動靜三軸試驗機飽和及非飽和體變測量裝置及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及巖土力學試驗領域，尤其涉及一種動靜三軸試驗機飽和及非飽和體變 測量裝置及控制方法。
【背景技術】
[0002] 在巖土力學試驗領域，三軸試驗機一般被應用于飽和及非飽和體變的測量，相關 技術中的三軸試驗機一般僅適用于飽和體變的測量，對于動態三軸試驗，由于需要時刻保 持壓力（周圍壓力）基本不變，因此要求系統有極高的響應速度，才能保證測量的精度及準 確性。相關技術中的三軸試驗機，在動態三軸試驗中，由于無法保證圍壓控制的穩定性及可 靠性，因此并不適合于非飽和體變的測量。相關技術中的三軸儀圍壓控制系統，為了提高圍 壓的穩定性，一般將活塞缸通過一根水管與多個水平缸串聯使用，這種力圖使用水管進行 圍壓調整的方式，其原理為：主機活塞缸上腔需進水；振動過程由主機活塞缸上腔少量水 源通過水導管向壓力室進行補償。這種多裝置耦合聯動方式，有一定的穩壓作用，但不具備 測定大型試件飽和、非飽和體變的功能。另外，這種通過多個作動器耦合聯動，力圖通過缸 與缸至壓力室使其試件在振動試驗過程中提高圍壓的穩定性的結構，由于環節過多，缸體 偏小，干擾頗大等原因，實際上并不具備測量體變的功能和能力。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的在于提供一種動靜三軸試驗機飽和及非飽和體變測量裝置及控制、 測量方法，以全新的自適應系統運行、土料靜、動力特性的原理、方法解決上述問題。
[0004] 為實現上述目的，本發明提供了一種動靜三軸試驗機飽和及非飽和體變測量裝 置，包括：軸向位移傳感器、計算機系統、測量與電液控制器、位移傳感器、油缸活塞、電液 伺服閥、非飽和體變測量活塞、圍壓傳感器、非飽和體變測量缸、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] 計算機系統與測量與電液控制器通過電纜連接；測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導線連接；油缸活塞和非飽和體變測 量活塞設置在非飽和體變測量缸內，并通過活塞桿相連接；電液伺服閥的兩端通過管道分 別連接油缸活塞兩側的油室；位移傳感器設置在活塞桿上。
[0006] 測量與電液控制器包括信號發生器芯片，信號發生器芯片采用16位DA芯片；
[0007] 測量與電液控制器還包括測量芯片，測量芯片采用20位AD芯片；
[0008] 測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] 本發明還提供了一種動靜三軸試驗機飽和及非飽和體變測量控制方法，包括：
[0010] 根據土體的力學特性及試件的剪縮、剪漲的運行狀態，進行增益、積分、微分的初 步預估，得到初步預估結果；
[0011] 根據得到的初步預估結果，在試件的最大振動應變和振動應力擬定條件下，確定 振動頻率及數據采集頻率；
[0012] 根據土體的密實度及剪縮、剪漲特性，確定增益反饋的參數；
[0013] 根據確定的增益反饋的參數，在擬定的飽和或非飽和的固結條件下，進行振動體 變測量試驗，確定地震殘余變形參數。
[0014] 進一步，根據土體的密實度及剪縮、剪漲特性，確定增益反饋的參數，包括：根據在 同樣的固結條件、不同的振動頻率及不同的應力、應變關系下，對至少兩個試件進行試驗所 獲得的結果，通過判斷調整，確定針對所述試件自適應變化所需的數據采集及處理的運行 參數。
[0015] 進一步，進行振動體變測量試驗，包括：
[0016] 對試樣飽和固結，并在振動過程中飽和排水；
[0017] 固結排氣，并在振動過程中非飽和排氣；
[0018] 確定試樣體積變化增量，以試驗前體變缸標定結果為標尺，測定、校準數采記錄結 果，并按相應模式整理試驗曲線、參數，以供地震永久變形計算分析使用。
[0019] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：該裝置采用先進的電液伺服液壓技術和 最新的電子控制測量技術（測量與電液控制器），通過精密實時控制實現了對系統的圍壓 施加控制、體變量隨土體試件變化而自適應變化的測量，使系統的非飽和和體變測量與飽 和體變測量功能同時具備，保證了圍壓控制的穩定、可靠，提高了試驗結果的準確性及可靠 性；該方法以全新的自適應系統運行，滿足土料靜、動力特性原理，進一步提高了試驗結果 的準確性及可靠性。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明動靜三軸試驗機飽和及非飽和體變測量裝置的結構示意圖；
[0021] 圖2為本發明自適應系統的結構框圖；
[0022] 圖3為試驗1中體變隨時間變化的曲線圖；
[0023] 圖4為試驗1中圍壓隨時間變化的曲線圖；
[0024] 圖5為試驗2中體變隨時間變化的曲線圖；
[0025] 圖6為試驗2中圍壓隨時間變化的曲線圖；
[0026] 圖7為本發明本發明動靜三軸試驗機飽和及非飽和體變測量控制方法的流程圖；
[0027] 圖8為壩殼砂礫料殘余體應變e v隨振動次數N的關系曲線圖；
[0028]圖9為過渡料殘余體應變e v隨振動次數N的關系曲線圖；
[0029] 圖10為壩基砂礫料殘余體應變e v隨振動次數N的關系曲線圖；
[0030] 圖11為壩殼砂礫料殘余體應變ev與動剪應力A t關系曲線圖；
[0031] 圖12為殘余體應變e v與動剪應力比A t/〇。'的關系曲線圖；
[0032]圖13為不同固結應力條件和動剪應力作用下壩殼砂礫料、過渡料和壩基砂礫料 的殘余軸應變ep隨振動次數N的變化關系圖；
[0033] 圖14為不同等效振次條件下殘余軸應變e p與動剪應力A t及殘余軸應變e p 與動剪應力比At/o〇'的關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖所示的各實施方式對本發明進行詳細說明，但應當說明的是，這些 實施方式并非對本發明的限制，本領域普通技術人員根據這些實施方式所作的功能、方法、 或者結構上的等效變換或替代，均屬于本發明的保護范圍之內。
[0035] 參圖1所示，圖1為本發明動靜三軸試驗機飽和及非飽和體變測量裝置的結構示 意圖。
[0036] 在本實施方式中，動靜三軸試驗機飽和及非飽和體變測量裝置，包括：
[0037] 軸向位移傳感器1、計算機系統2、測量與電液控制器3、位移傳感器4、油缸活塞5、 電液伺服閥6、非飽和體變測量活塞7、圍壓傳感器8、非飽和體變測量缸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作為試驗樣本放置在試樣容器17內。
[0038] 計算機系統2內裝載有測控軟件，用于對飽和及非飽和體變進行測量控制。計算 機系統2與測量與電液控制器3通過電纜連接，用于即時處理數據和參數，并向測量與電液 控制器3下發指令。測量與電液控制器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通過導線連接，根據動作指令控制上述元器件動作。油缸活塞5和非 飽和體變測量活塞7設置在非飽和體變測量缸9內，并通過活塞桿16相連接，電液伺服閥 6的兩端通過管道分別連接油缸活塞5兩側的油室。位移傳感器4設置在活塞桿16上，用 于記錄活塞桿16的位移數據，并將位移數據傳送給測量測量與電液控制器3。
[0039] 軸向油缸活塞13設置在軸向油缸15內，軸向電液伺服閥14的兩端通過管道分別 連接軸向油缸活塞13兩側的油室。試樣容器17設置在三軸壓力室10內，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通過管道分別連接非飽和體變測量缸 9和三軸壓力室10。軸向油缸活塞13通過軸向加載活塞桿12伸入試樣容器17內部。軸 向位移傳感器1設置在軸向加載活塞桿12上，用于測量軸向加載活塞桿12的位移數據，并 將位移數據傳送給測量與電液控制器3。
[0040] 測量與電液控制器3包括信號發生器芯片，信號發生器芯片采用16位DA芯片；
[0041] 測量與電液控制器3還包括測量芯片，測量芯片采用20位AD芯片；
[0042] 測量與電液控制器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之間均勻設置有密封環。
[0044] 在本實施例中，測量非飽和體變的原理是：采用先進的電液伺服液壓技術和最新 的電子控制測量技術（測量與電液控制器），使該裝置處于周圍壓力控制之下，伺服系統會 在周圍壓力發生任何變化時，迅速移動活塞，使周圍壓力迅速恢復到所需壓力值，即當壓力 升高時，伺服系統迅速將活塞向壓力減小的方向移動，當壓力降低時，伺服系統迅速將活塞 向壓力增加的方向移動，最終達到壓力基本不變。參圖2所示，圖2為本發明自適應系統的 結構框圖。在本實施例中，在動態三軸試驗時，要保持壓力基本不變，該裝置需要具有極高 的響應速度。如圖2所示，本實施例通過將測量與電液控制器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計算機、顯示器、打印機、PC鍵盤（計算機系統2)組成自 適應系統，該系統通過采用高分辨率高精度的DA芯片（16位DA)作為信號發生器芯片，采 用高分辨率高精度AD芯片（20位DA)作為測量用芯片，使系統具有1/50000以上的分辨 率，使系統具有優于〇. 5%的測量精度。該系統采用位移和壓力兩種閉環控制方式，確保設 備運行安全和系統運行可靠。系統在待機期間切換