一种非饱和土的真三轴仪

摘要

本发明公开了一种非饱和土的真三轴仪，包括主机部分、孔隙水与气压力控制部分、液压荷载控制部分和信号采集处理部分；在主机底座上安装有轴向调节活塞，轴向调节活塞向上通过轴向液压缸与压力室底座连接；压力室底座向上通过压力室侧壁和顶盖围成压力室；压力室底座侧面安装有四个侧向位移传感器，每个侧向位移传感器的测头与一个侧向变形量测导杆接触，四个侧向变形量测导杆从四面穿入压力腔内与试样接触；主机支架横杆上设置有轴向压力传感器；主机支架立杆上安装有轴向位移传感器。本发明装置结构设计合理，使用方便，满足了控制和量测吸力的真三轴条件下非饱和土力学特性试验的要求。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程测试设备技术领域，涉及一种非饱和土的真三轴 仪。

背景技术

非饱和土在自然界中广泛分布，地球表层的土大部分都是处于非饱和状 态，在实际工程实践中也常常会遇到非饱和土，如土坝、铁路和公路路基填 土、机场跑道的压实填土都处于非饱和状态。由于非饱和土与饱和土在工程 性质上存在很大差异，含水量的变化常常引起土的工程性质发生显著转变， 给建筑物和构筑物的安全带来威胁。

非饱和土的研究意义很早就被大家所认识，土力学研究者早在上世纪三 十年代就开始考虑非饱和土的问题，但由于非饱和土体中孔隙水、孔隙气及 其相互作用的存在使得研究难度比较大，进展缓慢。现今，国内外已从非饱 和土固结仪、直剪仪、三轴仪等传统的测试仪器实现非饱和土的力学特性的 测试。但传统的测试仪器不能全面、真实的反映非饱和土单元的三维主应力 状态，与实际存在较大差异。因此，有效控制和量测非饱和土基质吸力，测 试土单元在三向加载复杂应力条件下的力学特性，是研究非饱和土的重要途 径。

现有的真三轴试验仪已逐渐实现对试样三个主应力和三个主应变分量 的独立加载和量测。但由于非饱和土中三相介质的存在，需要测试非饱和土 中水、气力学性状，提高了非饱和土的真三轴试验的研究难度。具体地说， 进行非饱和土试验时，需要控制非饱和土的基质吸力，或者测试非饱和土的 孔隙气压力和孔隙水压力。如果土样的气相与大气连通，且需要控制基质吸 力时，对非饱和土中孔隙水施加负压，则施加的负压力是有限的，最大程度 接近负的一个大气压（即零绝对压力-101.3kPa）。但是，当孔隙水压力接近 负的一个大气压时，水将开始出现气蚀现象，并使量测系统中充满气体，量 测系统中的水会被迫进入土中，从而影响试验结果的准确性。同时，由于气 体的存在，要求各部件必须具有良好的密封性能，传统的橡胶垫、橡胶圈以 及钢圈配合橡胶垫密封，对试验结果的准确性容易带来干扰，尤其对真三轴 立方体非饱和土试样进行孔隙水、孔隙气压力的控制和量测具有局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种非饱和土的真三轴仪，解决了试样竖向刚性加 载、侧向柔性加载真三轴应力条件下，难以对非饱和土孔隙水压力、孔隙气 压力量测，或者不易控制孔隙水压力与孔隙气压力的测试，导致准确性不够 的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种非饱和土的真三轴仪，包括主机部分、 孔隙水与气压力控制部分、液压荷载控制部分和信号采集处理部分，

所述的主机部分的结构是，包括在主机底座上端面安装有轴向调节活 塞，在主机底座中设置有粗调手柄和细调手柄，细调手柄和粗调手柄分别通 过传动机构与轴向调节活塞连接，粗调手柄和细调手柄之间设置有粗调-细 调转换开关；轴向调节活塞向上与轴向液压缸连接，轴向液压缸与轴向压力 源压力缸相连接，轴向液压缸内设置有轴向压力活塞，轴向压力活塞上端面 与压力室底座连接；压力室底座向上通过压力室侧壁和顶盖围成压力室；

所述的顶盖的轴心孔中设置有试样帽，试样帽上端面设置有轴向传力垫 块；压力室底座侧面安装有四个侧向位移传感器支座，每个侧向位移传感器 支座中安装有一侧向位移传感器，每个侧向位移传感器的测头与一个侧向变 形量测导杆接触，四个侧向变形量测导杆从四面穿入压力腔内与试样接触；

所述的主机底座上固定安装有主机支架，主机支架的上横杆上设置有轴 向压力传感器，轴向压力传感器向下通过轴向传力杆与轴向传力垫块连接； 主机支架的立杆上安装有轴向位移传感器，轴向位移传感器的测头向下与顶 盖上表面接触。

本发明的有益效果是，具备在一室四腔复合加载压力室加载机构对试样 施加真三轴应力条件下，能够很好地实现三向独立加载条件下非饱和土的真 三轴试验研究，能对非饱和土在真三轴试验条件下变形过程的孔隙水压力和 孔隙气压力的测试，能够通过分别控制孔隙气压力和孔隙水压力来实现控制 不同基质吸力状态下的真三轴试验。具有自动控制加载和自动量测功能，结 构合理、使用操作简便、智能化程度高且性能可靠。

附图说明

图1是本发明的非饱和土的真三轴仪的结构示意图；

图2是本发明装置中的压力室的截面结构示意图；

图3是本发明装置中的隔板转动弹性约束机构和隔板径向弹性约束机构 的截面示意图；

图4是本发明装置中的试样安装方式截面示意图；

图5是本发明装置中的下透水板底面的结构示意图；

图6是本发明装置中的下透水板上表面的结构示意图；

图7是本发明装置中的侧向变形量测导杆的截面结构示意图；

图8是本发明装置中的孔隙气压力控制部分的原理框图；

图9是本发明装置中的孔隙水压力控制部分的原理框图；

图10是本发明装置中的伺服步进电机驱动液压加载体变控制器结构示 意图；

图11是本发明装置中的信号采集处理部分的原理框图。

图中，1.主机底座，2.粗调-细调转换开关，3.轴向调节活塞，4.压力室 底座，5.侧向位移传感器支座，6.侧向位移传感器，7.主机支架，8.轴向位移 传感器，9.轴向压力传感器，10.轴向传力杆，11.轴向传力垫块，12.气压传 感器，13.气压表，14.气压调压阀，15.气源处理器，16.气源，17.粗调手柄， 18.细调手柄，19.排水通道，20.水压传感器，21.液压体变控制器，22.试样， 23.顶盖，24.排气通道，25.试样帽，26.侧向压力腔，27.侧向变形量测导杆， 28.侧向压力开关阀，29.轴向压力活塞，30.轴向液压缸，31.压力室侧壁，32. 柔性液压囊，33.上透气板，34.隔板转动弹性约束机构，35.隔板径向弹性约 束机构，36.下透水板，37.隔板，38.上透气板固定螺栓，39.下透水板固定螺 栓，40.密封垫圈，41.橡皮膜，42.透水中心槽，43.环形排水通道，44.陶土板， 45.密封螺母，46.导向筒，47.螺纹，48.垫片，49.密封护筒，50.内端板，51. 过滤器，52.信号调理器，53.A/D转换器，54.单片机，55.电机驱动器，56. 伺服电机，57.中主应力传感器，58.小主应力传感器，59.压力源压力缸，60. 丝母，61.滚珠丝杠，62.步进电机，63.丝杠活塞，64.连轴器，65.中主应力方 向位移传感器，66.小主应力方向位移传感器，67.信号调理器二，68.A/D转 换器二，69.单片机二，70.电源，71.计算机，72.键盘，73.电机驱动器二，74. 步进电机执行机构液压缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的非饱和土的真三轴仪，属于一室四腔复合加载压力室结构，包 括主机部分、孔隙水与气压力控制部分、液压荷载控制部分和信号采集处理 部分。

参照图1、图2，主机部分的结构是，包括在主机底座1中设置有粗调- 细调转换开关2、粗调手柄17和细调手柄18，在主机底座1上端面安装有 轴向调节活塞3，细调手柄18和粗调手柄17分别通过传动机构与轴向调节 活塞3连接，粗调手柄17和细调手柄18之间设置有粗调-细调转换开关2， 粗调-细调转换开关2用于控制轴向调节活塞3的细调或粗调切换；轴向调 节活塞3向上与轴向液压缸30连接，轴向液压缸30与轴向压力源压力缸相 连接，轴向液压缸30内竖直设置有轴向压力活塞29，轴向压力活塞29上端 面与压力室底座4连接；

压力室底座4向上通过压力室侧壁31和顶盖23围成压力室，两组对称 的四个压力腔26中心的压力室底座4上用于设置试样22；顶盖23的轴心孔 中设置有试样帽25，试样帽25上端面设置有轴向传力垫块11；压力室底座 4侧面安装有四个侧向位移传感器支座5，每个侧向位移传感器支座5中安 装有一侧向位移传感器6，每个侧向位移传感器6的测头与一个侧向变形量 测导杆27接触，四个侧向变形量测导杆27从四面穿入压力腔26内与试样 22接触；

在主机底座1上固定安装有主机支架7，主机支架7的上横杆上设置有 轴向压力传感器9，轴向压力传感器9向下通过轴向传力杆10与轴向传力垫 块11连接；主机支架7的立杆上安装有轴向位移传感器8，轴向位移传感器 8的测头向下与顶盖23上表面接触，用于测试顶盖23竖直方向位移。

参照图2、图3所示，试样22的上表面与试样帽25之间设置有上透气 板33，试样22的底面与压力室底座4之间设置有下透水板36；由压力室底 座4、顶盖23及压力室侧壁31组成压力室，压力室内腔的中心用于放置试 样22，压力室内围绕试样22四边分别设置有一个压力腔26，每个压力腔26 中安置有一个柔性液压囊32，每个柔性液压囊32均通过对应的侧向压力开 关阀28与外界压力源相连接，并用于对试样22施加侧向正应力；相邻压力 腔26之间分别通过一个隔板37隔开，四个隔板37均沿压力室对角线方向 对称设置，压力室侧壁31四个直角位置外侧分别设置有隔板转动弹性约束 机构34及隔板径向弹性约束机构35，每个隔板37与一组隔板转动弹性约束 机构34和两组隔板径向弹性约束机构35同时连接，分别用于约束隔板37 在相应方向上的转动和径向移动偏离。

如图4所示，试样帽25下端面轴心开有凹槽并放置上透水板33，上透 水板33通过上透水板固定螺栓38与试样帽25固定连接，上透水板33的下 端面内置有多孔透气板，上透水板33的上端面开有环形排气通道与排气通 道24连通；压力室底座4上端面轴心开有凹槽并放置有下透水板36，下透 水板36包裹在立方体形橡皮膜41中，放置于压力室底座4之上，橡皮膜41 与压力室底座4的凹槽之间设置有环形的密封垫圈40，下透水板36通过下 透水板固定螺栓39与压力室底座4固定连接；橡皮膜41对应上透水板固定 螺栓38和下透水板固定螺栓39的位置开孔，橡皮膜41自下向上包裹内嵌 有陶土板44的下透水板36、试样22和内嵌有多孔透气板的上透气板33， 以实现对试样22的密封。

如图5和图6所示，下透水板36呈矩形板状结构，下透水板36上端面 的中心开设凹槽并内置有陶土板44，下透水板36下端面开有环形排水通道 43和透水中心槽42；环形排水通道43和透水中心槽42与排水通道19相通。

如图7所示，侧向位移传感器6包括两组对称设置的中主应力方向位移 传感器65和小主应力方向位移传感器66（参照图3）。四个侧向位移量测导 杆27均由外段杆和内段杆通过螺纹47连接，四个方向上的压力室侧壁31 均垂直安装有一个导向筒46，与四个方向的侧向位移传感器6对应的侧向变 形量测导杆27分别过一个导向筒46，每个外段杆均穿插设置在一个导向筒 46里，外段杆和内段杆的连接部位于侧向压力腔26内，外段杆的内端头设 置有密封螺母45，外段杆的外端伸出压力室之外并与四个侧向位移传感器6 对应接触，内段杆的内端穿过弹性材料制作的柔性液压囊32后，在其内端 头部设置有内端板50，内端板50与柔性液压囊32的外表面平齐，柔性液压 囊32的内外侧之间的内段杆上套装有刚性的密封护筒49，内段杆通过密封 螺母45、垫片48、密封护筒49和内端板50与柔性液压囊32固定拉紧实现 密封。

参照图1、图8，所述的孔隙水与气压力控制部分用于控制气压管内气 流和排水管内水流的通断和压力。孔隙水与气压力控制部分结构是，压力室 底座4中开有排水通道19，排水通道19中设置有水压传感器20，排水通道 19与液压体变控制器21连通；试样帽25中开有排气通道24，排气通道24 设置有气压传感器12，排气通道24与气压表13、气压调压阀14、气源处理 器15、气源16依次连通。在气压调压阀14与气压传感器12之间的管路上 还安装有过滤器51。

参照图9，液压体变控制器21是实现孔隙水压力控制的核心。液压体变 控制器21的内部组成结构是，包括信号调理器52、A/D转换器53、单片机 54、电机驱动器55、伺服电机56依次连接组成，伺服电机56液压缸与水压 传感器20连接，实现水压力的信号控制。

参照图10，所述的液压荷载控制部分包括提供压力源的三套伺服步进电 机执行机构和控制孔隙水压力的一套伺服步进电机执行机构，该四套伺服步 进电机执行机构结构一致，分别用于控制轴向调节活塞3、孔隙水压力和侧 向的两对柔性液压囊32工作状态，分别对孔隙水、试样22轴向和试样22 两个侧向施加压力。每个伺服步进电机执行机构的结构是，以侧向为例进行 描述，包括一个步进电机62，步进电机62通过连轴器64与滚珠丝杠61连 接，滚珠丝杠61穿过安装在支架上的丝母60与丝杠活塞63连接，丝杠活 塞63与压力源压力缸59连接，在侧向的一个压力源压力缸59的出口管路 上安装有中主应力传感器57，在侧向的另一个压力源压力缸59的出口管路 上安装有小主应力传感器58；

两套侧向的压力源压力缸59中充满蒸馏水，分别与两对柔性液压囊32 通过尼龙耐压管相连，柔性液压囊32充液后分别对侧向压力进行加荷；轴 向的压力源压力缸59中充满液压油，与轴向压力活塞29通过尼龙耐压管相 连，推动轴向压力活塞29实现对轴向压力进行加荷。

如图11所示，信号采集处理部分用于采集试样22的轴向及侧向的两对 应力和位移变形量、以及孔隙水的压力参数，并根据上述参数控制液压荷载 控制部分和孔隙水与气压力控制部分的工作。信号采集处理部分的结构是， 包括信号调理器二67，信号调理器二67的输入端与轴向压力传感器9、轴 向位移传感器8、中主应力传感器57、小主应力传感器58、中主应力方向侧 向位移传感器65、小主应力方向线侧向位移传感器66、气压传感器12、水 压传感器20同时连接，主要实现各个传感器信号的采样保持、滤波和放大 功能，信号调理器二67的输出端与A/D转换器二68及单片机二69依次连 接，单片机二69与计算机71和键盘72同时连接，实现计算机自动采集和 显示以及手动操作的采集和显示，单片机二69还与四个电机驱动器二73（包 括两个侧向步进电机和一个轴向步进电机驱动器、孔隙水压力控制部分电机 驱动器）连接，四个电机驱动器二73分别与对应的两个侧向步进电机执行 机构和轴向步进电机执行机构、孔隙水步进电机执行机构连接，实现控制程 序发出指令推动对应的步进电机执行机构液压缸74的体积变化，进而对试 样实施轴向及侧向主应力的加载；电源70同时与信号调理器二67、A/D转 换器二68、单片机二69、电机驱动器二73连接，用于提供电力支持。

本发明装置的工作原理是：

试样22的密封是决定非饱和土试验成功的关键环节，具体密封方法为： 参照图4，用上、下端中心开孔的橡皮膜41自上而下依次包裹内置多孔玻璃 板的上透气板33、试样22、内置高进气值的陶土板44的下透水板36，试样 22位于上透气板33和下透水板36之间，上透气板33上端安装试样帽25， 试样帽25中的排气通道24与气压传感器12及气压表盘13、气压调压阀14 相连，下透水板36中的排水通道19与水压传感器20及液压体变控制器21 连接，从而可以进行孔隙气压力和孔隙水压力的控制和量测。

在试验时，打开侧向压力开关阀28，液体通过四个管道流入各自的柔性 液压囊32内，四个柔性液压囊32从四面与试样22侧壁紧贴，对试样22实 施侧向均匀加载。同时，轴向压力活塞29向上运动时，轴向力通过轴向传 力杆10及轴向增高垫块11将反力均匀的施加到试样帽25上，从而通过试 样帽25将轴向压力均匀的施加到试样22的轴向上。

如图8所示，气压控制主要是通过气压调压阀14的开启与关闭实现的， 气压力的大小利用阀芯的位移改变，阀芯的位移与作用在阀芯的气压力有 关，气压力值则通过气压表13直接读取；由气源16提供气压力，从过滤器 51进行净化过滤后，依据试验条件设定的孔隙气压力值通过气压调压阀14 进行调压，气压传感器12进行自动量测和采集，通过气压管与试样帽25开 设的孔隙气压力通道24对接，同时气压传感器12采集试验过程中气压的变 化经信号处理传输给计算机71。

如图9所示，水压传感器20采集试验时土体中孔隙水压力的变化信号 连接到信号调理器52的输入端，信号调理器52输出端连接A/D转换器53， 经单片机54进行处理，发出指令控制电机驱动器55调节高精密的伺服电机 56液压缸体积变化，进行孔隙水压力的控制，同时水压传感器20又将信号 反馈给计算机71，从而实现环闭式自动控制和调节。

对于饱和固结排水剪切试验，三向施加均等压力，打开排水通道19，排 水固结，剪切过程亦打开排水通道19。对于饱和固结不排水剪切试验，三向 施加均等压力，打开排水通道19，排水固结。剪切过程中关闭排水通道19。

对于非饱和土试验，其基质吸力的控制是通过气压调压阀14和液压体 变控制器21来分别控制气压和水压，其中由气源16通过上排气通道24控 制试样22内部的气压，由液压体变控制器21通过具有陶土板44的下透水 板36及排水通道19控制试样22内部的水压。

非饱和土等吸力剪切试验包括三个阶段：吸力平衡阶段、等吸力固结阶 段和等吸力剪切阶段。吸力平衡阶段是指在给定的孔隙水压和气压控制条件 下，使试样内部的水分转移均匀；等吸力固结阶段是指在恒定吸力状态下， 对试样施加均等的净应力，待固结变形稳定；等吸力剪切阶段是指在恒定吸 力状态下，对试样施加不同应力路径的剪切。试验结束条件可设定为轴向应 变达到15%，即认为试样破坏，试验过程具有合理性。

同样非饱和土的真三轴仪还可以对非饱和试样进行吸力的实时监测。利 用轴平移技术，非饱和土试样在固结和剪切阶段，通过气源对试样施加相对 较大的气压力，利用液压体变控制器对试验过程中土体的水压进行实时量 测，从而可以测定出试样在固结过程中和剪切过程中基质吸力的变化曲线。

本发明主要适用于三向独立加载的非饱和土真三轴试验，可通过不同的 试验条件完成复杂应力条件下非饱和土的力学特性、强度变形特性的研究。