三軸軟土流變試驗機的製作方法

2023-11-12 05:16:47 1

專利名稱：三軸軟土流變試驗機的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於隧道工程和巖土工程領域，具體為一種能夠進行多種應力路徑和動、靜 荷載條件下的三軸軟土流變試驗機。
背景技術：
隨著軟土隧道、軟土地下結構規模和範圍的快速擴展，隧道和地下結構的長期性態成為 影響其安全運營的關鍵因素。流變試驗由於能夠綜合考慮隧道和地下結構不同圍壓和荷載變 化條件下的複雜應力路徑，正得到越來越多的關注。
普遍使用的三軸流變試驗可以分為兩類 一類為靜態土體流變試驗，這類試驗比較常見， 絕大多數的三軸流變試驗都屬於這一類；另一類為動態三軸試驗，主要用來測定土體的動態 特性指標。但目前此類試驗大多模擬土體的動態強度特徵，而針對循環荷載條件下的土體流 變試驗還很少見。因此需要一種能夠合理反映多種土體應力路徑，可在動、靜土體流變方案 之間自由切換的三軸流變試驗機。
發明內容
本實用新型的目的在於提供一種新型的三軸軟土流變試驗機，可在恆定圍壓下進行恆載 和恆變形控制，也可以在恆荷載或者恆變形控制一段時間後再施加按一定頻率和振幅變化的 動態荷載，然後再轉化為靜態荷載，並以此持續循環進行。
本實用新型採用如下技術方案-
一種三軸軟土流變試驗機，包括圍壓室、與該圍壓室相連的軸向加載單元、圍壓加載單 元、檢測試樣變化參數的檢測元件和計算機，所述圍壓室密封並通過管路與圍壓加載單元連 接，所述檢測元件與計算機連接，還包括控制軸向加載單元的軸向伺服控制器，該軸向伺服 控制器通過電路與計算機連接。
優選地，所述檢測元件為力傳感器。
進一步地，所述力傳感器設於圍壓室內。
優選地，所述檢測元件為差動變壓器。
進一步地，所述軸向加載單元還包括壓杆，所述圍壓室和差動變壓器分別固定在一支座 上，壓杆側壁上設有引出臂，該引出臂的頭部頂住差動變壓器。
優選地，所述檢測元件為電子天平，所述圍壓室通過管路與電子天平上的燒杯連接。 優選地，所述檢測元件為壓阻式壓力變送器。
優選地，還包括圍壓伺服控制器，該圍壓伺服控制器經電路與計算機連接。 優選地，所述軸向加載單元和圍壓加載單元中含有伺服電機。
由於採用了軸向伺服控制器，可根據計算機的指令控制軸向加載單元，隨而帶動壓杆上 下運動並控制其升降速度。當需要施加靜態荷載時，軸向伺服控制器可以控制軸向加載單元 停止輸出，使試樣承受一定的載荷；當需要動態荷載時，無論是恆變形還是按一定頻率和振 幅變化的動態荷載，軸向伺服控制器都能控制軸向加載單元驅動壓杆進行恆速上升、下降或 往復周期運動。因此，通過軸向伺服控制器可以隨時實現動、靜土體流變方案之間的轉化。
另外，由於設置了力傳感器、差動變壓器、電子天平、壓阻式壓力變送器，可量測試樣 上力或變形情況，以及空隙水流量、空隙水壓力和圍壓。


圖1為本實用新型涉及的三軸軟土流變試驗機的原理結構示意圖。 圖中
I、 上蓋 2、圍壓室 3、力傳感器 4、有機玻璃筒 5、試樣 6、壓阻式壓力變送器7、差動變壓器8、支座9、壓杆10、機座
II、 圍壓伺服缸 12、滾珠絲槓 13、軸向加載交流伺服電機 14、減速器 15、圍壓交流伺服電機 16、電子天平 17、圍壓伺服控制器 18、軸向伺服控制器 19、變形測量放大器 20、測力放大器 21、計算機 22、印表機
具體實施方式
如圖l，本實用新型涉及的三軸軟土流變試驗機包括圍壓室2、軸向加載單元、圍壓加載 單元、檢測試樣5變化參數的檢測元件和計算機21。所述圍壓室2是個密封的容器，用於對 裝在其中的試樣5施加圍壓，主要由有機玻璃筒4、上蓋l及六根連接杆、壓緊螺母和支座8 組成。圍壓室2和軸向加載單元連接。所述軸向加載單元由軸向加載交流伺服電機13、渦輪 蝸杆減速器14、滾珠絲槓12、壓杆9、支承筒組成。軸向加載交流伺服電機13通過齒形帶帶 動渦輪減速器14，減速器14輸出軸上通過一十字聯軸節與滾珠絲槓12連接。滾珠絲槓12的 下端通過一組軸承置於支承筒內，支承筒固定在機座10臺板引出的導向杆上，滾珠絲槓12
穿過導向杆。螺母上固定著壓杆9，在壓杆9上還裝著一個導向臂，導向臂通過軸承靠緊到導 向杆上，當伺服電機通過減速器14帶動滾珠絲槓12旋轉時，由於導向臂的作用，使螺母和 固定其上的壓杆9隻能上下移動，而不能旋轉，由此對試樣5施加軸向力。圍壓加載單元通 過管路與圍壓室2連接，圍壓加載單元由圍壓交流伺服電機15、行星齒輪減速器14、滾珠絲 槓12、圍壓伺服缸ll組成。伺服電機通過齒形帶帶動減速器14，其輸出軸與滾珠絲槓12相 連，滾珠絲槓12的螺母固定在圍壓伺服缸11的一側端蓋上，滾珠絲槓12前端伸入到圍壓伺 服缸11內，通過一組軸承與活塞相連，活塞前端的缸體內充滿水。
所述檢測元件用於量測試樣5的變化參數，將數據傳送到計算機21進行處理分析。檢測 元件可以是力傳感器3、差動變壓器7、電子天平16、壓阻式壓力變送器6，量測試樣5上力 或變形情況，以及空隙水流量、空隙水壓力和圍壓。
以下詳細介紹各檢測元件及其工作原理。
力傳感器3用於測量軸向力。軸向力測量可在圍壓室2室內或室外進行。優選地，力傳 感器3設於圍壓室2內，因為力傳感器3在圍壓室2內能直接測出作用到試樣5上的力，消 除了圍壓室2外測量所帶來的摩擦力的影響。可採用適用於2MPa壓力和水介質環境下的力傳 感器3。優選地，數據信號在進入計算機21前可先經過高精度三通道交流測力放大器20，該 測力放大器20供橋375Hz，釆用調製解調技術，以達到提高放大倍數、減小偏移的目的。
軸向變形量測量使用差動變壓器7。差動變壓器7固定在圍壓室支座8上的一個支架上， 在壓杆9側壁上固定一個引出臂，其上有一個調零用調節螺釘，該螺釘頭部端面與差動變壓 器7鐵芯頂住，這樣，試樣5在壓杆9作用下所產生的變形，與壓杆9相對圍壓室支座8的 位移相等，該位移由差動變壓器7測出。同樣優選地，差動變壓器7可將信號通過變形測量 放大器19後傳至計算機21，該變形測量放大器19是一個三通道的交流放大器，供橋為3.5Hz， 有l、 2、 5、 IO四個衰減檔。
空隙水流量測量採用SUNG-150電子天平16測量，在圍壓室支座8上有一個小孔，用尼 龍管與支座8底面上的小孔相連，再經一截至閥上的尼龍管與電子天平16上的燒杯相通，當 需要測量孔隙水流量時，打開截至閥，孔隙水就流到電子天平16的燒杯內，從而稱出出水的 量。電子天平16帶有RS232接口，通過導線與計算機21相連，將所測數據傳輸到計算機21 內，經過處理顯示在屏幕上。
圍壓和孔隙水壓力的測量，都是採用MPM480型壓阻式壓力變送器6,壓阻式壓力變送 器6的信號直接輸送到計算機21的D/A卡中，通過計算機21的處理，最後將壓力值顯示在
屏幕上。
所述軸向伺服控制器18的控制對象為軸向加載交流伺服電機13。優選地，其輸入端與計 算機21連接，輸出端與軸向加載單元連接。軸向伺服控制器18包括伺服驅動器和試驗控制 單元，由計算機21程序或試驗機上的按鈕發出指令，試驗控制單元接收後控制伺服驅動器， 從而實現壓杆9的上升、下降及其速度。並且該軸向伺服控制器18具有各種保護功能，在試 驗荷載超量程時，或者試樣5破斷時，能夠通過計算機21傳來的命令自行停機，並對軸向加 載單元發出相應的信號。圍壓伺服控制器17的控制對象為圍壓交流伺服電機15，使圍壓室2 得到穩定的圍壓，其與軸向伺服控制器18的工作原理和特點是相同的。
測力放大器20、變形測量放大器19、軸向伺服控制器18和圍壓伺服控制器17均集成在 同一控制箱內。計算機21還連著印表機22，以方便列印試驗曲線和實驗報告。
試驗過程如下在進行試驗前，首先將測力放大器20進行標定，試驗機通電預熱30分 鍾以上。在1倍檔條件下，對各表頭進行標定，如果表頭顯示出的標定值超出給定標定數的 0.3%以上，通過調節對應測力放大器20電路板，使之達到標定值。根據試驗負荷選定合適的 測量檔位，試驗值最好在所選量程的20% 80%。試驗未啟動前用粗、細調零電位器調節零 點，使放大器顯示為零。開始加載後，測力放大器20顯示出作用到試樣5上的力值。
然後對變形量測放大器進行標定，標定方法和測力放大器20的標定方法相同。
試驗前還需要將電子天平16置零。
在試驗過程中，對主機進行操作，操作過程包括裝卸試樣5、向圍壓室2注水、進行加 載試驗。在裝卸試驗和向圍壓室2注水過程中以及加預荷載的過程中，均採用手動操作控制 試驗(即試驗機上有相應按鈕)，在手動控制過程中將速度調節電位器放到較小的位置，通過 按動升、降和停按鍵，控制壓杆9的升降以及圍壓伺服缸11活塞的前進和後退，此時，如果 壓杆9或者活塞達到極限位置時，試驗機會自動停機，提示按照相反方向操作，使壓杆9或 者活塞脫離極限狀態。在正式加載試驗時，可選擇自動控制，通過計算機21控制加載的方式 和加載的速度以及進行試驗數據的記錄。在選擇試驗過程中改變試驗方式時，可選擇退出目 前的操作狀態，同時選擇保持目前的加載體系不改變，直到新的加載體系開始工作，因此， 該試驗設備可對同一試樣5進行不同的試驗類型切換。
權利要求1. 一種三軸軟土流變試驗機，包括圍壓室(2)、與圍壓室(2)相連的軸向加載單元、圍壓加載單元、檢測試樣(5)變化參數的檢測元件和計算機(21)，所述圍壓室(2)密封並通過管路與圍壓加載單元連接，所述檢測元件與計算機(21)連接，其特徵在於還包括控制軸向加載單元的軸向伺服控制器(18)，該軸向伺服控制器(18)通過電路與計算機(21)連接。
2. 根據權利要求1所述的三軸軟土流變試驗機，其特徵在於所述檢測元件為力傳感器(3)。
3. 根據權利要求2所述的三軸軟土流變試驗機，其特徵在於所述力傳感器(3)設於圍壓 室(2)內。
4. 根據權利要求1所述的三軸軟土流變試驗機，其特徵在於:所述檢測元件為差動變壓器(7)。
5. 根據權利要求4所述的三軸軟土流變試驗機，其特徵在於所述軸向加載單元還包括壓杆(9)，所述圍壓室(2)和差動變壓器(7)分別固定在一支座(8)上，壓杆(9)側壁上 設有引出臂，該引出臂的頭部頂住差動變壓器(7)。
6. 根據權利要求1所述的三軸軟土流變試驗機，其特徵在於所述檢測元件為電子天平(16), 所述圍壓室(2)通過管路與電子天平(16)上的燒杯連接。
7. 根據權利要求1所述的三軸軟土流變試驗機，其特徵在於所述檢測元件為壓阻式壓力變 送器(6)。
8. 根據權利要求1所述的三軸軟土流變試驗機，其特徵在於還包括圍壓伺服控制器(17)， 該圍壓伺服控制器(17)經電路與計算機(21)連接。
9. 根據權利要求1所述的三軸軟土流變試驗機，其特徵在於所述軸向加載單元和圍壓加載 單元中含有伺服電機。
專利摘要本實用新型公開了一種能夠進行多種應力路徑和動、靜荷載條件下的三軸軟土流變試驗機。包括圍壓室、與圍壓室相連的軸向加載單元、圍壓加載單元、檢測試樣變化參數的檢測元件和計算機，所述圍壓室密封並通過管路與圍壓加載單元連接，所述檢測元件與計算機連接，還包括控制軸向加載單元的軸向伺服控制器，該軸向伺服控制器通過電路與計算機連接。由於採用了軸向伺服控制器，可根據計算機的指令控制軸向加載單元，隨而帶動壓杆上下運動並控制其升降速度。因此，可以隨時實現動、靜土體流變方案之間的轉化。
文檔編號G01N33/00GK201203600SQ200820058709
公開日2009年3月4日 申請日期2008年5月21日 優先權日2008年5月21日
發明者何之民, 吳曉峰, 鍵 周, 張冬梅, 朱合華, 黃宏偉 申請人:同濟大學