动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩土力学试验领域，尤其涉及一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变 测量装置及控制方法。
【背景技术】
[0002] 在岩土力学试验领域，三轴试验机一般被应用于饱和及非饱和体变的测量，相关 技术中的三轴试验机一般仅适用于饱和体变的测量，对于动态三轴试验，由于需要时刻保 持压力（周围压力）基本不变，因此要求系统有极高的响应速度，才能保证测量的精度及准 确性。相关技术中的三轴试验机，在动态三轴试验中，由于无法保证围压控制的稳定性及可 靠性，因此并不适合于非饱和体变的测量。相关技术中的三轴仪围压控制系统，为了提高围 压的稳定性，一般将活塞缸通过一根水管与多个水平缸串联使用，这种力图使用水管进行 围压调整的方式，其原理为：主机活塞缸上腔需进水；振动过程由主机活塞缸上腔少量水 源通过水导管向压力室进行补偿。这种多装置耦合联动方式，有一定的稳压作用，但不具备 测定大型试件饱和、非饱和体变的功能。另外，这种通过多个作动器耦合联动，力图通过缸 与缸至压力室使其试件在振动试验过程中提高围压的稳定性的结构，由于环节过多，缸体 偏小，干扰颇大等原因，实际上并不具备测量体变的功能和能力。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置及控制、 测量方法，以全新的自适应系统运行、土料静、动力特性的原理、方法解决上述问题。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供了一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装 置，包括：轴向位移传感器、计算机系统、测量与电液控制器、位移传感器、油缸活塞、电液 伺服阀、非饱和体变测量活塞、围压传感器、非饱和体变测量缸、三轴压力室、轴向加载活塞 杆、轴向油缸活塞、轴向电液伺服阀、轴向油缸、活塞杆和试样容器；
[0005] 计算机系统与测量与电液控制器通过电缆连接；测量与电液控制器分别与电液伺 服阀、位移传感器、围压传感器和轴向位移传感器通过导线连接；油缸活塞和非饱和体变测 量活塞设置在非饱和体变测量缸内，并通过活塞杆相连接；电液伺服阀的两端通过管道分 别连接油缸活塞两侧的油室；位移传感器设置在活塞杆上。
[0006] 测量与电液控制器包括信号发生器芯片，信号发生器芯片采用16位DA芯片；
[0007] 测量与电液控制器还包括测量芯片，测量芯片采用20位AD芯片；
[0008] 测量与电液控制器还包括前置放大器、滤波器、程控放大器、PID及MPU。
[0009] 本发明还提供了一种动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量控制方法，包括：
[0010] 根据土体的力学特性及试件的剪缩、剪涨的运行状态，进行增益、积分、微分的初 步预估，得到初步预估结果；
[0011] 根据得到的初步预估结果，在试件的最大振动应变和振动应力拟定条件下，确定 振动频率及数据采集频率；
[0012] 根据土体的密实度及剪缩、剪涨特性，确定增益反馈的参数；
[0013] 根据确定的增益反馈的参数，在拟定的饱和或非饱和的固结条件下，进行振动体 变测量试验，确定地震残余变形参数。
[0014] 进一步，根据土体的密实度及剪缩、剪涨特性，确定增益反馈的参数，包括：根据在 同样的固结条件、不同的振动频率及不同的应力、应变关系下，对至少两个试件进行试验所 获得的结果，通过判断调整，确定针对所述试件自适应变化所需的数据采集及处理的运行 参数。
[0015] 进一步，进行振动体变测量试验，包括：
[0016] 对试样饱和固结，并在振动过程中饱和排水；
[0017] 固结排气，并在振动过程中非饱和排气；
[0018] 确定试样体积变化增量，以试验前体变缸标定结果为标尺，测定、校准数采记录结 果，并按相应模式整理试验曲线、参数，以供地震永久变形计算分析使用。
[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：该装置采用先进的电液伺服液压技术和 最新的电子控制测量技术（测量与电液控制器），通过精密实时控制实现了对系统的围压 施加控制、体变量随土体试件变化而自适应变化的测量，使系统的非饱和和体变测量与饱 和体变测量功能同时具备，保证了围压控制的稳定、可靠，提高了试验结果的准确性及可靠 性；该方法以全新的自适应系统运行，满足土料静、动力特性原理，进一步提高了试验结果 的准确性及可靠性。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置的结构示意图；
[0021] 图2为本发明自适应系统的结构框图；
[0022] 图3为试验1中体变随时间变化的曲线图；
[0023] 图4为试验1中围压随时间变化的曲线图；
[0024] 图5为试验2中体变随时间变化的曲线图；
[0025] 图6为试验2中围压随时间变化的曲线图；
[0026] 图7为本发明本发明动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量控制方法的流程图；
[0027] 图8为坝壳砂砾料残余体应变e v随振动次数N的关系曲线图；
[0028]图9为过渡料残余体应变e v随振动次数N的关系曲线图；
[0029] 图10为坝基砂砾料残余体应变e v随振动次数N的关系曲线图；
[0030] 图11为坝壳砂砾料残余体应变ev与动剪应力A t关系曲线图；
[0031] 图12为残余体应变e v与动剪应力比A t/〇。'的关系曲线图；
[0032]图13为不同固结应力条件和动剪应力作用下坝壳砂砾料、过渡料和坝基砂砾料 的残余轴应变ep随振动次数N的变化关系图；
[0033] 图14为不同等效振次条件下残余轴应变e p与动剪应力A t及残余轴应变e p 与动剪应力比At/o〇'的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些 实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、 或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
[0035] 参图1所示，图1为本发明动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置的结构示 意图。
[0036] 在本实施方式中，动静三轴试验机饱和及非饱和体变测量装置，包括：
[0037] 轴向位移传感器1、计算机系统2、测量与电液控制器3、位移传感器4、油缸活塞5、 电液伺服阀6、非饱和体变测量活塞7、围压传感器8、非饱和体变测量缸9、三轴压力室10、 轴向加载活塞杆12、轴向油缸活塞13、轴向电液伺服阀14、轴向油缸15、活塞杆16和试样 容器17。粗颗粒土试样17作为试验样本放置在试样容器17内。
[0038] 计算机系统2内装载有测控软件，用于对饱和及非饱和体变进行测量控制。计算 机系统2与测量与电液控制器3通过电缆连接，用于即时处理数据和参数，并向测量与电液 控制器3下发指令。测量与电液控制器3分别与电液伺服阀6、位移传感器4、围压传感器8 和轴向位移传感器1通过导线连接，根据动作指令控制上述元器件动作。油缸活塞5和非 饱和体变测量活塞7设置在非饱和体变测量缸9内，并通过活塞杆16相连接，电液伺服阀 6的两端通过管道分别连接油缸活塞5两侧的油室。位移传感器4设置在活塞杆16上，用 于记录活塞杆16的位移数据，并将位移数据传送给测量测量与电液控制器3。
[0039] 轴向油缸活塞13设置在轴向油缸15内，轴向电液伺服阀14的两端通过管道分别 连接轴向油缸活塞13两侧的油室。试样容器17设置在三轴压力室10内，在试样容器17 和三轴压力室10之间的空间充满水。围压传感器8通过管道分别连接非饱和体变测量缸 9和三轴压力室10。轴向油缸活塞13通过轴向加载活塞杆12伸入试样容器17内部。轴 向位移传感器1设置在轴向加载活塞杆12上，用于测量轴向加载活塞杆12的位移数据，并 将位移数据传送给测量与电液控制器3。
[0040] 测量与电液控制器3包括信号发生器芯片，信号发生器芯片采用16位DA芯片；
[0041] 测量与电液控制器3还包括测量芯片，测量芯片采用20位AD芯片；
[0042] 测量与电液控制器3还包括前置放大器、滤波器、程控放大器、PID(Pr〇p〇rti〇n IntegrationDifferentiation，比例积分微分）及MPU(MicroprocessorUnit，微处理 器）。
[0043] 活塞杆16和非饱和体变测量缸9之间，以及轴向加载活塞杆12与三轴压力室10 和轴向油缸15之间均匀设置有密封环。
[0044] 在本实施例中，测量非饱和体变的原理是：采用先进的电液伺服液压技术和最新 的电子控制测量技术（测量与电液控制器），使该装置处于周围压力控制之下，伺服系统会 在周围压力发生任何变化时，迅速移动活塞，使周围压力迅速恢复到所需压力值，即当压力 升高时，伺服系统迅速将活塞向压力减小的方向移动，当压力降低时，伺服系统迅速将活塞 向压力增加的方向移动，最终达到压力基本不变。参图2所示，图2为本发明自适应系统的 结构框图。在本实施例中，在动态三轴试验时，要保持压力基本不变，该装置需要具有极高 的响应速度。如图2所示，本实施例通过将测量与电液控制器3,包括前置放大器、滤波器、 程控放大器、（高速）高精度AD、PID、高性能参考信号源16位DA、MPU，与小位移传感器（位 移传感器4)，围压传感器（围压传感器8)，大位移传感器（轴向位移传感器1)，电液伺服阀 (电液伺服阀6)，压力分配器，PC计算机、显示器、打印机、PC键盘（计算机系统2)组成自 适应系统，该系统通过采用高分辨率高精度的DA芯片（16位DA)作为信号发生器芯片，采 用高分辨率高精度AD芯片（20位DA)作为测量用芯片，使系统具有1/50000以上的分辨 率，使系统具有优于〇. 5%的测量精度。该系统采用位移和压力两种闭环控制方式，确保设 备运行安全和系统运行可靠。系统在待机期间切换