基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪制造技术

本发明专利技术公开了一种基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，包含主机部分、水循环和稳压推力水源部分、数据采集和处理部分。其中水循环和稳压推力水源部分主要由两台推力稳压水源构成的两个独立的水路部分组成，即用于围压室提供稳定压力的围压控制水路和用于内体变和吸力精密量测的监测水路。本发明专利技术不采用传统非饱和仪器必须使用的陶土板而仍沿用轴平移技术，实现非饱和土体体变精确量测和试验过程中吸力的控制，因而省略了陶土板饱和的过程，同时也避免了陶土板排水滞后的问题并精确控制非饱和土中的吸力。本发明专利技术可全程实现自动化控制和量测，满足实验原理合理、量测精度高、技术可行的要求，大大提高了试验的效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及室内土工实验测试装置，尤其是用于研究非饱和土体的静三轴仪，属于岩土工程测试和非饱和土力学实验设备范畴。
技术介绍
“土木工程”之土分为饱和土与非饱和土，百分之九十的陆地土属于非饱和土范畴，近年来，随着国家和地区重大工程中对土体力学特性研究的要求越来越高，要求室内土工实验条件与实际工程条件一致，针对非饱和土的力学特性室内实验研究乃大势所趋。在上个世纪九十年代前，设备研制技术还无法实现非饱和力学测试，而21世纪以来，国际上已开始研制和推广非饱和土力学特性实验设备。时至今日，实验理论已经完善，设备研制条件具备，但目前国内仅可自主生产饱和土测试设备，而非饱和土实验设备，特别是非饱和土三轴仪仍需进口(如德国Wille、英国GDS等产品)。当前，国内国际进行非饱和土研究通常采用陶土板法实现体变量测，然而高进气值陶土板完全依赖进口，自主研发难度大进口设备购置费用高，而且陶土板作为一种脆性材料极易损坏破碎，一旦一块陶土板出现微裂缝即宣告失效。因此，维护和运行带有陶土板的仪器成本高，周期长，给用户带来极大的不变。上述诸缺点预示着研制不用陶土板的非饱和土测试仪器非常必要。在现有的动静三轴仪体变量测方面，均采用了外体变量测法，即量测实验过程中三轴压力室内水体积的变化来表示土体的体变。此方法的缺陷是把压力室看成绝对刚性结构，在施加围压时其体积不变。然而，在通常采用的压力室材料为有机玻璃的条件下，是根本不可能实现上述要求的。采用外体变量测<br>法，用有机玻璃作为压力室材料时，为保证测量结果更准确，通常在实验前标定固定压力下压力室的体积变化，然后对实验结果的体变值进行修正。显然标定的过程显得繁琐且不一定准确，因此有必要开发内体变量测方法及装置。在非饱和土的相关试验中，吸力控制是一项关键技术。吸力能否精确控制关系到非饱和土体性质能否准确反映。如今市场上受到认可的非饱和仪器大多采用轴平移技术来实现吸力的控制，即通过陶土板“过水不过气”的特性，认为施加在土体内的气压力等于吸力。但是，仍采用轴平移技术而摒弃陶土板的方法达到吸力可控的研究国内尚未见报道。近三年来，除原有高校与科研单位因为纵向科研项目对非饱和三轴仪等非饱和土工设备的需求外，水利、电力、地质、石油、山地灾害、矿山、铁道、海洋等岩土工程勘察、设计与施工单位需求急速增大，主要用于重大工程设计与施工的可研和初研需要。因此，自主研发高精度的非饱和土三轴仪并投产，可满足工程与科研界对科研仪器的需要，达到实验原理合理、实验测试精度高、技术可行的要求。
技术实现思路
鉴于现有技术的以上不足，本专利技术旨在提供一种简便实用、量测结果准确、吸力可控的非饱和土体静三轴仪，并能实现试验全过程的自动化控制和试验数据的自动化处理。在未采用传统的陶土板的条件下，实现了对非饱和土体体变的精确量测，尤其是采用了内体变的方法进行体变量测和吸力控制，解决了以往国产非饱和三轴仪器试验原理不合理、测试精度不高的难题。本专利技术解决上述问题的技术方案是：基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，其主要组成部分是：主机部分、水循环和稳压推力水源部分、数据采集和处理部分，其中：主机部分构成主要为：反力支架2立于底座1外沿、轴向调整活塞3立于底座1中部；顶部置有轴向加载杆9的围压室置于轴向调整活塞3上，其中围压室由围压室壁5、围压室固定螺栓6和围压室盖7组成；被测试样11置于加载杆9与调整活塞3之间，被测试样11设置有便于试样有效接触的试样帽，即上试样帽10A和下试样帽10B,其中下试样帽10B中设置有连通围压室内外的体变排水孔13；围压室壁为有机玻璃材料制成，围压室盖为金属盖，通过围压室固定螺栓6将两者连接；所述水循环和稳压推力水源部分：主要由两台推力稳压水源构成的两个独立的水路部分组成，即用于围压室提供稳定压力的围压控制水路和用于内体变和吸力精密量测的监测水路；围压控制水路中推力稳压水源14A的与进水口18A与围压室4下方的围压注水孔12相连；内体变和吸力精密量测的监测水路中推力稳压水源14B的与进水口18B通过U型胶管与围压室底部轴向调整活塞3的体变排水孔13相连，所述体变排水孔的另一端与立于围压室内轴向加载杆9与轴向调整活塞3间的被测试样11的底部相接触；数据采集和处理部分主要由一台数据采集与处理器21，一台控制计算机22，一个量测U型胶管17两端压差的压差传感器20，三个设置在不同水路的水压力传感器19及设置在加载杆9上的轴力传感器8组成，通过采集水压力传感器的读数反馈到控制计算机，计算机再给出控制命令调节电机的工作状态实现水压力的控制。主机中围压室由围压室壁、围压室固定螺栓和围压室盖组成。在整个实验过程中，通过调节轴向调整活塞的位置和轴力传感器的数据采集，实现轴向荷载的自动控制。其外壳成分为有机玻璃，围压盖材料为不锈钢，外壳和围压盖均能承受一定的压力，并近似的认为围压室外壳为刚性，能保证在施加围压时不漏水、不变形。围压室下方有围压注水口，围压水通过此孔注入并施加围压。基于内体变精密量测的非饱和土静三轴仪，其中稳压推力水源是实现体变量测和吸力控制的关键部分。水循环和稳压推力水源部分主要作用是进行水压力控制，一套用于围压控制，一套用于内体变的精密量测和吸力。所述稳压推力水源的主要组成部分是：进水口，活塞限位保护装置，活塞缸筒，活塞，电机，涡轮，蜗杆，滚珠丝杆外筒，滚珠丝杆内筒，滚珠丝杆，丝杆止动块，限位孔，涡轮蜗杆固定轴承。其中活塞筒内填充的液压介质为水。其调节水压力的原理是：通过电机的正反转动带动涡轮蜗杆的转动，进而带动活塞和滚轴丝杆的平动，实现活塞缸筒内压力的调节。用于围压控制的稳压推力水源控制围压压力稳定在一个固定值。通过一根U型管一端与测试试样底端相连，控制U型管水平段的压力差为一个稳定值，这个稳定的压力值是土体中气体压力与水压力的差值，即试验过程中需要控制的吸力值。这样，即通过轴平移技术实现了吸力的控制。非饱和土体的内体变值量测，是在吸力控制的过程中，通过伺服电机带动稳压推力水源内部滚轴丝杆前进或者后退使U型管水平段的压力差为一个稳定值，通过量测滚轴丝杆的位移量，再乘以丝杆的截面积，得到的这个体积就是非饱和土体的内体变值。数据采集和处理部分主要由数据采集与处理器，控制计算机，压差传感器，水压力传感器和轴力传感器等组成，通过采集各传感器的读数反馈到控制计算机，计算机再给出控制命令调节电机的工作状态实现轴向荷载和水压力的控制。本专利技术的有益效果在于，不采用传统非饱和仪器必须使用的陶土板而仍沿用轴平移技术，实现非饱和土体体变精确量测和本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，其主要组成部分是：主机部分、水循环和稳压推力水源部分、数据采集和处理部分，其中：主机部分构成主要为：反力支架(2)立于底座(1)外沿、轴向调整活塞(3)立于底座(1)中部；顶部置有轴向加载杆(9)的围压室置于轴向调整活塞(3)上，其中围压室由围压室壁(5)、围压室固定螺栓(6)和围压室盖(7)组成；被测试样(11)置于加载杆(9)与调整活塞(3)之间，被测试样(11)设置有便于试样有效接触的试样帽，即上试样帽(10A)和下试样帽(10B),其中下试样帽(10B)中设置有连通围压室内外的体变排水孔(13)；围压室壁为有机玻璃材料制成，围压室盖为金属盖，通过围压室固定螺栓(6)将两者连接；所述水循环和稳压推力水源部分：主要由两台推力稳压水源构成的两个独立的水路部分组成，即用于围压室提供稳定压力的围压控制水路和用于内体变和吸力精密量测的监测水路；围压控制水路中推力稳压水源(14A)的与进水口(18A)与围压室(4)下方的围压注水孔(12)相连；内体变和吸力精密量测的监测水路中推力稳压水源(14B)的与进水口(18B)通过U型胶管与围压室底部轴向调整活塞(3)的体变排水孔(13)相连，所述体变排水孔的另一端与立于围压室内轴向加载杆(9)与轴向调整活塞(3)间的被测试样(11)的底部相接触；数据采集和处理部分主要由一台数据采集与处理器(21)，一台控制计算机(22)，一个量测U型胶管(17)两端压差的压差传感器(20)，三个设置在不同水路的水压力传感器(19)及设置在加载杆(9)上的轴力传感器(8)组成，通过采集水压力传感器的读数反馈到控制计算机，计算机再给出控制命令调节电机的工作状态实现水压力的控制。...

【技术特征摘要】
1.基于内体变精密量测的吸力可控式非饱和土静三轴仪，其主要组成部分是：主机部分、水循环
和稳压推力水源部分、数据采集和处理部分，其中：
主机部分构成主要为：反力支架(2)立于底座(1)外沿、轴向调整活塞(3)立于底座(1)中部；顶
部置有轴向加载杆(9)的围压室置于轴向调整活塞(3)上，其中围压室由围压室壁(5)、围压室固定
螺栓(6)和围压室盖(7)组成；被测试样(11)置于加载杆(9)与调整活塞(3)之间，被测试样(11)
设置有便于试样有效接触的试样帽，即上试样帽(10A)和下试样帽(10B),其中下试样帽(10B)中设
置有连通围压室内外的体变排水孔(13)；围压室壁为有机玻璃材料制成，围压室盖为金属盖，通过围压
室固定螺栓(6)将两者连接；
所述水循环和稳压推力水源部分：主要由两台推力稳压水源构成的两个独立的水路部分组成，即用于围
压室提供稳定压力的围压控制水路和用于内体变和吸力精密量测的监测水路；围压控制水路中推力稳压
水源(14A)的与进水口(18A)与围压室(4)下方的围压注水孔(12)相连；内体变和吸力精密量测的
监测水路中推力稳压水源(14B)的与进水口(18B)通过U型胶管与围压室底部轴向调整活塞(3)的体
变排水孔(13)相连，所述体变排水孔的另一端与立于围压室内轴向加载杆(9)与轴向调整活塞(3)
间的被测试样(11)的底部相接触；
数据采集和处理部分主要由一台数据采集与处理器(21)，一台控制计算机(22)，一个量测U型胶管(17)
两端压差的压差传感器(20)，三个设置在不同水路的水压力传感器(19)及设置在加载杆(9)上的轴
力传感器(8)组成，通过采集水压力传感器的读数反馈到控制计算机，计算机再给出控制命令调节电机
的工作状态实现水压力的控制。
2.根据权利要求1所述之基于内体变精密量测的吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔凯，张继勋，黄邦文，郭国庆，
申请(专利权)人：西南交通大学，成都西南交大研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51