可量测土样径向应变的组合式动三轴动单剪压力室系统

技术领域

本发明属于岩土工程测试设备技术领域，涉及了一种可以量测土样径向应变 的组合式动三轴动单剪压力室系统，包括轴向加载系统、水平向加载系统、径向 应变仪和压力室。

背景技术

土体的强度和变形是土力学研究的重要基础之一。现有测定土体剪切变形强 度的实验仪器设备种类繁多，包括直剪仪、单剪仪、三轴仪、扭剪仪、平面应变 仪和真三轴仪等。传统岩土的单剪仪利用多层叠环相结合的方法施加围压，土样 被多层叠环约束，确保横截面积不变。但是叠环处作为潜在人为设定的剪切面是 其缺陷之一，其次环与环之间不能保证试样侧面光滑平整，而且由于叠环的作用， 土体的侧向压力未知，在试验过程中很难准确知道土体的应力状态。圆柱状试样 在组合式动三轴动单剪荷载作用下，其横截面积容易发生变化，尤其是在发生 “剪涨”或者“剪缩”的状态下，横截面积会产生相应的改变。例如，当圆柱状 试样处于“剪缩”状态时候，叠环无法维持横截面积不变。由于缺少量测试样径 向应变的装置，在试验结束以后很难精确计算圆柱状试样在组合式动三轴动单剪 荷载作用下的应力分布和应力路径。

发明内容

为了实现对于圆柱状试样的径向变形进行量测并可以控制试样的侧向压力 大小，本发明提供了一种可量测土样径向应变的组合式动三轴动单剪压力室系统， 主要包括轴向加载系统、水平向加载系统、径向应变仪、水压力室和水压力调节 控制板；水压力调节控制板用于调节水压力室的围压。

试样盖体为中间放置试样的上下两个，且带有排水系统的金属盖体；试样的 侧壁用橡皮膜包裹，上下用透水石和滤纸覆盖；试样橡皮膜与试样盖体之间用O 形圈密封；试样盖体的下底面通过可水平移动的活动底座放置于水压力室内的底 座上；水压力室底座固定于台架底座上；在试样橡皮膜的外侧中间位置水平固定 环形径向应变仪。

水压力室包括顶盖、外壁、排气阀门和底座；顶盖固定有用于排气的排气阀 门；顶盖上还固定有连接水压力室内的磁场感应径向应变仪和水压力室外部数据 采集器之间导线的导线连接装置。

带有轴向伺服电控器、轴向活塞杆、轴向压力传感器和轴向位移传感器的轴 向加载系统，通过轴向活塞杆，作用于试样盖体上盖的顶面施加轴向压力；轴向 活塞杆密封穿过水压力室的顶盖。

带有水平向伺服电控器、水平向活塞杆、水平向压力传感器和水平向位移传 感器的水平向加载系统，通过水平向活塞杆，水平作用于试样盖体下盖的侧边， 作用力方向与活动底座运动方向一致；水平向活塞杆密封穿过水压力室的侧边。

试样盖体的排水系统是在上下盖体的中间的开有透水通道，用软管连接上下 盖体的透水通道，并使软管穿过密封的水压力室底端将试样中挤出的水分排出。

水平向加载系统包括水平加载台架、水平向伺服电控器、水平向活塞杆、水 平向压力传感器和水平向位移传感器；水平加载台架、水平向伺服电控器、固定 于台架底座上，水平向压力传感器通过螺栓安装于水平向活塞杆的受压端面，水 平向位移传感器通过螺栓固定在水平向活塞杆上，水平向活塞杆通过滚珠轴承系 统穿过密封的水压力室作用于试样盖体的下盖。

将轴向加载系统的立体框架式轴向加载台架固定于台架底座上；轴向伺服电 控器固定于轴向加载台架上；轴向压力传感器通过螺栓安装于轴向活塞杆的受压 端面，轴向位移传感器通过螺栓固定于轴向活塞杆上，轴向活塞杆通过滚珠轴承 系统穿过密封的水压力室顶部作用于试样盖体上盖的轴向。

所述磁场感应径向应变仪主要包含：铰链条、磁铁,滑动杆和磁场强度感应 装置；打开铰链条使其均匀围绕于试样中部橡皮膜的外侧，然后调整滑动杆的位 置，使径向应变仪的磁场强度感应装置可以充分接受到磁铁的磁场信号；磁场感 应径向应变仪的导线通过导线连接装置与数据采集器连接。

可量测土样径向应变的组合式动三轴动单剪压力室系统的试验方法包括如下 步骤：

步骤一，实验前准备工作：准备土样和各种传感器等辅助材料，检查仪器各 部件是否正常。调整轴向加载台架位置，调试轴向伺服电控器，调整轴向活塞杆 位置，并将轴向压力传感器和轴向位移传感器读数清零；

步骤二，检查并调整水平加载系统包括水平加载台架、台架底座、水平向伺 服电控器、水平向活塞杆、水平向压力传感器和水平向位移传感器；

步骤三，清洁压力室包括顶盖、排气阀门、外壁和底座以及各部件接触处， 涂抹硅油防止渗漏；

步骤四，将压力罩内带滚轮的活动底座与水平向活塞杆相连，并将活动底座 的位置居中与试样盖体保持一致。清洁活动底座和试样盖体的排水系统(9)，保 证其畅通无阻；

步骤五，安装试样：打开顶盖，在试样盖体上安置好透水石滤纸，然后利用 承膜筒把制备好的试样用橡皮膜包好并放置于试样盖体上，将径向应变仪安装在 试样的中部，试样下端盖体通过螺栓固定于活动底座上，试样橡皮膜与盖体之间 并用O形圈密封，再将轴向活塞杆下移至试样盖体顶部保持接触；

步骤六，将径向应变仪的连接导线连接到导线连接装置，并将其与数据采集 器相连，具体步骤：打开铰链条使其均匀围绕于试样中部，然后调整滑动杆的位 置，使径向应变仪的磁场强度感应装置可以充分接受到磁铁的磁场信号；

步骤七，拧开排气阀门，通过调节水压力调节控制板上围压来施加压力，将 水压力室内注满水，然后拧紧排气阀门，通过观察控制板上的压力表，调节好围 压压力并稳定其值；

步骤八，当围压稳定后，施加轴向固结压力，安照常规三轴的试验方法，饱 和土样，固结排水，然后进行强度试验、应力应变关系试验等相关试验，同时量 测试验过程中的径向应变，用于后期试验数据处理，矫正试样的横截面积，并计 算土样应力的分布。

本发明的有益效果在于：本发明在常规的组合式动三轴动单剪仪的基础上实 现了对土样在轴向和水平向荷载作用下同时量测土样的径向应变。通过独立设计 的磁场感应径向应变测量装置实现了对试样径向应变的测量。通过调节水压力室 内水压力大小精确控制试样的侧向压力。通过矫正横试样的截面积，可以精确计 算实样内部际土的应力分布，确定土的应力状态和应力路径，同时提高了组合式 动三轴动单剪仪的通用性，且所测数据准确。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是径向应变仪结构示意图。

图中：1.轴向加载台架、2.轴向位移传感器、3.导线连接装置、4.顶盖、 5.外壁、6.试样盖体、7.径向应变仪、8.试样、9.排水系统、10.活动底座、 11.底座、12.台架底座、13.水平向活塞杆、14.水平向位移传感器、15.水 平向压力传感器、16.水平加载台架、17.水平向伺服电控器、18.数据采集器、 19.轴向压力传感器、20.轴向伺服电控器、21.轴向活塞杆、22.排气阀门、23. 橡皮膜、24.铰链条、25.磁铁、26.滑动杆、27.磁场强度感应装置

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步对本发进行明详细说明。

可以量测土样径向应变的组合式动三轴动单剪压力室系统，主要包括轴向加 载系统、水平向加载系统、径向应变仪、水压力室和水压力调节控制板；水压力 调节控制板用于调节水压力室的围压。

试样盖体6为中间放置试样8的上下两个，且带有排水系统9的金属盖体； 试样8的侧壁用橡皮膜包裹，上下用透水石和滤纸覆盖；试样橡皮膜与试样盖体 6之间用O形圈密封；试样盖体6的下底面通过可水平移动的活动底座10放置于 水压力室内的底座11上；水压力室底座11固定于台架底座12上；在试样橡皮 膜的外侧中间位置水平固定环形径向应变仪7。

水压力室包括顶盖4、外壁5、排气阀门22和底座11；顶盖4上有固定有用 于排气的排气阀门22；顶盖4上还固定有连接水压力室内的磁场感应径向应变仪 7和水压力室外部数据采集器18之间导线的导线连接装置3。

带有轴向伺服电控器20、轴向活塞杆21、轴向压力传感器19和轴向位移传 感器2的轴向加载系统，通过轴向活塞杆21，作用于试样盖体6上盖的顶面施加 轴向压力；轴向活塞杆21密封穿过水压力室的顶盖4。

带有水平向伺服电控器17、水平向活塞杆13、水平向压力传感器15和水平 向位移传感器14的水平向加载系统，通过水平向活塞杆13，水平作用于试样盖 体6下盖的侧边，作用力方向与活动底座10运动方向一致；水平向活塞杆13密 封穿过水压力室的侧边。

试样盖体6的排水系统9是在上下盖体的中间的开有透水通道，用软管连接 上下盖体的透水通道，并使软管穿过密封的水压力室底端将试样中挤出的水分排 出。

水平向加载系统包括水平加载台架16、水平向伺服电控器17、水平向活塞杆 13、水平向压力传感器15和水平向位移传感器14；水平加载台架16、水平向伺 服电控器17、固定于台架底座12上，水平向压力传感器15通过螺栓安装于水平 向活塞杆13的受压端面，水平向位移传感器14通过螺栓固定在水平向活塞杆13 上，水平向活塞杆13通过滚珠轴承系统穿过密封的水压力室作用于试样盖体6 的下盖。

将轴向加载系统的立体框架式轴向加载台架1固定于台架底座12上；轴向 伺服电控器20固定于轴向加载台架1上；轴向压力传感器19通过螺栓安装于轴 向活塞杆21的受压端面，轴向位移传感器2通过螺栓固定于轴向活塞杆21上， 轴向活塞杆21通过滚珠轴承系统穿过密封的水压力室顶部作用于试样盖体6上 盖的轴向。

所述磁场感应径向应变仪7主要包含：铰链条24、磁铁25,滑动杆26和磁 场强度感应装置27；打开铰链条24使其均匀围绕于试样中部橡皮膜23的外侧， 然后调整滑动杆26的位置，使径向应变仪7的磁场强度感应装置27可以充分接 受到磁铁25的磁场信号；磁场感应径向应变仪的导线通过导线连接装置3与数 据采集器18连接。

可以量测土样径向应变的组合式动三轴动单剪压力室系统的试验方法包括如 下步骤：

步骤一，实验前准备工作：准备土样和各种传感器等辅助材料，检查仪器各 部件是否正常。调整轴向加载台架1位置，调试轴向伺服电控器20，调整轴向活 塞杆21位置，并将轴向压力传感器19和轴向位移传感器2读数清零；

步骤二，检查并调整水平加载系统包括水平加载台架16、台架底座12、水平 向伺服电控器17、水平向活塞杆13、水平向压力传感器15和水平向位移传感器 14；

步骤三，清洁压力室包括顶盖4、排气阀门22、外壁5和底座11以及各部件 接触处，涂抹硅油防止渗漏；

步骤四，将压力罩内带滚轮的活动底座10与水平向活塞杆13相连，并将活 动底座10的位置居中与试样盖体6保持一致。清洁活动底座10和试样盖体的排 水系统9，保证其畅通无阻；

步骤五，安装试样：打开顶盖4，在试样盖体6上安置好透水石滤纸，然后利 用承膜筒把制备好的试样8用橡皮膜包好并放置于试样盖体6上，将径向应变仪 7安装在试样8的中部，试样下端盖体6通过螺栓固定于活动底座10上，试样橡 皮膜与盖体6之间并用O形圈密封，再将轴向活塞杆21下移至试样盖体6顶部 保持接触；

步骤六，将径向应变仪7的连接导线连接到导线连接装置3，并将其与数据采 集器18相连，具体步骤：打开铰链条24使其均匀围绕于试样中部，然后调整滑 动杆26的位置，使径向应变仪7的磁场强度感应装置27可以充分接受到磁铁25 的磁场信号；

步骤七，拧开排气阀门22，通过调节水压力调节控制板上围压来施加压力， 将水压力室内注满水，然后拧紧排气阀门，通过观察控制板上的压力表，调节好 围压压力并稳定其值；

步骤八，当围压稳定后，施加轴向固结压力，安照常规三轴的试验方法，饱 和土样，固结排水，然后进行强度试验、应力应变关系试验等相关试验，同时量 测试验过程中的径向应变，用于后期试验数据处理，矫正试样的横截面积，并计 算土样应力的分布。