本發明專利技術公開了一種基于內體變精密量測的吸力可控式非飽和土靜三軸儀，包含主機部分、水循環和穩壓推力水源部分、數據采集和處理部分。其中水循環和穩壓推力水源部分主要由兩臺推力穩壓水源構成的兩個獨立的水路部分組成，即用于圍壓室提供穩定壓力的圍壓控制水路和用于內體變和吸力精密量測的監測水路。本發明專利技術不采用傳統非飽和儀器必須使用的陶土板而仍沿用軸平移技術，實現非飽和土體體變精確量測和試驗過程中吸力的控制，因而省略了陶土板飽和的過程，同時也避免了陶土板排水滯后的問題并精確控制非飽和土中的吸力。本發明專利技術可全程實現自動化控制和量測，滿足實驗原理合理、量測精度高、技術可行的要求，大大提高了試驗的效率。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及室內土工實驗測試裝置，尤其是用于研究非飽和土體的靜三軸儀，屬于巖土工程測試和非飽和土力學實驗設備范疇。
技術介紹
“土木工程”之土分為飽和土與非飽和土，百分之九十的陸地土屬于非飽和土范疇，近年來，隨著國家和地區重大工程中對土體力學特性研究的要求越來越高，要求室內土工實驗條件與實際工程條件一致，針對非飽和土的力學特性室內實驗研究乃大勢所趨。在上個世紀九十年代前，設備研制技術還無法實現非飽和力學測試，而21世紀以來，國際上已開始研制和推廣非飽和土力學特性實驗設備。時至今日，實驗理論已經完善，設備研制條件具備，但目前國內僅可自主生產飽和土測試設備，而非飽和土實驗設備，特別是非飽和土三軸儀仍需進口(如德國Wille、英國GDS等產品)。當前，國內國際進行非飽和土研究通常采用陶土板法實現體變量測，然而高進氣值陶土板完全依賴進口，自主研發難度大進口設備購置費用高，而且陶土板作為一種脆性材料極易損壞破碎，一旦一塊陶土板出現微裂縫即宣告失效。因此，維護和運行帶有陶土板的儀器成本高，周期長，給用戶帶來極大的不變。上述諸缺點預示著研制不用陶土板的非飽和土測試儀器非常必要。在現有的動靜三軸儀體變量測方面，均采用了外體變量測法，即量測實驗過程中三軸壓力室內水體積的變化來表示土體的體變。此方法的缺陷是把壓力室看成絕對剛性結構，在施加圍壓時其體積不變。然而，在通常采用的壓力室材料為有機玻璃的條件下，是根本不可能實現上述要求的。采用外體變量測<br>法，用有機玻璃作為壓力室材料時，為保證測量結果更準確，通常在實驗前標定固定壓力下壓力室的體積變化，然后對實驗結果的體變值進行修正。顯然標定的過程顯得繁瑣且不一定準確，因此有必要開發內體變量測方法及裝置。在非飽和土的相關試驗中，吸力控制是一項關鍵技術。吸力能否精確控制關系到非飽和土體性質能否準確反映。如今市場上受到認可的非飽和儀器大多采用軸平移技術來實現吸力的控制，即通過陶土板“過水不過氣”的特性，認為施加在土體內的氣壓力等于吸力。但是，仍采用軸平移技術而摒棄陶土板的方法達到吸力可控的研究國內尚未見報道。近三年來，除原有高校與科研單位因為縱向科研項目對非飽和三軸儀等非飽和土工設備的需求外，水利、電力、地質、石油、山地災害、礦山、鐵道、海洋等巖土工程勘察、設計與施工單位需求急速增大，主要用于重大工程設計與施工的可研和初研需要。因此，自主研發高精度的非飽和土三軸儀并投產，可滿足工程與科研界對科研儀器的需要，達到實驗原理合理、實驗測試精度高、技術可行的要求。
技術實現思路
鑒于現有技術的以上不足，本專利技術旨在提供一種簡便實用、量測結果準確、吸力可控的非飽和土體靜三軸儀，并能實現試驗全過程的自動化控制和試驗數據的自動化處理。在未采用傳統的陶土板的條件下，實現了對非飽和土體體變的精確量測，尤其是采用了內體變的方法進行體變量測和吸力控制，解決了以往國產非飽和三軸儀器試驗原理不合理、測試精度不高的難題。本專利技術解決上述問題的技術方案是：基于內體變精密量測的吸力可控式非飽和土靜三軸儀，其主要組成部分是：主機部分、水循環和穩壓推力水源部分、數據采集和處理部分，其中：主機部分構成主要為：反力支架2立于底座1外沿、軸向調整活塞3立于底座1中部；頂部置有軸向加載桿9的圍壓室置于軸向調整活塞3上，其中圍壓室由圍壓室壁5、圍壓室固定螺栓6和圍壓室蓋7組成；被測試樣11置于加載桿9與調整活塞3之間，被測試樣11設置有便于試樣有效接觸的試樣帽，即上試樣帽10A和下試樣帽10B,其中下試樣帽10B中設置有連通圍壓室內外的體變排水孔13；圍壓室壁為有機玻璃材料制成，圍壓室蓋為金屬蓋，通過圍壓室固定螺栓6將兩者連接；所述水循環和穩壓推力水源部分：主要由兩臺推力穩壓水源構成的兩個獨立的水路部分組成，即用于圍壓室提供穩定壓力的圍壓控制水路和用于內體變和吸力精密量測的監測水路；圍壓控制水路中推力穩壓水源14A的與進水口18A與圍壓室4下方的圍壓注水孔12相連；內體變和吸力精密量測的監測水路中推力穩壓水源14B的與進水口18B通過U型膠管與圍壓室底部軸向調整活塞3的體變排水孔13相連，所述體變排水孔的另一端與立于圍壓室內軸向加載桿9與軸向調整活塞3間的被測試樣11的底部相接觸；數據采集和處理部分主要由一臺數據采集與處理器21，一臺控制計算機22，一個量測U型膠管17兩端壓差的壓差傳感器20，三個設置在不同水路的水壓力傳感器19及設置在加載桿9上的軸力傳感器8組成，通過采集水壓力傳感器的讀數反饋到控制計算機，計算機再給出控制命令調節電機的工作狀態實現水壓力的控制。主機中圍壓室由圍壓室壁、圍壓室固定螺栓和圍壓室蓋組成。在整個實驗過程中，通過調節軸向調整活塞的位置和軸力傳感器的數據采集，實現軸向荷載的自動控制。其外殼成分為有機玻璃，圍壓蓋材料為不銹鋼，外殼和圍壓蓋均能承受一定的壓力，并近似的認為圍壓室外殼為剛性，能保證在施加圍壓時不漏水、不變形。圍壓室下方有圍壓注水口，圍壓水通過此孔注入并施加圍壓。基于內體變精密量測的非飽和土靜三軸儀，其中穩壓推力水源是實現體變量測和吸力控制的關鍵部分。水循環和穩壓推力水源部分主要作用是進行水壓力控制，一套用于圍壓控制，一套用于內體變的精密量測和吸力。所述穩壓推力水源的主要組成部分是：進水口，活塞限位保護裝置，活塞缸筒，活塞，電機，渦輪，蝸桿，滾珠絲桿外筒，滾珠絲桿內筒，滾珠絲桿，絲桿止動塊，限位孔，渦輪蝸桿固定軸承。其中活塞筒內填充的液壓介質為水。其調節水壓力的原理是：通過電機的正反轉動帶動渦輪蝸桿的轉動，進而帶動活塞和滾軸絲桿的平動，實現活塞缸筒內壓力的調節。用于圍壓控制的穩壓推力水源控制圍壓壓力穩定在一個固定值。通過一根U型管一端與測試試樣底端相連，控制U型管水平段的壓力差為一個穩定值，這個穩定的壓力值是土體中氣體壓力與水壓力的差值，即試驗過程中需要控制的吸力值。這樣，即通過軸平移技術實現了吸力的控制。非飽和土體的內體變值量測，是在吸力控制的過程中，通過伺服電機帶動穩壓推力水源內部滾軸絲桿前進或者后退使U型管水平段的壓力差為一個穩定值，通過量測滾軸絲桿的位移量，再乘以絲桿的截面積，得到的這個體積就是非飽和土體的內體變值。數據采集和處理部分主要由數據采集與處理器，控制計算機，壓差傳感器，水壓力傳感器和軸力傳感器等組成，通過采集各傳感器的讀數反饋到控制計算機，計算機再給出控制命令調節電機的工作狀態實現軸向荷載和水壓力的控制。本專利技術的有益效果在于，不采用傳統非飽和儀器必須使用的陶土板而仍沿用軸平移技術，實現非飽和土體體變精確量測和本文檔來自技高網...
【技術保護點】
基于內體變精密量測的吸力可控式非飽和土靜三軸儀，其主要組成部分是：主機部分、水循環和穩壓推力水源部分、數據采集和處理部分，其中：主機部分構成主要為：反力支架(2)立于底座(1)外沿、軸向調整活塞(3)立于底座(1)中部；頂部置有軸向加載桿(9)的圍壓室置于軸向調整活塞(3)上，其中圍壓室由圍壓室壁(5)、圍壓室固定螺栓(6)和圍壓室蓋(7)組成；被測試樣(11)置于加載桿(9)與調整活塞(3)之間，被測試樣(11)設置有便于試樣有效接觸的試樣帽，即上試樣帽(10A)和下試樣帽(10B),其中下試樣帽(10B)中設置有連通圍壓室內外的體變排水孔(13)；圍壓室壁為有機玻璃材料制成，圍壓室蓋為金屬蓋，通過圍壓室固定螺栓(6)將兩者連接；所述水循環和穩壓推力水源部分：主要由兩臺推力穩壓水源構成的兩個獨立的水路部分組成，即用于圍壓室提供穩定壓力的圍壓控制水路和用于內體變和吸力精密量測的監測水路；圍壓控制水路中推力穩壓水源(14A)的與進水口(18A)與圍壓室(4)下方的圍壓注水孔(12)相連；內體變和吸力精密量測的監測水路中推力穩壓水源(14B)的與進水口(18B)通過U型膠管與圍壓室底部軸向調整活塞(3)的體變排水孔(13)相連，所述體變排水孔的另一端與立于圍壓室內軸向加載桿(9)與軸向調整活塞(3)間的被測試樣(11)的底部相接觸；數據采集和處理部分主要由一臺數據采集與處理器(21)，一臺控制計算機(22)，一個量測U型膠管(17)兩端壓差的壓差傳感器(20)，三個設置在不同水路的水壓力傳感器(19)及設置在加載桿(9)上的軸力傳感器(8)組成，通過采集水壓力傳感器的讀數反饋到控制計算機，計算機再給出控制命令調節電機的工作狀態實現水壓力的控制。...
【技術特征摘要】
1.基于內體變精密量測的吸力可控式非飽和土靜三軸儀，其主要組成部分是：主機部分、水循環
和穩壓推力水源部分、數據采集和處理部分，其中：
主機部分構成主要為：反力支架(2)立于底座(1)外沿、軸向調整活塞(3)立于底座(1)中部；頂
部置有軸向加載桿(9)的圍壓室置于軸向調整活塞(3)上，其中圍壓室由圍壓室壁(5)、圍壓室固定
螺栓(6)和圍壓室蓋(7)組成；被測試樣(11)置于加載桿(9)與調整活塞(3)之間，被測試樣(11)
設置有便于試樣有效接觸的試樣帽，即上試樣帽(10A)和下試樣帽(10B),其中下試樣帽(10B)中設
置有連通圍壓室內外的體變排水孔(13)；圍壓室壁為有機玻璃材料制成，圍壓室蓋為金屬蓋，通過圍壓
室固定螺栓(6)將兩者連接；
所述水循環和穩壓推力水源部分：主要由兩臺推力穩壓水源構成的兩個獨立的水路部分組成，即用于圍
壓室提供穩定壓力的圍壓控制水路和用于內體變和吸力精密量測的監測水路；圍壓控制水路中推力穩壓
水源(14A)的與進水口(18A)與圍壓室(4)下方的圍壓注水孔(12)相連；內體變和吸力精密量測的
監測水路中推力穩壓水源(14B)的與進水口(18B)通過U型膠管與圍壓室底部軸向調整活塞(3)的體
變排水孔(13)相連，所述體變排水孔的另一端與立于圍壓室內軸向加載桿(9)與軸向調整活塞(3)
間的被測試樣(11)的底部相接觸；
數據采集和處理部分主要由一臺數據采集與處理器(21)，一臺控制計算機(22)，一個量測U型膠管(17)
兩端壓差的壓差傳感器(20)，三個設置在不同水路的水壓力傳感器(19)及設置在加載桿(9)上的軸
力傳感器(8)組成，通過采集水壓力傳感器的讀數反饋到控制計算機，計算機再給出控制命令調節電機
的工作狀態實現水壓力的控制。
2.根據權利要求1所述之基于內體變精密量測的吸...
【專利技術屬性】
技術研發人員：崔凱，張繼勛，黃邦文，郭國慶，
申請(專利權)人：西南交通大學，成都西南交大研究院有限公司，
類型：發明
國別省市：四川;51
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