一種智能型土工滲透剪切試驗系統的製作方法

2023-09-13 06:46:50

本發明屬於滲透剪切試驗技術領域，特別設計一種智能型土工滲透剪切試驗系統。

背景技術：

巖土工程中，土工試驗設備的更新速度非常快。隨著化學、力學和物理等基礎科學的發展，各種新型傳感器以及控制系統不斷滲透到巖土工程測試的不同方面。這些傳感器、數據採集器以及控制器等的發展提高了土工試驗測試的精度，促進了土工測試儀器的進步。目前巖土工程中能夠進行滲透剪切試驗的設備相對較少，僅有三軸儀以及部分環剪儀可以進行。

已有設備中的滲透剪切主要基於伺服電機控制器進行壓力和水流量的控制，但是控制器中水箱的容量有限，不能夠進行水的後續補充工作。導致滲透試驗進行中需要多次中斷試驗進行人工加水工作，該過程需要試驗人員時刻在設備周圍且對於試驗數據採集都會產生影響，同時增加了試驗人員的工作量。已有三軸儀的控制器水箱容量一般在200～500cm3，對於滲透試驗一般要求滲透過程穩定後方可終止試驗，而不同的巖土體往往具有不同的滲透係數，因此不同巖土體進行滲透試驗時達到滲透穩定過程所需要的時間就不相同，這就需要在控制器中水量減少的過程中進行適當補水工作，否則控制器無法提供壓力維持滲透。環剪試驗系統中的控制器與三軸試驗中控制器具有類似的問題。

此外，上述試驗設備中，除了對於試驗設備進行適當補水工作外，在恆水頭滲透試驗中，由於存在壓力差，一臺控制器出水，而另外一臺控制器則需要排水，這個過程中控制器的排水工作也需要試驗人員定期進行人工排水工作，給試驗過程造成了不方便。

目前的試驗設備中，較多試驗設備不能夠進行軟體對於硬體的控制，試驗中往往需要硬體設置完成之後進行軟體的開啟；部分實驗設備可以進行局部硬體的控制，試驗中需要手動和軟體同時控制硬體；少量的試驗設備可以實現軟體對於硬體的全部控制，該過程中只需要試驗人員在軟體中設置好試驗過程，設備可以根據用戶需要自動完成後續試驗。但水頭飽和以及滲透試驗中水箱容量有限依然是自動化程度較高的試驗設備進一步發展的重要障礙之一。

技術實現要素：

本發明的一個目的是克服現有伺服電機控制器水箱容量有限的缺陷，提供了一種具有輔助加水和排水系統的智能型土工滲透剪切試驗系統。

本發明提供的技術方案是：

一種智能型土工滲透剪切試驗系統，包括壓力室和設置在壓力室內的內壓力室，試樣設置在內壓力室內部，試樣頂部設置有頂帽，底部設置有底座；差壓傳感器一條管路與內壓力室裡面相連接，另外一條管路與內壓力室外側的標準管相連接；

所述頂帽上設置有兩個孔，一個與孔隙水壓力傳感器連接，另一個與反壓控制器及輔助加/排水系統連接；

所述底座上設置有兩個孔，一個與孔隙水壓力傳感器連接，另一個與孔壓控制器及輔助加/排水系統連接；

所述反壓控制器及輔助加/排水系統和孔壓控制器及輔助加/排水系統均包括輔助加/排水系統，所述輔助加/排水系統包括控制器左右兩側的控制器水箱，所述控制器水箱分別與加水水箱和回流水箱連接，所述控制器水箱與加水水箱和回流水箱之間均設置有電子閥門；

所述控制器水箱分別與排水位限位器和進水位限位器連接，以限制控制器水箱的排水水位和加水水位；

其中，一個控制器水箱處於排水狀態時，另一個控制器水箱處於加水狀態。

優選的是，所述電子閥門與數據集成器連接，所述數據集成器通過數據線與數據採集板連接。

優選的是，所述電子閥門包括：

管路；

指示燈，其用於指示相應管路開啟或關閉的狀態；

手動操作界面，其設置在電子閥門上，實現手動控制每個管路的開啟或關閉狀態。

優選的是，還包括：

計算機，其與所述數據採集板連接，接收數據採集板採集的數據信息；

智能設備，其與所述計算機能夠進行無線通信，通過所述智能設備進行遠程查看或操控。

本發明的有益效果體現在以下方面：

1、通過在現有的試驗設備中設置輔助加水和排水系統，可以在試驗中實現自動加水和自動排水操作，不需要試驗人員在實驗室時刻關注伺服電機控制器中水量的變化，大大節約了人力。該輔助系統可以讓設備進行長周期的滲透試驗，拓展了試驗設備的使用範圍。

2、通過將現有設備中機械式閥門全部更換為電子閥門後，試驗人員可以在計算機上直接進行所有閥門的操作，同時能夠通過手機app連接後實現對設備閥門以及試驗系統的遠程操作，智能化水平顯著提高。

附圖說明

圖1為本發明所述的滲透剪切試驗系統整體圖。

圖2為本發明所述控制器及加/排水系統效果圖

圖3為本發明所述電子閥門結構示意圖。

圖4為本發明所述智能app操作界面示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

如圖1所示，本發明提供了一種智能型土工滲透剪切試驗系統，包括壓力室101，所述壓力室101的頂部和底部分別設置有壓力室頂板102和壓力室底板103。在壓力室101內設置有內壓力室106，通過設置壓力室101和內壓力室106進行試樣在剪切過程中體變的測試。試樣107設置在內壓力室106內部，頂帽104與試樣107頂部通過透水石和濾紙等間接接觸。底座105與試樣107底部接觸。軸向力傳力杆109用於實時採集試樣剪切過程中產生了偏應力。孔隙水壓力傳感器110設置有兩個探頭，一個進行試樣107頂部孔隙水壓力的監測，另外一個進行試樣107底部的孔隙水壓力監測。位移傳感器113用於測量試樣107的位移。加載設備114主要通過變速箱進行不同速率的加載。數據採集板115不僅僅用於數據的集成，同時是用於計算機117中軟體對各類控制器以及閥門的精確控制的重要橋梁。圍壓控制器116主要將外部空壓機產生的氣體值能控制為試驗所需要的氣壓值。計算機117能夠實時聯網，智能設備118與計算機117能夠進行無線通信，所述智能設備118為手機或者平板電腦等移動智能設備。智能設備118通過智能app軟體能夠實現對於計算機117操作界面的實時監控以及操作，試驗人員不在實驗室的情況下也能夠進行土樣各類試驗的實時操作與土樣實時狀態的監測。

本發明還設置有反壓控制器及輔助加/排水系統111和孔壓控制器及輔助加/排水系統112。

所述試樣頂帽104上設置有兩個孔，一個與孔隙水壓力傳感器110連接，另一個與反壓控制器及輔助加/排水系統111連接。所述底座105上也設置有兩個孔，一個與孔隙水壓力傳感器110連接，另一個與孔壓控制器及輔助加/排水系統112連接。差壓傳感器108一條管路與內壓力室106裡面相連接，另外一條管路與內壓力室106外側的標準管相連接。

本發明中所所有傳感器均與數據採集板115相連接，通過數據採集板115採集傳感器的測量數據，數據採集板115又與計算機117相連接。

如圖2所示，本發明提供的反壓控制器及輔助加/排水系統111和孔壓控制器及輔助加/排水系統112將控制器與加/排水系統進行了集成。

控制器左右兩側有兩個水箱控制器水箱204，兩個水箱具有一個重要特點：左側水箱排水的過程中，右側水箱處於加水狀態。底部的傳動系統209做了特殊設計，使得兩個水箱一個排水時則另外一個處於加水狀態。控制器工作中通過軟體對電子閥門202進行控制，不同的電子閥門202均具有不同的編號，在軟體操作界面上一一對應。控制器水箱204加水時，與加水水箱201相連接的電子閥門202打開，與回流水箱203相連接的電子閥門202關閉，最外側的電子閥門202也處於關閉狀態；控制器水箱排水時，與加水水箱201相連接的電子閥門202關閉，與回流水箱203相連接的電子閥門202打開，最外側的電子閥門202也處於關閉狀態。正常加壓過程中，最外側的電子閥門202處於打開狀態，而與加水水箱201相連接的電子閥門202關閉，與回流水箱203相連接的電子閥門202關閉。最外側的電子閥門202在使用中需要注意的問題是一側控制器水箱204工作時，另外一側的電子閥門202需要關閉。

排水位限位器206和進水位限位器207主要在控制器水箱204加水和排水中使用，加水至預定量時，進水位限位器207啟動，此時伺服電機控制器205系統自動停止，等待後續操作；排水至預定量時，排水位限位器206啟動，此時伺服電機控制器205系統自動停止，等待後續操作。該控制器系統也可以在軟體中設置為自動模式，則不需要人工進行後續相關操作。

圖2中所有電子閥門202以及伺服電機控制器205均通過數據線與數據集成器208相連接，數據集成器208通過線路與圖1中數據採集板115相連接。

如圖3所示，電子閥門系統主要由管路以及閥門內部的控制系統組成，閥門處於打開狀態時，則閥門對應管路位置的指示燈301顯示為綠色；閥門處於關閉狀態時，則閥門對應的指示燈301顯示為紅色。手動操作界面303可以實現電子閥門各個管路302關閉/打開的人工操作。所有電子閥門均通過數據線304與圖1中數據採集板115相連接。

本發明通過將控制器與加/排水系統進行了集成，在三軸試驗中設置一套輔助加水和排水系統，當控制器中需要加水時，則將水箱中的去氣水注入控制器中；當控制器中需要排水時，則將控制器中的水排到另外一處回流水箱中。

如圖4所示，智能app操作界面如下：

設備當前狀態顯示窗口401：主要顯示試驗系統所有傳感器當前的狀態值，如果由於操作錯誤則傳感器顯示「error」。

試驗方案庫402：裡面儲存了常規uu試驗、cu試驗、cd試驗、k0固結試驗、恆水頭滲透試驗、恆流量滲透試驗以及應力路徑試驗等常見的試驗方案，採用方案庫中的試驗方案進行試驗時，所有的閥門以及控制器進入自動工作模式，無需人工單獨控制。所有的閥門設置以及控制器操作均通過程序命令預先進行了設置。

高級控制窗口403：主要為試驗人員提供了單獨操作試驗設備的窗口，該窗口中試驗人員可以單獨設置試驗系統中所有電子閥門以及控制器的工作狀態，作為整個智能試驗系統的備選方案。

計算機遠程控制界面404：主要實現對與智能試驗系統相連接的計算機進行遠程操作，可以遠程進行數據傳輸與計算機控制。

本發明中將所有的閥門全部設置為電子開關，通過將所有電子開關的線路與數據採集板以及計算機相連結之後，實現計算機對於所有閥門的控制，且針對計算機中的軟體開發智能app，智慧型手機安裝該試驗系統的app後，在聯網狀態下，可以隨時觀察試驗進程以及實現對於設備中電子開關的控制以及可以進行試驗過程的控制。後期根據需要，可在該平臺基礎上進行雲技術應用，將常見的三軸試驗以及環剪試驗等過程存儲在雲空間，用戶在手機連接設備成功後，只需在雲試驗計劃中選擇所要進行的試驗，設備可以根據設置自動進行後續試驗。

本發明使用過程如下：

1.安裝試樣：裝樣前務必對三軸儀進行排氣操作，將預先削制好的三軸試樣小心放置在三軸儀底座上，後結合承膜筒和密封圈將橡皮膜套在試樣外側，並且安裝試樣頂帽。在此基礎上進行試樣內壓力室的安裝，裝好內壓力室之後務必檢查內壓力室底部的密封性，後向內壓力內部和標準量測管中注入去氣蒸餾水，最後在外側的差壓傳感器處進行排氣操作，結束後進行外壓力室的安裝。

2.試樣飽和：通過抽氣飽和、二氧化碳飽和、水頭飽和以及反壓飽和等方法對所安裝試樣進行飽和，飽和結束後對試樣的飽和度進行檢測，待飽和度通過檢測後方可進行後續試驗。

3.試樣固結：飽和度檢測符合規範要求後進行試樣的固結，當試樣的排水量在一定時間內恆定時可認為試樣完成了固結過程，便可以進行後續試驗過程。

4.試樣剪切：試樣固結結束後，設置相應的剪切速率對試樣進行剪切。

5.滲透試驗：完成1～2後，根據試樣的應力狀態進行後續操作。如果不需要固結，則直接通過計算機設置反壓控制器及輔助加/排水系統和孔壓控制器及輔助加/排水系統的壓力值進行水頭差的設置。如果試樣需要固結，則在完成1～2之後，再進行水頭差的設置。如果進行恆流量滲透試驗則只需要將水頭設置直接更改為流量設置即可。設置後啟動計算機軟體開始數據採集以及控制器的實時控制。

6.其他試驗：除了常規三軸試驗以及滲透試驗之外，該智能試驗系統還可以進行應力控制試驗、k0固結試驗以及其他加載試驗。可以根據試驗人員的具體要求進行不同加載方式試驗的設置，通過不同方式的加載以及孔隙水壓力的控制進行現場不同工況的模擬，拓展該設備的適用範圍。

儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用。它完全可以被適用於各種適合本發明的領域。對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改。因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。