本發(fā)明涉及一種完全卸荷的應(yīng)力應(yīng)變控制式土工三軸試驗系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

三軸壓縮試驗是一種較完善的測定土抗剪強度試驗方法，與直接剪切試驗相比較，三軸壓縮試驗試樣中的應(yīng)力狀態(tài)相對比較明確和均勻。應(yīng)變式三軸壓縮儀由壓力室、豎向加壓系統(tǒng)、橫向加壓系統(tǒng)、反壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等組成。

目前有普通三軸壓縮試驗儀和真三軸壓縮試驗儀兩種：

1、普通三軸壓縮試驗儀是在壓力室中注入液體形成圍壓來模擬土體試樣受到的周圍荷載，但同時也在土體試樣的頂部施加了相同大小的豎向荷載，再通過豎向加壓系統(tǒng)施加豎向荷載。普通三軸壓縮試驗儀只能模擬豎向荷載大于或等于水平荷載的情況，模擬類型較單一。

2、真三軸壓縮試驗儀是通過三個方向上加載來模擬土體試樣的受力狀態(tài)。但真三軸壓縮試驗儀同樣不能模擬豎向荷載小于水平荷載的情況，且制造復(fù)雜，儀器龐大且精密，造價高昂，不易普及。

兩種壓縮試驗儀在試驗中通過傳感器和壓力表記錄各向壓力大小，通過不斷加壓，最終將土體試樣壓壞，通過計算得到土體試樣的抗剪強度。

在基坑開挖工程中，土體處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也很難確定,目前的三軸壓縮試驗儀很難模擬基坑開挖時坑底土體卸荷的應(yīng)力路徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)狀，旨在提供一種在豎向加載與橫向加載完全獨立進行下，能夠模擬基坑開挖坑底土體卸荷的應(yīng)力路徑，構(gòu)造簡單，操作簡便，易控制，造價低，使用壽命長、便于維修的完全卸荷的應(yīng)力應(yīng)變控制式土工三軸試驗系統(tǒng)。

本發(fā)明目的的實現(xiàn)方式為，完全卸荷的應(yīng)力應(yīng)變控制式土工三軸試驗系統(tǒng)，豎向加壓系統(tǒng)接輸油泵；豎向加壓系統(tǒng)的傳力桿接加壓帽，加壓帽置于鋼制護筒的上端開口內(nèi)；位移傳感器固定在鋼制護筒上，并與加壓帽連接；上排水管穿過加壓帽與體變管連接：豎向加壓系統(tǒng)的底部設(shè)有底部排水裝置，穿過底部排水裝置中心的下排水管與反壓系統(tǒng)連接；鋼制護筒內(nèi)腔設(shè)有橡膠柱體加壓裝置，橡膠柱體加壓裝置留有注液孔，注液孔通過排水管與周圍壓力系統(tǒng)連接；鋼制護筒下部接橫向加壓系統(tǒng)；豎向加壓系統(tǒng)通過支柱固定在底座上，鋼制護筒底部固定在底座上。

試驗時先從鋼制護筒中取出橡膠柱體加壓裝置。將圓柱體試樣放入橡膠柱體加壓裝置中，套上鋼制護筒并固定。通過控制橫向加壓系統(tǒng)將液體注入橡膠柱體加壓裝置中，對圓柱體試樣橫向施壓，再通過豎向加壓系統(tǒng)施加豎向壓力。豎向、橫向施壓互不干擾。關(guān)閉上方的排水閥，在不排水的情況下，待豎向加壓系統(tǒng)施加豎向壓力后，控制反壓系統(tǒng)施加反向壓力，迫使連接反壓系統(tǒng)的壓力表讀數(shù)始終保持不變，反壓系統(tǒng)施加的反向壓力即試樣中的孔隙水壓。對于飽和試樣，打開壓力室上方連接的排水管閥門，豎向加壓系統(tǒng)進行軸向加壓的同時，體變管中的排水量即圓柱體試樣體積變化。

試驗過程中通過控制橡膠柱體加壓裝置注液孔處所連接的橫向加壓系統(tǒng)，可以精確的控制圓柱體試樣的圍壓(即σ2和σ3)。由于橫向加壓、豎向加壓互不干擾性，豎向加壓裝置可以控制產(chǎn)生任意大于等于或者小于圍壓的豎向荷載，使試驗可以模擬出普通三軸壓縮試驗儀無法模擬的情況。

本發(fā)明的有益效果是：

1、試驗時可以單獨對圍壓(即σ2和σ3)和豎向荷載(σ1)進行控制，兩者之間不受相互干擾；

2、可以模擬普通三軸壓縮試驗儀無法模擬的豎向荷載小于圍壓(即σ1＜σ2＝σ3)的情況；

3、豎向加壓系統(tǒng)和位移傳感器由計算機控制；試驗時控制豎向加壓系統(tǒng)對圓柱體試樣施加一定的軸向壓力，同時計算機讀數(shù)得到位移傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的變形量，即圓柱體試樣受到軸向壓力產(chǎn)生的壓縮形變，從而實現(xiàn)本發(fā)明的應(yīng)力應(yīng)變控制；

4、結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝和操作，造價低，復(fù)雜機械連接件少、使用壽命長、便于維修。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2為本發(fā)明底座連接圖，

圖3為鋼制護筒與底座連接側(cè)視圖。

具體實施方式

下面參照附圖詳述本發(fā)明。

參照圖1、2、3，豎向加壓系統(tǒng)14接輸油泵，豎向加壓系統(tǒng)的傳力桿接加壓帽3，豎向加壓系統(tǒng)的豎向壓力由油泵提供，通過計算機控制油泵的輸出壓力對置于橡膠柱體加壓裝置中的試樣進行豎向加壓。加壓帽置于鋼制護筒4的上端開口2內(nèi)，加壓帽的四周涂有凡士林，使其能在上端開口內(nèi)豎向滑動。位移傳感器1固定在鋼制護筒上，并與加壓帽連接。

所述鋼制護筒4厚5mm，內(nèi)徑101.1mm，外徑111.1mm，高157mm。鋼制護筒上端開口2厚5mm，內(nèi)徑39.1mm，外徑49.1mm，高40mm。鋼制護筒由優(yōu)質(zhì)鋼制成。所述透明有機玻璃加壓帽3直徑39.1mm，高30mm。

上排水管10穿過透明有機玻璃加壓帽與體變管12連接，上排水管上有排水閥。用來測量飽和土樣在加壓過程中的體積變化。豎向加壓系統(tǒng)的底部設(shè)有底部排水裝置8，穿過底部排水裝置中心的下排水管9與反壓系統(tǒng)13連接。

底部排水裝置8直徑39.1mm，厚30mm，上、下排水管直徑為5mm。

連接鋼制護筒內(nèi)腔6設(shè)有橡膠柱體加壓裝置5，橡膠柱體加壓裝置柱體高152mm，壁厚3mm，內(nèi)腔厚25mm。橡膠柱體加壓裝置的橡膠采用耐水耐腐蝕，彈性變形性好的橡膠材料。橡膠柱體加壓裝置留有安排水管7的注液孔，注液孔孔徑為10mm。注液孔采用高強度鋼制螺紋嘴頭通過排水管與周圍壓力系統(tǒng)19連接，排水管上裝有排水閥和壓力表，能夠控制注液的進出并且能記錄內(nèi)壁圍壓的大小。

鋼制護筒下部接橫向加壓系統(tǒng)11。豎向加壓系統(tǒng)通過支柱17固定在底座18上，鋼制護筒底部固定在底座上。

鋼制護筒底部固定端直徑171.1mm，底部固定端有六個圓周分布的螺栓孔，螺栓孔內(nèi)徑10mm，螺栓孔孔心距固定端邊部15mm。底座18長240mm，寬200mm，高度80mm，由優(yōu)質(zhì)鋼制成。

用本發(fā)明試驗前，先取出鋼制護筒中，取一塊直徑39.1mm，高度120mm的圓柱體試樣，圓柱體試樣外面套上一層塑料薄膜，圓柱體試樣上下端截面均放置濾紙和透水石15。放入橡膠柱體加壓裝置5的內(nèi)腔中，套上鋼制護筒，用螺栓16固定到底座上。開啟排水管7上的排水閥，向橡膠柱體加壓裝置內(nèi)腔注入液體，隨著液體的注入橡膠柱體加壓裝置產(chǎn)生膨脹從而擠壓內(nèi)腔的圓柱體試樣。由于鋼制護筒內(nèi)壁與橡膠柱體加壓裝置外壁緊密相連，從而注入的液體只對內(nèi)部圓柱體試樣周圍產(chǎn)生擠壓變形，通過橫向加壓系統(tǒng)連接的壓力表記錄土樣受到的圍壓。然后控制豎向加壓系統(tǒng)對圓柱體試樣施加軸向壓力σ1。圓柱體試樣在豎向產(chǎn)生形變，同時位移傳感器通過記錄加壓帽的位移讀數(shù)，即為圓柱體試樣受到軸向壓力σ1產(chǎn)生的壓縮形變量。通過控制注入液體的壓力以及橡膠柱體加壓裝置注液孔處所裝壓力表的讀數(shù)，可以精確的控制圓柱體試樣的圍壓(即σ2和σ3)，得到試驗理想數(shù)值。

同時由于豎向加壓系統(tǒng)只對圓柱體試樣橫截面產(chǎn)生豎向壓力，并且不干擾橡膠柱體加壓裝置對圓柱體試樣周圍加壓，豎向加載與橫向加載各自獨立進行，互不干擾。豎向加壓裝置可以控制產(chǎn)生任意大于等于或者小于圍壓的豎向荷載，使試驗可以模擬出基坑開挖時坑底土體卸荷的應(yīng)力路徑。

在不排水的情況下，如要測定圓柱體試樣中的孔隙水壓力，可關(guān)閉上排水管10上的排水閥，待豎向加壓系統(tǒng)施加豎向壓力后，控制反壓系統(tǒng)13施加反向壓力，迫使連接反壓系統(tǒng)的壓力表讀數(shù)始終保持不變，反壓系統(tǒng)施加的反向壓力即圓柱體試樣中的孔隙水壓力。對于飽和圓柱體試樣而言，打開橡膠柱體加壓裝置內(nèi)腔上方，上排水管上的排水閥，豎向加壓系統(tǒng)進行軸向加壓的同時，體變管中的排水量即為圓柱體試樣體積變化。

本發(fā)明結(jié)合位移傳感器與豎向加載系統(tǒng)兩者同時工作，通過計算機控制，形成一種完全卸荷的應(yīng)力應(yīng)變控制式土工三軸試驗系統(tǒng)。

本發(fā)明能在豎向加載與橫向加載完全獨立進行下，能夠模擬基坑開挖坑底土體卸荷的應(yīng)力路徑，構(gòu)造簡單，操作簡便，易控制，造價低，使用壽命長、便于維修。