專利名稱：一種基于拉壓扭剪耦合的應(yīng)力路徑三軸儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖土工程測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，用于土體拉、壓、扭剪及其耦合的應(yīng)力路徑的強(qiáng)度試驗(yàn)裝置，涉及一種基于拉壓扭剪耦合的應(yīng)力路徑三軸儀。
背景技術(shù)：
土是地質(zhì)作用演變過(guò)程的產(chǎn)物，具有多相分散體系的特征，又具有類型的多樣性特征，且性質(zhì)復(fù)雜而多變。土不同于其它諸如金屬、混凝土和塑料等性質(zhì)具有相對(duì)的穩(wěn)定性和規(guī)格化的建筑材料。同一類土，采用不同類型的儀器可能測(cè)出的結(jié)果不同，而即使采用同類儀器，試驗(yàn)方法和技巧不同也會(huì)產(chǎn)生較大的差異。因此，在土工試驗(yàn)中由于力學(xué)參數(shù)的測(cè)試差誤，有時(shí)可能比計(jì)算方法不同引起的差誤更大，這就是人們之所以堅(jiān)持不懈地從事土工儀器設(shè)備的研制、進(jìn)行試驗(yàn)方法的探索和改進(jìn)的原因之一。由于土體強(qiáng)度試驗(yàn)以抗剪強(qiáng)度為主要測(cè)試方面，此外，對(duì)其單軸抗壓特性也已有一定的研究成果。目前現(xiàn)有強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備主要有直剪儀、常規(guī)三軸儀、空心扭剪三軸儀、平面應(yīng)變?nèi)S儀、真三軸儀、單軸抗壓儀等。其中直剪儀只是模擬給定剪切面上的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力，其操作方便但剪切面限定在上下盒之間，同時(shí)剪應(yīng)力分布不均勻，也不能控制排水條件；常規(guī)三軸儀只能模擬軸對(duì)稱應(yīng)力條件，不能實(shí)現(xiàn)一般應(yīng)力條件；空心扭剪三軸儀試驗(yàn)中土體試樣應(yīng)力應(yīng)變分布較均勻，可進(jìn)行多種應(yīng)力路徑的試驗(yàn)，但考慮的應(yīng)力狀態(tài)以壓扭(剪)應(yīng)力狀態(tài)為主，不能考慮拉扭(剪)應(yīng)力條件；真三軸儀能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)軸向分別施加不同大小的主應(yīng)力，三軸軸向產(chǎn)生應(yīng)變，但是不能模擬拉應(yīng)力存在條件下各種復(fù)雜受力狀態(tài)下的強(qiáng)度特性；在單軸抗壓儀試驗(yàn)過(guò)程中，雖然能夠測(cè)得土體試驗(yàn)的單軸抗壓強(qiáng)度，但難以控制排水條件。以上的試驗(yàn)設(shè)備雖然能夠達(dá)到試驗(yàn)設(shè)備測(cè)試的預(yù)期目的，但是都限制了應(yīng)力路徑的使用范圍，功能較為單一，同時(shí)，對(duì)于不同的應(yīng)力路徑下，拉伸試驗(yàn)以及拉扭(剪)耦合作用的土體強(qiáng)度特性的研究都不能開(kāi)展試驗(yàn)研究。由于土工建筑物的抗拉能力較低，其抗拉特性常常被人們忽視。然而許多土工建筑物的破壞，與土的抗拉特性有關(guān):高土石壩心墻由于沉降變形，產(chǎn)生拱效應(yīng)，出現(xiàn)拉裂縫；土坡滑動(dòng)前，坡頂上幾乎都先產(chǎn)生裂縫，這些裂縫根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理可分為剪切裂縫和拉裂縫，且拉裂縫通常為張開(kāi)裂縫，對(duì)建筑物的危害更大，可見(jiàn)土的抗拉特性對(duì)土工建筑物的穩(wěn)定性影響很大。因而，在研究這些裂縫的產(chǎn)生原因，對(duì)土的抗拉強(qiáng)度特性研究和試驗(yàn)測(cè)定越來(lái)越顯得重要。單軸土工拉伸儀的拉伸試驗(yàn)是獲得土體抗拉強(qiáng)度最直接的方法，測(cè)試結(jié)果為試樣在只有軸向拉力作用下破壞時(shí)的極限正應(yīng)力，但不能控制排水或排氣條件，也不能適用一般應(yīng)力條件。另一方面，由于土工建筑物的抗扭剪的能力較低，其扭剪特性也常常被人們忽視。但是，地震引起的地表扭轉(zhuǎn)變形，海嘯引起的海岸線的不均勻受力，結(jié)構(gòu)性土邊坡的扭轉(zhuǎn)受力狀態(tài)，都會(huì)由于部分土體發(fā)生拉扭(剪)破壞現(xiàn)象；但對(duì)土體的拉應(yīng)力存在的各種拉扭(剪)復(fù)雜應(yīng)力條件還缺乏相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備，對(duì)于結(jié)構(gòu)性土體的抗扭(剪)方面的強(qiáng)度特性的研究還處于起步階段，因此開(kāi)展相應(yīng)的強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備的研究具有一定的意義。綜上所述，現(xiàn)有強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備存在儀器功能單一、試驗(yàn)應(yīng)力路徑過(guò)于簡(jiǎn)單等問(wèn)題，不適應(yīng)非飽和土體拉伸、抗壓、扭剪及其組合作用的強(qiáng)度測(cè)定，也不適用于具有特殊結(jié)構(gòu)性的原狀土的強(qiáng)度測(cè)試，不適用于飽和條件下土體的壓扭(剪)受力狀態(tài)下的強(qiáng)度測(cè)試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于拉壓扭剪耦合的應(yīng)力路徑三軸儀，解決了現(xiàn)有技術(shù)中土體強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備存在的儀器功能單一、試驗(yàn)應(yīng)力路徑過(guò)于簡(jiǎn)單、以及不能完成試樣的拉扭(剪)強(qiáng)度測(cè)試功能的問(wèn)題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于拉壓扭剪耦合的應(yīng)力路徑三軸儀，包括箱體，箱體內(nèi)安裝有電動(dòng)機(jī)平臺(tái)，電動(dòng)機(jī)平臺(tái)的中心位置安裝有扭矩電動(dòng)機(jī)，扭矩電動(dòng)機(jī)與扭矩電動(dòng)機(jī)控制器信號(hào)連接，在箱體內(nèi)部分別安裝有圍壓水體給排控制器、角位移顯示儀、扭矩顯示儀、圍壓加載測(cè)量?jī)x和孔壓測(cè)量?jī)x；在扭矩電動(dòng)機(jī)的電機(jī)傳動(dòng)軸上套裝有絕對(duì)式角位移傳感器，絕對(duì)式角位移傳感器信號(hào)輸出端與角位移顯示儀連接；電動(dòng)機(jī)主軸向上與下傳動(dòng)軸同軸連接，下傳動(dòng)軸上套裝有盤(pán)式扭矩傳感器；箱體上端面作為工作臺(tái)，工作臺(tái)的上表面固定設(shè)置有圍壓室底座，圍壓室底座上座有壓力室外殼，該壓力室外殼由多個(gè)支撐柱、圍壓罩和壓力室蓋組成，壓力室蓋設(shè)置有排氣螺栓，壓力室蓋、圍壓罩與圍壓室底座三者共同構(gòu)成密封的圍壓腔；圍壓室底座開(kāi)設(shè)有孔壓測(cè)量通道、圍壓水體給排通道、圍壓控制測(cè)量通道和體變測(cè)量通道，這些連接通道分別與孔壓測(cè)量?jī)x、圍壓水體給排控制器、圍壓加載測(cè)量?jī)x和體變測(cè)量器對(duì)應(yīng)連接；下傳動(dòng)軸穿過(guò)圍壓室底座，圍壓室底座上表面中心位置固定安裝有試樣座，試樣座上用于放置試樣；試樣座通過(guò)體變測(cè)量管與 體變測(cè)量通道連通，試樣座另外通過(guò)孔壓測(cè)量管與孔壓測(cè)量通道連通；在工作臺(tái)上還豎立安裝有多個(gè)機(jī)架立柱，體變測(cè)量器固定安裝在其中一個(gè)機(jī)架立柱上；所有機(jī)架立柱上端共同安裝有一個(gè)上平臺(tái)，在上平臺(tái)上安裝有電控箱和位移測(cè)量支座，位移測(cè)量支座下部懸臂段安裝有軸向位移測(cè)量?jī)x；上平臺(tái)的中心位置安裝有軸向電動(dòng)機(jī)支架與絲杠套筒，軸向電動(dòng)機(jī)支架與絲杠套筒設(shè)置有軸向電動(dòng)機(jī)機(jī)座，軸向電動(dòng)機(jī)機(jī)座中安裝有軸向電動(dòng)機(jī)，軸向電動(dòng)機(jī)與軸向傳動(dòng)絲杠傳動(dòng)連接；在壓力室蓋上部軸心位置設(shè)置有定位夾持器，與試樣連接的上端加載軸向上穿過(guò)該定位夾持器與軸向力傳感器下端接頭、S型軸向力傳感器、軸向力傳感器上端接頭、軸向傳動(dòng)絲杠依次連接，其中定位夾持器側(cè)壁帶有一個(gè)穿孔螺桿；軸向力傳感器下端接頭沿水平方向固定安裝有位移測(cè)量平臺(tái)，位移測(cè)量平臺(tái)與軸向位移測(cè)量?jī)x接觸連接^型軸向力傳感器與軸向力顯示儀連接。本發(fā)明的有益效果是:I)本發(fā)明采用在三軸壓力室上部設(shè)置軸向力加載軸和在三軸壓力室下部底座設(shè)置扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸以完成軸向力和扭矩分離，采用軸向力和扭矩獨(dú)立施加的方式，避免了兩種施力結(jié)構(gòu)之間的相互影響，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于很好地解決了軸向力與扭矩在傳動(dòng)主軸上的干擾問(wèn)題，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)施加軸向力和單獨(dú)扭矩的功能，而且能夠同時(shí)施加任意組合的軸向力作用與扭矩作用，適用于不同的試驗(yàn)方案，具有良好的適用性，能夠分析拉扭耦合或壓扭耦合復(fù)雜條件下土體的強(qiáng)度特性，顯著拓寬了本發(fā)明裝置的使用范圍和功能。2)本發(fā)明采用可調(diào)速電機(jī)在儀器上部軸向力加載軸上施加軸向力作用，實(shí)現(xiàn)了軸向力施加控制性能穩(wěn)定的技術(shù)措施，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)能夠有效地減小由于人為因素導(dǎo)致而產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差。3)本發(fā)明采用可調(diào)速電機(jī)在儀器下部底座扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸上施加扭矩作用，實(shí)現(xiàn)了扭矩施加控制性能穩(wěn)定的技術(shù)措施，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)亦能夠有效地減小由于人為因素導(dǎo)致而產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差。4)本發(fā)明在軸向力加載軸上設(shè)置了數(shù)顯推拉力傳感器和位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了軸向力和位移測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，使得數(shù)據(jù)采集方便且可靠。5)本發(fā)明在儀器下部底座扭矩傳動(dòng)軸上同時(shí)設(shè)置了扭矩傳感器、顯示儀表和絕對(duì)式角位移傳感器、角位移顯示儀，實(shí)現(xiàn)了扭矩和角位移測(cè)量數(shù)據(jù)采集，使得數(shù)據(jù)采集方便且可靠。6)本發(fā)明采用在三軸壓力室下部底座設(shè)置了體變測(cè)量通道和孔壓測(cè)量通道，分別連接外部的體變壓差傳感器和孔壓傳感器測(cè)量顯示裝置，減小了人為讀數(shù)的誤差，在數(shù)據(jù)的可靠性方面，有了顯著的提高。7)本發(fā)明采用壓力室液體自動(dòng)給排功能，使用圍壓水給排控制器能夠給圍壓罩的內(nèi)部空腔充入水，方便了圍壓加載測(cè)量?jī)x施加液壓，有效縮短了壓力室上水和下水的時(shí)間，亦減小了以往壓力室上水和下水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)試樣造成的影響，提高了試驗(yàn)精度。8)本發(fā)明采用土體試樣和拉壓加載軸底座、扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸頂座分別采用化學(xué)膠結(jié)，將土體試樣與上下底座連接成一個(gè)整體,確保了拉伸試驗(yàn)、扭剪試驗(yàn)和拉扭剪試驗(yàn)的實(shí)施前提。9 )本發(fā)明在儀器下部扭剪電機(jī)底座設(shè)置有四角高度可微調(diào)的結(jié)構(gòu)，減小了施加扭矩時(shí)的扭轉(zhuǎn)偏心問(wèn)題，確保了各種涉及扭剪試驗(yàn)在實(shí)施中扭矩傳動(dòng)軸心和試樣軸心的共軸性，從而保證了施加扭矩的精度。10)本發(fā)明設(shè)置有潤(rùn)滑輔助機(jī)構(gòu)，有效減小了機(jī)械摩擦阻力，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。本發(fā)明裝置能夠用于測(cè)定圓柱體土樣在拉、壓、扭、剪作用及其組合條件下測(cè)定土體強(qiáng)度特性，是一種控制性能穩(wěn)定、操作規(guī)范、測(cè)量方便、適應(yīng)拉、壓、扭、剪作用及其組合測(cè)試功能的試驗(yàn)裝置，能夠用于無(wú)圍壓或者有圍壓時(shí)土體試樣在拉、壓、扭、剪作用及其組合的各種條件下土體的強(qiáng)度試驗(yàn)，以適應(yīng)研究特殊性質(zhì)的土體在更廣泛的應(yīng)力路徑作用下的強(qiáng)度特性。


圖1是本發(fā)明裝置的整體的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明裝置的豎向剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明裝置中的扭矩電動(dòng)機(jī)底座的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明裝置中的扭矩施加試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明裝置中的拉壓力傳動(dòng)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的試樣受荷應(yīng)力狀態(tài)示意圖。
圖中，1.底座；2.箱體；3.電動(dòng)機(jī)平臺(tái)；4.扭矩電動(dòng)機(jī)；5.扭矩電動(dòng)機(jī)控制器；
6.左部?jī)x表平臺(tái)；7.右部?jī)x表平臺(tái)；8.角位移顯示儀；9.絕對(duì)式角位移傳感器；10.電機(jī)傳動(dòng)軸；11.孔壓測(cè)量?jī)x；12.圍壓加載測(cè)量?jī)x；13.圍壓水體給排控制器；14.扭矩顯示儀；15.盤(pán)式扭矩傳感器；16.下傳動(dòng)軸；17.固定螺栓；18.工作臺(tái)；19.圍壓室底座；20.體變測(cè)量器；21.機(jī)架立柱；22.上平臺(tái)；23.軸向電動(dòng)機(jī)支架與絲杠套筒；24.軸向電動(dòng)機(jī)機(jī)座；25.軸向電動(dòng)機(jī)；26.潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)；27.軸向傳動(dòng)絲杠；28.電控箱；29.S型軸向力傳感器；30.軸向力傳感器上端接頭；31.軸向力顯示儀；32.上端加載軸；33.壓力室蓋；34.排氣螺栓；35.軸向力傳感器下端接頭；36.位移測(cè)量平臺(tái)；37.位移測(cè)量支座；38.軸向位移測(cè)量?jī)x；39.試樣；40.圍壓罩；41.圍壓腔；42.支撐柱；43.定位夾持器；44.試樣座；45.體變測(cè)量管；46.孔壓測(cè)量管；47.固定螺栓；48.圍壓水體給排通道；49.孔壓測(cè)量通道；50.體變測(cè)量通道；51.圍壓控制測(cè)量通道；52.升降調(diào)平機(jī)座；53.升降對(duì)中螺母；54.水準(zhǔn)管；55.壓力室固定螺栓；56.密封橡膠圈；57.密封橡膠圈；58.密封橡膠圈。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)是，如圖1、圖2所示，包括箱體2，箱體2設(shè)置在底座I上表面，箱體2內(nèi)安裝有電動(dòng)機(jī)平臺(tái)3，電動(dòng)機(jī)平臺(tái)3的中心位置安裝有可升降的扭矩電動(dòng)機(jī)4，扭矩電動(dòng)機(jī)4與扭矩電動(dòng)機(jī)控制器5信號(hào)連接，在箱體2內(nèi)部?jī)蓚?cè)分別固定有左部?jī)x表平臺(tái)
6與右部?jī)x表平臺(tái)7，在左部?jī)x表平臺(tái)6的上、下表面分別安裝有圍壓水體給排控制器13和角位移顯示儀8，在左部?jī)x表平臺(tái)6的端部安裝有扭矩顯示儀14 ;在右部?jī)x表平臺(tái)7的上、下表面分別安裝有圍壓加載測(cè)量?jī)x12和孔壓測(cè)量?jī)x11，(這些部件也可以根據(jù)需要位置安裝固定);在扭矩電動(dòng)機(jī)4的電機(jī)傳動(dòng)軸10上套裝有絕對(duì)式角位移傳感器9，絕對(duì)式角位移傳感器9信號(hào)輸出端與角位移顯示儀8連接；電動(dòng)機(jī)主軸10向上通過(guò)固定螺栓17與下傳動(dòng)軸16同軸連接，下傳動(dòng)軸16上套裝有盤(pán)式扭矩傳感器15 ；箱體2上端面作為工作臺(tái)18，工作臺(tái)18的上表面固定設(shè)置有圍壓室底座19，見(jiàn)圖2，圍壓室底座19上座有壓力室外殼，該壓力室外殼由多個(gè)支撐柱42、有機(jī)玻璃材料的圍壓罩40和壓力室蓋33組成，其中，壓力室外殼下端面通過(guò)多個(gè)壓力室固定螺栓55與圍壓室底座19的臺(tái)階平面固定連接，壓力室外殼下端面與圍壓室底座19的臺(tái)階立面之間設(shè)置有密封橡膠圈57，密封橡膠圈57起到了進(jìn)一步的密封作用，壓力室蓋33設(shè)置有排氣螺栓34，壓力室蓋33、圍壓罩40與圍壓室底座19三者共同構(gòu)成密封的圍壓腔41 ；圍壓室底座19開(kāi)設(shè)有孔壓測(cè)量通道49、圍壓水體給排通道48、圍壓控制測(cè)量通道51和體變測(cè)量通道50，這些連接通道分別與孔壓測(cè)量?jī)x11、圍壓水體給排控制器13、圍壓加載測(cè)量?jī)x12和體變測(cè)量器20對(duì)應(yīng)連接；下傳動(dòng)軸16穿過(guò)圍壓室底座19，并在下傳動(dòng)軸16與圍壓室底座19之間設(shè)置有密封橡膠圈56，圍壓室底座19上表面中心位置通過(guò)固定螺栓47固定安裝有試樣座44，試樣座44上用于放置試樣39，試樣39包裹有橡皮膜，試樣39上下兩個(gè)端面采用強(qiáng)力膠與對(duì)應(yīng)的加載接觸部件粘接，橡皮膜兩端同時(shí)與對(duì)應(yīng)加載接觸部件綁扎牢固；試樣座44通過(guò)體變測(cè)量管45與體變測(cè)量通道50連通，試樣座44另外通過(guò)孔壓測(cè)量管46與孔壓測(cè)量通道49連通；
在工作臺(tái)18上還豎立安裝有多個(gè)機(jī)架立柱21，體變測(cè)量器20固定安裝在其中一個(gè)機(jī)架立柱21上；所有機(jī)架立柱21上端共同安裝有一個(gè)上平臺(tái)22，在上平臺(tái)22上安裝有電控箱28、位移測(cè)量支座37及軸向力顯示儀31，位移測(cè)量支座37下部懸臂段安裝有軸向位移測(cè)量?jī)x38，同時(shí)，由于位移測(cè)量支座37下部懸臂段可以限制位移測(cè)量平臺(tái)36的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以鎖定上端加載軸32的轉(zhuǎn)動(dòng)，但并不影響上端加載軸32的軸向移動(dòng)；上平臺(tái)22的中心位置安裝有軸向電動(dòng)機(jī)支架與絲杠套筒23，軸向電動(dòng)機(jī)支架與絲杠套筒23設(shè)置有軸向電動(dòng)機(jī)機(jī)座24，軸向電動(dòng)機(jī)機(jī)座24中安裝有軸向電動(dòng)機(jī)25，軸向電動(dòng)機(jī)25與軸向傳動(dòng)絲杠27傳動(dòng)連接，軸向傳動(dòng)絲杠27與潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)26連通；在壓力室蓋33上部軸心位置設(shè)置有定位夾持器43，與試樣39連接的上端加載軸32向上穿過(guò)該定位夾持器43與軸向力傳感器下端接頭35、S型軸向力傳感器29、軸向力傳感器上端接頭30、軸向傳動(dòng)絲杠27依次連接，其中定位夾持器43側(cè)壁帶有一個(gè)穿孔螺桿，擰緊該穿孔螺桿可以鎖定上端加載軸32，而松開(kāi)該穿孔螺桿可以使得上端加載軸32上下自由運(yùn)動(dòng)，此外，壓力室蓋33與上端加載軸32之間設(shè)置有密封橡膠圈58，保證壓力室上部的密封特性；軸向力傳感器下端接頭35沿水平方向固定安裝有位移測(cè)量平臺(tái)36，位移測(cè)量平臺(tái)36與軸向位移測(cè)量?jī)x38接觸連接；S型軸向力傳感器29與軸向力顯示儀31連接；電控箱28與軸向電動(dòng)機(jī)25、扭矩電動(dòng)機(jī)4分別控制連接。上述的軸向力顯示儀31、軸向位移測(cè)量?jī)x38、孔壓測(cè)量?jī)x11、圍壓加載測(cè)量?jī)x12、角位移顯示儀8、圍壓水體給排控制器13、扭矩顯示儀14組成整個(gè)顯示儀表機(jī)構(gòu)。支撐柱42能夠固定及保護(hù)圍壓罩40 ;定位夾持器43能夠減少在試驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中對(duì)試樣39造成的影響。本發(fā)明裝置按照功能分為軸向加載及測(cè)量機(jī)構(gòu)、扭矩加載及測(cè)量機(jī)構(gòu)、圍壓加載及測(cè)量機(jī)構(gòu)、圍壓水體給排水機(jī)構(gòu)、體變測(cè)量機(jī)構(gòu)、孔壓測(cè)量機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)和供電設(shè)備。其中三個(gè)加載機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱體土體試樣施加荷載的核心；測(cè)量傳感器與顯示儀表是實(shí)現(xiàn)圓柱體土體試樣的各項(xiàng)物理參數(shù)精確測(cè)量的保證。電控箱作為供電設(shè)備，它為各個(gè)電動(dòng)機(jī)及其電動(dòng)機(jī)控制器、各種測(cè)量傳感器與測(cè)量?jī)x表提供能夠統(tǒng)一控制管理的電能；所述的軸向加載及測(cè)量機(jī)構(gòu)主要包括軸向電動(dòng)機(jī)25、軸向傳動(dòng)絲杠27、軸向力傳感器上端接頭、S型軸向力傳感器29、軸向力傳感器下端接頭、上端加載軸32、軸向力顯示儀31、軸向位移測(cè)量?jī)x38。軸向電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)軸向傳動(dòng)絲杠軸向運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)軸向力傳感器上端接頭、S型軸向力傳感器、軸向力傳感器下端接頭、上端加載軸都會(huì)沿著軸向運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)υ嚇赢a(chǎn)生軸向拉力或者壓力，其中當(dāng)給試樣施加拉力時(shí)，試樣的上下兩個(gè)面要與試樣上下兩端對(duì)應(yīng)的接觸傳力部件用強(qiáng)力膠粘接。由于軸向力傳感器與軸向施力裝置直接連接，所以在施加軸向力時(shí)，軸向力大小能夠通過(guò)連接在軸向力傳感器上的軸向力顯示儀直接讀出并存儲(chǔ)；其中的軸向位移測(cè)量部件主要包括位移測(cè)量平臺(tái)、測(cè)量支座和軸向位移測(cè)量?jī)x38，位移測(cè)量平臺(tái)固定在軸向力傳感器下端接頭上，能夠隨著軸向力傳動(dòng)裝置的軸向運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，這一位移能夠通過(guò)軸向位移測(cè)量?jī)x測(cè)出，得到土體試樣的軸向位移大?。凰龅呐ぞ丶虞d及測(cè)量機(jī)構(gòu)主要包括扭矩電動(dòng)機(jī)4、扭矩電動(dòng)機(jī)控制器5、電動(dòng)機(jī)主軸10、下傳動(dòng)軸16、試樣座44、絕對(duì)式角位移傳感器9、角位移顯示儀8、盤(pán)式扭矩傳感器15和扭矩顯示儀14。通過(guò)扭矩電動(dòng)機(jī)控制器控制扭矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)主軸能夠帶動(dòng)下傳動(dòng)軸、試樣座一起同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而給土體試樣施加一個(gè)扭矩，其中體變測(cè)量管與孔壓測(cè)量管均是細(xì)長(zhǎng)軟管，不影響試樣座扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)可升降調(diào)平的電機(jī)底座能夠避免在電動(dòng)機(jī)施加扭矩的時(shí)候產(chǎn)生偏心問(wèn)題。當(dāng)給試樣施加扭矩時(shí)，試樣的上下兩個(gè)面要分別與壓力室中的上加載軸端面和試樣底座采用強(qiáng)力膠進(jìn)行粘接，電動(dòng)機(jī)主軸帶動(dòng)下傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在扭矩電動(dòng)機(jī)上的絕對(duì)式角位移傳感器能夠測(cè)量扭轉(zhuǎn)角，并用角位移顯示儀顯示并記錄，扭矩能夠用安裝在工作臺(tái)下方的盤(pán)式扭矩傳感器測(cè)量，并用扭矩顯示儀顯示并記錄；所述的圍壓加載及測(cè)量機(jī)構(gòu)主要包括圍壓水體給排控制器13、壓力室、圍壓罩40和圍壓加載測(cè)量?jī)x12。用圍壓水體給排控制器給圍壓罩的內(nèi)部的圍壓腔內(nèi)部充入圍壓水，再由圍壓加載測(cè)量?jī)x予以施加液壓，圍壓加載測(cè)量?jī)x能夠增加或者減小圍壓罩內(nèi)部的水壓，從而調(diào)節(jié)施加在包裹橡皮膜的試樣上的圍壓。當(dāng)圍壓罩內(nèi)不需要圍壓水體時(shí)，能夠測(cè)試土體試樣處于無(wú)圍壓條件下的單軸拉伸、單軸壓縮、純扭剪和拉壓扭剪耦合受力狀態(tài)下的不同應(yīng)力路徑作用下的強(qiáng)度特性；所述的體變測(cè)量機(jī)構(gòu)主要包括體變測(cè)量器20，體變測(cè)量器用水管直接與土體內(nèi)部連接，能夠直接測(cè)量土體內(nèi)部的排水量完成體變量測(cè)，并記錄體變值；所述的孔壓測(cè)量機(jī)構(gòu)主要包括孔壓測(cè)量?jī)x11，孔壓測(cè)量?jī)x用水管直接與土體內(nèi)部連接，能夠直接測(cè)量并記錄孔壓值；所述的潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)26，能夠根據(jù)需要給機(jī)械連接部分供給潤(rùn)滑劑，以確保減小在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械摩擦阻力，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度，在試驗(yàn)結(jié)束后，可將剩余的潤(rùn)滑劑自動(dòng)收集存儲(chǔ)。本發(fā)明裝置中的試樣安裝過(guò)程是，如圖1、圖2所示，接通各個(gè)傳感器電源，調(diào)節(jié)各個(gè)傳感器與顯示儀表，記錄顯示儀表的顯示數(shù)值；使用軸向電動(dòng)機(jī)25將上端加載軸32升起一段距離，并向上提起由支撐柱42、有機(jī)玻璃圍壓罩40和壓力室蓋33組成的壓力室外殼；將包裹橡皮膜的試樣39用強(qiáng)力膠粘接在試樣座44上，同時(shí)將橡皮膜綁扎在試樣座44上，使用軸向電動(dòng)機(jī)25將上端加載軸32向下降落，使其剛好與試樣39接觸，把試樣39上端用強(qiáng)力膠粘接在上端加載軸32上，同時(shí)將橡皮膜綁扎在上端加載軸32上；向下推動(dòng)由支撐柱42、有機(jī)玻璃圍壓罩40和壓力室蓋33組成的壓力室外殼，通過(guò)壓力室螺栓55使其與圍壓室底座19緊密連接；在試驗(yàn)加載前擰緊定位夾持器43側(cè)面的螺桿鎖定上端加載軸32的位置，以便保護(hù)試樣不受其位置變化的擾動(dòng)；擰松排氣螺栓34，通過(guò)圍壓水體給排控制器13向圍壓腔41內(nèi)部充入水；當(dāng)有水從排氣螺栓34處溢出時(shí)，關(guān)閉圍壓水體給排控制器13，并擰緊排氣螺栓34 ;對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)整，即可進(jìn)入試驗(yàn)階段，注意在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，要松開(kāi)定位夾持器43側(cè)面的螺桿，以使軸力順利上下傳遞。本發(fā)明裝置用于圍壓施加的試驗(yàn)過(guò)程是，如圖1、圖2所示，圍壓的施加主要依靠圍壓加載測(cè)量?jī)x12和圍壓水體給排控制器13實(shí)施。本發(fā)明采用的是液壓傳遞壓力模式，用圍壓水體給排控制器13能夠給圍壓腔41內(nèi)部充入水，再由圍壓加載測(cè)量?jī)x12予以施加液壓。圍壓加載測(cè)量?jī)x12能夠增加或者減小圍壓罩40內(nèi)部的水壓，從而調(diào)節(jié)施加在包裹橡皮膜的試樣39上的圍壓。圍壓罩40內(nèi)部不充入圍壓水體時(shí)，能夠測(cè)試土體試樣處于無(wú)圍壓條件下的單軸拉伸、單軸壓縮、純扭剪和拉壓扭剪耦合受力狀態(tài)下的不同應(yīng)力路徑作用下的強(qiáng)度特性。本發(fā)明裝置用于軸向力施加的試驗(yàn)過(guò)程是，
如圖1、圖5所示，軸向力的施加是通過(guò)軸向力加載與測(cè)量機(jī)構(gòu)施加的。軸向電動(dòng)機(jī)25的轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)軸向傳動(dòng)絲杠27沿著軸向運(yùn)動(dòng),通過(guò)帶動(dòng)軸向力傳感器上端接頭30、S型軸向力傳感器29、軸向力傳感器下端接頭35和上端加載軸32，最終傳遞到土體試樣上，在土體試樣內(nèi)部產(chǎn)生軸向拉力或者壓力，這個(gè)壓力的大小能夠通過(guò)軸向力顯示儀31顯示并存儲(chǔ)；同時(shí)，由于位移測(cè)量支座37下部懸臂段可以限制位移測(cè)量平臺(tái)36的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，可以鎖定上端加載軸32的轉(zhuǎn)動(dòng)而只能產(chǎn)生軸向移動(dòng)。本發(fā)明裝置用于扭矩施加的試驗(yàn)過(guò)程是，如圖3、圖4所示，扭矩的施加是通過(guò)可升降的扭矩電動(dòng)機(jī)4直接施加的。通過(guò)扭矩電動(dòng)機(jī)控制器5控制扭矩電動(dòng)機(jī)4轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)主軸10能夠帶動(dòng)下傳動(dòng)軸16、固定螺栓17、下傳動(dòng)軸16、連接螺栓47及試樣座44同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而給土體試樣施加一個(gè)扭矩，其中體變測(cè)量管45與孔壓測(cè)量管46均是細(xì)長(zhǎng)軟管，不影響底座44轉(zhuǎn)動(dòng)。其中在扭矩電動(dòng)機(jī)4的升降調(diào)平機(jī)座52上表面，設(shè)置有多個(gè)方向的水準(zhǔn)管54及安裝有調(diào)節(jié)升降對(duì)中螺母53。調(diào)節(jié)升降對(duì)中螺母53能夠升降扭矩電動(dòng)機(jī)4的升降調(diào)平機(jī)座52 ;水準(zhǔn)管54能夠觀測(cè)扭矩電動(dòng)機(jī)4的升降調(diào)平機(jī)座52的水平狀態(tài)，從而確?？缮档呐ぞ仉妱?dòng)機(jī)4能適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)高度與角度，保證在施加扭矩的時(shí)候，不會(huì)產(chǎn)生偏心。本發(fā)明裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過(guò)程是，通過(guò)相應(yīng)的傳感器與對(duì)應(yīng)的顯示儀表實(shí)現(xiàn)的，具體包括:軸向電動(dòng)機(jī)25的轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)軸向傳動(dòng)絲杠27沿著軸向運(yùn)動(dòng),通過(guò)帶動(dòng)軸向力傳感器上端接頭30、S型軸向力傳感器29、軸向力傳感器下端接頭35和上端加載軸32，最終傳遞到土體試樣上，在土體試樣內(nèi)部產(chǎn)生軸向拉力或者壓力，這個(gè)力能夠用連接在S型軸向力傳感器29上的軸向力顯示儀31直接獲取。軸向力傳感器下端接頭35與位移測(cè)量平臺(tái)36固定連接，這個(gè)軸向位移能夠用與位移測(cè)量平臺(tái)36接觸的軸向位移測(cè)量?jī)x38測(cè)量并記錄;通過(guò)扭矩電動(dòng)機(jī)控制器5控制扭矩電動(dòng)機(jī)4轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)主軸10能夠帶動(dòng)下傳動(dòng)軸16轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在扭矩電動(dòng)機(jī)4上的絕對(duì)式角位移傳感器9能夠測(cè)量扭轉(zhuǎn)角，并用角位移顯示儀8顯示并記錄；扭矩能夠通過(guò)安裝在工作臺(tái)18下方的盤(pán)式扭矩傳感器15測(cè)量，并用扭矩顯示儀14顯示并記錄；土體試樣內(nèi)部孔壓值能夠用孔壓測(cè)量?jī)x11測(cè)量并記錄；土體試樣圍壓值能夠用圍壓加載測(cè)量?jī)x12控制并測(cè)量與記錄；土體試樣體變值能夠用體變測(cè)量器20直接測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。綜上所述，參照?qǐng)D6，本發(fā)明裝置能夠按照單軸拉伸、單軸壓縮、純扭剪、拉扭、壓扭、三軸拉伸、三軸壓縮、三軸扭剪、三軸拉扭以及三軸壓扭十種受力狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究,對(duì)于每一種受力狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度特性試驗(yàn)，獲得相應(yīng)試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
權(quán)利要求
1.一種基于拉壓扭剪耦合的應(yīng)力路徑三軸儀，其特征在于:包括箱體(2)，箱體(2)內(nèi)安裝有電動(dòng)機(jī)平臺(tái)(3)，電動(dòng)機(jī)平臺(tái)(3)的中心位置安裝有扭矩電動(dòng)機(jī)(4)，扭矩電動(dòng)機(jī)(4)與扭矩電動(dòng)機(jī)控制器(5)信號(hào)連接，在箱體(2)內(nèi)部分別安裝有圍壓水體給排控制器(13)、角位移顯示儀(8)、扭矩顯示儀(14)、圍壓加載測(cè)量?jī)x(12)和孔壓測(cè)量?jī)x(11);在扭矩電動(dòng)機(jī)(4)的電機(jī)傳動(dòng)軸(10)上套裝有絕對(duì)式角位移傳感器(9)，絕對(duì)式角位移傳感器(9)信號(hào)輸出端與角位移顯示儀(8)連接；電動(dòng)機(jī)主軸(10)向上與下傳動(dòng)軸(16)同軸連接，下傳動(dòng)軸(16)上套裝有盤(pán)式扭矩傳感器(15)； 箱體(2)上端面作為工作臺(tái)(18)，工作臺(tái)(18)的上表面固定設(shè)置有圍壓室底座(19)，圍壓室底座(19)上座有壓力室外殼，該壓力室外殼由多個(gè)支撐柱(42)、圍壓罩(40)和壓力室蓋(33)組成，壓力室蓋(33)設(shè)置有排氣螺栓(34)，壓力室蓋(33)、圍壓罩(40)與圍壓室底座(19)三者共同構(gòu)成密封的圍壓腔(41)； 圍壓室底座(19)開(kāi)設(shè)有孔壓測(cè)量通道(49)、圍壓水體給排通道(48)、圍壓控制測(cè)量通道(51)和體變測(cè)量通道(50)，這些連接通道分別與孔壓測(cè)量?jī)x(11)、圍壓水體給排控制器(13 )、圍壓加載測(cè)量?jī)x(12 )和體變測(cè)量器(20 )對(duì)應(yīng)連接； 下傳動(dòng)軸(16)穿過(guò)圍壓室底座(19)，圍壓室底座(19)上表面中心位置固定安裝有試樣座(44 ),試樣座(44 )上用于放置試樣(39 ); 試樣座(44)通過(guò)體變測(cè)量管(45 )與體變測(cè)量通道(50 )連通，試樣座(44)另外通過(guò)孔壓測(cè)量管(46)與孔壓測(cè)量通道(49)連通； 在工作臺(tái)(18)上還豎立安裝有多個(gè)機(jī)架立柱(21 )，體變測(cè)量器(20)固定安裝在其中一個(gè)機(jī)架立柱(21)上；所有機(jī)架立柱(21)上端共同安裝有一個(gè)上平臺(tái)(22)，在上平臺(tái)(22)上安裝有電控箱(28)和位移測(cè)量支座(37)，位移測(cè)量支座(37)下部懸臂段安裝有軸向位移測(cè)量?jī)x(38);上平臺(tái)(22)的中心位置安裝有軸向電動(dòng)機(jī)支架與絲杠套筒(23)，軸向電動(dòng)機(jī)支架與絲杠套筒(23) 設(shè)置有軸向電動(dòng)機(jī)機(jī)座(24)，軸向電動(dòng)機(jī)機(jī)座(24)中安裝有軸向電動(dòng)機(jī)(25)，軸向電動(dòng)機(jī)(25)與軸向傳動(dòng)絲杠(27)傳動(dòng)連接； 在壓力室蓋(33)上部軸心位置設(shè)置有定位夾持器(43)，與試樣(39)連接的上端加載軸(32)向上穿過(guò)該定位夾持器(43)與軸向力傳感器下端接頭(35)、S型軸向力傳感器(29 )、軸向力傳感器上端接頭(30 )、軸向傳動(dòng)絲杠(27 )依次連接，其中定位夾持器(43 )側(cè)壁帶有一個(gè)穿孔螺桿；軸向力傳感器下端接頭(35)沿水平方向固定安裝有位移測(cè)量平臺(tái)(36),位移測(cè)量平臺(tái)(36)與軸向位移測(cè)量?jī)x(38)接觸連接；S型軸向力傳感器(29)與軸向力顯示儀(31)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于拉壓扭剪耦合的應(yīng)力路徑三軸儀，其特征在于:所述的扭矩電動(dòng)機(jī)(4)為可升降結(jié)構(gòu)，在扭矩電動(dòng)機(jī)(4)的升降調(diào)平機(jī)座(52)上表面，設(shè)置有多個(gè)方向的水準(zhǔn)管(54 )及安裝有調(diào)節(jié)升降對(duì)中螺母(53 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于拉壓扭剪耦合的應(yīng)力路徑三軸儀，其特征在于:所述的軸向傳動(dòng)絲杠(27)與潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)(26)連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于拉壓扭剪耦合的應(yīng)力路徑三軸儀，其特征在于:所述的電控箱(28)與軸向電動(dòng)機(jī)(25)、扭矩電動(dòng)機(jī)(4)分別控制連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于拉壓扭剪耦合的應(yīng)力路徑三軸儀，其特征在于:所述的試樣(39)包裹有橡皮膜，試樣(39)上下兩個(gè)端面采用強(qiáng)力膠與對(duì)應(yīng)的加載接觸部件粘接，橡皮膜與對(duì)應(yīng)加載接觸部件綁扎牢固。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于拉壓扭剪耦合的應(yīng)力路徑三軸儀，其特征在于:所述的壓力室外殼下 端面與圍壓室底座(19)的臺(tái)階立面之間設(shè)置有密封橡膠圈(57)，在下傳動(dòng)軸(16)與圍壓室底座(19)之間設(shè)置有密封橡膠圈(56);此外，壓力室蓋(33)與上端加載軸(32 )之間設(shè)置有密封橡膠圈(58 )。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于拉壓扭剪耦合的應(yīng)力路徑三軸儀，在三軸壓力室上部設(shè)置軸向力加載軸和在三軸壓力室下部底座設(shè)置扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸；軸向力加載軸上采用了數(shù)顯推拉力傳感器和位移傳感器；在儀器下部底座扭矩傳動(dòng)軸上同時(shí)采用了扭矩傳感器、顯示儀表和絕對(duì)式角位移傳感器、角位移顯示儀；采用壓力室液體自動(dòng)給排功能的設(shè)計(jì)，使用圍壓水給排控制器能夠給壓力室內(nèi)部分別進(jìn)行上水和下水。本發(fā)明不僅為圓柱體土樣處于無(wú)圍壓或者有圍壓條件下的拉、壓、扭、剪及其組合條件下強(qiáng)度特性的測(cè)定提供了一種可行的試驗(yàn)裝置，顯著地提高了試驗(yàn)的可靠度。
文檔編號(hào)G01N3/00GK103149078SQ20131006490
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者李榮建, 劉軍定, 李海濤, 吳利言 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)