動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī)飽和及非飽和體變測(cè)量裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖土力學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域，尤其涉及一種動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī)飽和及非飽和體變 測(cè)量裝置及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在巖土力學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域，三軸試驗(yàn)機(jī)一般被應(yīng)用于飽和及非飽和體變的測(cè)量，相關(guān) 技術(shù)中的三軸試驗(yàn)機(jī)一般僅適用于飽和體變的測(cè)量，對(duì)于動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)，由于需要時(shí)刻保 持壓力（周圍壓力）基本不變，因此要求系統(tǒng)有極高的響應(yīng)速度，才能保證測(cè)量的精度及準(zhǔn) 確性。相關(guān)技術(shù)中的三軸試驗(yàn)機(jī)，在動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)中，由于無(wú)法保證圍壓控制的穩(wěn)定性及可 靠性，因此并不適合于非飽和體變的測(cè)量。相關(guān)技術(shù)中的三軸儀圍壓控制系統(tǒng)，為了提高圍 壓的穩(wěn)定性，一般將活塞缸通過(guò)一根水管與多個(gè)水平缸串聯(lián)使用，這種力圖使用水管進(jìn)行 圍壓調(diào)整的方式，其原理為：主機(jī)活塞缸上腔需進(jìn)水；振動(dòng)過(guò)程由主機(jī)活塞缸上腔少量水 源通過(guò)水導(dǎo)管向壓力室進(jìn)行補(bǔ)償。這種多裝置耦合聯(lián)動(dòng)方式，有一定的穩(wěn)壓作用，但不具備 測(cè)定大型試件飽和、非飽和體變的功能。另外，這種通過(guò)多個(gè)作動(dòng)器耦合聯(lián)動(dòng)，力圖通過(guò)缸 與缸至壓力室使其試件在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中提高圍壓的穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)，由于環(huán)節(jié)過(guò)多，缸體 偏小，干擾頗大等原因，實(shí)際上并不具備測(cè)量體變的功能和能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī)飽和及非飽和體變測(cè)量裝置及控制、 測(cè)量方法，以全新的自適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行、土料靜、動(dòng)力特性的原理、方法解決上述問(wèn)題。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī)飽和及非飽和體變測(cè)量裝 置，包括：軸向位移傳感器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、測(cè)量與電液控制器、位移傳感器、油缸活塞、電液 伺服閥、非飽和體變測(cè)量活塞、圍壓傳感器、非飽和體變測(cè)量缸、三軸壓力室、軸向加載活塞 桿、軸向油缸活塞、軸向電液伺服閥、軸向油缸、活塞桿和試樣容器；
[0005] 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與測(cè)量與電液控制器通過(guò)電纜連接；測(cè)量與電液控制器分別與電液伺 服閥、位移傳感器、圍壓傳感器和軸向位移傳感器通過(guò)導(dǎo)線連接；油缸活塞和非飽和體變測(cè) 量活塞設(shè)置在非飽和體變測(cè)量缸內(nèi)，并通過(guò)活塞桿相連接；電液伺服閥的兩端通過(guò)管道分 別連接油缸活塞兩側(cè)的油室；位移傳感器設(shè)置在活塞桿上。
[0006] 測(cè)量與電液控制器包括信號(hào)發(fā)生器芯片，信號(hào)發(fā)生器芯片采用16位DA芯片；
[0007] 測(cè)量與電液控制器還包括測(cè)量芯片，測(cè)量芯片采用20位AD芯片；
[0008] 測(cè)量與電液控制器還包括前置放大器、濾波器、程控放大器、PID及MPU。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī)飽和及非飽和體變測(cè)量控制方法，包括：
[0010] 根據(jù)土體的力學(xué)特性及試件的剪縮、剪漲的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行增益、積分、微分的初 步預(yù)估，得到初步預(yù)估結(jié)果；
[0011] 根據(jù)得到的初步預(yù)估結(jié)果，在試件的最大振動(dòng)應(yīng)變和振動(dòng)應(yīng)力擬定條件下，確定 振動(dòng)頻率及數(shù)據(jù)采集頻率；
[0012] 根據(jù)土體的密實(shí)度及剪縮、剪漲特性，確定增益反饋的參數(shù)；
[0013] 根據(jù)確定的增益反饋的參數(shù)，在擬定的飽和或非飽和的固結(jié)條件下，進(jìn)行振動(dòng)體 變測(cè)量試驗(yàn)，確定地震殘余變形參數(shù)。
[0014] 進(jìn)一步，根據(jù)土體的密實(shí)度及剪縮、剪漲特性，確定增益反饋的參數(shù)，包括：根據(jù)在 同樣的固結(jié)條件、不同的振動(dòng)頻率及不同的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系下，對(duì)至少兩個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)所 獲得的結(jié)果，通過(guò)判斷調(diào)整，確定針對(duì)所述試件自適應(yīng)變化所需的數(shù)據(jù)采集及處理的運(yùn)行 參數(shù)。
[0015] 進(jìn)一步，進(jìn)行振動(dòng)體變測(cè)量試驗(yàn)，包括：
[0016] 對(duì)試樣飽和固結(jié)，并在振動(dòng)過(guò)程中飽和排水；
[0017] 固結(jié)排氣，并在振動(dòng)過(guò)程中非飽和排氣；
[0018] 確定試樣體積變化增量，以試驗(yàn)前體變缸標(biāo)定結(jié)果為標(biāo)尺，測(cè)定、校準(zhǔn)數(shù)采記錄結(jié) 果，并按相應(yīng)模式整理試驗(yàn)曲線、參數(shù)，以供地震永久變形計(jì)算分析使用。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：該裝置采用先進(jìn)的電液伺服液壓技術(shù)和 最新的電子控制測(cè)量技術(shù)（測(cè)量與電液控制器），通過(guò)精密實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的圍壓 施加控制、體變量隨土體試件變化而自適應(yīng)變化的測(cè)量，使系統(tǒng)的非飽和和體變測(cè)量與飽 和體變測(cè)量功能同時(shí)具備，保證了圍壓控制的穩(wěn)定、可靠，提高了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠 性；該方法以全新的自適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行，滿足土料靜、動(dòng)力特性原理，進(jìn)一步提高了試驗(yàn)結(jié)果 的準(zhǔn)確性及可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī)飽和及非飽和體變測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明自適應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0022] 圖3為試驗(yàn)1中體變隨時(shí)間變化的曲線圖；
[0023] 圖4為試驗(yàn)1中圍壓隨時(shí)間變化的曲線圖；
[0024] 圖5為試驗(yàn)2中體變隨時(shí)間變化的曲線圖；
[0025] 圖6為試驗(yàn)2中圍壓隨時(shí)間變化的曲線圖；
[0026] 圖7為本發(fā)明本發(fā)明動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī)飽和及非飽和體變測(cè)量控制方法的流程圖；
[0027] 圖8為壩殼砂礫料殘余體應(yīng)變e v隨振動(dòng)次數(shù)N的關(guān)系曲線圖；
[0028]圖9為過(guò)渡料殘余體應(yīng)變e v隨振動(dòng)次數(shù)N的關(guān)系曲線圖；
[0029] 圖10為壩基砂礫料殘余體應(yīng)變e v隨振動(dòng)次數(shù)N的關(guān)系曲線圖；
[0030] 圖11為壩殼砂礫料殘余體應(yīng)變ev與動(dòng)剪應(yīng)力A t關(guān)系曲線圖；
[0031] 圖12為殘余體應(yīng)變e v與動(dòng)剪應(yīng)力比A t/〇。'的關(guān)系曲線圖；
[0032]圖13為不同固結(jié)應(yīng)力條件和動(dòng)剪應(yīng)力作用下壩殼砂礫料、過(guò)渡料和壩基砂礫料 的殘余軸應(yīng)變ep隨振動(dòng)次數(shù)N的變化關(guān)系圖；
[0033] 圖14為不同等效振次條件下殘余軸應(yīng)變e p與動(dòng)剪應(yīng)力A t及殘余軸應(yīng)變e p 與動(dòng)剪應(yīng)力比At/o〇'的關(guān)系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖所示的各實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，這些 實(shí)施方式并非對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所作的功能、方法、 或者結(jié)構(gòu)上的等效變換或替代，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0035] 參圖1所示，圖1為本發(fā)明動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī)飽和及非飽和體變測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0036] 在本實(shí)施方式中，動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī)飽和及非飽和體變測(cè)量裝置，包括：
[0037] 軸向位移傳感器1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2、測(cè)量與電液控制器3、位移傳感器4、油缸活塞5、 電液伺服閥6、非飽和體變測(cè)量活塞7、圍壓傳感器8、非飽和體變測(cè)量缸9、三軸壓力室10、 軸向加載活塞桿12、軸向油缸活塞13、軸向電液伺服閥14、軸向油缸15、活塞桿16和試樣 容器17。粗顆粒土試樣17作為試驗(yàn)樣本放置在試樣容器17內(nèi)。
[0038] 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2內(nèi)裝載有測(cè)控軟件，用于對(duì)飽和及非飽和體變進(jìn)行測(cè)量控制。計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)2與測(cè)量與電液控制器3通過(guò)電纜連接，用于即時(shí)處理數(shù)據(jù)和參數(shù)，并向測(cè)量與電液 控制器3下發(fā)指令。測(cè)量與電液控制器3分別與電液伺服閥6、位移傳感器4、圍壓傳感器8 和軸向位移傳感器1通過(guò)導(dǎo)線連接，根據(jù)動(dòng)作指令控制上述元器件動(dòng)作。油缸活塞5和非 飽和體變測(cè)量活塞7設(shè)置在非飽和體變測(cè)量缸9內(nèi)，并通過(guò)活塞桿16相連接，電液伺服閥 6的兩端通過(guò)管道分別連接油缸活塞5兩側(cè)的油室。位移傳感器4設(shè)置在活塞桿16上，用 于記錄活塞桿16的位移數(shù)據(jù)，并將位移數(shù)據(jù)傳送給測(cè)量測(cè)量與電液控制器3。
[0039] 軸向油缸活塞13設(shè)置在軸向油缸15內(nèi)，軸向電液伺服閥14的兩端通過(guò)管道分別 連接軸向油缸活塞13兩側(cè)的油室。試樣容器17設(shè)置在三軸壓力室10內(nèi)，在試樣容器17 和三軸壓力室10之間的空間充滿水。圍壓傳感器8通過(guò)管道分別連接非飽和體變測(cè)量缸 9和三軸壓力室10。軸向油缸活塞13通過(guò)軸向加載活塞桿12伸入試樣容器17內(nèi)部。軸 向位移傳感器1設(shè)置在軸向加載活塞桿12上，用于測(cè)量軸向加載活塞桿12的位移數(shù)據(jù)，并 將位移數(shù)據(jù)傳送給測(cè)量與電液控制器3。
[0040] 測(cè)量與電液控制器3包括信號(hào)發(fā)生器芯片，信號(hào)發(fā)生器芯片采用16位DA芯片；
[0041] 測(cè)量與電液控制器3還包括測(cè)量芯片，測(cè)量芯片采用20位AD芯片；
[0042] 測(cè)量與電液控制器3還包括前置放大器、濾波器、程控放大器、PID(Pr〇p〇rti〇n IntegrationDifferentiation，比例積分微分）及MPU(MicroprocessorUnit，微處理 器）。
[0043] 活塞桿16和非飽和體變測(cè)量缸9之間，以及軸向加載活塞桿12與三軸壓力室10 和軸向油缸15之間均勻設(shè)置有密封環(huán)。
[0044] 在本實(shí)施例中，測(cè)量非飽和體變的原理是：采用先進(jìn)的電液伺服液壓技術(shù)和最新 的電子控制測(cè)量技術(shù)（測(cè)量與電液控制器），使該裝置處于周圍壓力控制之下，伺服系統(tǒng)會(huì) 在周圍壓力發(fā)生任何變化時(shí)，迅速移動(dòng)活塞，使周圍壓力迅速恢復(fù)到所需壓力值，即當(dāng)壓力 升高時(shí)，伺服系統(tǒng)迅速將活塞向壓力減小的方向移動(dòng)，當(dāng)壓力降低時(shí)，伺服系統(tǒng)迅速將活塞 向壓力增加的方向移動(dòng)，最終達(dá)到壓力基本不變。參圖2所示，圖2為本發(fā)明自適應(yīng)系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)框圖。在本實(shí)施例中，在動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)時(shí)，要保持壓力基本不變，該裝置需要具有極高 的響應(yīng)速度。如圖2所示，本實(shí)施例通過(guò)將測(cè)量與電液控制器3,包括前置放大器、濾波器、 程控放大器、（高速）高精度AD、PID、高性能參考信號(hào)源16位DA、MPU，與小位移傳感器（位 移傳感器4)，圍壓傳感器（圍壓傳感器8)，大位移傳感器（軸向位移傳感器1)，電液伺服閥 (電液伺服閥6)，壓力分配器，PC計(jì)算機(jī)、顯示器、打印機(jī)、PC鍵盤（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2)組成自 適應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)采用高分辨率高精度的DA芯片（16位DA)作為信號(hào)發(fā)生器芯片，采 用高分辨率高精度AD芯片（20位DA)作為測(cè)量用芯片，使系統(tǒng)具有1/50000以上的分辨 率，使系統(tǒng)具有優(yōu)于〇. 5%的測(cè)量精度。該系統(tǒng)采用位移和壓力兩種閉環(huán)控制方式，確保設(shè) 備運(yùn)行安全和系統(tǒng)運(yùn)行可靠。系統(tǒng)在待機(jī)期間切換