专利名称：三轴软土流变试验机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于隧道工程和岩土工程领域，具体为一种能够进行多种应力路径和动、静 荷载条件下的三轴软土流变试验机。
背景技术：
随着软土隧道、软土地下结构规模和范围的快速扩展，隧道和地下结构的长期性态成为 影响其安全运营的关键因素。流变试验由于能够综合考虑隧道和地下结构不同围压和荷载变 化条件下的复杂应力路径，正得到越来越多的关注。
普遍使用的三轴流变试验可以分为两类 一类为静态土体流变试验，这类试验比较常见， 绝大多数的三轴流变试验都属于这一类；另一类为动态三轴试验，主要用来测定土体的动态 特性指标。但目前此类试验大多模拟土体的动态强度特征，而针对循环荷载条件下的土体流 变试验还很少见。因此需要一种能够合理反映多种土体应力路径，可在动、静土体流变方案 之间自由切换的三轴流变试验机。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种新型的三轴软土流变试验机，可在恒定围压下进行恒载 和恒变形控制，也可以在恒荷载或者恒变形控制一段时间后再施加按一定频率和振幅变化的 动态荷载，然后再转化为静态荷载，并以此持续循环进行。
本实用新型采用如下技术方案-
一种三轴软土流变试验机，包括围压室、与该围压室相连的轴向加载单元、围压加载单 元、检测试样变化参数的检测元件和计算机，所述围压室密封并通过管路与围压加载单元连 接，所述检测元件与计算机连接，还包括控制轴向加载单元的轴向伺服控制器，该轴向伺服 控制器通过电路与计算机连接。
优选地，所述检测元件为力传感器。
进一步地，所述力传感器设于围压室内。
优选地，所述检测元件为差动变压器。
进一步地，所述轴向加载单元还包括压杆，所述围压室和差动变压器分别固定在一支座 上，压杆侧壁上设有引出臂，该引出臂的头部顶住差动变压器。
优选地，所述检测元件为电子天平，所述围压室通过管路与电子天平上的烧杯连接。 优选地，所述检测元件为压阻式压力变送器。
优选地，还包括围压伺服控制器，该围压伺服控制器经电路与计算机连接。 优选地，所述轴向加载单元和围压加载单元中含有伺服电机。
由于采用了轴向伺服控制器，可根据计算机的指令控制轴向加载单元，随而带动压杆上 下运动并控制其升降速度。当需要施加静态荷载时，轴向伺服控制器可以控制轴向加载单元 停止输出，使试样承受一定的载荷；当需要动态荷载时，无论是恒变形还是按一定频率和振 幅变化的动态荷载，轴向伺服控制器都能控制轴向加载单元驱动压杆进行恒速上升、下降或 往复周期运动。因此，通过轴向伺服控制器可以随时实现动、静土体流变方案之间的转化。
另外，由于设置了力传感器、差动变压器、电子天平、压阻式压力变送器，可量测试样 上力或变形情况，以及空隙水流量、空隙水压力和围压。
图1为本实用新型涉及的三轴软土流变试验机的原理结构示意图。 图中
I、 上盖 2、围压室 3、力传感器 4、有机玻璃筒 5、试样 6、压阻式压力变送器7、差动变压器8、支座9、压杆10、机座
II、 围压伺服缸 12、滚珠丝杠 13、轴向加载交流伺服电机 14、减速器 15、围压交流伺服电机 16、电子天平 17、围压伺服控制器 18、轴向伺服控制器 19、变形测量放大器 20、测力放大器 21、计算机 22、打印机
具体实施方式
如图l，本实用新型涉及的三轴软土流变试验机包括围压室2、轴向加载单元、围压加载 单元、检测试样5变化参数的检测元件和计算机21。所述围压室2是个密封的容器，用于对 装在其中的试样5施加围压，主要由有机玻璃筒4、上盖l及六根连接杆、压紧螺母和支座8 组成。围压室2和轴向加载单元连接。所述轴向加载单元由轴向加载交流伺服电机13、涡轮 蜗杆减速器14、滚珠丝杠12、压杆9、支承筒组成。轴向加载交流伺服电机13通过齿形带带 动涡轮减速器14，减速器14输出轴上通过一十字联轴节与滚珠丝杠12连接。滚珠丝杠12的 下端通过一组轴承置于支承筒内，支承筒固定在机座10台板引出的导向杆上，滚珠丝杠12
穿过导向杆。螺母上固定着压杆9，在压杆9上还装着一个导向臂，导向臂通过轴承靠紧到导 向杆上，当伺服电机通过减速器14带动滚珠丝杠12旋转时，由于导向臂的作用，使螺母和 固定其上的压杆9只能上下移动，而不能旋转，由此对试样5施加轴向力。围压加载单元通 过管路与围压室2连接，围压加载单元由围压交流伺服电机15、行星齿轮减速器14、滚珠丝 杠12、围压伺服缸ll组成。伺服电机通过齿形带带动减速器14，其输出轴与滚珠丝杠12相 连，滚珠丝杠12的螺母固定在围压伺服缸11的一侧端盖上，滚珠丝杠12前端伸入到围压伺 服缸11内，通过一组轴承与活塞相连，活塞前端的缸体内充满水。
所述检测元件用于量测试样5的变化参数，将数据传送到计算机21进行处理分析。检测 元件可以是力传感器3、差动变压器7、电子天平16、压阻式压力变送器6，量测试样5上力 或变形情况，以及空隙水流量、空隙水压力和围压。
以下详细介绍各检测元件及其工作原理。
力传感器3用于测量轴向力。轴向力测量可在围压室2室内或室外进行。优选地，力传 感器3设于围压室2内，因为力传感器3在围压室2内能直接测出作用到试样5上的力，消 除了围压室2外测量所带来的摩擦力的影响。可采用适用于2MPa压力和水介质环境下的力传 感器3。优选地，数据信号在进入计算机21前可先经过高精度三通道交流测力放大器20，该 测力放大器20供桥375Hz，釆用调制解调技术，以达到提高放大倍数、减小偏移的目的。
轴向变形量测量使用差动变压器7。差动变压器7固定在围压室支座8上的一个支架上， 在压杆9侧壁上固定一个引出臂，其上有一个调零用调节螺钉，该螺钉头部端面与差动变压 器7铁芯顶住，这样，试样5在压杆9作用下所产生的变形，与压杆9相对围压室支座8的 位移相等，该位移由差动变压器7测出。同样优选地，差动变压器7可将信号通过变形测量 放大器19后传至计算机21，该变形测量放大器19是一个三通道的交流放大器，供桥为3.5Hz， 有l、 2、 5、 IO四个衰减档。
空隙水流量测量采用SUNG-150电子天平16测量，在围压室支座8上有一个小孔，用尼 龙管与支座8底面上的小孔相连，再经一截至阀上的尼龙管与电子天平16上的烧杯相通，当 需要测量孔隙水流量时，打开截至阀，孔隙水就流到电子天平16的烧杯内，从而称出出水的 量。电子天平16带有RS232接口，通过导线与计算机21相连，将所测数据传输到计算机21 内，经过处理显示在屏幕上。
围压和孔隙水压力的测量，都是采用MPM480型压阻式压力变送器6,压阻式压力变送 器6的信号直接输送到计算机21的D/A卡中，通过计算机21的处理，最后将压力值显示在
屏幕上。
所述轴向伺服控制器18的控制对象为轴向加载交流伺服电机13。优选地，其输入端与计 算机21连接，输出端与轴向加载单元连接。轴向伺服控制器18包括伺服驱动器和试验控制 单元，由计算机21程序或试验机上的按钮发出指令，试验控制单元接收后控制伺服驱动器， 从而实现压杆9的上升、下降及其速度。并且该轴向伺服控制器18具有各种保护功能，在试 验荷载超量程时，或者试样5破断时，能够通过计算机21传来的命令自行停机，并对轴向加 载单元发出相应的信号。围压伺服控制器17的控制对象为围压交流伺服电机15，使围压室2 得到稳定的围压，其与轴向伺服控制器18的工作原理和特点是相同的。
测力放大器20、变形测量放大器19、轴向伺服控制器18和围压伺服控制器17均集成在 同一控制箱内。计算机21还连着打印机22，以方便打印试验曲线和实验报告。
试验过程如下在进行试验前，首先将测力放大器20进行标定，试验机通电预热30分 钟以上。在1倍档条件下，对各表头进行标定，如果表头显示出的标定值超出给定标定数的 0.3%以上，通过调节对应测力放大器20电路板，使之达到标定值。根据试验负荷选定合适的 测量档位，试验值最好在所选量程的20% 80%。试验未启动前用粗、细调零电位器调节零 点，使放大器显示为零。开始加载后，测力放大器20显示出作用到试样5上的力值。
然后对变形量测放大器进行标定，标定方法和测力放大器20的标定方法相同。
试验前还需要将电子天平16置零。
在试验过程中，对主机进行操作，操作过程包括装卸试样5、向围压室2注水、进行加 载试验。在装卸试验和向围压室2注水过程中以及加预荷载的过程中，均采用手动操作控制 试验(即试验机上有相应按钮)，在手动控制过程中将速度调节电位器放到较小的位置，通过 按动升、降和停按键，控制压杆9的升降以及围压伺服缸11活塞的前进和后退，此时，如果 压杆9或者活塞达到极限位置时，试验机会自动停机，提示按照相反方向操作，使压杆9或 者活塞脱离极限状态。在正式加载试验时，可选择自动控制，通过计算机21控制加载的方式 和加载的速度以及进行试验数据的记录。在选择试验过程中改变试验方式时，可选择退出目 前的操作状态，同时选择保持目前的加载体系不改变，直到新的加载体系开始工作，因此， 该试验设备可对同一试样5进行不同的试验类型切换。
权利要求1. 一种三轴软土流变试验机，包括围压室(2)、与围压室(2)相连的轴向加载单元、围压加载单元、检测试样(5)变化参数的检测元件和计算机(21)，所述围压室(2)密封并通过管路与围压加载单元连接，所述检测元件与计算机(21)连接，其特征在于还包括控制轴向加载单元的轴向伺服控制器(18)，该轴向伺服控制器(18)通过电路与计算机(21)连接。
2. 根据权利要求1所述的三轴软土流变试验机，其特征在于所述检测元件为力传感器(3)。
3. 根据权利要求2所述的三轴软土流变试验机，其特征在于所述力传感器(3)设于围压 室(2)内。
4. 根据权利要求1所述的三轴软土流变试验机，其特征在于:所述检测元件为差动变压器(7)。
5. 根据权利要求4所述的三轴软土流变试验机，其特征在于所述轴向加载单元还包括压杆(9)，所述围压室(2)和差动变压器(7)分别固定在一支座(8)上，压杆(9)侧壁上 设有引出臂，该引出臂的头部顶住差动变压器(7)。
6. 根据权利要求1所述的三轴软土流变试验机，其特征在于所述检测元件为电子天平(16), 所述围压室(2)通过管路与电子天平(16)上的烧杯连接。
7. 根据权利要求1所述的三轴软土流变试验机，其特征在于所述检测元件为压阻式压力变 送器(6)。
8. 根据权利要求1所述的三轴软土流变试验机，其特征在于还包括围压伺服控制器(17)， 该围压伺服控制器(17)经电路与计算机(21)连接。
9. 根据权利要求1所述的三轴软土流变试验机，其特征在于所述轴向加载单元和围压加载 单元中含有伺服电机。
专利摘要本实用新型公开了一种能够进行多种应力路径和动、静荷载条件下的三轴软土流变试验机。包括围压室、与围压室相连的轴向加载单元、围压加载单元、检测试样变化参数的检测元件和计算机，所述围压室密封并通过管路与围压加载单元连接，所述检测元件与计算机连接，还包括控制轴向加载单元的轴向伺服控制器，该轴向伺服控制器通过电路与计算机连接。由于采用了轴向伺服控制器，可根据计算机的指令控制轴向加载单元，随而带动压杆上下运动并控制其升降速度。因此，可以随时实现动、静土体流变方案之间的转化。
文档编号G01N33/00GK201203600SQ200820058709
公开日2009年3月4日 申请日期2008年5月21日 优先权日2008年5月21日
发明者何之民, 吴晓峰, 键 周, 张冬梅, 朱合华, 黄宏伟 申请人:同济大学