完全卸荷的應力應變控制式土工三軸試驗系統的製作方法

2023-06-06 03:41:01 2

本發明涉及一種完全卸荷的應力應變控制式土工三軸試驗系統。

背景技術：

三軸壓縮試驗是一種較完善的測定土抗剪強度試驗方法，與直接剪切試驗相比較，三軸壓縮試驗試樣中的應力狀態相對比較明確和均勻。應變式三軸壓縮儀由壓力室、豎向加壓系統、橫向加壓系統、反壓力系統、孔隙水壓力量測系統等組成。

目前有普通三軸壓縮試驗儀和真三軸壓縮試驗儀兩種：

1、普通三軸壓縮試驗儀是在壓力室中注入液體形成圍壓來模擬土體試樣受到的周圍荷載，但同時也在土體試樣的頂部施加了相同大小的豎向荷載，再通過豎向加壓系統施加豎向荷載。普通三軸壓縮試驗儀只能模擬豎向荷載大於或等於水平荷載的情況，模擬類型較單一。

2、真三軸壓縮試驗儀是通過三個方向上加載來模擬土體試樣的受力狀態。但真三軸壓縮試驗儀同樣不能模擬豎向荷載小於水平荷載的情況，且製造複雜，儀器龐大且精密，造價高昂，不易普及。

兩種壓縮試驗儀在試驗中通過傳感器和壓力表記錄各向壓力大小，通過不斷加壓，最終將土體試樣壓壞，通過計算得到土體試樣的抗剪強度。

在基坑開挖工程中，土體處於複雜應力狀態，其應力應變關係也很難確定,目前的三軸壓縮試驗儀很難模擬基坑開挖時坑底土體卸荷的應力路徑。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述現狀，旨在提供一種在豎向加載與橫向加載完全獨立進行下，能夠模擬基坑開挖坑底土體卸荷的應力路徑，構造簡單，操作簡便，易控制，造價低，使用壽命長、便於維修的完全卸荷的應力應變控制式土工三軸試驗系統。

本發明目的的實現方式為，完全卸荷的應力應變控制式土工三軸試驗系統，豎向加壓系統接輸油泵；豎向加壓系統的傳力杆接加壓帽，加壓帽置於鋼製護筒的上端開口內；位移傳感器固定在鋼製護筒上，並與加壓帽連接；上排水管穿過加壓帽與體變管連接：豎向加壓系統的底部設有底部排水裝置，穿過底部排水裝置中心的下排水管與反壓系統連接；鋼製護筒內腔設有橡膠柱體加壓裝置，橡膠柱體加壓裝置留有注液孔，注液孔通過排水管與周圍壓力系統連接；鋼製護筒下部接橫向加壓系統；豎向加壓系統通過支柱固定在底座上，鋼製護筒底部固定在底座上。

試驗時先從鋼製護筒中取出橡膠柱體加壓裝置。將圓柱體試樣放入橡膠柱體加壓裝置中，套上鋼製護筒並固定。通過控制橫向加壓系統將液體注入橡膠柱體加壓裝置中，對圓柱體試樣橫向施壓，再通過豎向加壓系統施加豎向壓力。豎向、橫向施壓互不幹擾。關閉上方的排水閥，在不排水的情況下，待豎向加壓系統施加豎向壓力後，控制反壓系統施加反向壓力，迫使連接反壓系統的壓力表讀數始終保持不變，反壓系統施加的反向壓力即試樣中的孔隙水壓。對於飽和試樣，打開壓力室上方連接的排水管閥門，豎向加壓系統進行軸向加壓的同時，體變管中的排水量即圓柱體試樣體積變化。

試驗過程中通過控制橡膠柱體加壓裝置注液孔處所連接的橫向加壓系統，可以精確的控制圓柱體試樣的圍壓(即σ2和σ3)。由於橫向加壓、豎向加壓互不幹擾性，豎向加壓裝置可以控制產生任意大於等於或者小於圍壓的豎向荷載，使試驗可以模擬出普通三軸壓縮試驗儀無法模擬的情況。

本發明的有益效果是：

1、試驗時可以單獨對圍壓(即σ2和σ3)和豎向荷載(σ1)進行控制，兩者之間不受相互幹擾；

2、可以模擬普通三軸壓縮試驗儀無法模擬的豎向荷載小於圍壓(即σ1＜σ2＝σ3)的情況；

3、豎向加壓系統和位移傳感器由計算機控制；試驗時控制豎向加壓系統對圓柱體試樣施加一定的軸向壓力，同時計算機讀數得到位移傳感器產生相應的變形量，即圓柱體試樣受到軸向壓力產生的壓縮形變，從而實現本發明的應力應變控制；

4、結構簡單，易於安裝和操作，造價低，複雜機械連接件少、使用壽命長、便於維修。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖，

圖2為本發明底座連接圖，

圖3為鋼製護筒與底座連接側視圖。

具體實施方式

下面參照附圖詳述本發明。

參照圖1、2、3，豎向加壓系統14接輸油泵，豎向加壓系統的傳力杆接加壓帽3，豎向加壓系統的豎向壓力由油泵提供，通過計算機控制油泵的輸出壓力對置於橡膠柱體加壓裝置中的試樣進行豎向加壓。加壓帽置於鋼製護筒4的上端開口2內，加壓帽的四周塗有凡士林，使其能在上端開口內豎向滑動。位移傳感器1固定在鋼製護筒上，並與加壓帽連接。

所述鋼製護筒4厚5mm，內徑101.1mm，外徑111.1mm，高157mm。鋼製護筒上端開口2厚5mm，內徑39.1mm，外徑49.1mm，高40mm。鋼製護筒由優質鋼製成。所述透明有機玻璃加壓帽3直徑39.1mm，高30mm。

上排水管10穿過透明有機玻璃加壓帽與體變管12連接，上排水管上有排水閥。用來測量飽和土樣在加壓過程中的體積變化。豎向加壓系統的底部設有底部排水裝置8，穿過底部排水裝置中心的下排水管9與反壓系統13連接。

底部排水裝置8直徑39.1mm，厚30mm，上、下排水管直徑為5mm。

連接鋼製護筒內腔6設有橡膠柱體加壓裝置5，橡膠柱體加壓裝置柱體高152mm，壁厚3mm，內腔厚25mm。橡膠柱體加壓裝置的橡膠採用耐水耐腐蝕，彈性變形性好的橡膠材料。橡膠柱體加壓裝置留有安排水管7的注液孔，注液孔孔徑為10mm。注液孔採用高強度鋼製螺紋嘴頭通過排水管與周圍壓力系統19連接，排水管上裝有排水閥和壓力表，能夠控制注液的進出並且能記錄內壁圍壓的大小。

鋼製護筒下部接橫向加壓系統11。豎向加壓系統通過支柱17固定在底座18上，鋼製護筒底部固定在底座上。

鋼製護筒底部固定端直徑171.1mm，底部固定端有六個圓周分布的螺栓孔，螺栓孔內徑10mm，螺栓孔孔心距固定端邊部15mm。底座18長240mm，寬200mm，高度80mm，由優質鋼製成。

用本發明試驗前，先取出鋼製護筒中，取一塊直徑39.1mm，高度120mm的圓柱體試樣，圓柱體試樣外面套上一層塑料薄膜，圓柱體試樣上下端截面均放置濾紙和透水石15。放入橡膠柱體加壓裝置5的內腔中，套上鋼製護筒，用螺栓16固定到底座上。開啟排水管7上的排水閥，向橡膠柱體加壓裝置內腔注入液體，隨著液體的注入橡膠柱體加壓裝置產生膨脹從而擠壓內腔的圓柱體試樣。由於鋼製護筒內壁與橡膠柱體加壓裝置外壁緊密相連，從而注入的液體只對內部圓柱體試樣周圍產生擠壓變形，通過橫向加壓系統連接的壓力表記錄土樣受到的圍壓。然後控制豎向加壓系統對圓柱體試樣施加軸向壓力σ1。圓柱體試樣在豎向產生形變，同時位移傳感器通過記錄加壓帽的位移讀數，即為圓柱體試樣受到軸向壓力σ1產生的壓縮形變量。通過控制注入液體的壓力以及橡膠柱體加壓裝置注液孔處所裝壓力表的讀數，可以精確的控制圓柱體試樣的圍壓(即σ2和σ3)，得到試驗理想數值。

同時由於豎向加壓系統只對圓柱體試樣橫截面產生豎向壓力，並且不幹擾橡膠柱體加壓裝置對圓柱體試樣周圍加壓，豎向加載與橫向加載各自獨立進行，互不幹擾。豎向加壓裝置可以控制產生任意大於等於或者小於圍壓的豎向荷載，使試驗可以模擬出基坑開挖時坑底土體卸荷的應力路徑。

在不排水的情況下，如要測定圓柱體試樣中的孔隙水壓力，可關閉上排水管10上的排水閥，待豎向加壓系統施加豎向壓力後，控制反壓系統13施加反向壓力，迫使連接反壓系統的壓力表讀數始終保持不變，反壓系統施加的反向壓力即圓柱體試樣中的孔隙水壓力。對於飽和圓柱體試樣而言，打開橡膠柱體加壓裝置內腔上方，上排水管上的排水閥，豎向加壓系統進行軸向加壓的同時，體變管中的排水量即為圓柱體試樣體積變化。

本發明結合位移傳感器與豎向加載系統兩者同時工作，通過計算機控制，形成一種完全卸荷的應力應變控制式土工三軸試驗系統。

本發明能在豎向加載與橫向加載完全獨立進行下，能夠模擬基坑開挖坑底土體卸荷的應力路徑，構造簡單，操作簡便，易控制，造價低，使用壽命長、便於維修。