專利名稱：一種三向獨立加載壓力室結構的真三軸儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于巖土工程測試設備技術領域，涉及一種用于真三軸復雜應力 條件下土力學性質測試的裝置，具體涉及一種三向獨立加載壓力室結構的真 三軸儀。
背景技術：
目前現有的土力學性質測試設備主要有直剪儀、常規三軸儀、平面應變 三軸儀、真三軸儀。其中直剪儀只是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 儀只能模擬軸對稱應力條件，不能實現一般應力條件；平面應變三軸儀盡管 可以控制三向主應力不同，但其中一個軸向的應變為零，亦不能模擬一般的 應力條件；真三軸儀可以實現三個軸向分別施加不同大小的主應力，三軸軸 向產生應變，能夠模擬土體中一般的應力條件。
為了實現三個軸向施加主應力，真三軸試樣一般為一個立方體。現有的 真三軸儀一般采用三向平板加載或兩向平板加載、 一向流體壓力加載，加載 平板一般為鋼板，剛性大。相對于土樣，加載平板可視為剛性板。當試樣發 生變形后，與試樣接觸的剛性板必然產生相互接觸而制約它們的運動，這就 影響了三個軸向的加載和變形。除此之外，當試樣發生變形后，必然產生試 樣與剛性板之間的相對運動，在剛性板與試樣的接觸面上將產生剪應力，不 能保證接觸面上只有正應力，即為主應力作用面，從而影響了真三軸試驗測 試結果。因此，改善真三軸試樣加載機構，消除現有真三軸儀三向加載剛性
板或雙向剛性板之間的相互制約及剛性板對試樣變形的約束影響，使得試樣 沿三個軸向獨立變形，不僅可以克服現有真三軸儀存在的問題，而且使模擬 的應力與變形條件更加符合實際。
發明內容
本發明的目的在于提供一種三向獨立加載壓力室結構的真三軸儀，解決 了現有的土力學性質測試設備加載平板為剛性板，加載時與試樣之間的相互 制約及剛性板對試樣變形產生約束的問題。
本發明所采用的技術方案是， 一種三向獨立加載壓力室結構的真三軸 儀，包括主機部分、液壓載荷控制部分、量測信號采集及處理部分，其特點 是，所述的主機部分包括由壓力室底板、壓力室頂蓋及側壁構成的壓力室， 在壓力室底板的下端連接有軸向壓力活塞，軸向壓力活塞的下端連接有軸向 壓力腔，軸向壓力腔通過液壓導管與軸向的壓力源連接，壓力室底板開有下
排水通道，在壓力室底板上設置有包裹試樣的橡皮膜；所述的壓力室頂蓋的 中間開口，開口設置試樣帽，試樣帽上設置有一個上排水通道，試樣帽的上 表面通過軸向傳力桿與主機支架連接，軸向傳力桿上設置有軸向壓力傳感 器，在軸向傳力桿上還連接有軸向位移傳感器；壓力室內對稱設置有四個側 壓力腔，每個側壓力腔都放置一個液壓囊，每個液壓囊都與側向的壓力源連 接，在相鄰的液壓囊之間設置有側壓力腔的擋板；所述的液壓載荷控制部分 包括兩個側向步進電機執行機構和一個軸向步進電機執行機構，每個步進電 機執行機構接受量測信號采集及處理部分的控制，并與各自的壓力源壓力缸 連接，軸向壓力源壓力缸與壓力室的軸向壓力腔連接，側向的壓力源壓力缸 與各自方向的液壓囊連接。
軸向步進電機執行機構包括步進電機，步進電機通過連軸器與滾珠絲杠
連接，滾珠絲杠穿過安裝在支架上的絲母與絲杠活塞連接，絲杠活塞與壓力 源壓力缸連接。
側向步進電機執行機構包括步進電機，步進電機通過連軸器與滾珠絲杠 連接，滾珠絲杠穿過安裝在支架上的絲母與絲杠活塞連接，絲杠活塞與壓力 源壓力缸連接，壓力源壓力缸的出口管路上安裝有側向壓力傳感器，在滾珠 絲杠上還設置有側向位移傳感器。
量測信號采集及控制部分包括程控放大器，程控放大器和定時與邏輯控 制器的輸入端同時與軸向壓力傳感器、軸向位移傳感器、兩個側向位移傳感 器、兩個側向壓力傳感器連接，程控放大器的輸出端與采樣保持器和定時與
邏輯控制器的輸入端連接，采樣保持器與A/D轉換器連接，A/D轉換器與計 算機連接，定時與邏輯控制器也與計算機連接。
上排水通道和下排水通道與內體變量測量筒連接，在上排水通道和下排 水通道上分別設置有一個孔壓傳感器。
擋板與擋板伸縮彈簧連接，擋板伸縮彈簧與擋板調節螺栓連接，擋板調 節螺栓與擋板調節彈簧連接，擋板調節彈簧與安裝在壓力腔外殼上的擋板調 節彈簧固定螺栓連接。
本發明的有益效果是，實現了實際工程中一般應力條件下三個軸向正應 力獨立施加，三個軸向獨立量測變形，側向變形關于豎向軸線對稱的模擬手 段，能夠測試包括主應力主軸偏轉、應力路徑旋轉等復雜應力條件下土的力 性狀反應，提高了土力性質測試技術水平。
圖1是本發明的主機部分結構示意圖2是本發明實施例的壓力室的水平剖面示意圖，其中62為中主應力，
63為小主應力；
圖3是本發明實施例的壓力室豎向剖面示意圖； 圖4是本發明實施例的步進電機執行機構示意圖； 圖5是本發明實施例的量測信號采集及處理示意圖； 圖6是本發明儀器中試樣受荷應力狀態示意圖。
圖中，1、主機底座，2、細調手柄，3、粗細調開關，4、軸向調節活塞， 5、軸向壓力腔，6、壓力室底板，7、上排水通道，8、孔壓傳感器，9、軸 向傳力桿，10、軸向壓力傳感器，11、粗調手柄，12、軸向壓力活塞，13、 開關閥，14、軸向位移傳感器，15、內體變量測量筒，16、擋板，17、擋板 伸縮彈簧，18、試樣橡皮膜固定螺栓，19、側壓進口導管，20、液壓囊，21、 側壓力腔，22、試樣底座，23、下排水通道，24、擋板調節彈簧固定螺栓， 25、底板固定螺栓，26、擋板調節彈簧，27、擋板調節螺栓，28、試樣，29、 壓力室頂蓋，30、試樣帽，31、絲杠活塞，32、側向位移傳感器，33、連軸 器，34、壓力源壓力缸，35、絲母，36、滾珠絲杠，37、步進電機，38、側 向壓力傳感器，39、程控放大器，40、采樣保持器，41、 A/D轉換器，42、 計算機，43、定時與邏輯控制器。
具體實施方式
，
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。 本發明包括主機部分、液壓載荷控制部分、量測信號采集及處理部分。 其中主機是實現對立方體試樣施加應力和控制排水條件的核心；液壓載荷控 制部分通過步進電機驅動加壓系統機構施加荷載；量測信號采集及處理部分 對信號輸入以及傳感器量測信號的輸出進行自動控制，能夠自動控制豎向應 力和側向應力。如圖1所示，是本發明實施例的主機部分結構示意圖。包括安裝在主機
底座1上的細調手柄2和粗調手柄11，細調手柄2和粗調手柄11通過傳動 機構與軸向調節活塞4連接，細調手柄2和粗調手柄11同時與粗細調開關3 連接，由粗細調開關3控制軸向調節活塞4的細調或粗調。軸向調節活塞4 的上端連接有軸向壓力腔5,軸向壓力腔5通過液壓導管與軸向的壓力源壓 力缸34連接，軸向壓力腔5的上端設置有軸向壓力活塞12，軸向壓力活塞 12的上端連接有壓力室底板6，壓力室底板6的上端連接有試樣底座22，壓 力室底板6開有下排水通道23，下排水通道23與內體變量測量筒15連接， 壓力室底板6與壓力室頂蓋29及側壁構成壓力室，壓力室頂蓋29的中間開 口，開口設置試樣帽30，試樣帽30上設置有一個上排水通道7，上排水通 道7也與內體變量測量筒15連接，上述兩個排水通道上各設置有一個孔壓 傳感器8，可以得到試樣的水飽和數據。試樣帽30的上表面通過軸向傳力桿 9與主機支架連接，軸向傳力桿9上設置有軸向壓力傳感器10，在軸向傳力 桿9上還連接有軸向位移傳感器14，軸向位移傳感器14的傳感觸角與壓力 室頂蓋29的上表面連接。
試驗時打開開關閥13，液體通過管道流入軸向壓力腔5，當軸向壓力活 塞12向上運動時，軸向力通過軸向傳力桿9將力施加到壓力室的試樣帽30 上，從而通過試樣帽30將軸向壓力均勻的施加到試樣28的軸向上。
如圖2所示，是本發明實施例中壓力室水平剖面示意圖；如圖3所示， 是本發明中壓力室豎向剖面示意圖。在壓力室底板6上安裝有試樣橡皮膜固 定螺栓18和底板固定螺栓25，在試樣底座22的四邊各設置有一個側壓力腔 21，每個側壓力腔21都放置有一個液壓囊20，每個液壓囊20通過側壓進口 導管19與側向的壓力源壓力缸34連接，在軸向和側向的壓力源壓力缸34
的出口均設置有一個開關閥13，在相鄰的液壓囊20之間設置有側壓力腔的 擋板16，擋板16與擋板伸縮彈簧17連接，擋板伸縮彈簧17與擋板調節螺 栓27連接，擋板調節螺栓27與擋板調節彈簧26連接，擋板調節彈簧26與 安裝在壓力腔外殼上的擋板調節彈簧固定螺栓24連接。
試驗時，液壓源通過四周的側壓進口 19進入內置于四個側壓力腔21內 的液壓囊20，從而通過液壓囊20施加到試樣28的側向上。其中擋板16起 到隔離四個側壓力腔21的內置液壓囊20互相影響的作用。進行試驗側向壓 縮或膨脹時，通過擋板調節彈簧26調節擋板16的伸縮，擋板調節彈簧26 還起到調節四個液壓囊20不向某個方向偏離的作用，當試驗過程中試樣28 在某個方向膨脹時，瞬間會造成擋板向另外一個側向的壓力腔21偏離，此 時通過擋板調節彈簧26調節其位置。
圖4為本發明實施例提供壓力源的步進電機執行機構結構示意圖。該步 進電機執行機構一共有三套，分別提供垂直方向的軸向壓力和水平方向的兩 個側向壓力。側向步進電機執行機構包括步進電機37，步進電機37通過連 軸器33與滾珠絲杠36連接，滾珠絲杠36穿過安裝在支架上的絲母35與絲 杠活塞31連接，絲杠活塞31與壓力源壓力缸34連接，在壓力源壓力缸34 的出口管路上安裝有側向壓力傳感器38，在滾珠絲杠36上設置有側向位移 傳感器32;在軸向步進電機執行機構中沒有安裝側向位移傳感器32和側向 壓力傳感器38。
試驗室工作使用時，量測信號采集及控制部分通過步進電機37的執行 代碼，推動步進電機執行機構的滾珠絲杠36向前或向后運動，進而推動絲 杠活塞31的運動，使得壓力源壓力缸34內的液體向壓力室四邊的液壓囊20 內做流入充壓或回流減壓，當絲杠活塞31向前運動時，壓力源壓力缸34的液體進入液壓囊20，從而將側向壓力施加到試樣28上；當絲杠活塞31向后 運動時，液體從液壓囊20回流進入壓力源壓力缸34，從而能使得試樣側面 上所受到的應力減少到某一數值。
如圖5所示，是本發明實施例量測信號采集及控制部分結構示意圖。程 控放大器39和定時與邏輯控制器43的輸入端同時與軸向壓力傳感器10、軸 向位移傳感器14、兩個側向位移傳感器32、兩個側向壓力傳感器38連接， 程控放大器39的輸出端與采樣保持器40和定時與邏輯控制器43的輸入端 連接，采樣保持器40與A/D轉換器41連接，A/D轉換器41與計算機42 連接，定時與邏輯控制器43也與計算機42連接，計算機42還與兩個側向 步進電機執行機構和一個軸向步進電機執行機構連接。
如圖6所示，為立方體試樣的六個實驗面受荷應力狀態示意圖。其中61 為軸向應力，62為中主應力，63為小主應力。
本發明的工作原理是，壓力室由外筒、壓力室頂蓋29和壓力室底板6 組成，其材料都采用防銹鋼材；壓力室內夾置土質試樣的下剛性試樣底座22 和上剛性頂板試樣帽30也由防銹鋼材制成；軸向傳力桿9也由防銹鋼材料 制成。在壓力室內四角同時安裝有四塊隔板16，使得側向分為四個不同的梯 形部分，它們能使得小主應力和中主應力的施加互不干擾，并且在試樣變形 時隔板還能實現伸縮和旋轉。三套步進電機執行機構提供壓力源，通過導管 將壓力輸入到軸向壓力活塞12和四個液壓囊20中，從而使得試樣28受到 六個方向的正向應力，再通過信號采集和處理部分的工作，得到各種數據。 另外，通過計算機還可以控制各應力的變化和蠕動，將得到更多的試樣性能 數據。本發明還可以使用內體變量測量筒15進行飽和性實驗測試，對計算 機的信息進行輔助測試，互相配合。
在真三軸試驗中，試樣28的中主應力和小主應力由兩對對稱的壓力腔 中液壓囊20提供，兩對柔性液壓囊20放置于四塊隔板16之間，具體形狀 見圖2。試驗時，液壓囊20內充滿液體，兩對側向壓力是由步進電機37驅 動活塞加壓的液壓源通過管道傳遞施加到試樣28上的。柔性液壓囊20是側 壓力腔21的主要組成部分，它是由乳膠膜制成的，在垂直于試樣28的方向 上有足夠的變形量，以便能跟蹤試樣28在側向上的變形，同時也使中主應 力和小主應力能夠均勻地施加到試樣28表面上。乳膠膜在平行于試樣28表 面高度方向的尺寸略大于試樣28的尺寸，在寬度方向上等于試樣28的尺寸， 這樣可使試樣28的橡皮套在試驗過程中始終與乳膠膜接觸，從而盡可能的 消除邊角應力的影響。成型的乳膠膜的尺寸依據方形試樣28尺寸及壓力腔 尺寸確定。壓力腔呈梯形截面的棱柱形，乳膠膜的形狀與壓力腔相似，乳膠 膜的橫截面略小于壓力腔的橫截面，乳膠膜的高度略大于試樣28的高度。
本發明的真三軸儀，能夠根據試驗要求，對立方體試樣28進行軸向加 載、側向加載，自動集成控制系統及飽和土孔隙水壓力量測數據采集控制時， 通過軸向荷載傳感器、側向液壓傳感器、軸向位移傳感器、側向液壓活塞位 移傳感器及內體變量測量筒15(孔隙水壓力計)可以測試得到試樣軸向應力、 側向中軸應力、側向小軸應力、軸向應變和側向應變；并通過A/D和D/A 實施測試量采集和輸出量控制。在本發明的真三軸儀試驗中三個方向的固結 應力互不干擾和影響，并且通過三個方向的固結應力的調節，可以真實模擬 實際的固結應力條件。
本發明提高了土力性質測試技術水平，通過真三軸試驗可以得到三向主 應力、三向主應變、飽和土三向有效主應力的技術數據；通過流變試驗還可 以得到不同應力條件下三向主應變隨時間的變化發展技術數據；通過孔隙水
壓力和孔隙氣壓力的量測技術能夠在復雜應力條件下研究非飽和土的力學 特性及強度變形變化機理。本發明不但能夠實現常規應力應變加載，還能實 現蠕變加載及簡單循環應力加載，大大提高了本發明儀器的使用功能和范 圍，使得測試條件更加符合工程實際，制造成本低。
權利要求
1、一種三向獨立加載壓力室結構的真三軸儀，包括主機部分、液壓載荷控制部分、量測信號采集及處理部分，其特征在于所述的主機部分包括由壓力室底板(6)、壓力室頂蓋(29)及側壁構成的壓力室，壓力室底板(6)的下端連接有軸向壓力活塞(12)，軸向壓力活塞(12)的下端連接有軸向壓力腔(5)，軸向壓力腔(5)通過液壓導管與軸向的壓力源連接，壓力室底板(6)開有下排水通道(23)，在壓力室底板(6)上設置有包裹試樣的橡皮膜；所述的壓力室頂蓋(29)的中間開口，開口設置試樣帽(30)，試樣帽(30)上設置有一個上排水通道(7)，試樣帽(30)的上表面通過軸向傳力桿(9)與主機支架連接，軸向傳力桿(9)上設置有軸向壓力傳感器(10)，在軸向傳力桿(9)上還連接有軸向位移傳感器(14)；所述的壓力室內對稱設置有四個側壓力腔(21)，每個側壓力腔(21)都放置一個液壓囊(20)，每個液壓囊(20)都與側向的壓力源連接，在相鄰的液壓囊(20)之間設置有側壓力腔的擋板(16)；所述的液壓載荷控制部分包括兩個側向步進電機執行機構和一個軸向步進電機執行機構，每個步進電機執行機構接受量測信號采集及處理部分的控制，并與各自的壓力缸連接，軸向壓力缸與壓力室的軸向壓力腔(5)連接，側向的壓力缸與各自方向的液壓囊(20)連接。
2、 如權利要求1所述的三向獨立加載壓力室結構的真三軸儀，其特征 在于所述的軸向步進電機執行機構包括步進電機(37)，步進電機(37) 通過連軸器(33)與滾珠絲杠(36)連接，滾珠絲杠(36)穿過安裝在支架 上的絲母(35)與絲杠活塞(31)連接，絲杠活塞(31)與壓力源壓力缸(34) 連接。
3、 如權利要求1所述的三向獨立加載壓力室結構的真三軸儀，其特征 在于所述的側向步進電機執行機構包括步進電機(37)，步進電機(37) 通過連軸器(33)與滾珠絲杠(36)連接，滾珠絲杠(36)穿過安裝在支架 上的絲母(35)與絲杠活塞(31)連接，絲杠活塞(31)與壓力源壓力缸(34) 連接，壓力源壓力缸(34)的出口管路上安裝有側向壓力傳感器(38)，在 滾珠絲杠(36)上設置有側向位移傳感器(32)。
4、 如權利要求1所述的三向獨立加載壓力室結構的真三軸儀，其特征 在于所述的量測信號采集及控制部分包括程控放大器(39)，程控放大器(39)和定時與邏輯控制器(43)的輸入端同時與軸向壓力傳感器(10)、 軸向位移傳感器(14)、兩個側向位移傳感器(32)、兩個側向壓力傳感器(38) 連接，程控放大器(39)的輸出端與采樣保持器(40)和定時與邏輯控制器(43)的輸入端連接，采樣保持器(40)與A/D轉換器(41)連接，A/D轉 換器(41)與計算機(42)連接，定時與邏輯控制器(43)也與計算機(42) 連接。
5、 如權利要求1所述的三向獨立加載壓力室結構的真三軸儀，其特征 在于所述的上排水通道(7)和下排水通道(23)與內體變量測量筒(15) 連接，所述的上排水通道(7)和下排水通道(23)上分別設置有一個孔壓 傳感器(8)。
6、 如權利要求1所述的三向獨立加載壓力室結構的真三軸儀，其特征 在于所述的擋板(16)與擋板伸縮彈簧(17)連接，擋板伸縮彈簧(17) 與擋板調節螺栓(27)連接，擋板調節螺栓(27)與擋板調節彈簧(26)連 接，擋板調節彈簧(26)與安裝在壓力腔外殼上的擋板調節彈簧固定螺栓(24)連接。
全文摘要
本發明公開了一種三向獨立加載壓力室結構的真三軸儀，其中主機部分的軸向壓力腔通過液壓導管與軸向的壓力源壓力缸連接，在試樣底座的四邊側壓力腔都放置有一個液壓囊，每個液壓囊通過側壓進口導管與側向的壓力源壓力缸連接；液壓載荷控制部分和測信號采集及控制部分由控制裝置統一控制。本發明的真三軸儀改進了現有的真三軸儀加荷時三個主應力不能完全分離及三個主應力相互影響的缺陷，具有模擬靜應力條件下各種工程條件的試驗的優點，使得測試條件更加符合工程實際，并且還具有制造成本低的優點。
文檔編號G01N3/02GK101169356SQ20071001906
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月15日 優先權日2007年11月15日
發明者吳利言, 羅愛忠, 邵生俊, 虎 陶 申請人:西安理工大學