一種臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀的製作方法

2023-06-24 02:42:06

一種臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀，包括主機部分、三向應力加載及量測機構、採集控制機構三部分，主機部分的結構是，包括固定安裝在底座上的四個立柱，在該四個立柱上段固定安裝有底盤及頂蓋，在底盤及頂蓋的四邊固定連接有側壁，底盤、頂蓋及四個側壁共同圍成壓力室，壓力室內腔中心放置有長方體形狀的試樣；三向應力加載及量測機構包括大應力、小應力和中應力加載及量測機構。本發明的裝置，通過平面應變三軸試驗可以得到三向應力、兩向主應變、非飽和三向應力，互不幹擾；實現了平面應變試驗的剪切帶及局部化變形的研究；能夠在平面應力路徑條件下研究非飽和土的力學特性及強度變形變化機理。
【專利說明】一種臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀
【技術領域】
[0001]本發明屬於巖土工程【技術領域】，涉及一種臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀。【背景技術】
[0002]現有的土力學性質測試設備主要有直剪儀、常規三軸儀、真三軸儀和平面應變三軸儀。其中直剪儀模擬給定剪切面上的法向應力和切向應力，可測試剪切面上的剪應力和剪應變，但不能夠控制排水條件；常規三軸儀模擬軸對稱應力條件，不能實現一般應力條件土力學特性的測試；真三軸儀可實現土體中一般的應力條件的模擬，但對於許多平面應變邊值問題，進行真三軸試驗相對繁瑣，且難以全過程模擬平面應變條件；平面應變三軸儀主要控制三向應力不同，其中一個軸向的應變為零，是一種特殊的複雜應力狀態的真三軸儀。
[0003]由於實際工程中，大多數土工問題都近似於平面應變問題，如土石壩、路堤、擋土牆及條形基礎等，開展平面應變試驗具有實際意義。另外，由於孔隙的變化及土顆粒的滑移、破碎等形式共同作用導致土的變形，通過平面應變試驗能夠得到土顆粒滑移、破碎的變化規律，進行土的局部化變形及剪切帶形成機理的研究，從而為分析土的力學特性及其物理本質(也即是物質結構特性)，提供有力的方法和途徑。
[0004]平面應變三軸儀的結構設計難點在於側向兩個應力相互獨立，並且必須一個側向主應變始終為零，另外，對於孔隙水和孔隙氣壓力的控制和量測較難控制。因此，改善現有平面應變試驗的加載機構，克服以上難點，開發一種符合工程實際中土的平面應變問題的實驗儀器，具有顯著的意義。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是提供一種臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀，解決了現有技術中的平面應變三軸儀中保持一個方向主應變始終為零，以及孔隙水和孔隙氣壓力的控制和量測較難控制的問題。
[0006]本發明所採用的技術方案是，一種臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀，包括主機部分、三向應力加載及量測機構、採集控制機構，
[0007]主機部分的結構是，包括固定安裝在底座上的四個立柱，在該四個立柱上段固定安裝有底盤及頂蓋，在底盤及頂蓋的四邊固定連接有側壁，底盤、頂蓋及四個側壁共同圍成壓力室，壓力室內腔中心放置有長方體形狀的試樣；
[0008]三向應力加載及量測機構包括大應力、小應力和中應力加載及量測機構。
[0009]本發明的臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀，其特點還在於:
[0010]中應力加載及量測機構的結構是，在頂蓋及底盤內表面分別鑲嵌有上活動板和下活動板，上活動板和下活動板分別與試樣的上下端面接觸；下活動板向下連接有中應力測力缸，中應力測力缸與中應力傳感器連接，下活動板上表面另外鑲嵌有下透水板，下透水板與孔隙水壓力傳感器B連通；上活動板下表面中心位置的凹槽中設置有上透水板，上透水板與孔隙水壓力傳感器A連通。[0011]上活動板下表面設置有凹槽，凹槽中鑲嵌有上透水板，上活動板中心設置有排氣孔，上透水板通過排氣孔與孔隙水壓力傳感器A連通。
[0012]下活動板的上表面另外設置有兩個凹槽，其中的一個凹槽內安置有下透水板，下透水板向下通過排水孔與孔隙水壓力傳感器B連通；同時，下活動板另外的一個凹槽內設置有土壓力盒，土壓力盒下端連通中應力測力缸，中應力測力缸與底盤固定連接。
[0013]大、小應力加載及量測機構的結構是，圍繞試樣的四面分別設置有一個側板，相鄰的側板依次垂直滑動接觸，四塊側板與試樣作用面分成了正交的兩組；每塊側板外側面頂觸安裝有一組杆端小車及滑塊；在四個側壁上分別固定安裝有一個液壓缸，每個液壓缸上分別設置有一個排氣閥，每個液壓缸的活塞杆通過連接杆伸進壓力室內與一組杆端小車對應連接；四個液壓缸沿試樣側面作用的大應力和小應力方向對應設置為兩對，兩對液壓缸上分別同軸安裝有大應力傳感器及小應力傳感器，大應力傳感器和小應力傳感器分別對應連通各自的一套液壓源壓力缸；兩對液壓缸的活塞杆上分別設置有大應力位移傳感器及小應力位移傳感器。
[0014]杆端小車包括杆端輪座，杆端輪座平行安裝有多個輪軸，每個輪軸兩端通過軸承安裝有滾輪；杆端輪座通過螺紋圓柱銷與連接杆支撐連接；滾輪與試樣接觸面的側板外側面滾動接觸，同時，滑塊上安裝的導向輪與試樣接觸面的側板外側面滾動接觸。
[0015]本發明的有益效果是，能夠完成大、小應力的獨立加載及其變形的獨立量測，以及中應力量測及其變形為零的有效控制；實現了對孔隙氣、孔隙水壓力的控制和量測；實現了平面應變應力狀態的模擬，以及測定土在平面應變狀態下土的力學特性參數；試驗操作簡單方便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發明裝置中的主機部分立剖面示意圖；
[0017]圖2是本發明裝置中的主機部分橫剖面示意圖；
[0018]圖3是本發明裝置中的上活動板結構示意圖；
[0019]圖4是本發明裝置中的下活動板結構示意圖；
[0020]圖5是本發明裝置中的頂蓋及上活動板結構示意圖；
[0021]圖6是本發明裝置中的底盤結構示意圖；
[0022]圖7是本發明裝置中的液壓缸結構示意圖；
[0023]圖8是本發明裝置中的杆端小車結構示意圖；
[0024]圖9是本發明裝置中的步進電機驅動液壓缸結構示意圖。
[0025]圖中，1.下活動板，2.液壓缸，3.杆端小車，4.側板，5.滑塊，6.壓力室，7.底座，
8.立柱,9.底盤，10.頂蓋,11.上透水板,12.上活動板,13.中應力測力缸,14.下透水板，
15.大應力位移傳感器，16.連接杆，17.六角頭螺栓，18.排氣閥，19.土壓力盒，20.蓋形螺母，21.試樣，22.凹槽，23.排水孔，24.排氣孔，25.固定螺栓，26.螺孔，27.連通管接頭，28.油塞，29.軸承，30.杆端輪座，31.螺紋圓柱銷，32.小應力位移傳感器，33.中應力傳感器，34.大應力傳感器，35.小應力傳感器，36.孔隙水壓力傳感器A，37.孔隙水壓力傳感器B，38.液壓源壓力缸，39.滾珠絲杆接頭，40.滾珠絲杆導向座，41.固定座，42.滾珠絲杆，43.減速器接頭，44.步進電機，45.導向輪，46.滾輪，47.活塞。【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0027]本發明臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀的結構是，包括主機部分、三向應力加載及量測機構、採集控制機構三部分。其中主機部分是實現對長方體試樣施加應力以及排水條件控制的核心。三向應力加載及量測機構包括大應力、小應力和中應力加載及量測機構，通過三套液壓油缸機構，分別對試樣施加大應力、小應力和中應力，每個液壓油缸分別與一套步進電機驅動絲槓推動液壓缸活塞的液壓源連接，每個步進電機驅動可由計算機實現控制程序發出指令，控制液壓大小或者一定的活塞位移速率，實現液壓的輸出。採集控制機構，包括液壓載荷的控制以及通過下位機電子板配合上位機程序，自動實施量測信號的採集和信息處理，已有成熟的技術在此不再重複。
[0028]本發明裝置中的試樣21為長方體形狀，水平方向垂直的兩對加載力稱為大、小應力，豎直方向的加載力稱為中應力，均可以實現單獨或聯合加載。
[0029]參照圖1、圖2，本發明裝置的主機部分的結構是，包括固定安裝在底座7上的四個立柱8，在該四個立柱8上段固定安裝有底盤9及頂蓋10，在底盤9及頂蓋10的四邊固定連接有側壁，底盤9、頂蓋10及四個側壁共同圍成壓力室6，壓力室6內腔中放置有長方體形狀的試樣21 ；
[0030]四個立柱8下端頭通過六角頭螺栓17固定安裝在底座7上，四個立柱8上端頭穿過底盤9及頂蓋10後套接有蓋形螺母20，實現可靠固定；
[0031]中應力加載及量測機構的結構是，頂蓋10及底盤9內表面分別鑲嵌有上活動板12和下活動板1，上活動板12和下活動板I分別與試樣21的上下端面接觸；下活動板I向下連接有中應力測力缸13，中應力測力缸13與中應力傳感器33連接，下活動板I上表面另外鑲嵌有下透水板14，下透水板14與孔隙水壓力傳感器B37連通；上活動板12下表面中心位置的凹槽中設置有上透水板11，上透水板11與孔隙水壓力傳感器A36連通；
[0032]大、小應力加載及量測機構的結構是，緊貼試樣21的四個側面分別設置有一個側板4，相鄰的側板4依次垂直滑動接觸，四塊側板4與試樣21作用面分成了正交的兩組，用於對試樣21施加正交面上的兩組對稱荷載，構成了試樣21的大、小應力；每塊側板4外側面頂觸安裝有一組杆端小車3及滑塊5 ;在四個側壁上分別固定安裝有一個液壓缸2，每個液壓缸2上分別設置有一個排氣閥18，每個液壓缸2的活塞杆通過連接杆16伸進壓力室6內與一組杆端小車3對應連接，四組杆端小車3的滾輪46與對應方向的側板4滾動接觸；四個液壓缸2沿試樣21側面作用的大應力和小應力方向對應設置為兩對，兩對液壓缸2上分別同軸安裝有大應力傳感器34及小應力傳感器35，大應力傳感器34和小應力傳感器35分別對應連通各自的一套液壓源壓力缸38 ;兩對液壓缸2的活塞杆上分別設置有大應力位移傳感器15及小應力位移傳感器32。
[0033]參照圖3、圖5，在上活動板12下表面設置有凹槽22，凹槽22中鑲嵌有上透水板11，以利於量測加載過程中試樣21中快孔隙水壓力，上活動板12中心設置有排氣孔24，上透水板11通過排氣孔24與孔隙水壓力傳感器A36連通，用於加載過程中流體的排除或孔隙壓力的量測。上活動板12通過固定螺栓25及蓋形螺母20固定於頂蓋10內，上活動板12採用固定螺栓25固定於頂蓋上，限制試樣豎向的變形。[0034]參照圖4、圖6,在下活動板I的上表面另外設置有兩個凹槽,其中的一個凹槽內安置有下透水板14，下透水板14向下通過排水孔23與孔隙水壓力傳感器B37連通，以利於量測加載過程中試樣21的孔隙水壓力。同時，下活動板I另外的一個凹槽內設置有土壓力盒19，土壓力盒19下端連通中應力測力缸13，中應力測力缸13通過固定螺栓與底盤9固定連接。
[0035]參照圖7，液壓缸2外接液壓源，一方面推動活塞47前進，將液壓源的流體注入該液壓缸2內；另一方面通過連通管接頭27與對稱方向的一側液壓缸2串接，從而使液壓油通過活塞47與杆端小車3的連接對試樣21側面進行加載，保證了加載過程中的試樣21受力在兩個水平方向的對稱性。活塞47通過油塞28與連接杆16連接，實現對杆端小車3的加載。每個液壓缸2通過螺孔26中的螺栓固定於頂蓋10和底盤9之間的側壁上。
[0036]參照圖8，杆端小車3包括杆端輪座30，杆端輪座30平行安裝有多個輪軸，每個輪軸兩端通過軸承29安裝有滾輪46 ;杆端輪座30通過螺紋圓柱銷31與連接杆16支撐連接。滾輪46與試樣接觸面的側板4外側面滾動接觸，同時滑塊5上安裝的導向輪45與試樣接觸面的側板4外側面滾動接觸。當側板4受連接杆16加載力時，為了適應試樣21的變形，作用於試樣21側面的側板4沿著導向輪45及滾輪46實現橫向自由運動。杆端小車3通過滾輪46沿側板4外側面運動，消除了側板4運動與杆端小車3和滑塊5之間的摩擦。
[0037]如圖9所示，本發明裝置中的步進電機驅動液壓缸結構是，在固定座41上安裝有步進電機44，液壓源由步進電機44伺服控制，步進電機44通過減速器接頭43與滾珠絲杆42連接，滾珠絲杆42設置有滾珠絲杆導向座40，滾珠絲杆42通過滾珠絲杆接頭39與液壓源壓力缸38內的活塞連接，提供液壓源的輸出液壓。
[0038]試驗過程中，為了保證中應力方向(豎向)的變形為零，底盤9和頂蓋10保證與壓力室6中的試樣21固定接觸，底盤9上的下透水板14及孔隙水壓力傳感器B37能夠實現排水條件和不排水條件下的孔隙水壓力的量測；同時底盤9上的中應力測力缸13及中應力傳感器33能夠實現對豎直應變方向的中應力的量測。
[0039]本發明裝置的工作原理是:
[0040]I)四塊側板4、下活動板1、上活動板12緊貼在試樣21的長方體各面；下活動板I與上活動板12 —起限制試樣21豎向變形，能夠提供中應力方向應變等於零的條件；水平面內試樣21長邊方向一對側板4對試樣施加大應力，水平面內試樣21短邊方向一對側板4對試樣施加小應力。
[0041]2)大應力位移傳感器15、小應力位移傳感器32、大應力傳感器34、中應力傳感器33、小應力傳感器35、孔隙水壓力傳感器A36及孔隙水壓力傳感器B37均與採集控制機構連接，實現三個方向加載機構的閉環控制；各個量測信號經過採集控制機構後，輸出閉環式調節信號，並控制三個方向加載機構動作，進而對試樣21實施各個應力的加載。
[0042]3)將長方體試樣21放置於下活動板I和四塊側板4構成的空腔內，固定上活動板12，控制試樣21豎向的變形；通過液壓缸2連接步進電機44驅動產生液壓的液壓源壓力缸38，對試樣21施加固結壓力；固結完成後,可保持小應力不變,增加大應力，對試樣進行剪切實驗。
[0043]4)試樣21固結過程中，通過底座7上設置的中應力的量測裝置及孔隙水壓力的量測裝置，測試試樣的中應力及孔隙水壓力；通過下透水板14和上透水板11排出試樣內的孔隙水，消除試樣內的孔隙水壓力。
[0044]5)，在試樣21的剪切過程中，作用於試樣21的四塊側板4保持為豎直平面，通過液壓缸2量測的液壓確定大應力和小應力；四塊側板4隨著試樣變形自由平行滑動，杆端小車3沿著側板4自由滾動，使得兩個方向上的四個連接杆16的作用點始終保持不變；試樣變形時側板4還能實現平滑移動以適應兩個方向的變形，避免了小應力和大應力的互相干擾。
[0045]6)針對非飽和土，將下透水板14更換為陶土板，通過陶土板控制孔隙水壓力，通過上透氣板11控制氣壓力，實現非飽和土的平面應變試驗。利用底盤9中安裝的陶土板增加孔隙水壓力傳感器及體變控制裝置，以量測和控制孔隙水壓力；利用頂蓋10內嵌的上透氣板11連接孔隙氣壓力傳感器，以控制和量測孔隙氣壓力。
[0046]7)在平面應變三軸試驗中，固結加壓採用微機控制。固結壓力由液壓缸2連接步進電機驅動活塞的液壓源壓力缸38提供，液壓再傳遞到液壓缸2內的活塞47上，通過連接杆16及其杆端小車3作用於側板4,對試樣21施加荷載。在試驗固結時同樣能實現兩個方向固結應力的單獨施加，兩個固結應力互不幹擾和影響，並且通過兩個固結應力的調節，可以真實模擬實際的平面固結應力條件。
[0047]本發明的臥式壓力室機構，通過平面應變三軸試驗可以得到三向應力、兩向主應變、非飽和三向應力，互不幹擾；通過平面應變試驗的剪切帶及局部化變形的研究，可以得到土顆粒滑移、破碎的變化規律，為分析土的力學特性及其物理本質(即物質結構特性)，提供有力的方法和途徑；通過孔隙水壓力和孔隙氣壓力的量測技術能夠在平面應力路徑條件下研究非飽和土的力學特性及強度變形變化機理。
【權利要求】
1.一種臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀，其特點在於:包括主機部分、三向應力加載及量測機構、採集控制機構三部分， 主機部分的結構是，包括固定安裝在底座(7)上的四個立柱(8)，在該四個立柱(8)上段固定安裝有底盤(9)及頂蓋(10)，在底盤(9)及頂蓋(10)的四邊固定連接有側壁，底盤(9)、頂蓋(10)及四個側壁共同圍成壓力室(6)，壓力室(6)內腔中心放置有長方體形狀的試樣(21)； 三向應力加載及量測機構包括大應力、小應力和中應力加載及量測機構。
2.根據權利要求1所述的臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀，其特點在於:所述的中應力加載及量測機構的結構是，在頂蓋(10)及底盤(9)內表面分別鑲嵌有上活動板(12)和下活動板(1)，上活動板(12)和下活動板(I)分別與試樣(21)的上下端面接觸；下活動板(I)向下連接有中應力測力缸(13)，中應力測力缸(13)與中應力傳感器(33)連接，下活動板(I)上表面另外鑲嵌有下透水板(14)，下透水板(14)與孔隙水壓力傳感器B (37)連通；上活動板(12)下表面中心位置的凹槽中設置有上透水板(11)，上透水板(11)與孔隙水壓力傳感器A (36)連通。
3.根據權利要求2所述的臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀，其特點在於:所述的上活動板(12)下表面設置有凹槽(22)，凹槽(22)中鑲嵌有上透水板(11)，上活動板(12)中心設置有排氣孔(24)，上透水板(11)通過排氣孔(24)與孔隙水壓力傳感器A (36)連通。
4.根據權利要求2所述的臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀，其特點在於:所述的下活動板(I)的上表面另外設置有兩個凹槽，其中的一個凹槽內安置有下透水板(14)，下透水板(14)向下通過排水孔(23)與孔隙水壓力傳感器B (37)連通；同時，下活動板(I)另外的一個凹槽內設置有土壓力盒(19)，土壓力盒(19)下端連通中應力測力缸(13)，中應力測力缸(13)與底盤(9)固定連接。
5.根據權利要求2所述的臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀，其特點在於:所述的大、小應力加載及量測機構的結構是，圍繞試樣(21)的四面分別設置有一個側板(4)，相鄰的側板(4)依次垂直滑動接觸，四塊側板(4)與試樣(21)作用面分成了正交的兩組；每塊側板(4)外側面頂觸安裝有一組杆端小車(3)及滑塊(5);在四個側壁上分別固定安裝有一個液壓缸(2 )，每個液壓缸(2 )上分別設置有一個排氣閥(18 )，每個液壓缸(2 )的活塞杆通過連接杆(16 )伸進壓力室(6 )內與一組杆端小車(3 )對應連接；四個液壓缸(2 )沿試樣(21)側面作用的大應力和小應力方向對應設置為兩對，兩對液壓缸(2)上分別同軸安裝有大應力傳感器(34)及小應力傳感器(35)，大應力傳感器(34)和小應力傳感器(35)分別對應連通各自的一套液壓源壓力缸(38);兩對液壓缸(2)的活塞杆上分別設置有大應力位移傳感器(15)及小應力位移傳感器(32)。
6.根據權利要求5所述的臥式壓力室結構土工平面應變三軸儀，其特點在於:所述的杆端小車(3)包括杆端輪座(30)，杆端輪座(30)平行安裝有多個輪軸，每個輪軸兩端通過軸承(29)安裝有滾輪(46);杆端輪座(30)通過螺紋圓柱銷(31)與連接杆(16)支撐連接；滾輪(46)與試樣接觸面的側板(4)外側面滾動接觸，同時，滑塊(5)上安裝的導向輪(45)與試樣接觸面的側板(4)外側面滾動接觸。
【文檔編號】G01N3/00GK103454138SQ201310356840
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月15日 優先權日:2013年8月15日
【發明者】邵生俊, 羅愛忠, 潘德勇, 王曉峰, 馬林 申請人:西安理工大學