CN201780231U - 等应变增量比试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种等应变增量比试验系统，包括：水容器，所述水容器中放置有盛放实验用的试样的试样容器；轴向应变增量测量系统，所述轴向应变增量测量系统连接至所述试样容器并测量所述试样容器的轴向应变增量；体应变增量测量系统，所述体应变增量测量系统连接至所述水容器并测量所述水容器中的体应变增量；围压控制系统，所述围压控制系统连接至所述水容器的一侧并控制所述水容器的围压；测控装置，所述测控装置连接至所述围压控制系统以控制所述水容器内的围压。本实用新型的等应变增量比试验系统能够在试验中实时检测和控制试样的应变增量比，保持试样沿着应变增量比为常数的路径加载，该系统控制原理清楚，结构简单。

Description

等应变增量比试验系统

技术领域

本实用新型涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种等应变增量比试验系统。

背景技术

砂土在不同的应变路径下会表现出不同的应力-应变响应。研究应变路径控制条件下砂土的力学响应是土的本构关系的重要研究内容之一。与应力路径控制的试验相同，模拟实际应变路径也具有重要的现实意义。譬如，挡土墙后填土强度的发挥和土压力的大小取决于填土的侧向应变约束条件。处于k₀固结状态的土体的侧向应变为零。实际工程中土体通常是处于排水和不排水之间的状态，而应变路径试验可以通过控制土的体积变化来模拟这种实际的排水状态。

为了研究砂土应变路径控制条件下的应力-应变响应，不少学者进行了探索和尝试。例如，Asaka等对常规三轴试验设备进行了改进，实现了等应变增量比的控制，其应变增量比的控制范围为-0.5～1.0。但是还是存在应变增量比的控制范围小，控制精度差的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少解决上述技术缺陷，特别是解决现有技术等应变增量比试验系统应变增量比的控制范围小和控制精度差的缺陷。

为达到上述目的，本实用新型一方面提出了一种等应变增量比试验系统，包括：水容器，所述水容器中放置有盛放实验用的试样的试样容器；轴向应变增量测量系统，所述轴向应变增量测量系统连接至所述试样容器并测量所述试样容器的轴向应变增量；体应变增量测量系统，所述体应变增量测量系统连接至所述水容器并测量所述水容器中的体应变增量；围压控制系统，所述围压控制系统连接至所述水容器的一侧并控制所述水容器的围压；测控装置，所述测控装置连接至所述围压控制系统以控制所述水容器内的围压。

根据本实用新型的一个实施例，所述反压力控制系统位于所述试样容器之上。

根据本实用新型的一个实施例，所述体应变增量测量系统包括：体变管，所述体变管与所述试样容器底部排水通道相连；以及体变传感器，所述体变传感器用于传感所述体应变增量。

根据本实用新型的一个实施例，所述围压控制系统包括：位于所述试样容器一侧的侧向伺服阀；侧向位移传感器；和侧向液压缸，所述侧向液压缸在侧向伺服阀的控制下控制水容器内的围压。

根据本实用新型的一个实施例，所述轴向应变增量测量系统包括：位于所述试样容器之下的轴向伺服阀；轴向液压缸，所述轴向液压缸在轴向伺服阀的控制下控制所述试样容器内的试样的轴向载荷；和轴向变形传感器具，所述轴向变形传感器具传感所述试样容器内的试样的轴向应变增量。

根据本实用新型的一个实施例，进一步包括：反压力控制系统，所述反压力控制系统调整所述试样容器内的反压。

根据本实用新型的一个实施例，进一步包括：显示系统，所述显示系统与所述体变传感器和所述轴向变形传感器具连接，并显示具有预定应变增量比的加载路径。

根据本实用新型的一个实施例，所述测控装置在所述试样的当前应变增量比大于预设值时控制所述侧向伺服阀和所述轴向伺服阀以减小围压，在所述试样的当前应变增量比小于预设值时控制所述侧向伺服阀和所述轴向伺服阀以增大围压。

根据本实用新型的一个实施例，在所述显示系统和所述测控装置之间连接有D/A转换器，所述显示系统和所述体变传感器以及所述轴向变形传感器具之间设置有A/D转换器。

根据本实用新型的一个实施例，所述体应变增量测量系统进一步包括：连接在所述试样容器和体变管之间的孔压传感器；以及排水阀，所述排水阀控制所述体变管内的水的排放。

本实用新型的等应变增量比试验系统能够在试验中实时检测和控制试样的应变增量比，保持试样沿着应变增量比为常数的路径加载，该系统控制原理清楚，结构简单。另外，本实用新型采用液压伺服系统控制，压力较气压更为稳定，围压最大可加至3MPa，具有较大的加载能力。其次，本实用新型应变增量比控制范围较大，排水量较大的试验以及吸水的试验均可进行，应变增量比的控制范围可以从试样破坏时的应变增量比一直到1。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例的等应变增量比试验系统结构图；

图2为本实用新型实施例的体应变测量示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例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例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本实用新型在Asaka提出的等应变增量比试验系统的基础上，增加了测量试样体变的传感器，并且改造了三轴试验机原有的控制程序，通过测控系统改变围压的大小来控制试样试验过程中的应变增量比保持为常数。本实用新型应变增量比的控制范围较为广泛，针对砂土的试验实测结果与给定应变路径的比较表明系统具有足够的控制精度，从而验证了设备的有效性。

三轴试验中试样在加载过程中的侧向应变增量为：

Δε_r＝(Δε_v-Δε_a)/2，                        (1)

式中，Δε_v为试样的体应变增量，Δε_a为试样的轴向应变增量，Δε_r为试样的侧向应变增量。

将试样的应变增量比R_ε定义为侧向应变增量与轴向应变增量的比值，

R_ε＝Δε_r/Δε_a。                              (2)

式(1)代入式(2)可得：

$R_{\mathrm{\ϵ}}=\frac{1}{2}\left\{(\frac{{\mathrm{\Δ\ϵ}}_v}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_a}-1)\right\}---\left(3\right)$

式(3)表明只要体应变增量比(Δε_r/Δε_a)的值为一常数，则侧向应变增量与轴向应变增量的比值R_ε也为一常数。

试验中试样的轴向变形可由轴向变形传感器量测并通过数据采集系统记录，从而可通过计算得到试样的轴向应变及其在某一时间段内的增量。如果试样的体积变化也能够由传感器电测并由数据采集系统记录，就可以计算得到试样的体应变及其增量并由式(3)计算得到试验中试样的当前应变增量比R_ε。

将试验中希望通过控制得到的应变增量比记为R_εp。比较R_εp与试验中实测的当前的R_ε，如果R_ε＞R_εp，则减小围压，保持R_ε为想要控制得到的应变增量比R_εp；反之，如果R_ε＜R_εp，则增大围压，保持R_ε为想要控制得到的应变增量比R_εp。事实上，如果保持应变比值ε_v/ε_a为一个常数，应变增量ε_v/ε_a的比值也是同一个常数。所以只需在试验中控制应变比值ε_v/ε_a为一常数即可。

根据本实用新型的等应变增量比试验系统包括：水容器，所述水容器中放置有盛放实验用的试样的试样容器；轴向应变增量测量系统，所述轴向应变增量测量系统连接至所述试样容器并测量所述试样容器的轴向应变增量；体应变增量测量系统，所述体应变增量测量系统连接至所述水容器并测量所述水容器中的体应变增量；围压控制系统，所述围压控制系统连接至所述水容器的一侧并控制所述水容器的围压；测控装置，所述测控装置连接至所述围压控制系统以控制所述水容器内的围压。所述反压力控制系统可以位于所述试样容器之上。

如图1所示，为本实用新型实施例的等应变增量比试验系统结构图。该等应变增量比试验系统包括：试样容器，该试样容器位于水容器中。该等应变增量比试验系统还包括位于试样容器之上的反压力阀3和反压力控制系统2，位于试样容器侧向的侧向伺服阀4、侧向位移传感器5和侧向液压缸6，位于试样容器之下的轴向伺服阀7、轴向液压缸18和轴向变形传感器具19，与试样容器底部排水通道相连的体变管13，和连接在试样容器和体变管13之间的孔压传感器15、体变传感器16和排水阀17，分别与体变传感器16和轴向变形传感器具19相连的计算机11，以及分别与计算机11、侧向伺服阀4和轴向伺服阀7相连的测控装置8。下面将以计算机作为所述显示装置的一种来描述本实用新型。但是需要说明的是，普通技术人员在阅读了本实用新型的技术内容之后，显然可以采用其他相似的显示装置来实施本实用新型。具体地，计算机11通过D/A转换器10与测控装置8相连接，计算机11通过A/D转换器12与体变传感器16和轴向变形传感器具19相连。测控装置8在试样的当前应变增量比大于预设值时控制侧向伺服阀4和轴向伺服阀7以减小围压，在试样的当前应变增量比小于预设值时控制侧向伺服阀4和轴向伺服阀7以增大围压。该等应变增量比试验系统还包括分别与侧向液压缸6和轴向液压缸18相连的液压源9和围压传感器14，以及位于试样容器之上的轴向载荷传感器1。

本实用新型是在清华大学20kN电液伺服微机控制动三轴试验机的基础上改造完成的。该三轴试验机是天水红山试验机有限公司研制制造的，采用轴向和侧向两套电液伺服闭环控制系统，其幅频特性好，频率响应快，可对试样做静、动三轴试验，可单独激振或双向激振。该设备采用油压作为驱动力，围压最大可达3MPa。

如图2所示，为本实用新型实施例的体应变测量示意图。本实用新型的等应变增量比控制试验可为饱和砂土的排水试验，试验中试样的轴向加载通过应变控制方式，试样的体应变可由体变管13中的排水量来确定。

原有的设备能够通过轴向变形传感器量测试样的轴向变形，试样的体变仍然是靠人工读取数据的，无法满足上述等应变增量比的控制要求。因此本实用新型添加了一个测量试样排水量的传感器(体变传感器16)，它通过一个转接头和试样底部的排水通道相连接。该体变传感器16能够通过感应排水管中的水压力量测水面的高度，再根据水面高度换算得到试样排水的体积，其量程为0～1m，精度为满量程2‰。

在A/D转换器12(模拟信号-数字信号转换器)和D/A转换器10(数字信号-模拟信号转换器)中增加体变传感器16的通道，并在软件中对体变传感器16测量信号进行滤波。需要指出的是，设备原有的传感器信号均为毫伏级，均需通过放大器进行滤波放大，每一个传感器对应一块放大板。而新增加的体变传感器输出信号为1～5V，仅在软件中对信号进行滤波即可。在试验开始后，向试样增加侧向和轴向的围压，从而使得试样中的水进入到体变管13中，体变传感器16根据体变管13中增加的水量(即试样的排水量)计算试样的体应变。在试验过程中，轴向变形传感器具19和体变传感器16实时记录试样的轴向变形和体变，测量得到的信号经过放大滤波后分为两路，一路通过A/D转换器转换成计算机可以识别的数字信号，输入计算机。本实用新型在原有试验机控制程序中增加计算语句，使其能够根据试样固结后的高度和体积以及式(1)～(3)计算得到试样在加载过程中的应变增量比R_ε，用于计算机数据处理和控制。另一路则作为闭环控制的输出信号进入侧向控制器中。

原有的控制程序能够进行侧位移和围压控制，其原理是侧向控制器将来自放大器和D/A转换器所产生的给定波形进行比较，并进行PI控制后去驱动电液伺服阀工作。但其不能实现等应变增量比的控制。本实用新型根据前面提到的思路对控制程序进行改进，增加了等应变增量比的控制程序。在控制软件中给定希望控制得到的应变增量比R_εp，将R_εp与控制程序计算得到的试样当前的应变增量比R_ε进行比较，其差值即为误差信号。这一数字信号经D/A转换器转换后成为模拟信号进入侧向控制器，然后经过功率放大器放大后用来驱动电液伺服阀，完成系统的闭环控制。如果R_ε＞R_εp，则驱动电液伺服阀减小围压，围压的减小会导致R_ε的减小，从而保持R_ε为想要控制得到的应变增量比R_εp；反之，如果R_ε＜R_εp，则驱动电液伺服阀增大围压，保持R_ε为R_εp。改进后的设备能够在试验中通过实时监测和控制，保持试样沿着应变增量比为常数的路径加载，实现等应变增量比的加载控制。改造后的软件能够在绘图区域绘制轴向应变ε_a、侧向应变ε_r、应变增量比Δε_r/Δε_a、体应变ε_v、轴向应力σ₀′、侧向应力σ_r′、应力比σ_r′/σ₀′随时间t变化的关系曲线。

本实用新型的等应变增量比试验系统能够在试验中实时检测和控制试样的应变增量比，保持试样沿着应变增量比为常数的路径加载，该系统控制原理清楚，结构简单。另外，本实用新型采用液压伺服系统控制，压力较气压更为稳定，围压最大可加至3MPa，具有较大的加载能力。其次，本实用新型应变增量比控制范围较大，排水量较大的试验以及吸水的试验均可进行，应变增量比的控制范围可以从试样破坏时的应变增量比一直到1。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种等应变增量比试验系统，其特征在于，包括：

水容器，所述水容器中放置有盛放实验用的试样的试样容器；

轴向应变增量测量系统，所述轴向应变增量测量系统连接至所述试样容器并测量所述试样容器的轴向应变增量；

体应变增量测量系统，所述体应变增量测量系统连接至所述水容器并测量所述水容器中的体应变增量；

围压控制系统，所述围压控制系统连接至所述水容器的一侧并控制所述水容器的围压；

测控装置，所述测控装置连接至所述围压控制系统以控制所述水容器内的围压。

2.根据权利要求1所述的等应变增量比试验系统，其特征在于，所述反压力控制系统位于所述试样容器之上。

3.根据权利要求1所述的等应变增量比试验系统，其特征在于，所述体应变增量测量系统包括：

体变管，所述体变管与所述试样容器底部排水通道相连；以及

体变传感器，所述体变传感器用于传感所述体应变增量。

4.根据权利要求1所述的等应变增量比试验系统，其特征在于，所述围压控制系统包括：

位于所述试样容器一侧的侧向伺服阀；

侧向位移传感器；和

侧向液压缸，所述侧向液压缸在侧向伺服阀的控制下控制水容器内的围压。

5.根据权利要求3所述的等应变增量比试验系统，其特征在于，所述轴向应变增量测量系统包括：

位于所述试样容器之下的轴向伺服阀；

轴向液压缸，所述轴向液压缸在轴向伺服阀的控制下控制所述试样容器内的试样的轴向载荷；和

轴向变形传感器具，所述轴向变形传感器具传感所述试样容器内的试样的轴向应变增量。

6.根据权利要求1所述的等应变增量比试验系统，其特征在于，进一步包括：

反压力控制系统，所述反压力控制系统调整所述试样容器内的反压。

7.根据权利要求5所述的等应变增量比试验系统，其特征在于，进一步包括：

显示系统，所述显示系统与所述体变传感器和所述轴向变形传感器具连接，并显示具有预定应变增量比的加载路径。

8.如权利要求4所述的等应变增量比试验系统，其特征在于，所述测控装置在所述试样的当前应变增量比大于预设值时控制所述侧向伺服阀和所述轴向伺服阀以减小围压，在所述试样的当前应变增量比小于预设值时控制所述侧向伺服阀和所述轴向伺服阀以增大围压。

9.如权利要求7所述的等应变增量比试验系统，其特征在于，在所述显示系统和所述测控装置之间连接有D/A转换器，所述显示系统和所述体变传感器以及所述轴向变形传感器具之间设置有A/D转换器。

10.如权利要求7所述的等应变增量比试验系统，其特征在于，所述体应变增量测量系统进一步包括：

连接在所述试样容器和体变管之间的孔压传感器；以及

排水阀，所述排水阀控制所述体变管内的水的排放。

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