基于MTS动力源的低围压静动三轴试验系统的制作方法

本发明涉及岩土工程研究领域，特别地，涉及一种基于MTS动力源的低围压静动三轴试验系统。

背景技术：

三轴试验可有效模拟土体的自然受力状态，是研究土体力学性能重要的试验方法。静三轴试验除了可用于测定土体的强度参数c和外，还用于土体孔隙压力消散试验、渗透试验和静止侧压系数试验等；动三轴试验可用于研究土体在循环荷载作用下的动强度、动变形及动孔压特性。基于土体静、动三轴试验的成果是开展土体本构模型理论研究、进行数值计算、解决实际工程问题的前提与基础。因此，三轴试验研究受到各大高校和科研院所的高度重视，基于现有的三轴试验系统，通过改进与开发以满足不同试验条件、提高试验精度与效果是三轴试验研究和设备开发的一个重要方向。

现有国内的大型三轴仪压力室绝大多数采用厚重的钢板制作，该类型压力室强度大，能承受较大的围压，主要适合于高围压三轴试验，但很难提供稳定的低围压环境，难以准确模拟低围压土体的实际受力情况(例如路基和地基土体的围压较低，一般在100kpa以内)。另外，现有国内的大型三轴仪均采用水作为围压介质，试样不同高度处的围压并不相同，特别是对于大型试样，如试样高度为600mm时，试样顶部、底部的围压差值达到6kpa，此时，当试样围压要求较低，例如为10kpa时，试样顶、底部就有6kpa的围压差，相对误差很大(达60％)，对试验数据的处理分析带来很多困难。并且，当围压为水压时，压力室内充满水，这就要求直接测试试样的电器元件须具备防水功能。同时，压力室侧壁不透明，不能在试验过程中观察试样的发展过程。

目前国内的大型三轴仪只能单一的进行静三轴或动三轴试验，因此要开展静三轴和动三轴试验需要两套试验设备，试验成本高。而且，国产的大型动三轴试验系统很难满足长时间、高振次的试验要求(如铁路路基每年要承受列车作用次数可达数百万次)，且应力的控制精度不理想。另外，国内许多单位实验室，都拥有MTS机，若能在岩土三轴试验中利用起来，也可提高现有设备的利用率，并且MTS力和位移的控制精度非常高。

同时，国内现有的大型动三轴试验系统，力传感器一般放置在压力室外的传力杆上方，因此无法测量出动力施力过程中传力杆和试样帽本身重量和动能以及传力杆周围摩擦对试样产生的作用力大小，所以把此处力传感器的数值视为作用在试样上的力，误差当然会很大。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于MTS动力源的低围压静动三轴试验系统，以解决目前低围压环境不稳定、围压差大、作用力测量误差大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于MTS动力源的低围压静动三轴试验系统，包括MTS试验机和三轴试验装置，其特征在于，所述三轴试验装置包括压力室、量测系统和围压控制系统，所述压力室包括底座、侧壁和顶板，所述量测系统包括电子位移计、径向变形传感器和力传感器，所述侧壁与底座、顶板密封连接，所述底座上安装力传感器，所述力传感器上放置试样，所述试样内插装径向变形传感器，所述径向变形传感器沿试样的垂直方向布设；所述试样上设置试样帽，所述试样帽连接传力杆，所述传力杆穿过压力室的顶板与MTS试验机的作动器连接，所述传力杆与顶板连接处设置导向套，所述电子位移计安装在传力杆上；所述压力室连接围压控制系统，所述围压控制系统用于提供稳定围压，围压介质为压缩气体。

优选的，所述侧壁通过密封件与底座、顶板密封连接；所述力传感器与试样之间设置轻质压力室垫座。

优选的，所述侧壁为透明有机玻璃。

优选的，所述压力室通过螺杆将所述顶板、侧壁和底座紧固。

优选的，所述传力杆的下端通过球形铰链与试样帽连接。

优选的，所述围压控制系统包括依次连接的空气压缩机、压力库和恒压装置，所述恒压装置通过周围压力阀与所述压力室连接。

优选的，所述试样的上下两端分别设置上透水板和下透水板，所述下透水板底部安装有孔隙水收集座，所述孔隙水收集座的出水口通过孔隙压力阀与孔隙水量测系统连接。

优选的，所述三轴试验装置还包括反压力控制系统、抽气系统，所述反压力控制系统、抽气系统通过总管路与试样连通，所述软管的一端通入所述压力室并穿过所述试样帽与试样连通，所述总管路的另一端设置总阀。

优选的，所述反压力控制系统包括加压装置、反压力阀、体变管和排水阀，所述加压装置通过反压力阀与沿垂直方向布设的体变管的上开口连接，所述体变管内装有液体，所述体变管的下开口通过排水阀与软管连接。

优选的，所述抽气系统包括抽真空装置、通气阀、量水管和量水管阀，所述抽真空装置通过通气阀与沿垂直方向布设的量水管的上开口连接，所述量水管的下开口通过量水管阀与软管连接。

进一步地，所述量水管通过进水管阀与孔隙水收集座连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明的基于MTS动力源的低围压静动三轴试验系统，利用现有的MTS小吨位作动器作为高精度力源，可对压力室中的试样施加静荷载或高循环次数的动荷载，实现静三轴和动三轴试验双功能；围压为气压，能够对试样提供稳定的低围压，实现模拟土体的低围压受力环境，围压控制精度高；以压缩气体为围压介质，能够保障试样沿高度方向的围压一致，特别适用于低围压、大高度的试样，围压控制精度高，同时，因为摒弃了用水作为围压介质，所以有利于直接在试样周围安装电器元件进行测试；另外，力传感器安装在压力室的底座上，克服了传统方式中由于将力传感器放置在传力杆上方，在动力施力过程中传力杆和试样帽本身重量和动能、传力杆周围摩擦等对试样产生作用力大小无法测量的缺陷，大大减小了作用力的测量误差。

进一步地，压力室侧壁采用高强度的透明有机玻璃筒制作，方便观察和摄录试样的状态变化。

进一步地，围压控制系统包括依次连接的空气压缩机、压力库和恒压装置，恒压装置通过周围压力阀与压力室连接，为压力室提供稳定的低围压。

进一步地，试样的上下两端分别设置上透水板和下透水板，下透水板底部安装有孔隙水收集座，孔隙水收集座的出水口通过孔隙压力阀与孔隙水量测系统连接，能够测量试样中孔隙水的压力，以便于在有需要的情况下计算试样的受力情况。

进一步地，试样外面包裹橡皮套，以维持试样形状，使试样不松散。

进一步地，三轴试验装置还包括反压力控制系统、抽气系统，反压力控制系统、抽气系统通过软管与试样连通，软管的一端通入压力室并穿过试样帽与试样连通，软管的另一端设置总阀，反压力控制系统用于为要求完全饱和的试样施加反压力，抽气系统用于为要求饱和的试样抽真空，能够满足不同试验的要求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例中基于MTS动力源的低围压静动三轴试验系统的结构示意图。

1、反力架；2、MTS作动器；3、电子位移计；4、顶板；5、侧壁；6、传力杆；7、导向套；8、排气阀；9、试样帽；10、上透水板；11、试样；12、橡皮套；13、下透水板；14、轻质压力室垫座；15、力传感器；16、底座；17、周围压力阀；18、压力表；19、压力库；20、孔隙压力阀；21、进水管阀；22、排水阀；23、量水管阀；24、量水管；25、体变管；26、反压力阀；27、通气阀；28、总阀；29、径向变形传感器；30、螺杆；31、空气压缩机；32、恒压装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，本实施例的基于MTS动力源的低围压静动三轴试验系统，包括MTS试验机和三轴试验装置，三轴试验装置包括压力室、量测系统和围压控制系统，压力室包括底座16、侧壁5和顶板4，量测系统包括电子位移计3、径向变形传感器29和力传感器15，侧壁5与底座16、顶板4密封连接，底座16上安装力传感器15，力传感器15上放置试样11，试样11内插装三个径向变形传感器29，径向变形传感器29沿试样11的垂直方向布设；试样11上设置试样帽9，试样帽9连接传力杆6，传力杆6穿过压力室的顶板4与MTS试验机的作动器2连接，传力杆6与顶板4连接处设置导向套7，电子位移计3安装在传力杆6上；压力室连接围压控制系统，围压控制系统用于提供稳定围压，围压介质为压缩气体，该基于MTS动力源的低围压静动三轴试验系统，利用现有的MTS小吨位作动器2作为高精度力源，可对压力室中的试样11施加静荷载或高循环次数的动荷载，实现静三轴和动三轴试验双功能；围压为气压，能够对试样11提供稳定的低围压，实现模拟土体的低围压受力环境，围压控制精度高；以压缩气体为围压介质，能够保障试样11沿高度方向的围压一致，特别适用于低围压、大高度的试样，围压控制精度高，同时，因为摒弃了用水作为围压介质，所以有利于直接在试样11周围安装电器元件进行测试；另外，力传感器15安装在压力室的底座16上，克服了传统方式中由于将力传感器15放置在传力杆6上方，在动力施力过程中传力杆6和试样帽9本身重量和动能、传力杆6周围摩擦等对试样11产生作用力大小无法测量的缺陷，大大减小了作用力的测量误差。

本实施例中，侧壁5通过密封件与底座16、顶板4密封连接，密封件具体为密封垫圈，可保证压力室与底座16连接处不漏气；力传感器15与试样11之间设置轻质压力室垫座14，起到链接力传感器15和试样11的作用。

本实施例中，侧壁5为高强度的透明有机玻璃圆筒，能清晰地观察和摄录试验过程中试样11的发展变化。

本实施例中，压力室通过均匀分布的四根螺杆30将所述顶板4、侧壁5和底座16对拉紧固，使压力室更加牢固。

本实施例中，传力杆6的下端通过球形铰链与试样帽9连接，使传力杆6更好地带动试样帽9将荷载或位移传递给试样11。

本实施例中，围压控制系统包括依次连接的空气压缩机31、压力库19和恒压装置32，恒压装置32通过周围压力阀17与压力室连接，为压力室提供稳定的低围压。

本实施例中，试样11的上下两端分别设置上透水板10和下透水板13，下透水板13底部安装有孔隙水收集座，孔隙水收集座的出水口通过孔隙压力阀20与孔隙水量测系统连接，能够测量试样11中孔隙水的压力，以便于在有需要的情况下计算试样11的受力情况。

本实施例中，试样11外面包裹橡皮套12，以维持试样形状，使试样不松散。

本实施例中，三轴试验装置还包括反压力控制系统、抽气系统，反压力控制系统、抽气系统通过软管与试样11连通，软管的一端通入压力室并穿过试样帽9与试样11连通，软管的另一端设置总阀28，反压力控制系统用于为要求完全饱和的试样11施加反压力，抽气系统用于为要求饱和的试样11抽真空，能够满足不同试验的要求。

本实施例中，反压力控制系统包括加压装置、反压力阀26、体变管25和排水阀22，加压装置通过反压力阀26与沿垂直方向布设的体变管25的上开口连接，体变管25内装有液体，体变管25的下开口通过排水阀22与软管连接；抽气系统包括抽真空装置、通气阀27、量水管24和量水管阀23，抽真空装置通过通气阀27与沿垂直方向布设的量水管24的上开口连接，量水管24的下开口通过量水管阀23与总管路连接，反压力控制系统将反力通过反压力阀26将力传到体变管25，体变管25中液体通过排水阀22进入到试样11中；抽气系统通过通气阀27与量水管24连接，量水管24再通过量水管阀23与试样11连接。

本实施例中，量水管24通过进水管阀21与孔隙水收集座连接，以便于测量孔隙水压的体积变化。

本实施例中，力传感器15上设置轻质压力室垫座14，底座16和轻质压力室垫座14之间设置了管路连接试样11和孔隙水压力系统，同时连接量水管24，可给试样11提供饱和水或排水；底座16还通过软管穿过试样帽9连接试样11，并通过软管连接反压力控制系统和抽气系统连接，可对要求饱和的试样11抽真空并提供反压，压力室的顶板4设有排气阀8。

本实施例的基于MTS动力源的低围压静动三轴试验系统的制样及安装：

将压力室的底座16与压力室分离，在压力室底座16上按《土工试验规程》制样要求制样，将仪器的各个部分相互连接，本实施例中，试验土样为大型试样，试样11形状为圆柱形，高度为300mm～600mm，直径为150mm～300mm。

①按《土工试验规程SL237-1999》规定制备土样。根据干密度、含水率、试样体积及个数一次备好一组试验所需的土样，称取每个试样所需要的土样质量备用；

②将橡皮套12下端套在轻质压力室垫座14上并用橡皮筋扎紧，在橡皮套12外侧套上两瓣式对开钢模，紧固好连接螺杆30。将橡皮套12从钢模中抽出并将另一端翻转套在钢模上端。

③在钢模内的压力室下透水板13上安装好透水垫纸(由透水土工布制成)；

④将每个试样的土样分成3～5等分，分3层或5层填入橡皮套12。用锤击实或压力机压实，第1层土样压实后，其表面应刨毛，再加第2层土样压实。其他各层用同法进行压实，每层土样应压实至预定高度。

⑤拆去对开钢模，测定试样直径D0及高度H0，依次放上透水垫纸、上透水板10、试样帽9，套上橡皮套12，将其与试样帽9扎紧。连接试样帽9与底座的软管。

⑥连接压力室内部力传感器15、径向变形传感器29，安装压力室顶板4，连接压力室外部充气接头、传感器接头(包括电插头)，安装电子位移计3。

本实施例的基于MTS动力源的低围压静动三轴试验系统，运行时：

(1)试样饱和

①抽气饱和：关闭孔隙压力阀20、进水管阀21、排水阀22、总阀28，打开量水管阀23和通气阀27，启动抽气系统，待接近1个大气压后，持续约1h。关闭量水管阀23，打开进水管阀21，试样11进行饱和。

②反压力饱和：若需反压力饱和时，将试样11安装于压力室后，先向接反压力控制系统的体变管25内注水，测记体变管25液面读数，再通过围压控制系统向试,11施加30kPa的周围压力，打开孔隙压力阀20，测记孔隙压力稳定读数。关闭通气阀27、打开反压力阀26，同时通过加压装置和围压控制系统分别对试样11和试样11周围分级施压力，施加过程中，始终保持周围压力比反压力大30kPa，反压力和周围压力的每级增量为20kPa，待孔隙压力稳定后，测记孔隙压力和体变管25读数，然后再施加下一级周围压力和反压力，直至饱和度等于或大于0.95为止。

(2)施加围压

根据试验所需的围压要求，将压缩空气输入到压力室，对试样施加围压。

(3)施加轴向荷载

打开轴向加荷系统，根据试验要求，由MTS系统的控制软件设置加载参数，对试样施加轴向荷载，进行静三轴或动三轴试验，根据试验停止标准停止试验。

反力架1与上述MTS试验机、作动器2、传力杆6和试样帽9组成轴向加荷系统。MTS试验机通过控制软件，既能提供稳定的静荷载(最大轴压为50kN)，亦可提供高精度变幅值、复杂波形(方形波、正弦波)、多种频率(0～20Hz)、高振次(≥10万次)的动荷载，并可在高振次情况下实现高精度的荷载或位移输出，并能同时连续记录荷载、位移、时间数据。MTS作动器2固定在反力架1横梁下表面中心，MTS作动器2配套的控制软件用于控制MTS输出的动荷载或动位移，并将输出的荷载、位移和时间数据自动记录在控制软件的储存盘中，从而MTS作动器2通过对传力杆6施加荷载，传力杆6可沿导向套7竖向自由滑行，传力杆6上端与MTS作动器2之间安装有电子位移计3，试验时传力杆6的顶部与MTS作动器2接触，传力杆6的下端制成球形凸出状，与制成凹形状的试样帽9共同构成活动的球形铰链，将荷载或位移传给试样11。荷载由MTS作动器2连接的配套压力系统提供。荷载输出控制由MTS试验机配套的控制软件进行控制并将输出结果储存在存储盘中。

其中，MTS试验机控制系统的存储设备用于测量和记录MTS作动器2竖向输出的力和位移；电子位移计3用于量测试样11的轴向变形；孔隙水量测系统用于测量试验过程中试样11的孔隙水压力；径向变形传感器29安装于试样11横截面中部，用于测量试样11的径向变形；力传感器15，安置在轻质压力室垫座14和底座16之间，用于测量试样11受到的压力；体变管25测量试样11压缩后的体积变化。

本实施例的基于MTS动力源的低围压静动三轴试验系统，可进行多种不同试验条件的三轴压缩试验，包括不同固结压力、含水率，压实度、频率、动应力、波形等；可进行不同土类试样的循环动荷载或应变控制的静三轴压缩试验，包括碎石、含泥粗粒土、粉土、粘土等；可在长时间、高振次情况下输出高精度、稳定的动荷载。

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。