真三轴试验方法及系统与流程

本发明涉及土工试验设备技术领域，具体而言，涉及一种真三轴试验方法及系统。

背景技术：

真三轴试验系统通常应用于岩土的受力分析试验中。随着工程技术的不断发展，水利水电、地热开发及石油天然气开采等传统岩土工程的复杂程度逐年提高，与此同时，国家也推出一些更具国家战略意义、更有挑战性的特殊工程(如放射性核废料地质封存、二氧化碳地质封存等)。能否实现真三轴耦合试验的自动化是判定真三轴试验系统优劣的重要标准。此外，现有技术中的真三轴试验系统通常只能进行假三轴试验或简单的常规三轴试验不能实现真三轴耦合试验。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种真三轴试验系统，通过设置真三轴加载装置、真三轴施力装置及数控装置实现了真三轴耦合试验，并实现真三轴耦合试验自动化。

有鉴于此，本发明的另一目的在于提供一种真三轴试验方法，通过真三轴加载装置、真三轴施力装置及数控装置实现了真三轴耦合试验，且并实现真三轴耦合试验自动化。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种真三轴试验系统，包括真三轴加载装置、真三轴施力装置及数控装置。

所述真三轴加载装置包括加载装置本体、第一计量泵、第二计量泵、第三计量泵、升降计量泵和渗透压计量泵。所述真三轴施力装置包括第一活塞、第二活塞、第三活塞、升降活塞、与所述第一活塞匹配的第一缸筒、与所述第二活塞匹配的第二缸筒、与所述升降活塞匹配的升降缸筒、限位千斤顶以及具有容纳空间的施力框架。所述数控装置包括控制装置、第一位移计、第二位移计以及第三位移计。

所述控制装置与所述第一位移计、第二位移计、第三位移计、第一计量泵、第二计量泵、第三计量泵、升降计量泵和渗透压计量泵分别连接。

所述第一活塞设置于所述第一缸筒内，所述第一缸筒安装于所述施力框架顶部，所述第一缸筒与所述第一计量泵通过管道连通；所述第二活塞设置于所述第二缸筒内，所述第二缸筒安装于所述施力框架侧壁，所述第二缸筒与所述第二计量泵通过管道连通；所述升降活塞设置于所述升降缸筒，所述升降缸筒与所述升降计量泵通过管道连通，所述升降缸筒设置于所述施力框架底部，所述加载装置本体与所述渗透压计量泵通过管道连通，所述加载装置本体设置于所述升降活塞靠近所述第一活塞的一侧；所述限位千斤顶安装于所述施力框架侧壁，所述第三计量泵通过管道与所述施力框架的容纳空间连通。

所述第一位移计设置于所述第一缸筒的一端以检测第一缸筒的端部与第一活塞之间位置变化产生的第一信号，所述第二位移计设置于所述第二缸筒的一端以检测第二缸筒的端部与第二活塞之间位置变化产生的第二信号，所述第三位移计设置于所述加载装置本体以检测所述加载装置本体的位置变化产生第三信号。

所述控制装置接收所述第一信号、第二信号和第三信号并根据预存算法得到待检测物品的应变。

可选的，在上述真三轴试验装置中，所述加载装置本体具有密封空间，所述加载装置本体的密封空间与所述渗透压计量泵之间通过管道连通，该管道上设置有压力容器和两个阀控装置，所述两个阀控装置分别设置于所述压力容器的两端，所述压力容器检测所述加载装置本体受到的压力，所述控制装置与所述压力容器连接并获取所述压力，所述控制装置根据所述压力及预存算法得到待检测物品的渗透率。

可选的，在上述真三轴试验装置中，所述加载装置本体的密封空间与所述渗透压计量泵通过两根管道连通，所述两根管道的一端与所述渗透压计量泵连通、另一端与所述加载装置本体的顶部和底部分别连通，各管道上设置有压力容器和两个阀控装置，所述两个阀控装置分别设置于所述压力容器的两端，两个所述压力容器分别检测所述加载装置本体顶部受到的第一压力和所述加载装置本体底部受到的第二压力，所述压力容器与所述控制装置连接并获取所述第一压力和第二压力并根据所述第一压力和第二压力及预存算法得到待检测物品的渗透率。

可选的，在上述真三轴试验装置中，所述第一缸筒和第一计量泵通过两根管道连通，所述两根管道的一端与所述第一计量泵连通、另一端分别与所述第一缸筒的两端连通。

所述第二缸筒和第二计量泵通过两根管道连通，所述两根管道的一端与所述第二计量泵连通、另一端分别与所述第二缸筒的两端连通。

所述升降缸筒和升降计量泵通过两根管道连通，所述两根管道的一端与所述升降计量泵连通、另一端分别与所述升降缸筒的两端连通。

可选的，在上述真三轴试验装置中，所述真三轴施力装置还包括限位杆，所述限位杆连接于所述加载装置本体与所述施力框架顶部之间。

可选的，在上述真三轴试验装置中，所述限位杆为多个，相邻两个限位杆之间的距离相同，所述限位千斤顶穿过任意两个相邻限位杆。

可选的，在上述真三轴试验装置中，所述控制装置与所述限位千斤顶连接以控制所述限位千斤顶移动。

可选的，在上述真三轴试验装置中，所述施力框架顶部设置有排气孔道，所述排气孔道处可拆卸地连接有孔塞。

在上述基础上，本发明还提供一种真三轴试验方法，应用于上述的真三轴试验系统，所述方法包括以下步骤：

升降计量泵通过管道向升降活塞中加入承压流体抬升加载装置本体以密封施力框架本体的容纳空间；

控制所述限位千斤顶移动以使所述限位千斤顶与所述加载装置本体贴合；

渗透压计量泵通过设置有压力容器的管道向存放有待检测物质的加载装置本体的密封空间中加入渗流物质；

控制装置控制第一计量泵、第二计量泵和/或第三计量泵分别向所述第一缸筒、第二缸筒和/或施力框架的容纳空间中加入预设量的承压流体；

在所述第一缸筒、所述第二缸筒和/或所述施力框架的容纳空间中存在预设量的承压流体下，压力容器检测加载装置本体受到的压力；

所述控制装置接收所述压力并根据预设规则得到所述待检测物质的耦合渗透率。

可选的，在上述真三轴试验方法中，所述压力容器检测加载装置本体受到的压力的步骤包括：

向两个压力容器中加压至预设压力后，关闭设置于所述渗透压计量泵与所述加载装置本体顶部之间并靠近所述渗透压计量泵的阀控装置。

两个所述压力容器分别检测所述加载装置本体底部受到的第一压力和所述加载装置本体底部受到的第二压力。

本发明提供的一种真三轴试验方法及系统，通过设置加载装置本体、多个计量泵、多个活塞、与多个活塞分别匹配的多个缸筒、限位千斤顶、具有容纳空间的施力框架、控制装置、第一位移计、第二位移计以及第三位移计，通过将控制装置与多个计量泵和第一位移计、第二位移计以及第三位移计分别连接实现了真三轴耦合试验，并实现真三轴耦合试验自动化。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的部分实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种真三轴试验系统的结构框图。

图2为本发明实施例提供的一种真三轴试验系统的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的一种真三轴试验系统的另一结构示意图。

图4为本发明实施例提供的一种真三轴试验系统的另一结构示意图。

图5为本发明实施例提供的一种真三轴试验方法的流程图。

图标：10-真三轴加载装置；30-真三轴施力装置；50-数控装置；110-加载装置本体；120-第一计量泵；130-第二计量泵；140-第三计量泵；150-渗透压计量泵；160-压力容器；170-升降计量泵；310-施力框架；320-底板；330-限位千斤顶；340-限位杆；350-第一活塞；360-第二活塞；370-升降活塞；380-第一缸筒；390-第二缸筒；400-升降缸筒；410-阀控装置；420-管道；510-第一位移计；520-第二位移计；530-第三位移计。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供的一种真三轴试验系统，所述真三轴试验系统包括真三轴加载装置10、真三轴施力装置30及数控装置50。

请结合图2，所述真三轴加载装置10包括加载装置本体110、第一计量泵120、第二计量泵130、第三计量泵140、渗透压计量泵150和升降计量泵170。

请结合图3，所述真三轴施力装置30包括第一活塞350、第二活塞360、第三活塞、升降活塞370、与所述第一活塞350匹配的第一缸筒380、与所述第二活塞360匹配的第二缸筒390、与所述升降活塞370匹配的升降缸筒400、限位千斤顶330以及具有容纳空间的施力框架310。

请结合图4，所述数控装置50包括控制装置(图中未示出)、第一位移计510、第二位移计520以及第三位移计530。

所述第一活塞350设置于所述第一缸筒380内，所述第一缸筒380安装于所述施力框架310顶部，所述第一缸筒380与所述第一计量泵120通过管道420连通。所述第二活塞360设置于所述第二缸筒390内，所述第二缸筒390安装于所述施力框架310侧壁，所述第二缸筒390与所述第二计量泵130通过管道420连通。所述升降活塞370设置于所述升降缸筒400，所述升降缸筒400与所述升降计量泵170通过管道420连通，所述升降缸筒400设置于所述施力框架310底部，所述加载装置本体110与所述渗透压计量泵150通过管道420连通，所述加载装置本体110设置于所述升降活塞370靠近所述第一活塞350的一侧。所述限位千斤顶330安装于所述施力框架310侧壁，所述第三计量泵140通过管道420与所述施力框架310的容纳空间连通。

可选的，所述第一缸筒380和第一计量泵120通过两根管道420连通，所述两根管道420的一端与所述第一计量泵120连通、另一端分别与所述第一缸筒380的两端连通。所述第二缸筒390和第二计量泵130通过两根管道420连通，所述两根管道420的一端与所述第二计量泵130连通、另一端分别与所述第二缸筒390的两端连通。所述升降缸筒400和升降计量泵170通过两根管道420连通，所述两根管道420的一端与所述升降计量泵170连通、另一端分别与所述升降缸筒400的两端连通。

所述控制装置与所述第一位移计510、第二位移计520、第三位移计530、第一计量泵120、第二计量泵130、第三计量泵140、升降计量泵170和渗透压计量泵150分别连接。

在进行真三轴试验时，所述升降活塞370相对于所述升降缸筒400向上移动以使所述加载装置本体110分别与所述第一活塞350、第二活塞360和限位千斤顶330接触。

所述第一位移计510设置于所述第一缸筒380的一端以检测第一缸筒380的端部与第一活塞350之间位置变化产生的第一信号，所述第二位移计520设置于所述第二缸筒390的一端以检测第二缸筒390的端部与第二活塞360之间位置变化产生的第二信号，所述第三位移计530设置于所述加载装置本体110以检测所述加载装置本体110的位置变化产生第三信号。所述控制装置接收所述第一信号、第二信号和第三信号并根据预存算法得到加载装置本体110的不同方向上受到的应力作用。

可选的，所述真三轴施力装置30还包括底板320，所述底板320设置于所述升降活塞370靠近所述第一活塞350的一侧，所述加载装置本体110设置于所述底板320以使所述底板320对所述加载装置本体110起到支撑的作用。

在本实施例中，所述底板320的形状可以是长方形、正方形或圆形等，只要能对所述加载装置本体110起到支撑作用即可，在此不做具体限定。所述限位千斤顶330可以是手动限位千斤顶，也可以是通过控制装置进行控制限位的自动限位千斤顶。在本实施例中，所述限位千斤顶330为自动限位千斤顶，所述控制装置与所述限位千斤顶330连接以控制所述限位千斤顶330移动。

可选的，所述第一计量泵120、第二计量泵130、第三计量泵140及升降计量泵170的种类可以是柱塞式计量泵、隔膜式计量泵或折叠JMW型隔膜式计量泵等，在此不做具体限定，只要能实现液体输送即可。

所述第一缸筒380、第二缸筒390和升降缸筒400的大小可以是相同的，也可以是不同的。在本实施例中，所述第一缸筒380与所述第二缸筒390的大小相同，所述升降缸筒400与所述第一缸筒380的大小不同。所述升降缸筒400、第一缸筒380及第二缸筒390的大小不做具体限定，根据实际需求进行设置即可。

所述施力框架310为具有容纳空间的长方体。在进行渗流试验时，所述施力框架310的容纳空间为密闭空间，所述施力框架310的容纳空间大小是任意的，根据实际需求进行设置即可。在本实施例中，所述施力框架310顶部设置有排气孔道，所述排气孔道处可拆卸地连接有孔塞。通过上述设置使得该真三轴试验系统在进行试验时，有效避免向所述施力框架310的容纳空间中加入承压流体时，造成所述容纳空间中的压力过大影响试验结果。

所述预存算法为多种，包括渗透率的算法、应力的算法以及根据应力和渗透率得到耦合渗透率的算法。所述预存算法存储于所述控制装置中，控制装置可以根据接收到的不同信号调用不同的预存算法进行计算得到相应的结果。

可选的，所述加载装置本体110具有密封空间，所述加载装置本体110的密封空间与所述渗透压计量泵150之间通过管道420连通，该管道420上设置有压力容器160和两个阀控装置410，所述两个阀控装置410分别设置于所述压力容器160的两端，所述压力容器160检测所述加载装置本体110受到的压力，所述控制装置与所述压力容器160连接并获取所述压力，所述控制装置根据所述压力及预存算法得到待检测物品的渗透率。

所述加载装置本体110包括顶部、底部、橡胶套和垫块。所述垫块为两个，两个所述垫块相对设置，橡胶套设置于两个垫块之间并与两个所述垫块分别接触，所述橡胶套一端套设于所述顶部、另一端套设于所述底部以形成密封空间。

所述加载装置本体110的密封空间与所述渗透压计量泵150通过两根管道420连通，所述两根管道420的一端与所述渗透压计量泵150连通、另一端与所述加载装置本体110的顶部和底部分别连通，各管道420上设置有压力容器160和两个阀控装置410，所述两个阀控装置410分别设置于所述压力容器160的两端，两个所述压力容器160分别检测所述加载装置本体110顶部受到的第一压力和所述加载装置本体110底部受到的第二压力，所述压力容器160与所述控制装置连接并获取所述第一压力和第二压力并根据所述第一压力和第二压力及预存算法得到待检测物品的渗透率。

可选的，所述第三位移计530设置于所述加载装置本体110并与所述橡胶套接触。以检测进行渗流试验时所述橡胶套靠近所述第三位移计530处发生的位置变化。具体的，所述第三位移计530为两个，分别设置于所述加载装置本体110相对的两侧。

可选的，所述真三轴施力装置30还包括限位杆340，所述限位杆340连接于所述加载装置本体110与所述施力框架310顶部之间，所述限位千斤顶330穿过任意两个相邻的限位杆340。所述限位杆340的数量为多个，各所述限位杆340的一端分别与所述底座连接，另一端分别与所述施力框架310的顶部连接。相邻两个限位杆340之间的间距相同，通过设置多个限位杆340有效避免在进行真三轴耦合试验时，所述加载装置本体110相对于所述施力框架310转动，影响试验结果。在本实施例中，所述限位杆340的数量为4-8个。所述限位杆340为空心限位杆340，通过将所述限位杆340设置为空心限位杆340使得所述限位杆340可实现收缩，以使所述加载装置本体110上升或下降时也能起到避免加载装置本体110与施力框架310发生相对移动的情况。

所述限位杆340与所述施力框架310和加载装置本体110通过螺栓连接。通过采用螺栓连接方式可以使所述真三轴试验系统在进行不同试验时，更换不同的加载装置本体110，以完成不同待检测物品的耦合渗透率检测。同时通过控制装置与升降计量泵170连接实现控制所述升降活塞370上下移动，从而控制所述施力框架310的容纳空间处于密封状态，同时实现第一活塞350、第二活塞360以及限位千斤顶330与所述加载装置本体110接触。通过将控制装置与渗透压计量泵150连接，实现向所述加载装置本体110中加入渗流液体实现渗流检测，通过将控制装置与所述第一计量泵120、第二计量泵130和第三计量泵140分别连接，控制各计量泵向所述施力框架310的容纳空间中加载或卸载承压流体，实现在三轴应力下的渗透率检测，进而实现真三轴耦合试验，且进行耦合试验的过程自动化。

需要说明的是，上述各部件的连接方式均为可拆卸连接，且各部件的连接处的密闭性良好。通过将各部件设置为可拆卸式连接使得部分部件在试验过程中发生损毁时，修理维护简单方便。

请结合图5，在上述基础上，本发明还提供一种真三轴试验方法，所述真三轴试验方法应用于上述真三轴试验系统。所述真三轴试验方法包括以下步骤：

步骤S10：升降计量泵170通过管道420向升降活塞370中加入承压流体抬升加载装置本体110以密封施力框架310本体的容纳空间。

步骤S20：控制所述限位千斤顶330移动以使所述限位千斤顶330与所述加载装置本体110贴合。

通过控制限位千斤顶330与加载装置本体110贴合并使所述限位千斤顶330与所述限位杆340连接以使所述加载装置本体110的位置固定，有效避免加载装置本体110在进行耦合渗流试验时发生位置变化影响容纳空间的密封效果从而使试验数据不准确。

步骤S30：渗透压计量泵150通过设置有压力容器160的管道420向存放有待检测物质的加载装置本体110的密封空间中加入渗流物质。

所述渗流物质可以是但不限于HCl溶液、NaOH溶液、NaCl溶液、H₂CO₃溶液和NH₄NO₃溶液。通过加载不同的化学试剂实现不同情况下的化学腐蚀检测。

步骤S40：控制装置控制第一计量泵120、第二计量泵130和/或第三计量泵140分别通过管道420向所述第一缸筒380、第二缸筒390和/或施力框架310的容纳空间中加入预设量的承压流体。所述承压流体可以是水或油。在本实施例中，所述承压流体为油。

具体的，所述第一计量泵120向所述第一缸筒380加入的承压流体与所述第二计量泵130向所述第二缸筒390中加入的承压流体的预设量可以是相同的，也可以是不同的，在此不做具体限定。所述第二计量泵130向所述第二缸筒390加入的承压流体与所述第三计量泵140向所述施力框架310的容纳空间中加入的承压流体的预设量可以是相同的也可以是不同的，在本实施例中，为不同的。

步骤S50：在所述第一缸筒380、所述第二缸筒390和/或所述施力框架310的容纳空间中存在预设量的承压流体下，压力容器160检测加载装置本体110受到的压力。

所述预设量的承压流体可根据实际情况进行设置，以检测不同预设量的承压流体情况下的加载装置本体110受到的压力，其中，所述压力为渗透压力。

可选的，所述压力容器160检测加载装置本体110受到的压力的步骤包括：向两个压力容器160中加压至预设压力后，关闭设置于所述渗透压计量泵150与所述加载装置本体110顶部之间并靠近所述渗透压计量泵150的阀控装置410。两个所述压力容器160分别检测所述加载装置本体110底部受到的第一压力和所述加载装置本体110底部受到的第二压力。

步骤S60：所述控制装置接收所述压力并根据预设规则得到所述待检测物质的耦合渗透率。

具体的，所述控制装置接收所述第一压力、第二压力、第一信号、第二信号以及第三信号并根据预存算法进行计算得到待检测物品的耦合渗透率。其中所述第一压力为第一渗透压力，所述第二压力为第二渗透压力。

综上，本发明实施例提供的一种真三轴试验方法及系统。通过设置加载装置本体110、多个计量泵、多个活塞、与多个活塞分别匹配的多个缸筒、限位千斤顶330、具有容纳空间的施力框架310、控制装置、第一位移计510、第二位移计520以及第三位移计530，通过将控制装置与多个计量泵和第一位移计510、第二位移计520以及第三位移计530分别连接实现了真三轴试验，并实现真三轴耦合试验自动化。通过将各部件的连接方式设置为可拆卸连接方式，使得所述真三轴试验系统的修理维护简单方便。通过加载不同种类及不同体积的化学试剂实现不同耦合情况下的渗透率检测。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法、装置，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的实施例的装置、方法和处理器程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。