本實(shí)用新型涉及土工試驗(yàn)中土體宏觀強(qiáng)度的微觀本質(zhì)研究領(lǐng)域，是一種用于分級(jí)加載過(guò)程中土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的觀測(cè)方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，國(guó)內(nèi)外很多巖土工程專業(yè)的研究人員都在熱衷于通過(guò)掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡和同步輻射等方法探究巖土樣的空間結(jié)構(gòu)特征，其中主要是以巖樣的裂隙分布和土樣的孔隙排布這兩方面的研究為主。

傳統(tǒng)的土工試驗(yàn)主要是在靜態(tài)條件下獲取土體孔隙空間排列、孔隙形態(tài)、孔隙尺度變化特征等數(shù)據(jù)，而靜態(tài)條件下土樣的與動(dòng)態(tài)條件下土樣的孔隙排布還是有很大差異的。就現(xiàn)有的室內(nèi)試驗(yàn)的技術(shù)條件而言，三軸試驗(yàn)獲得的土樣強(qiáng)度較為準(zhǔn)確可靠，但是傳統(tǒng)三軸儀主要是用于室內(nèi)獲取靜態(tài)條件下，較大尺寸土樣的強(qiáng)度參數(shù)，用以提供給各工程設(shè)計(jì)中計(jì)算地基穩(wěn)定性的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，其功能也僅僅只是用于獲取土樣的剪切強(qiáng)度，并不能獲取與土樣有關(guān)的其他信息。所以目前的研究技術(shù)都還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)合適的動(dòng)態(tài)土體孔隙的獲取。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的是，針對(duì)傳統(tǒng)土工試驗(yàn)無(wú)法在動(dòng)態(tài)條件下獲取土樣參數(shù)的變化以及提高試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，提供一種土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的三軸旋轉(zhuǎn)觀測(cè)方法及其裝置。將測(cè)試系統(tǒng)置于X光成像環(huán)境之中，可實(shí)時(shí)獲得試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元在軸力作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，避免了試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的單一性以及無(wú)法獲取土樣微觀孔隙空間結(jié)構(gòu)參數(shù)特征；同時(shí)，通過(guò)定時(shí)將試驗(yàn)進(jìn)程中的機(jī)械推移軸力與軸力傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)修正傳感器和機(jī)械運(yùn)行誤差，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，這有效的提高了分析土樣微觀空間結(jié)構(gòu)特征的水平。本實(shí)用新型可為土樣宏觀尺度參數(shù)特征的變化研究提供微觀尺度的參考帶來(lái)便利。

為達(dá)成上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案如下：

一種用于實(shí)時(shí)觀測(cè)土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的三軸旋轉(zhuǎn)裝置，包括壓力室裝置1、檢測(cè)裝置2、加荷與驅(qū)動(dòng)裝置3、底座4、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置5及自控系統(tǒng)6；檢測(cè)裝置2包括：圍壓檢測(cè)接口和連接自控系統(tǒng)的圍壓檢測(cè)傳感器；反壓接口和連接自控系統(tǒng)的反壓檢測(cè)傳感器；孔隙壓力接口和連接自控系統(tǒng)的孔隙壓力檢測(cè)傳感器；位移傳感器和位移傳感器測(cè)量板裝在位移傳感器架上，伴隨位移傳感器板與螺紋減速機(jī)絲杠上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)位移量數(shù)值測(cè)量；壓力室裝置1的上螺紋孔連接軸力外傳力桿及軸壓加載帽；軸壓驅(qū)動(dòng)裝置安裝在壓力室裝置的頂部并通過(guò)加載外聯(lián)接桿對(duì)壓力室裝置內(nèi)試樣進(jìn)行加載，圍壓/反壓加載是安裝在自控系統(tǒng)的ITV0050電氣比例閥，通過(guò)電氣比例閥開(kāi)合度的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)圍壓/反壓加載壓力的目標(biāo)控制；旋轉(zhuǎn)觀測(cè)驅(qū)動(dòng)單元包括安裝于底座內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)聯(lián)軸器、旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)部件；采用控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)所需的旋轉(zhuǎn)速度；

加荷與驅(qū)動(dòng)裝置3包括電機(jī)、螺紋減速機(jī)的軸壓加載裝置、圍壓/反壓加載、飽和壓力加載以及旋轉(zhuǎn)觀測(cè)驅(qū)動(dòng)單元。壓力室頂部、底部分別留有圍壓、反壓、孔隙壓及排水氣接口，用于聯(lián)接測(cè)試參數(shù)控制接口；

底座4安裝在壓力室裝置1下部，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置5安裝在底座4內(nèi)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置5的螺紋減速機(jī)的輸出絲杠中心線與軸力外傳力桿、軸壓加載帽、透水石、試樣、試樣底座位于同一條鉛垂線上，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置5帶動(dòng)上部的壓力室裝置1、檢測(cè)裝置2、加荷與驅(qū)動(dòng)裝置3旋轉(zhuǎn)；

自控系統(tǒng)6包括：數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、指令輸入模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)采集分模塊；

自控系統(tǒng)還包括計(jì)算對(duì)比分模塊、校核修正分模塊、LCD顯示和驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行六部分。本實(shí)用新型裝置可暴露于同步輻射X光中，得到X光圖像表征的土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)，在X光旋轉(zhuǎn)加載，進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。

測(cè)試過(guò)程中，試樣下部隔一透水石裝在試樣的底座4上；底座4頂部隔一透水石承接壓力室裝置1傳來(lái)的軸向壓力；軸向加載帽頂部接受軸力內(nèi)傳力桿加載的軸向推力和反壓壓力；軸力內(nèi)傳力桿直接連在檢測(cè)裝置2的下螺紋孔內(nèi)；檢測(cè)裝置2的上螺紋孔聯(lián)接軸力外傳力桿；壓力室頂部、底部分別留有圍壓、反壓、孔隙壓及排水氣接口，用于聯(lián)接測(cè)試參數(shù)控制接口。

檢測(cè)裝置2獲取加載在試樣上的壓力值；圍壓傳感器、反壓傳感器、孔隙壓力傳感器、位移傳感器同時(shí)獲取相應(yīng)的壓力值，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊6.1直接將數(shù)據(jù)顯示在HMI顯示上。

有益效果：本實(shí)用新型測(cè)試系統(tǒng)置于高亮度X光環(huán)境之中，進(jìn)行逐級(jí)加載，在每級(jí)荷載下，持荷并控制儀器旋轉(zhuǎn)360度，獲得各級(jí)荷載下土體內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)斷層成像圖片序列。本發(fā)明旨在解決土工三軸試驗(yàn)中難以實(shí)時(shí)定量表征土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的不足，以提高表征土體物理、力學(xué)性質(zhì)的能力。檢測(cè)裝置獲取相應(yīng)軸壓、圍壓、反壓目標(biāo)值S1、S2、S3，比較各傳感器的現(xiàn)時(shí)值與各自目標(biāo)值，與系統(tǒng)預(yù)設(shè)定的允差標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，若符合標(biāo)準(zhǔn)允差，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，并向HMI顯示輸出數(shù)據(jù)，如果不符合標(biāo)準(zhǔn)允差，系統(tǒng)進(jìn)入修正校核，首先檢測(cè)傳感器狀態(tài)。提供一種土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的三軸旋轉(zhuǎn)觀測(cè)方法及其裝置。本實(shí)用新型將測(cè)試系統(tǒng)置于X光成像環(huán)境之中，可實(shí)時(shí)獲得試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元在軸力作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，避免了試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的單一性以及無(wú)法獲取土樣微觀孔隙空間結(jié)構(gòu)參數(shù)特征；同時(shí)，通過(guò)定時(shí)將試驗(yàn)進(jìn)程中的機(jī)械推移軸力與軸力傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)修正傳感器和機(jī)械運(yùn)行誤差，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。判斷傳感器的工作狀態(tài)，若傳感器狀態(tài)異常，校正傳感器。完成上述后，讀取校正后的傳感器讀數(shù)，重復(fù)上述檢測(cè)裝置2獲取值；校核檢驗(yàn)完成后，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，并向HMI顯示輸出顯示數(shù)據(jù)；由以上本實(shí)用新型的技術(shù)方案可知，本實(shí)用新型的有益效果是與傳統(tǒng)土工試驗(yàn)相比：利用步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可控性和機(jī)械加載裝置本身固有的傳動(dòng)比，控制微觀旋轉(zhuǎn)三軸系統(tǒng)軸向載荷和對(duì)試樣進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)觀測(cè)，將測(cè)試系統(tǒng)置于X攝像環(huán)境之中，可獲得側(cè)限試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元可靠的三維運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)數(shù)據(jù)及試樣固結(jié)性能參數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的自校核無(wú)側(cè)限壓縮儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作流程圖。

圖3為本實(shí)用新型的自校核控制系統(tǒng)工作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)闡述。

結(jié)合圖1，一種用于實(shí)時(shí)觀測(cè)土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的三軸旋轉(zhuǎn)裝置，主要由壓力室裝置1、 檢測(cè)裝置2、加荷與驅(qū)動(dòng)裝置3、底座4、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置5及自控系統(tǒng)6共同構(gòu)成。位移傳感器8裝在上部。試樣9，軸力傳感器10。

壓力室裝置包括由壓力室底板、壓力室筒、壓力室頂蓋等組成密封罩結(jié)構(gòu)，壓力室底板通過(guò)開(kāi)槽無(wú)頭軸位螺釘，定座在旋轉(zhuǎn)連接盤上。試樣底座通過(guò)螺紋安裝在壓力室底板上；測(cè)試過(guò)程中，試樣下部隔一透水石裝在試樣底座上；試樣底座中心加工2mm透孔，用于測(cè)量孔隙壓力或傳遞飽和壓力；試樣底座頂部隔一透水石承接軸壓加載帽傳來(lái)的軸向壓力,壓力由軸壓加載電機(jī)7傳動(dòng)至減速機(jī)加至加載帽；軸壓加載帽中心加工2mm透孔，用于傳遞反壓壓力；軸向加載帽頂部接受軸力內(nèi)傳力桿加載的軸向推力和反壓壓力；軸力內(nèi)傳力桿直接聯(lián)在軸力傳感器的下螺紋孔內(nèi)；軸力傳感器的上螺紋孔聯(lián)接軸力外傳力桿；壓力室頂部、底部分別留有圍壓、反壓、孔隙壓及排水氣接口，用于聯(lián)接測(cè)試參數(shù)控制接口。

檢測(cè)裝置包括軸壓、圍壓、反壓、孔隙壓/飽和控制壓力檢測(cè)裝置和位移檢測(cè)裝置。其中軸壓檢測(cè)裝置包括軸力傳感器、軸壓內(nèi)傳力桿、軸壓加載帽、試樣底座等，其相對(duì)安裝位置如上段壓力室結(jié)構(gòu)所述；圍壓檢測(cè)裝置包括圍壓檢測(cè)接口和位于控制箱內(nèi)的圍壓檢測(cè)傳感器；反壓檢測(cè)裝置包括反壓接口和位于控制箱內(nèi)的反壓檢測(cè)傳感器；孔隙壓力/飽和控制壓力檢測(cè)裝置包含孔隙壓力接口和位于控制箱內(nèi)的孔隙壓力檢測(cè)傳感器；位移檢測(cè)裝置包含位移傳感器、位移傳感器架、位移傳感器測(cè)量板等，伴隨位移傳感器板與螺紋減速機(jī)絲杠上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)位移量數(shù)值測(cè)量；

加荷與驅(qū)動(dòng)裝置包括軸壓加載、圍壓/反壓加載、飽和壓力加載以及旋轉(zhuǎn)觀測(cè)驅(qū)動(dòng)。軸壓加載驅(qū)動(dòng)裝置包含軸壓加載電機(jī)、螺紋減速機(jī)等，軸壓驅(qū)動(dòng)裝置安裝在壓力室頂部通過(guò)加載外聯(lián)接桿對(duì)試樣進(jìn)行加載；圍壓/反壓加載主要是安裝在控制箱內(nèi)的ITV0050電氣比例閥，通過(guò)電氣比例閥開(kāi)合度的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)圍/反的目標(biāo)控制；飽和加載驅(qū)動(dòng)裝置位于控制箱內(nèi)，包含120ml液壓缸、滾珠絲杠和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠推動(dòng)液壓缸內(nèi)的活塞，實(shí)現(xiàn)對(duì)飽和壓力的控制；旋轉(zhuǎn)觀測(cè)驅(qū)動(dòng)安裝于測(cè)試系統(tǒng)底座內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電機(jī)聯(lián)軸器、旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)等部件組成，主要采用控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)所需的旋轉(zhuǎn)速度。

底座及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置中，螺紋減速機(jī)的輸出絲杠中心線與與軸力外傳力桿、軸力內(nèi)傳桿、軸壓加載帽、透水石、試樣、試樣底座位于同一條鉛垂線上。

通過(guò)壓力源為三軸儀壓力室提供恒定圍壓。

其中軸壓檢測(cè)裝置包括軸力傳感器、軸壓內(nèi)傳力桿、軸壓加載帽、試樣底座等，其相對(duì)安裝位置如上段壓力室結(jié)構(gòu)所述；圍壓檢測(cè)裝置包括圍壓檢測(cè)接口和位于控制箱內(nèi)的圍壓檢測(cè)傳感器；反壓檢測(cè)裝置包括反壓接口和位于控制箱內(nèi)的反壓檢測(cè)傳感器；孔隙壓力/飽和控制壓力檢測(cè)裝置包含孔隙壓力接口和位于控制箱內(nèi)的孔隙壓力檢測(cè)傳感器；位移檢測(cè)裝置包含位移傳感器、位移傳感器架、位移傳感器測(cè)量板等，伴隨位移傳感器板與螺紋減速機(jī)絲杠上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)位移量數(shù)值測(cè)量；

通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以加大機(jī)械加載裝置傳動(dòng)比(加大速度)，逐級(jí)增大三軸儀軸向壓力，同步測(cè)讀土樣位移、孔隙水壓力等基本參數(shù)。

在恒定圍壓、軸壓與反壓下持荷，控制三軸儀壓力室繞其圓筒軸心旋轉(zhuǎn)，控制轉(zhuǎn)速不超過(guò)12°/sec，且不低于1°/sec，旋轉(zhuǎn)360°后，獲得該級(jí)荷載下土樣內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的X光斷層掃描圖像序列。

對(duì)所得圖像二值化，進(jìn)行三維重構(gòu)及數(shù)字矩陣運(yùn)算等操作，精細(xì)化分析土樣內(nèi)部三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)。

在各級(jí)荷載下，用土樣的三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)定量特征結(jié)合位移、孔壓及孔隙比等宏觀參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，用于土體受力、變形內(nèi)在機(jī)制研究。

首先，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后檢測(cè)裝置2進(jìn)行初始化自檢，系統(tǒng)歸零復(fù)位，系統(tǒng)進(jìn)入等待試驗(yàn)開(kāi)始指令狀態(tài)，然后讀取試驗(yàn)指令參數(shù)，自控系統(tǒng)6輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行指令。

加荷與驅(qū)動(dòng)裝置3獲取加載在試樣的底座4上的壓力值并通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)顯示在HMI顯示上。

結(jié)合圖3，檢測(cè)裝置2獲取相應(yīng)軸壓、圍壓、反壓目標(biāo)值S1、S2、S3，比較各傳感器的現(xiàn)時(shí)值與各自目標(biāo)值，反饋兩者偏差值S1′、S2′、S3′；將兩者偏差值S1′、S2′、S3′與系統(tǒng)預(yù)設(shè)定的允差標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較；

如果符合要求，則繼續(xù)下一步，如果不符合，則進(jìn)行調(diào)整，再次進(jìn)行誤差比較，直到符合誤差要求，并向HMI顯示輸出數(shù)據(jù)；

完成試驗(yàn)前的校準(zhǔn)階段后，所有的原始測(cè)試數(shù)據(jù)及換算處理結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳輸協(xié)議由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置5傳輸?shù)阶钥叵到y(tǒng)6，自控系統(tǒng)通過(guò)接口接位移傳感器，再輸出到其他端口儲(chǔ)存。

結(jié)合圖2控制模塊6.4中的數(shù)據(jù)采集分模塊641，其中的軸力數(shù)據(jù)采集單元6411采集并記錄6.1送來(lái)的壓力數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，儲(chǔ)存并備用，同時(shí)將壓力數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸送給HMI6.5 顯示；其中的位移數(shù)據(jù)采集單元6413采集并記錄6.1送來(lái)的位移數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，儲(chǔ)存并備用。

其中的壓力數(shù)據(jù)采集單元6412同步采集圍壓、反壓、孔隙/飽和壓力送來(lái)的壓力數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存并備用；步進(jìn)電機(jī)/比例閥運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采集單元6414同步采集系統(tǒng)下達(dá)給步進(jìn)電機(jī)比例閥的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存并備用。數(shù)據(jù)采集分模塊641分別將6411、6412、6413采集的信號(hào)數(shù)據(jù)和各自的目標(biāo)值送給計(jì)算對(duì)比分模塊642進(jìn)行比較。

本實(shí)例中，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置5通過(guò)對(duì)試樣底座4和軸力加壓帽之間的試樣進(jìn)行加載，系統(tǒng)獲得實(shí)際加載在試樣上的軸向壓力數(shù)據(jù)；電氣比例閥通過(guò)壓力室頂?shù)撞康膰鷫?、反壓接口?duì)壓力室內(nèi)的試樣進(jìn)行圍壓、反壓加載，系統(tǒng)獲得相應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)。

以位移為x軸，以壓力為y軸，將不同位移條件下的壓力數(shù)據(jù)記錄在x、y坐標(biāo)平面內(nèi)，從而獲得試樣的試樣在不同條件下的抗壓強(qiáng)度特性曲線；系統(tǒng)置于X光或CT掃描系統(tǒng)中觀測(cè)，則能夠獲得試樣微結(jié)構(gòu)單元在不同圍/反壓和軸壓條件下的運(yùn)行軌跡曲線。

結(jié)合圖2和圖3，可見(jiàn)本實(shí)用新型可以實(shí)時(shí)獲得試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元在軸力作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)；同時(shí)，通過(guò)定時(shí)將試驗(yàn)進(jìn)程中的機(jī)械推移軸力與軸力傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)修正傳感器和機(jī)械運(yùn)行誤差，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，這有效的提高了分析土樣微觀空間結(jié)構(gòu)特征的水平。可為研究土樣微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程提供指導(dǎo)。