下：
在固结试验过程中，首先启动无刷伺服电机(110)带动激光位移传感器测量装置(123)从三轴试样(124)底部自下而上扫描，测得三轴试样的轴向应变εh；然后保持竖向位置不变，启动圆环驱动器(108)驱动钢制圆环内环(121A)带动激光位移传感器测量装置(123)绕三轴试样(124)旋转，测量径向应变，之后控制无刷伺服电机(110)使激光位移传感器测量装置(123)下降三轴试样(124)1/40的高度，控制竖直高度不变，再次启动圆环驱动器(108)驱动钢制圆环内环(121A)带动激光位移传感器测量装置(123)绕三轴试样(124)旋转，测量径向应变；之后保持每一次的下降高度不变重复以上操作直至激光位移传感器测量装置(123)回到初始位置，即可测得三周试样(124)的径向应变εr；
计算得三轴试样的骨架体积应变为：
2×εr+εh＝εv_骨架
则砂砾料三轴试样骨架体积变形V骨架为：
V骨架＝εv_骨架×V原
此时，通过电子天平测量排出水的质量，即三轴试样(124)的总体积变形V总，进而计算出膜嵌入的体积V膜嵌入：
V膜嵌入＝V总-V骨架
上述固结试验中测得的膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线作为后续动静加卸载试验膜嵌入效应修正输入量；此时，围压即为有效围压，上述膜嵌入量随围压变化的关系曲线即为膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线；
第四步，固结试验结束之后，关闭下排水口直通阀(103)，继续进行砂砾料三轴试样动力不排水加载试验；通过工控机设定加卸载控制方式以及加卸载速率，控制外置加载装置，对砂砾料三轴试样(124)进行动力加载，将笔式位移传感器(101)作为砂砾料三轴试样实际轴向变形信号源；加载过程中，实时采集并保存内置式微型压力传感器(118)、外置式轮辐式压力传感器(113)、笔式位移传感器(101)、上孔隙水压力传感器(104)、孔隙水压力传感器(112)及高精度围压传感器(116)的数据；因是动力试验，取上孔隙水压力传感器(104)和下孔隙水压力传感器(105)测得的孔压值的平均值作为砂砾料三轴试样内部压力值；高精度围压传感器(116)测得围压值为实际围压值；
第五步，根据膜嵌入量随围压变化的关系曲线即为膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线计算补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体的体积，方法具体如下：
在动力试验过程中，定义初始时刻t0的围压为u0,定义下一时刻t1的有效围压为u1，此时的孔压为u′1，有效围压随孔压的上升而逐渐降低，其计算方法如下：
u1＝u0-u′1
在试验过程中，围压传感器将有效围压的数值传输给工控机，工控机根据固结试验中获得的膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，首先根据围压u0确定t0时刻的膜嵌入量Vt0膜嵌入；随着试验的进行到下一时刻t1时，工控机根据围压试验中获得的膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，继续根据有效围压u1确定t1时刻的膜嵌入量为Vt1膜嵌入，由此计算出补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体的体积V补偿，计算方法为：
V补偿＝Vt0膜嵌入-Vt1膜嵌入
若V补偿>0,表示补偿装置向三轴试样内部吸出液体；若V补偿<0，表示补偿装置三轴试样内部推入液体；
根据实时有效围压值与膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，获得实时膜嵌入量，再根据上述计算方法计算出实时补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体的体积，补偿装置控制柜(207)控制无刷伺服电机(203)转速与转动方向，无刷伺服电机(203)转子带动直线电动推杆(208)转子运动，直线电动推杆(208)转子带动直线活塞轴(206)运动，直线活塞轴(206)带动活塞杆液压缸(204)活塞运动，将液体推入或吸出砂砾料三轴试样内部，实现实时补偿；控制及采集程序不断重复上述步骤至动力加卸载试验结束。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116609194A (zh) * | 2023-04-03 | 2023-08-18 | 深圳大学 | 一种实时试样三维重建的三轴试验装置及其控制方法 |
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2022
- 2022-10-18 CN CN202211272630.5A patent/CN115683872A/zh active Pending
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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