专利名称：一种应力路径全自动液压伺服控制式刚柔性多功能三轴仪的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及土工测试技术领域，尤其涉及一种应力路径全自动液压伺服控制式刚柔性多功能三轴仪。
背景技术：
三轴试验是测试岩石、土等的抗剪强度参数和变形力学特性的一种试验技术手段。传统的大型三轴仪一般是刚性底座(不配置陶瓷板)，只有一个压力室，只能测试饱和试样，试样的体积变形通过测量试验过程中排出水的体积确定；目前的大型三轴仪尚未采用应力路径控制技术，难以实现复杂应力路径下的三轴试验，限制了大型三轴仪的应用和研究范围。当对非饱和土石混合体等试样进行试验时，由于试样中气体的压缩，无法准确测量试样的体积变形；另外，刚性底座使得施加于非均质土石混合体上的应力不均匀，产生应力集中，无法正确反映土石混合体的应力-应变关系。·虽然现有技术对三轴试验装置进行了一些改进和探索，比如应变控制式三轴剪切装置(中国专利申请号为02286391. 5)，该专利在三轴主机的立柱上，放置多个压力室支撑装置，以实现三至四个土样的同时固结、分别剪切的目的；一种土工三轴仪压力室(中国专利申请号为200810037713. X)，该专利涉及一种土工三轴仪压力室，具有一个与压力罩顶盖中心滑配的活塞，活塞的断面面积和形状与压力室中具体试验的试样断面面积和形状相同。实现了土样的无侧限条件，试验土样的种类和最大高度都得到了增加，提高了压力室的通用性。但是，上述专利均没有解决传统三轴仪只能测量饱和土石混合体材料的局限，以及，传统三轴仪中由于刚性压头和刚性底座对非均质材料产生局部应力集中的问题。
发明内容
本发明解决的一个技术问题就是解决现有技术的三轴仪只能测量饱和土石混合体材料的局限，提出一种应力路径全自动液压伺服控制式刚柔性多功能三轴仪，可以开展非饱和土在压缩试验中的体积变形精确测量；另外，本发明解决的另一个技术问题是，解决传统三轴仪中由于刚性压头和刚性底座对非均质材料产生局部应力集中的问题。为了解决现有技术的三轴仪只能测量饱和土石混合体材料的局限，本发明提供一种应力路径全自动液压伺服控制式刚柔性多功能三轴仪，包括加载框架、双室压力室、底座、压头、加载系统、数据测量与采集装置和控制装置，其中，双室压力室位于试样的外围，压头和底座分别位于所述试样的上、下两端；加载框架位于所述双室压力室的外侧；所述双室压力室包括内压力室和位于所述内压力室外围的外压力室；所述加载系统用于对所述试样进行加载试验；所述数据测量与采集装置用于对加载试验数据进行采集与测量；所述控制装置与所述加载系统和数据测量与采集装置分别相连，用于控制所述加载系统，以及获取数据测量与采集装置得到的加载试验数据。优选地，上述三轴仪还具有以下特点，以解决传统三轴仪中由于刚性压头和刚性底座对非均质材料产生局部应力集中的问题所述底座和压头为刚性或柔性，以实现刚性或柔性加载；当所述底座和压头为刚性时，所述底座为不锈钢材料，中心嵌有陶瓷板，所述陶瓷板下面有环形水槽，以实现对试验过程中通过陶瓷板扩散的气泡进行冲刷；当所述底座和压头为柔性时，所述底座和压头具有内部充满液体的不锈钢外壳，与试样接触端设置有耐高压胶囊。优选地，上述三轴仪还具有以下特点所述加载系统包括液压动力源、轴向加压控制装置、内围压加压控制装置、外围压 加压控制装置、孔隙水压加压控制装置和孔隙气压加压控制装置；其中，所述内围压加压控制装置包括依次相连的第一伺服驱动器、第一电液伺服阀、第一液压油缸、第一运动活塞杆和第一水缸；所述第一水缸通过管道与所述内压力室相连；所述外围压加压控制装置包括依次相连的第二伺服驱动器、第二电液伺服阀、第二液压油缸、第二运动活塞杆和第二水缸；所述第二水缸通过管道与所述外压力室相连；孔隙水压加压控制装置包括依次相连的第三伺服驱动器、第三电液伺服阀、第三液压油缸、第三运动活塞杆和第三水缸；所述第三水缸通过管道与所述底座相连并通到试样内部；孔隙气压加压控制装置包括依次相连的第四伺服驱动器、第四电液伺服阀、第四液压油缸、第四运动活塞杆、气缸和空气压缩机；所述气缸通过管道与所述压头相连并通到试样内部；所述轴向加压控制装置包括依次相连的第五伺服驱动器、五电液伺服阀、轴向加压油缸和加压杆；所述加压杆与所述压头相连；所述液压动力源分别与所述第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器、第四伺服驱动器和第五伺服驱动器相连。优选地，上述三轴仪还具有以下特点所述数据测量与采集装置包括轴向压力传感器、内围压压力传感器、外围压压力传感器、孔隙水压力传感器、孔隙气压力传感器，拉线式位移传感器、称重传感器、盛水容器和数据采集模块；其中，所述内围压压力传感器与所述第一水缸相连；所述外围压压力传感器与所述第二水缸相连；所述孔隙水压力传感器与所述第三水缸相连；所述孔隙气压力传感器与所述气缸相连；所述轴向压力传感器与所述轴向加压油缸相连；所述盛水容器通过管道与所述底座相连，所述称重传感器与盛水容器相连，用于称量盛水容器内水的质量；拉线式位移传感器包括第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器；所述第一位移传感器位于所述第一运动活塞杆上；所述第二位移传感器位于所述第三运动活塞杆上；所述第三位移传感器位于所述加载框架的顶板上；所述数据采集模块分别与所述控制装置、轴向压力传感器、内围压压力传感器、夕卜围压压力传感器、孔隙水压力传感器、孔隙气压力传感器，拉线式位移传感器和称重传感器相连。
优选地，上述三轴仪还具有以下特点所述轴向压カ传感器的量程为O 100t，精度为全量程的±2%。;内围压压カ传感器和外围压压力传感器的工作范围为O 5MPa ;孔隙水压カ传感器和孔隙气压カ传感器的工作范围为O 2MPa ;称重传感器的工作范围为O 3kg，拉线式位移传感器工作范围为O. 5m-1. Om0优选地，上述三轴仪还具有以下特点所述控制装置包括エ控机和数模转换卡，所述数模转换卡的输入端与所述エ控机 相连，接收数字控制信号，所述数模转换卡的输出端分别与所述第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器、第四伺服驱动器和第五伺服驱动器相连，传输转换后的模拟控制信号；所述エ控机与所述数据采集模块相连，获取数据采集模块得到的加载试验数据。优选地，上述三轴仪还具有以下特点所述双室压カ室采用一体化设计。与现有技术相比，本发明的有益效果是I、采用液压伺服控制实现了应力路径的全自动控制；2、采用双压カ室方案，能够进行非饱和土体积变形的准确测量；3、采用刚性压头内嵌陶瓷板，实现基质吸カ的有效和定量控制；4、采用高压液体胶囊形式的柔性压头，实现了对非均质材料施加均匀应カ，消除了局部应カ集中的现象；5、采用拉绳式位移传感器，实现了轴向大量程位移变化的測量；6、内、外围压和孔隙水压カ均采用液压动カ驱动产生，气压カ采用液压动カ驱动气缸内气体的方式产生，能实现高度自动控制和反馈。
图I为本发明实施例的三轴仪的示意图。
具体实施例方式下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意組合。为了克服传统三轴仪只能测量饱和土石混合体材料的局限，本发明提出了双压カ室的方案和气压控制系统，用于开展非饱和土在压缩试验中的体积变形精确测量和进行试样内部孔隙气压カ的自动控制。本发明提出了柔性加载方案，利用高压液体胶囊的压头和底座实现对非均质材料施加均匀应カ，解决了传统三轴仪中由于刚性压头和刚性底座对非均质材料产生局部应カ集中的问题。为了拓宽试验的应カ测量范围，本仪器采用液压油缸和伺服阀控制水压力，作为内、外压カ室围压和孔隙水压カ的压カ源，提高了压カ的控制精度及范围。另外，本发明采用液压伺服控制气缸产生气体压力，并配置有空气压缩机，为非饱和土石混合体试验提供气体压カ控制源。如图I所示，本发明实施例的三轴仪包括加载框架1(四根立柱式)、双室压カ室、底座6、压头5、加载系统、数据测量与采集装置和控制装置，其中，双室压カ室位于试样40的外围,压头5和底座6分别位于所述试样40的上、下两端；加载框架I位于所述双室压カ室的外侧；所述双室压カ室包括内压カ室2和位于所述内压カ室2外围的外压カ室3 ；所述加载系统用于对所述试样40进行加载试验；所述数据測量与采集装置用于对加载试验数据进行采集与測量；所述控制装置与所述加载系统和数据测量与采集装置分别相连，用于控制所述加载系统，以及获取数据测量与采集装置得到的加载试验数据。其中，采用双压カ室方案可实现内压カ室壁的绝对刚性不变形，确保试样的总体积变化等于内压カ室水流量的变化。·另外，内、外压カ室为一体化设计，省去了装配上的繁琐工作，简化了安装程序。上述底座6和压头5为刚性或柔性，以实现刚性或柔性加载；当所述底座6和压头5为刚性时，所述底座6为不锈钢材料，中心嵌有陶瓷板(图中未示出)，所述陶瓷板下面有环形水槽(图中未示出)，以实现对试验过程中通过陶瓷板扩散的气泡进行冲刷；其中，陶瓷板潜入刚性底座中,可以实现试样内部基质吸カ的控制；当所述底座6和压头5为柔性吋，所述底座6和压头5具有内部充满液体的不锈钢外壳，与试样接触端设置有耐高压胶囊(图中未示出)。加载系统包括液压动カ源35、内围压加压控制装置、外围压加压控制装置、孔隙水压加压控制装置、孔隙气压加压控制装置和轴向加压控制装置；其中，所述内围压加压控制装置包括依次相连的第一伺服驱动器30、第一电液伺服阀
15、第一液压油缸25、第一运动活塞杆26和第一水缸27;所述第一水缸27通过管道与所述内压カ室2相连；所述外围压加压控制装置包括依次相连的第二伺服驱动器32、第二电液伺服阀
16、第二液压油缸22、第二运动活塞杆23和第二水缸24;所述第二水缸24通过管道与所述外压カ室3相连；孔隙水压加压控制装置包括依次相连的第三伺服驱动器33、第三电液伺服阀17、第三液压油缸7、第三运动活塞杆8和第三水缸9 ;所述第三水缸9通过管道与所述底座6相连并通到试样内部；孔隙气压加压控制装置包括依次相连的第四伺服驱动器31、第四电液伺服阀14、第四液压油缸28、第四运动活塞杆29、气缸10和空气压缩机11 ;所述气缸10通过管道与所述压头5相连并通到试样内部；所述轴向加压控制装置包括依次相连的第五伺服驱动器34、五电液伺服阀13、轴向加压油缸12和加压杆4 ;所述加压杆4与所述压头5相连；所述液压动カ源35分别与所述第一伺服驱动器30、第二伺服驱动器32、第三伺服驱动器33、第四伺服驱动器31和第五伺服驱动器34相连。所述数据測量与采集装置包括轴向压力传感器17 (即荷载传感器)、内围压压力传感器20、外围压压力传感器19、孔隙水压カ传感器18、孔隙气压カ传感器21，拉线式位移传感器、称重传感器(电子称)37、盛水容器36和数据采集模块45 ;其中，所述内围压压カ传感器20与所述第一水缸27相连；所述外围压压カ传感器19与所述第二水缸24相连；所述孔隙水压カ传感器18与所述第三水缸9相连；所述孔隙气压カ传感器21与所述气缸10相连；所述轴向压カ传感器17与所述轴向加压油缸12相连；所述盛水容器36通过管道与所述底座6相连，所述称重传感器37与盛水容器36相连，用于称量盛水容器36内水的质量，进而测量从试样中排出水的体积；拉线式位移传感器包括第一位移传感器44、第二位移传感器43和第三位移传感器42 ;所述第一位移传感器44位于所述第一运动活塞杆26上，利用测得的内围压加压控制装置中活塞的精确位移变化，从而计算内压力室内水量的变化，即加载过程中试样的体积变化；所述第二位移传感器43位于所述第三运动活塞杆8上，从而计算孔隙水压加压控制装置的第三水缸内水体积的准确变化，从而计算出试样40内部在加载过程中所排出的精确水流量，即试样40内部水的体积变化；所述第三位移传感器42位于所述加载框架I的顶板上，用来測量试样40的轴向变形；所述数据采集模块45 (通常为数据采集板卡)分别与所述控制装置、轴向压カ传
感器17、内围压压力传感器20、外围压压力传感器19、孔隙水压カ传感器18、孔隙气压カ传感器21，拉线式位移传感器44、43、42和称重传感器37相连。上述轴向压力传感器17的量程为O 100t，精度为全量程的±2%。；内围压压力传感器20和外围压压力传感器19的工作范围为O 5MPa ;孔隙水压カ传感器18和孔隙气压カ传感器21的工作范围为O 2MPa ;称重传感器37的工作范围为O 3kg，拉线式位移传感器44、43、42工作范围为O. 5m-1. 0m。所述控制装置包括エ控机46 (含测试控制软件)和数模(D/A)转换卡47，所述数模转换卡47的输入端与所述エ控机46相连，接收数字控制信号，所述数模转换卡47的输出端分别与所述第一伺服驱动器30、第二伺服驱动器32、第三伺服驱动器33、第四伺服驱动器31和第五伺服驱动器34相连，传输转换后的模拟控制信号；所述エ控机46与所述数据采集模块45相连，获取数据采集模块45得到的加载试验数据。控制装置向内围压加压控制装置、外围压加压控制装置、孔隙水压加压控制装置、孔隙气压加压控制装置和轴向加压控制装置发送控制信号，以控制各个加压控制装置对试样产生的压力。本发明较佳实例的工作过程如下I.启动液压动カ源35，启动エ控机46。2.在底座6上安装试样40，并在试样40外套上橡皮膜，加压杆4和压头5相连，试样橡皮膜的上端包扎在压头5上，试样膜的下端与试样的底座6包扎在一起。3.套上内外压カ室，并固定密封好，用起吊装置将压カ室移至加载框架的正下方，将加压杆的上端与轴向加压油缸12的下端相连。4.内、外压カ室内注满水，并打开内、外围压加压控制装置，水缸内充满水，同时打开孔隙水压加压控制装置，并在它的水缸内注满水，另外，打开孔隙气压加压控制装置，使空气压缩机11内具有一定压カ的压缩空气进入到气缸10中。5.在エ控机46中打开整个系统的测试控制软件，将自动控制部分的压カ归0，按照试验设计要求，调出需要用到的试验模块，将压カ归零。设置好试样的信息内、外围压、孔隙水压力、孔隙气压力、固结时间，剪切速率、动态载荷、应カ路径等。6.在试验过程中，用精密电子称37称量试验过程中排出试样内的水流量。7.由エ控机46全自动控制整个试验的过程，并将试验数据存储在エ控机46的硬盘中,直至试验结束。在试验过程中，如果是非饱和试样，气压力会通过底座6的陶瓷板扩散，定期用孔隙气压加压控制装置冲洗陶瓷板下面底座中的环形凹槽，并用天平称量冲洗的水量。综上所述，本发明提出ー种应カ路径全自动液压伺服控制式刚、柔性多功能大型三轴试验仪，包括加载框架、双室压カ室、底座、压头、加载系统、数据测量与采集装置和控制装置。加载系统中的液压动カ源生驱动力，通过伺服阀和油缸，产生竖向的动态荷载，另外通过三个小型的伺服阀分别产生和控制水压カ(围压和孔压)，通过另外的ー个伺服阀与压缩气缸相连产生和控制气压力。加压控制装置的输入端与エ控机相连，输出端与大型的双压カ室三轴实验设备相连，传输位移、压力、体变的模拟信号数据，输出端与エ控机相连，记录数据，显示试验进程。本仪器采用双压カ室，并具有气压カ控制装置，能够对粗颗粒材料(土石混合体等)进行非饱和三轴试验。压カ室的底座分别采用刚性底座(陶瓷板嵌入其中)，柔性底座(柔性高压液体胶囊)和柔性压头(柔性高压液体胶囊)分别实现刚柔性加载。柔性加载能够实现对非均质材料施加均匀应カ，避免产生应力集中。围压和轴向压力在试验过程中都可自动变化，且自动实现数据的测量和采集，竖向激振可施加频率为l-5Hz 的动カ荷载，能够在该仪器上进行静カ三轴，动カ三轴，土水特性，循环加卸载，滲透试验等多种试验，具有功能強大，操作简便的特点，并且具有压カ高(围压达到5MPa)，量程大(竖向变形50cm)的特点。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种应力路径全自动液压伺服控制式刚柔性多功能三轴仪，其特征在于，包括力口载框架、双室压力室、底座、压头、加载系统、数据测量与采集装置和控制装置，其中， 双室压力室位于试样的外围,压头和底座分别位于所述试样的上、下两端；加载框架位于所述双室压力室的外侧；所述双室压力室包括内压力室和位于所述内压力室外围的外压力室； 所述加载系统用于对所述试样进行加载试验； 所述数据测量与采集装置用于对加载试验数据进行采集与测量； 所述控制装置与所述加载系统和数据测量与采集装置分别相连，用于控制所述加载系统，以及获取数据测量与采集装置得到的加载试验数据。
2.如权利要求I所述的三轴仪，其特征在于， 所述底座和压头为刚性或柔性，以实现刚性或柔性加载； 当所述底座和压头为刚性时，所述底座为不锈钢材料，中心嵌有陶瓷板，所述陶瓷板下面有环形水槽，以实现对试验过程中通过陶瓷板扩散的气泡进行冲刷； 当所述底座和压头为柔性时，所述底座和压头具有内部充满液体的不锈钢外壳，与试样接触端设置有耐高压胶囊。
3.如权利要求I所述的三轴仪，其特征在于， 所述加载系统包括液压动力源、轴向加压控制装置、内围压加压控制装置、外围压加压控制装置、孔隙水压加压控制装置和孔隙气压加压控制装置；其中， 所述内围压加压控制装置包括依次相连的第一伺服驱动器、第一电液伺服阀、第一液压油缸、第一运动活塞杆和第一水缸；所述第一水缸通过管道与所述内压力室相连； 所述外围压加压控制装置包括依次相连的第二伺服驱动器、第二电液伺服阀、第二液压油缸、第二运动活塞杆和第二水缸；所述第二水缸通过管道与所述外压力室相连； 孔隙水压加压控制装置包括依次相连的第三伺服驱动器、第三电液伺服阀、第三液压油缸、第三运动活塞杆和第三水缸；所述第三水缸通过管道与所述底座相连并通到试样内部; 孔隙气压加压控制装置包括依次相连的第四伺服驱动器、第四电液伺服阀、第四液压油缸、第四运动活塞杆、气缸和空气压缩机；所述气缸通过管道与所述压头相连并通到试样内部； 所述轴向加压控制装置包括依次相连的第五伺服驱动器、五电液伺服阀、轴向加压油缸和加压杆；所述加压杆与所述压头相连； 所述液压动力源分别与所述第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器、第四伺服驱动器和第五伺服驱动器相连。
4.如权利要求3所述的三轴仪，其特征在于， 所述数据测量与采集装置包括轴向压力传感器、内围压压力传感器、外围压压力传感器、孔隙水压力传感器、孔隙气压力传感器，拉线式位移传感器、称重传感器、盛水容器和数据采集模块；其中， 所述内围压压力传感器与所述第一水缸相连；所述外围压压力传感器与所述第二水缸相连；所述孔隙水压力传感器与所述第三水缸相连；所述孔隙气压力传感器与所述气缸相连；所述轴向压力传感器与所述轴向加压油缸相连；所述盛水容器通过管道与所述底座相连，所述称重传感器与盛水容器相连，用于称量盛水容器内水的质量； 拉线式位移传感器包括第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器；所述第一位移传感器位于所述第一运动活塞杆上；所述第二位移传感器位于所述第三运动活塞杆上；所述第三位移传感器位于所述加载框架的顶板上； 所述数据采集模块分别与所述控制装置、轴向压力传感器、内围压压力传感器、外围压压力传感器、孔隙水压力传感器、孔隙气压力传感器，拉线式位移传感器和称重传感器相连。
5.如权利要求4所述的三轴仪，其特征在于， 所述轴向压力传感器的量程为O loot，精度为全量程的±2%。；内围压压力传感器和外围压压力传感器的工作范围为O 5MPa ;孔隙水压力传感器和孔隙气压力传感器的工作范围为O 2MPa ;称重传感器的工作范围为O 3kg，拉线式位移传感器工作范围为O.5m-1. Om0
6.如权利要求I所述的三轴仪，其特征在于， 所述控制装置包括工控机和数模转换卡，所述数模转换卡的输入端与所述工控机相连，接收数字控制信号，所述数模转换卡的输出端分别与所述第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器、第四伺服驱动器和第五伺服驱动器相连，传输转换后的模拟控制信号；所述工控机与所述数据采集模块相连，获取数据采集模块得到的加载试验数据。
7.如权利要求I所述的三轴仪，其特征在于， 所述双室压力室采用一体化设计。
全文摘要
本发明公开一种应力路径全自动液压伺服控制式刚柔性多功能三轴仪，包括加载框架、双室压力室、底座、压头、加载系统、数据测量与采集装置和控制装置，双室压力室位于试样的外围，压头和底座分别位于所述试样的上、下两端；加载框架位于所述双室压力室的外侧；所述双室压力室包括内压力室和位于所述内压力室外围的外压力室；所述加载系统用于对所述试样进行加载试验；所述数据测量与采集装置用于对加载试验数据进行采集与测量；所述控制装置与所述加载系统和数据测量与采集装置分别相连，用于控制所述加载系统，以及获取数据测量与采集装置得到的加载试验数据。本发明能够进行非饱和土体积变形的准确测量。
文档编号G01N3/00GK102818726SQ201210315390
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者范永波, 赵红华, 李世海, 朱林剑, 徐志祥, 刘晓宇, 侯岳峰 申请人:中国科学院力学研究所