專利名稱：一種應(yīng)力路徑全自動(dòng)液壓伺服控制式剛?cè)嵝远喙δ苋S儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土工測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)力路徑全自動(dòng)液壓伺服控制式剛?cè)嵝远喙δ苋S儀。
背景技術(shù)：
三軸試驗(yàn)是測(cè)試巖石、土等的抗剪強(qiáng)度參數(shù)和變形力學(xué)特性的一種試驗(yàn)技術(shù)手段。傳統(tǒng)的大型三軸儀一般是剛性底座(不配置陶瓷板)，只有一個(gè)壓力室，只能測(cè)試飽和試樣，試樣的體積變形通過測(cè)量試驗(yàn)過程中排出水的體積確定；目前的大型三軸儀尚未采用應(yīng)力路徑控制技術(shù)，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力路徑下的三軸試驗(yàn)，限制了大型三軸儀的應(yīng)用和研究范圍。當(dāng)對(duì)非飽和土石混合體等試樣進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于試樣中氣體的壓縮，無法準(zhǔn)確測(cè)量試樣的體積變形；另外，剛性底座使得施加于非均質(zhì)土石混合體上的應(yīng)力不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力集中，無法正確反映土石混合體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系?！るm然現(xiàn)有技術(shù)對(duì)三軸試驗(yàn)裝置進(jìn)行了一些改進(jìn)和探索，比如應(yīng)變控制式三軸剪切裝置(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?2286391. 5)，該專利在三軸主機(jī)的立柱上，放置多個(gè)壓力室支撐裝置，以實(shí)現(xiàn)三至四個(gè)土樣的同時(shí)固結(jié)、分別剪切的目的；一種土工三軸儀壓力室(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?00810037713. X)，該專利涉及一種土工三軸儀壓力室，具有一個(gè)與壓力罩頂蓋中心滑配的活塞，活塞的斷面面積和形狀與壓力室中具體試驗(yàn)的試樣斷面面積和形狀相同。實(shí)現(xiàn)了土樣的無側(cè)限條件，試驗(yàn)土樣的種類和最大高度都得到了增加，提高了壓力室的通用性。但是，上述專利均沒有解決傳統(tǒng)三軸儀只能測(cè)量飽和土石混合體材料的局限，以及，傳統(tǒng)三軸儀中由于剛性壓頭和剛性底座對(duì)非均質(zhì)材料產(chǎn)生局部應(yīng)力集中的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的一個(gè)技術(shù)問題就是解決現(xiàn)有技術(shù)的三軸儀只能測(cè)量飽和土石混合體材料的局限，提出一種應(yīng)力路徑全自動(dòng)液壓伺服控制式剛?cè)嵝远喙δ苋S儀，可以開展非飽和土在壓縮試驗(yàn)中的體積變形精確測(cè)量；另外，本發(fā)明解決的另一個(gè)技術(shù)問題是，解決傳統(tǒng)三軸儀中由于剛性壓頭和剛性底座對(duì)非均質(zhì)材料產(chǎn)生局部應(yīng)力集中的問題。為了解決現(xiàn)有技術(shù)的三軸儀只能測(cè)量飽和土石混合體材料的局限，本發(fā)明提供一種應(yīng)力路徑全自動(dòng)液壓伺服控制式剛?cè)嵝远喙δ苋S儀，包括加載框架、雙室壓力室、底座、壓頭、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置和控制裝置，其中，雙室壓力室位于試樣的外圍，壓頭和底座分別位于所述試樣的上、下兩端；加載框架位于所述雙室壓力室的外側(cè)；所述雙室壓力室包括內(nèi)壓力室和位于所述內(nèi)壓力室外圍的外壓力室；所述加載系統(tǒng)用于對(duì)所述試樣進(jìn)行加載試驗(yàn)；所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置用于對(duì)加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與測(cè)量；所述控制裝置與所述加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置分別相連，用于控制所述加載系統(tǒng)，以及獲取數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置得到的加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，上述三軸儀還具有以下特點(diǎn)，以解決傳統(tǒng)三軸儀中由于剛性壓頭和剛性底座對(duì)非均質(zhì)材料產(chǎn)生局部應(yīng)力集中的問題所述底座和壓頭為剛性或柔性，以實(shí)現(xiàn)剛性或柔性加載；當(dāng)所述底座和壓頭為剛性時(shí)，所述底座為不銹鋼材料，中心嵌有陶瓷板，所述陶瓷板下面有環(huán)形水槽，以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過程中通過陶瓷板擴(kuò)散的氣泡進(jìn)行沖刷；當(dāng)所述底座和壓頭為柔性時(shí)，所述底座和壓頭具有內(nèi)部充滿液體的不銹鋼外殼，與試樣接觸端設(shè)置有耐高壓膠囊。優(yōu)選地，上述三軸儀還具有以下特點(diǎn)所述加載系統(tǒng)包括液壓動(dòng)力源、軸向加壓控制裝置、內(nèi)圍壓加壓控制裝置、外圍壓 加壓控制裝置、孔隙水壓加壓控制裝置和孔隙氣壓加壓控制裝置；其中，所述內(nèi)圍壓加壓控制裝置包括依次相連的第一伺服驅(qū)動(dòng)器、第一電液伺服閥、第一液壓油缸、第一運(yùn)動(dòng)活塞桿和第一水缸；所述第一水缸通過管道與所述內(nèi)壓力室相連；所述外圍壓加壓控制裝置包括依次相連的第二伺服驅(qū)動(dòng)器、第二電液伺服閥、第二液壓油缸、第二運(yùn)動(dòng)活塞桿和第二水缸；所述第二水缸通過管道與所述外壓力室相連；孔隙水壓加壓控制裝置包括依次相連的第三伺服驅(qū)動(dòng)器、第三電液伺服閥、第三液壓油缸、第三運(yùn)動(dòng)活塞桿和第三水缸；所述第三水缸通過管道與所述底座相連并通到試樣內(nèi)部；孔隙氣壓加壓控制裝置包括依次相連的第四伺服驅(qū)動(dòng)器、第四電液伺服閥、第四液壓油缸、第四運(yùn)動(dòng)活塞桿、氣缸和空氣壓縮機(jī)；所述氣缸通過管道與所述壓頭相連并通到試樣內(nèi)部；所述軸向加壓控制裝置包括依次相連的第五伺服驅(qū)動(dòng)器、五電液伺服閥、軸向加壓油缸和加壓桿；所述加壓桿與所述壓頭相連；所述液壓動(dòng)力源分別與所述第一伺服驅(qū)動(dòng)器、第二伺服驅(qū)動(dòng)器、第三伺服驅(qū)動(dòng)器、第四伺服驅(qū)動(dòng)器和第五伺服驅(qū)動(dòng)器相連。優(yōu)選地，上述三軸儀還具有以下特點(diǎn)所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置包括軸向壓力傳感器、內(nèi)圍壓壓力傳感器、外圍壓壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、孔隙氣壓力傳感器，拉線式位移傳感器、稱重傳感器、盛水容器和數(shù)據(jù)采集模塊；其中，所述內(nèi)圍壓壓力傳感器與所述第一水缸相連；所述外圍壓壓力傳感器與所述第二水缸相連；所述孔隙水壓力傳感器與所述第三水缸相連；所述孔隙氣壓力傳感器與所述氣缸相連；所述軸向壓力傳感器與所述軸向加壓油缸相連；所述盛水容器通過管道與所述底座相連，所述稱重傳感器與盛水容器相連，用于稱量盛水容器內(nèi)水的質(zhì)量；拉線式位移傳感器包括第一位移傳感器、第二位移傳感器和第三位移傳感器；所述第一位移傳感器位于所述第一運(yùn)動(dòng)活塞桿上；所述第二位移傳感器位于所述第三運(yùn)動(dòng)活塞桿上；所述第三位移傳感器位于所述加載框架的頂板上；所述數(shù)據(jù)采集模塊分別與所述控制裝置、軸向壓力傳感器、內(nèi)圍壓壓力傳感器、夕卜圍壓壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、孔隙氣壓力傳感器，拉線式位移傳感器和稱重傳感器相連。
優(yōu)選地，上述三軸儀還具有以下特點(diǎn)所述軸向壓カ傳感器的量程為O 100t，精度為全量程的±2%。;內(nèi)圍壓壓カ傳感器和外圍壓壓力傳感器的工作范圍為O 5MPa ;孔隙水壓カ傳感器和孔隙氣壓カ傳感器的工作范圍為O 2MPa ;稱重傳感器的工作范圍為O 3kg，拉線式位移傳感器工作范圍為O. 5m-1. Om0優(yōu)選地，上述三軸儀還具有以下特點(diǎn)所述控制裝置包括エ控機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換卡，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的輸入端與所述エ控機(jī) 相連，接收數(shù)字控制信號(hào)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的輸出端分別與所述第一伺服驅(qū)動(dòng)器、第二伺服驅(qū)動(dòng)器、第三伺服驅(qū)動(dòng)器、第四伺服驅(qū)動(dòng)器和第五伺服驅(qū)動(dòng)器相連，傳輸轉(zhuǎn)換后的模擬控制信號(hào)；所述エ控機(jī)與所述數(shù)據(jù)采集模塊相連，獲取數(shù)據(jù)采集模塊得到的加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，上述三軸儀還具有以下特點(diǎn)所述雙室壓カ室采用一體化設(shè)計(jì)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是I、采用液壓伺服控制實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力路徑的全自動(dòng)控制；2、采用雙壓カ室方案，能夠進(jìn)行非飽和土體積變形的準(zhǔn)確測(cè)量；3、采用剛性壓頭內(nèi)嵌陶瓷板，實(shí)現(xiàn)基質(zhì)吸カ的有效和定量控制；4、采用高壓液體膠囊形式的柔性壓頭，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非均質(zhì)材料施加均勻應(yīng)カ，消除了局部應(yīng)カ集中的現(xiàn)象；5、采用拉繩式位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了軸向大量程位移變化的測(cè)量；6、內(nèi)、外圍壓和孔隙水壓カ均采用液壓動(dòng)カ驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生，氣壓カ采用液壓動(dòng)カ驅(qū)動(dòng)氣缸內(nèi)氣體的方式產(chǎn)生，能實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)控制和反饋。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的三軸儀的示意圖。
具體實(shí)施例方式下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。為了克服傳統(tǒng)三軸儀只能測(cè)量飽和土石混合體材料的局限，本發(fā)明提出了雙壓カ室的方案和氣壓控制系統(tǒng)，用于開展非飽和土在壓縮試驗(yàn)中的體積變形精確測(cè)量和進(jìn)行試樣內(nèi)部孔隙氣壓カ的自動(dòng)控制。本發(fā)明提出了柔性加載方案，利用高壓液體膠囊的壓頭和底座實(shí)現(xiàn)對(duì)非均質(zhì)材料施加均勻應(yīng)カ，解決了傳統(tǒng)三軸儀中由于剛性壓頭和剛性底座對(duì)非均質(zhì)材料產(chǎn)生局部應(yīng)カ集中的問題。為了拓寬試驗(yàn)的應(yīng)カ測(cè)量范圍，本儀器采用液壓油缸和伺服閥控制水壓力，作為內(nèi)、外壓カ室圍壓和孔隙水壓カ的壓カ源，提高了壓カ的控制精度及范圍。另外，本發(fā)明采用液壓伺服控制氣缸產(chǎn)生氣體壓力，并配置有空氣壓縮機(jī)，為非飽和土石混合體試驗(yàn)提供氣體壓カ控制源。如圖I所示，本發(fā)明實(shí)施例的三軸儀包括加載框架1(四根立柱式)、雙室壓カ室、底座6、壓頭5、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置和控制裝置，其中，雙室壓カ室位于試樣40的外圍,壓頭5和底座6分別位于所述試樣40的上、下兩端；加載框架I位于所述雙室壓カ室的外側(cè)；所述雙室壓カ室包括內(nèi)壓カ室2和位于所述內(nèi)壓カ室2外圍的外壓カ室3 ；所述加載系統(tǒng)用于對(duì)所述試樣40進(jìn)行加載試驗(yàn)；所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置用于對(duì)加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與測(cè)量；所述控制裝置與所述加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置分別相連，用于控制所述加載系統(tǒng)，以及獲取數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置得到的加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，采用雙壓カ室方案可實(shí)現(xiàn)內(nèi)壓カ室壁的絕對(duì)剛性不變形，確保試樣的總體積變化等于內(nèi)壓カ室水流量的變化?！ち硗?，內(nèi)、外壓カ室為一體化設(shè)計(jì)，省去了裝配上的繁瑣工作，簡(jiǎn)化了安裝程序。上述底座6和壓頭5為剛性或柔性，以實(shí)現(xiàn)剛性或柔性加載；當(dāng)所述底座6和壓頭5為剛性時(shí)，所述底座6為不銹鋼材料，中心嵌有陶瓷板(圖中未示出)，所述陶瓷板下面有環(huán)形水槽(圖中未示出)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過程中通過陶瓷板擴(kuò)散的氣泡進(jìn)行沖刷；其中，陶瓷板潛入剛性底座中,可以實(shí)現(xiàn)試樣內(nèi)部基質(zhì)吸カ的控制；當(dāng)所述底座6和壓頭5為柔性吋，所述底座6和壓頭5具有內(nèi)部充滿液體的不銹鋼外殼，與試樣接觸端設(shè)置有耐高壓膠囊(圖中未示出)。加載系統(tǒng)包括液壓動(dòng)カ源35、內(nèi)圍壓加壓控制裝置、外圍壓加壓控制裝置、孔隙水壓加壓控制裝置、孔隙氣壓加壓控制裝置和軸向加壓控制裝置；其中，所述內(nèi)圍壓加壓控制裝置包括依次相連的第一伺服驅(qū)動(dòng)器30、第一電液伺服閥
15、第一液壓油缸25、第一運(yùn)動(dòng)活塞桿26和第一水缸27;所述第一水缸27通過管道與所述內(nèi)壓カ室2相連；所述外圍壓加壓控制裝置包括依次相連的第二伺服驅(qū)動(dòng)器32、第二電液伺服閥
16、第二液壓油缸22、第二運(yùn)動(dòng)活塞桿23和第二水缸24;所述第二水缸24通過管道與所述外壓カ室3相連；孔隙水壓加壓控制裝置包括依次相連的第三伺服驅(qū)動(dòng)器33、第三電液伺服閥17、第三液壓油缸7、第三運(yùn)動(dòng)活塞桿8和第三水缸9 ;所述第三水缸9通過管道與所述底座6相連并通到試樣內(nèi)部；孔隙氣壓加壓控制裝置包括依次相連的第四伺服驅(qū)動(dòng)器31、第四電液伺服閥14、第四液壓油缸28、第四運(yùn)動(dòng)活塞桿29、氣缸10和空氣壓縮機(jī)11 ;所述氣缸10通過管道與所述壓頭5相連并通到試樣內(nèi)部；所述軸向加壓控制裝置包括依次相連的第五伺服驅(qū)動(dòng)器34、五電液伺服閥13、軸向加壓油缸12和加壓桿4 ;所述加壓桿4與所述壓頭5相連；所述液壓動(dòng)カ源35分別與所述第一伺服驅(qū)動(dòng)器30、第二伺服驅(qū)動(dòng)器32、第三伺服驅(qū)動(dòng)器33、第四伺服驅(qū)動(dòng)器31和第五伺服驅(qū)動(dòng)器34相連。所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置包括軸向壓力傳感器17 (即荷載傳感器)、內(nèi)圍壓壓力傳感器20、外圍壓壓力傳感器19、孔隙水壓カ傳感器18、孔隙氣壓カ傳感器21，拉線式位移傳感器、稱重傳感器(電子稱)37、盛水容器36和數(shù)據(jù)采集模塊45 ;其中，所述內(nèi)圍壓壓カ傳感器20與所述第一水缸27相連；所述外圍壓壓カ傳感器19與所述第二水缸24相連；所述孔隙水壓カ傳感器18與所述第三水缸9相連；所述孔隙氣壓カ傳感器21與所述氣缸10相連；所述軸向壓カ傳感器17與所述軸向加壓油缸12相連；所述盛水容器36通過管道與所述底座6相連，所述稱重傳感器37與盛水容器36相連，用于稱量盛水容器36內(nèi)水的質(zhì)量，進(jìn)而測(cè)量從試樣中排出水的體積；拉線式位移傳感器包括第一位移傳感器44、第二位移傳感器43和第三位移傳感器42 ;所述第一位移傳感器44位于所述第一運(yùn)動(dòng)活塞桿26上，利用測(cè)得的內(nèi)圍壓加壓控制裝置中活塞的精確位移變化，從而計(jì)算內(nèi)壓力室內(nèi)水量的變化，即加載過程中試樣的體積變化；所述第二位移傳感器43位于所述第三運(yùn)動(dòng)活塞桿8上，從而計(jì)算孔隙水壓加壓控制裝置的第三水缸內(nèi)水體積的準(zhǔn)確變化，從而計(jì)算出試樣40內(nèi)部在加載過程中所排出的精確水流量，即試樣40內(nèi)部水的體積變化；所述第三位移傳感器42位于所述加載框架I的頂板上，用來測(cè)量試樣40的軸向變形；所述數(shù)據(jù)采集模塊45 (通常為數(shù)據(jù)采集板卡)分別與所述控制裝置、軸向壓カ傳
感器17、內(nèi)圍壓壓力傳感器20、外圍壓壓力傳感器19、孔隙水壓カ傳感器18、孔隙氣壓カ傳感器21，拉線式位移傳感器44、43、42和稱重傳感器37相連。上述軸向壓力傳感器17的量程為O 100t，精度為全量程的±2%。；內(nèi)圍壓壓力傳感器20和外圍壓壓力傳感器19的工作范圍為O 5MPa ;孔隙水壓カ傳感器18和孔隙氣壓カ傳感器21的工作范圍為O 2MPa ;稱重傳感器37的工作范圍為O 3kg，拉線式位移傳感器44、43、42工作范圍為O. 5m-1. 0m。所述控制裝置包括エ控機(jī)46 (含測(cè)試控制軟件)和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換卡47，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡47的輸入端與所述エ控機(jī)46相連，接收數(shù)字控制信號(hào)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡47的輸出端分別與所述第一伺服驅(qū)動(dòng)器30、第二伺服驅(qū)動(dòng)器32、第三伺服驅(qū)動(dòng)器33、第四伺服驅(qū)動(dòng)器31和第五伺服驅(qū)動(dòng)器34相連，傳輸轉(zhuǎn)換后的模擬控制信號(hào)；所述エ控機(jī)46與所述數(shù)據(jù)采集模塊45相連，獲取數(shù)據(jù)采集模塊45得到的加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)。控制裝置向內(nèi)圍壓加壓控制裝置、外圍壓加壓控制裝置、孔隙水壓加壓控制裝置、孔隙氣壓加壓控制裝置和軸向加壓控制裝置發(fā)送控制信號(hào)，以控制各個(gè)加壓控制裝置對(duì)試樣產(chǎn)生的壓力。本發(fā)明較佳實(shí)例的工作過程如下I.啟動(dòng)液壓動(dòng)カ源35，啟動(dòng)エ控機(jī)46。2.在底座6上安裝試樣40，并在試樣40外套上橡皮膜，加壓桿4和壓頭5相連，試樣橡皮膜的上端包扎在壓頭5上，試樣膜的下端與試樣的底座6包扎在一起。3.套上內(nèi)外壓カ室，并固定密封好，用起吊裝置將壓カ室移至加載框架的正下方，將加壓桿的上端與軸向加壓油缸12的下端相連。4.內(nèi)、外壓カ室內(nèi)注滿水，并打開內(nèi)、外圍壓加壓控制裝置，水缸內(nèi)充滿水，同時(shí)打開孔隙水壓加壓控制裝置，并在它的水缸內(nèi)注滿水，另外，打開孔隙氣壓加壓控制裝置，使空氣壓縮機(jī)11內(nèi)具有一定壓カ的壓縮空氣進(jìn)入到氣缸10中。5.在エ控機(jī)46中打開整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試控制軟件，將自動(dòng)控制部分的壓カ歸0，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，調(diào)出需要用到的試驗(yàn)?zāi)K，將壓カ歸零。設(shè)置好試樣的信息內(nèi)、外圍壓、孔隙水壓力、孔隙氣壓力、固結(jié)時(shí)間，剪切速率、動(dòng)態(tài)載荷、應(yīng)カ路徑等。6.在試驗(yàn)過程中，用精密電子稱37稱量試驗(yàn)過程中排出試樣內(nèi)的水流量。7.由エ控機(jī)46全自動(dòng)控制整個(gè)試驗(yàn)的過程，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在エ控機(jī)46的硬盤中,直至試驗(yàn)結(jié)束。在試驗(yàn)過程中，如果是非飽和試樣，氣壓力會(huì)通過底座6的陶瓷板擴(kuò)散，定期用孔隙氣壓加壓控制裝置沖洗陶瓷板下面底座中的環(huán)形凹槽，并用天平稱量沖洗的水量。綜上所述，本發(fā)明提出ー種應(yīng)カ路徑全自動(dòng)液壓伺服控制式剛、柔性多功能大型三軸試驗(yàn)儀，包括加載框架、雙室壓カ室、底座、壓頭、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置和控制裝置。加載系統(tǒng)中的液壓動(dòng)カ源生驅(qū)動(dòng)力，通過伺服閥和油缸，產(chǎn)生豎向的動(dòng)態(tài)荷載，另外通過三個(gè)小型的伺服閥分別產(chǎn)生和控制水壓カ(圍壓和孔壓)，通過另外的ー個(gè)伺服閥與壓縮氣缸相連產(chǎn)生和控制氣壓力。加壓控制裝置的輸入端與エ控機(jī)相連，輸出端與大型的雙壓カ室三軸實(shí)驗(yàn)設(shè)備相連，傳輸位移、壓力、體變的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)，輸出端與エ控機(jī)相連，記錄數(shù)據(jù)，顯示試驗(yàn)進(jìn)程。本儀器采用雙壓カ室，并具有氣壓カ控制裝置，能夠?qū)Υ诸w粒材料(土石混合體等)進(jìn)行非飽和三軸試驗(yàn)。壓カ室的底座分別采用剛性底座(陶瓷板嵌入其中)，柔性底座(柔性高壓液體膠囊)和柔性壓頭(柔性高壓液體膠囊)分別實(shí)現(xiàn)剛?cè)嵝约虞d。柔性加載能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)非均質(zhì)材料施加均勻應(yīng)カ，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。圍壓和軸向壓力在試驗(yàn)過程中都可自動(dòng)變化，且自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量和采集，豎向激振可施加頻率為l-5Hz 的動(dòng)カ荷載，能夠在該儀器上進(jìn)行靜カ三軸，動(dòng)カ三軸，土水特性，循環(huán)加卸載，滲透試驗(yàn)等多種試驗(yàn)，具有功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，并且具有壓カ高(圍壓達(dá)到5MPa)，量程大(豎向變形50cm)的特點(diǎn)。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)力路徑全自動(dòng)液壓伺服控制式剛?cè)嵝远喙δ苋S儀，其特征在于，包括力口載框架、雙室壓力室、底座、壓頭、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置和控制裝置，其中， 雙室壓力室位于試樣的外圍,壓頭和底座分別位于所述試樣的上、下兩端；加載框架位于所述雙室壓力室的外側(cè)；所述雙室壓力室包括內(nèi)壓力室和位于所述內(nèi)壓力室外圍的外壓力室； 所述加載系統(tǒng)用于對(duì)所述試樣進(jìn)行加載試驗(yàn)； 所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置用于對(duì)加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與測(cè)量； 所述控制裝置與所述加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置分別相連，用于控制所述加載系統(tǒng)，以及獲取數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置得到的加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求I所述的三軸儀，其特征在于， 所述底座和壓頭為剛性或柔性，以實(shí)現(xiàn)剛性或柔性加載； 當(dāng)所述底座和壓頭為剛性時(shí)，所述底座為不銹鋼材料，中心嵌有陶瓷板，所述陶瓷板下面有環(huán)形水槽，以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過程中通過陶瓷板擴(kuò)散的氣泡進(jìn)行沖刷； 當(dāng)所述底座和壓頭為柔性時(shí)，所述底座和壓頭具有內(nèi)部充滿液體的不銹鋼外殼，與試樣接觸端設(shè)置有耐高壓膠囊。
3.如權(quán)利要求I所述的三軸儀，其特征在于， 所述加載系統(tǒng)包括液壓動(dòng)力源、軸向加壓控制裝置、內(nèi)圍壓加壓控制裝置、外圍壓加壓控制裝置、孔隙水壓加壓控制裝置和孔隙氣壓加壓控制裝置；其中， 所述內(nèi)圍壓加壓控制裝置包括依次相連的第一伺服驅(qū)動(dòng)器、第一電液伺服閥、第一液壓油缸、第一運(yùn)動(dòng)活塞桿和第一水缸；所述第一水缸通過管道與所述內(nèi)壓力室相連； 所述外圍壓加壓控制裝置包括依次相連的第二伺服驅(qū)動(dòng)器、第二電液伺服閥、第二液壓油缸、第二運(yùn)動(dòng)活塞桿和第二水缸；所述第二水缸通過管道與所述外壓力室相連； 孔隙水壓加壓控制裝置包括依次相連的第三伺服驅(qū)動(dòng)器、第三電液伺服閥、第三液壓油缸、第三運(yùn)動(dòng)活塞桿和第三水缸；所述第三水缸通過管道與所述底座相連并通到試樣內(nèi)部; 孔隙氣壓加壓控制裝置包括依次相連的第四伺服驅(qū)動(dòng)器、第四電液伺服閥、第四液壓油缸、第四運(yùn)動(dòng)活塞桿、氣缸和空氣壓縮機(jī)；所述氣缸通過管道與所述壓頭相連并通到試樣內(nèi)部； 所述軸向加壓控制裝置包括依次相連的第五伺服驅(qū)動(dòng)器、五電液伺服閥、軸向加壓油缸和加壓桿；所述加壓桿與所述壓頭相連； 所述液壓動(dòng)力源分別與所述第一伺服驅(qū)動(dòng)器、第二伺服驅(qū)動(dòng)器、第三伺服驅(qū)動(dòng)器、第四伺服驅(qū)動(dòng)器和第五伺服驅(qū)動(dòng)器相連。
4.如權(quán)利要求3所述的三軸儀，其特征在于， 所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置包括軸向壓力傳感器、內(nèi)圍壓壓力傳感器、外圍壓壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、孔隙氣壓力傳感器，拉線式位移傳感器、稱重傳感器、盛水容器和數(shù)據(jù)采集模塊；其中， 所述內(nèi)圍壓壓力傳感器與所述第一水缸相連；所述外圍壓壓力傳感器與所述第二水缸相連；所述孔隙水壓力傳感器與所述第三水缸相連；所述孔隙氣壓力傳感器與所述氣缸相連；所述軸向壓力傳感器與所述軸向加壓油缸相連；所述盛水容器通過管道與所述底座相連，所述稱重傳感器與盛水容器相連，用于稱量盛水容器內(nèi)水的質(zhì)量； 拉線式位移傳感器包括第一位移傳感器、第二位移傳感器和第三位移傳感器；所述第一位移傳感器位于所述第一運(yùn)動(dòng)活塞桿上；所述第二位移傳感器位于所述第三運(yùn)動(dòng)活塞桿上；所述第三位移傳感器位于所述加載框架的頂板上； 所述數(shù)據(jù)采集模塊分別與所述控制裝置、軸向壓力傳感器、內(nèi)圍壓壓力傳感器、外圍壓壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、孔隙氣壓力傳感器，拉線式位移傳感器和稱重傳感器相連。
5.如權(quán)利要求4所述的三軸儀，其特征在于， 所述軸向壓力傳感器的量程為O loot，精度為全量程的±2%。；內(nèi)圍壓壓力傳感器和外圍壓壓力傳感器的工作范圍為O 5MPa ;孔隙水壓力傳感器和孔隙氣壓力傳感器的工作范圍為O 2MPa ;稱重傳感器的工作范圍為O 3kg，拉線式位移傳感器工作范圍為O.5m-1. Om0
6.如權(quán)利要求I所述的三軸儀，其特征在于， 所述控制裝置包括工控機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換卡，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的輸入端與所述工控機(jī)相連，接收數(shù)字控制信號(hào)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的輸出端分別與所述第一伺服驅(qū)動(dòng)器、第二伺服驅(qū)動(dòng)器、第三伺服驅(qū)動(dòng)器、第四伺服驅(qū)動(dòng)器和第五伺服驅(qū)動(dòng)器相連，傳輸轉(zhuǎn)換后的模擬控制信號(hào)；所述工控機(jī)與所述數(shù)據(jù)采集模塊相連，獲取數(shù)據(jù)采集模塊得到的加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求I所述的三軸儀，其特征在于， 所述雙室壓力室采用一體化設(shè)計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種應(yīng)力路徑全自動(dòng)液壓伺服控制式剛?cè)嵝远喙δ苋S儀，包括加載框架、雙室壓力室、底座、壓頭、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置和控制裝置，雙室壓力室位于試樣的外圍，壓頭和底座分別位于所述試樣的上、下兩端；加載框架位于所述雙室壓力室的外側(cè)；所述雙室壓力室包括內(nèi)壓力室和位于所述內(nèi)壓力室外圍的外壓力室；所述加載系統(tǒng)用于對(duì)所述試樣進(jìn)行加載試驗(yàn)；所述數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置用于對(duì)加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與測(cè)量；所述控制裝置與所述加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置分別相連，用于控制所述加載系統(tǒng)，以及獲取數(shù)據(jù)測(cè)量與采集裝置得到的加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本發(fā)明能夠進(jìn)行非飽和土體積變形的準(zhǔn)確測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N3/00GK102818726SQ201210315390
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者范永波, 趙紅華, 李世海, 朱林劍, 徐志祥, 劉曉宇, 侯岳峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所