本發(fā)明屬于巖土工程測試設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三向獨立加載的大型真三軸儀。

背景技術(shù)：

由于巖土工程的復(fù)雜性、多樣性和高要求，以及一些新型巖土工程施工技術(shù)和施工材料的產(chǎn)生，導(dǎo)致如高填方工程、高土石壩工程，對于巖土工程測試技術(shù)的挑戰(zhàn)愈來愈大，常規(guī)尺寸下的固結(jié)儀、直剪儀、三軸儀、平面應(yīng)變儀以及較小尺寸真三軸儀已經(jīng)遠遠不能滿足工程的需要。因此，國內(nèi)外很多研究學(xué)者在幾十年的時間里開發(fā)出不同尺寸的大型固結(jié)儀、大型直剪儀、大型三軸儀，試圖來研究巖土工程測試的尺寸效應(yīng)問題，也已取得了很多可靠的研究成果。然而，對于巖土材料在真三維應(yīng)力條件下尺寸效應(yīng)問題研究及其缺乏，普遍存在的問題主要有：

(1)填筑工程中的粗粒土等具有粒徑大和顆粒破碎的問題，常規(guī)的土工試驗儀器無法對其原型顆粒粒徑的土石料進行力學(xué)性質(zhì)的測試，要進行不同程度的縮尺處理。

(2)對已經(jīng)開發(fā)的大型常規(guī)土工儀器而言，由于其測試的范圍的限制，無法測試得到較為復(fù)雜的應(yīng)力路徑下大顆粒巖土材料的力學(xué)特性。

(3)國內(nèi)外關(guān)于粗粒土的研究表明，進行不同程度的縮尺測試得到的對其峰值強度的影響較小，而對于軸向應(yīng)變(包括側(cè)向的壓縮量)和體積變化的影響較為明顯。

因此，為準確測試得到較大粒徑土的在真三維應(yīng)力條件下的強度變形特性，對現(xiàn)有的真三軸進行技術(shù)革新，研制一種大尺寸的大型真三軸儀是非常必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種三向獨立加載的大型真三軸儀，能實現(xiàn)對粗粒土進行三向獨立加載并進行復(fù)雜應(yīng)力路徑下的強度變形測試。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種三向獨立加載的大型真三軸儀，包括了主機部分、液壓加載機構(gòu)、同步數(shù)據(jù)采集與處理的控制系統(tǒng)；

主機部分包括加力架底盤、立柱和橫梁，加力架底盤、立柱和橫梁構(gòu)成的主機支架，主機支架中上座總成、壓力室底板箱、第三壓力室側(cè)箱和第二壓力室側(cè)箱構(gòu)成壓力室；

上座總成的四角處分別設(shè)置有扭力平衡機構(gòu)，上座總成的中間開口且在開口內(nèi)設(shè)置試樣帽，試樣帽的底部設(shè)置上透水板，試樣帽的中間連接軸向傳力桿，軸向傳力桿上穿有與試樣帽連接的軸向傳力桿輔助機構(gòu)，軸向傳力桿上部連接軸向荷載傳感器；

壓力室底板箱內(nèi)部設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，壓力室底板箱側(cè)面連接有上部結(jié)構(gòu)支撐機構(gòu)，壓力室底板箱底部連接軸向壓力腔，壓力室底板箱的頂部設(shè)置有下透水板；壓力室內(nèi)設(shè)置有液壓囊腔，液壓囊腔內(nèi)設(shè)置有液壓囊，試樣四邊設(shè)置有四個液壓囊，四個液壓囊分別位于第三壓力室側(cè)箱和第二壓力室側(cè)箱的對稱方向，四個液壓囊連接各個方向的液壓加載系統(tǒng)，兩個方向的液壓囊通過轉(zhuǎn)柱擋板隔離；

液壓加載機構(gòu)包括液壓源和三向的伺服液壓缸組合、電磁閥控制開關(guān)、液壓連通管開關(guān)、軸向壓力腔或側(cè)向的液壓囊；

同步數(shù)據(jù)采集與處理的控制系統(tǒng)包括程控放大器和定時與邏輯控制器，程控放大器和定時與邏輯控制器的輸入端均與軸向位移傳感器、軸向荷載傳感器、液壓傳感器、側(cè)向位移傳感器連接，程控放大器和定時與邏輯控制器的輸出端與采樣保持器連接，采樣保持器連接A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器和定時與邏輯控制器均與連接計算機。

本發(fā)明的特點還在于，

第三壓力室側(cè)箱和第二壓力室側(cè)箱與壓力室底板箱的頂部連接，第三壓力室側(cè)箱和第二壓力室側(cè)箱與上座總成的底部連接，軸向壓力腔連接油缸基座，油缸基座兩側(cè)設(shè)置有梁軌組合，上座總成上設(shè)置八個加筋板，加筋板上通過錨固螺栓、拉簧和扭力板固定扭力平衡機構(gòu)。

壓力室位于主機支架內(nèi)，主機支架包括加力架底盤，加力架底盤上連接有立柱，立柱上穿有橫梁和大螺帽，油缸基座和梁軌組合均與加力架底盤連接。

軸向傳力桿與軸向位移傳感器的一端連接，軸向位移傳感器的另一端與上座總成連接。

扭力平衡機構(gòu)中間部分為扭力平衡機構(gòu)立柱，扭力平衡機構(gòu)立柱上設(shè)置有轉(zhuǎn)柱擋板，轉(zhuǎn)柱擋板通過壓簧連座固定在扭力平衡機構(gòu)立柱的外側(cè)；扭力平衡機構(gòu)立柱的下部通過支撐結(jié)構(gòu)固定在壓力底板箱底部。

液壓源與分流接頭連接，分流接頭上連接有壓力表，分流接頭通過連通管連接電磁閥控制開關(guān)的一個接頭，電磁閥控制開關(guān)另外的兩個接頭分別連接伺服液壓缸組合和液壓連通管開關(guān)，伺服液壓缸組合側(cè)面連接側(cè)向位移傳感器，液壓連通管開關(guān)連接液壓傳感器。

本發(fā)明的有益效果是：一種三向獨立加載的大型真三軸儀能夠?qū)α⒎襟w大尺寸試樣進行軸向和側(cè)向的加載，通過軸向荷載傳感器、軸向位移傳感器、孔隙水壓力傳感器可量測到試樣固結(jié)和剪切過程中的應(yīng)力、變形、孔壓。本發(fā)明機構(gòu)簡單、輕便以及易于操作，是一種較好的大尺寸試樣復(fù)雜應(yīng)力加載機構(gòu)。本發(fā)明不僅限于靜力應(yīng)力應(yīng)變加載，還可實現(xiàn)某一頻率范圍內(nèi)的動荷施加以及隨著時間的蠕變試驗。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種三向獨立加載的大型真三軸儀流程圖；

圖2是本發(fā)明一種三向獨立加載的大型真三軸儀的左視圖；

圖3是本發(fā)明一種三向獨立加載的大型真三軸儀中上座總成的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一種三向獨立加載的大型真三軸儀中壓力室的橫截面剖面圖；

圖5是本發(fā)明一種三向獨立加載的大型真三軸儀中液壓加載機構(gòu)的原理圖；

圖6是本發(fā)明一種三向獨立加載的大型真三軸儀中匹配的同步數(shù)據(jù)采集與處理的控制系統(tǒng)的原理圖。

圖中，1.加力架底盤，2.主機支架，3.梁軌組合，4.油缸基座，5.軸向壓力腔，6.上部結(jié)構(gòu)支撐機構(gòu)，7.壓力室底板箱，8.下透水板，9.楔形銷，10.試樣，11.第三壓力室側(cè)箱，12.立柱，13.扭力平衡機構(gòu)，14.上透水板，15.上座總成，16.加筋板，17.試樣帽，18.軸向傳力桿輔助機構(gòu)，19.軸向傳力桿，20.軸向荷載傳感器，21.軸向荷載器基座，22.橫梁，23.大螺帽，24.扭力平衡機構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)，25.轉(zhuǎn)柱擋板，26.壓簧連座，27.第二壓力室側(cè)箱，28.軸向位移傳感器，29.錨固螺栓，30.拉簧，31.扭力板，32.扭力平衡機構(gòu)立柱，33.弧形鋼板，34.液壓囊腔，35.透水板，36.液壓傳感器，37.底板錨固螺栓，38.試樣底座，39.液壓源，40.真空泵，41.真空管，42.快速充液管，43.側(cè)向位移傳感器，44.分流接頭，45.壓力表，46.伺服液壓缸組合，47.連通管，48.電磁閥控制開關(guān)，49.液壓連通管開關(guān)，50.液壓囊，51.定時與邏輯控制器，52.計算機，53.程控放大器，54.采樣保持器，55.A/D轉(zhuǎn)換器。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明提供了一種三向獨立加載的大型真三軸儀，包括了主機部分、液壓加載機構(gòu)、同步數(shù)據(jù)采集與處理的控制系統(tǒng)，主機部分主要是對長方體試樣10施加荷載的主要機構(gòu)；液壓加載機構(gòu)通過控制步進電機、電磁閥以及液壓源39為試驗提供動力部分；同步數(shù)據(jù)采集與處理的控制系統(tǒng)能夠自動實現(xiàn)對荷載傳感器和孔壓傳感器的信號輸入和輸出，控制三個方向的應(yīng)力；

如圖1所示，主機部分包括加力架底盤1、立柱12和橫梁22，加力架底盤1、立柱12和橫梁22構(gòu)成的主機支架2，主機支架2中上座總成15、壓力室底板箱7、第三壓力室側(cè)箱11小主應(yīng)力方向壓力室側(cè)箱和第二壓力室側(cè)箱27中主應(yīng)力方向壓力室側(cè)箱構(gòu)成壓力室；

壓力室底板箱7內(nèi)部設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)24，壓力室底板箱7四周開孔，壓力室底板箱7側(cè)面連接有上部結(jié)構(gòu)支撐機構(gòu)6，壓力室底板箱7底部連接軸向壓力腔5，軸向壓力腔5連接油缸基座4，油缸基座4兩側(cè)設(shè)置有梁軌組合3，軸向壓力腔5與加力架底盤1連接，壓力室底板箱7的頂部設(shè)置有下透水板8，壓力室底板箱7上設(shè)置的下透水板8四側(cè)開槽設(shè)置楔形銷9，第三壓力室側(cè)箱11與第二壓力室側(cè)箱27連接壓力室底板箱7，第三壓力室側(cè)箱11與第二壓力室側(cè)箱27連接上座總成15，形成密封的結(jié)構(gòu)，試樣10安裝到形成的上下密封的結(jié)構(gòu)中，試樣10的尺寸為300mm×300mm×600mm；

上座總成15、壓力室底板箱7、第三壓力室側(cè)箱11和第二壓力室側(cè)箱27及它們對稱的壓力室側(cè)箱圍成壓力室，壓力室位于主機支架2內(nèi)，主機支架2包括加力架底盤1，加力架底盤1上連接有立柱12，立柱12上穿有橫梁22和大螺帽23，油缸基座4和梁軌組合3均與加力架底盤1連接，梁軌組合3沿設(shè)置第二壓力室側(cè)箱方向活動；

上座總成15的四角處分別設(shè)置有扭力平衡機構(gòu)13，上座總成15的中間開口且在開口內(nèi)設(shè)置試樣帽17，試樣帽17的底部設(shè)置上透水板14，試樣帽17的中間連接軸向傳力桿19，軸向傳力桿19上穿有與試樣帽17連接的軸向傳力桿輔助機構(gòu)18，軸向傳力桿19上部通過軸向荷載器基座21連接軸向荷載傳感器20；

軸向傳力桿19與軸向位移傳感器28的一端連接，軸向位移傳感器28的另一端與上座總成15連接，軸向壓力桿19在軸向傳力桿輔助機構(gòu)18的引導(dǎo)下，均勻的將荷載傳遞到上座總成15內(nèi)置的試樣帽17上，再由試樣帽17均勻地施加在試樣10上；

如圖2和圖3所示，上座總成15上設(shè)置八個加筋板16，加筋板16上通過錨固螺栓29、拉簧30和扭力板31固定扭力平衡機構(gòu)13，扭力平衡機構(gòu)13中間部分為扭力平衡機構(gòu)立柱32，扭力平衡機構(gòu)立柱32上設(shè)置有轉(zhuǎn)柱擋板25，轉(zhuǎn)柱擋板25位于扭力平衡機構(gòu)立柱32的中心位置，可徑向伸縮，轉(zhuǎn)柱擋板25通過壓簧連座26固定在扭力平衡機構(gòu)立柱32的外側(cè)；扭力平衡機構(gòu)立柱32的下部通過支撐結(jié)構(gòu)24固定在壓力底板箱7底部；

如圖4所示，壓力室內(nèi)設(shè)置有液壓囊腔34，液壓囊腔34內(nèi)設(shè)置有液壓囊50，液壓囊50設(shè)置四個，四個液壓囊50兩兩位于第三壓力室側(cè)箱11和第二壓力室側(cè)箱27的對稱方向，四個液壓囊50連接各個方向的液壓加載系統(tǒng)，兩個方向的液壓囊50通過轉(zhuǎn)柱擋板25隔離；

第三壓力室側(cè)箱11(小主應(yīng)力方向壓力室側(cè)箱)和第二壓力室側(cè)箱27(中主應(yīng)力方向壓力室側(cè)箱)在邊角的部分各設(shè)置有弧形鋼板33，弧形鋼板33對兩側(cè)的液壓囊腔34有效隔離，弧形鋼板33交接在轉(zhuǎn)柱擋板25上，并留有間隙，試樣底座38設(shè)置有一個透水板35，試樣底座38面板與其中心透水板35構(gòu)成了下透水板8，試樣底座38底板上還設(shè)置底板錨固螺栓37，下透水板8的排水通道的外側(cè)安裝液壓傳感器36，飽和試樣時可利用液壓傳感器36量測試樣在加載過程中的孔隙水壓力的變化范圍；

如圖5所示，液壓加載機構(gòu)包括液壓源39，由連通管47連接的電磁伺服控制開關(guān)48、伺服液壓缸組合46、軸向壓力腔5或液壓囊50，伺服液壓缸組合46控制液壓再通過電磁閥控制開關(guān)48，由連通管47連接的液壓連通管開關(guān)49和軸向壓力腔5或液壓囊50控制施加荷載，電磁閥控制開關(guān)48為三通四位電磁閥；

液壓源39與分流接頭44連接，分流接頭44上連接有壓力表45，分流接頭44通過連通管47連接電磁閥控制開關(guān)48的一個接頭，電磁閥控制開關(guān)48另外的兩個接頭分別連接伺服液壓缸組合46和液壓傳感器36連接的液壓連通管開關(guān)49，伺服液壓缸組合46側(cè)面連接側(cè)向位移傳感器43，量測伺服液壓組合46的活塞運動位移；

伺服液壓缸組合46和電磁閥控制開關(guān)48構(gòu)成一個方向的液壓加載控制組成，液壓加載機構(gòu)包括軸向和水平面內(nèi)正交兩向各三套液壓加載控制組成，液壓加載機構(gòu)還包括真空泵40、真空管41，真空泵40為三個方向的液壓加載連通系統(tǒng)抽真空提供動力；液壓源39外部連接壓力表45、快速充油管42、分流接頭44，分流接頭44通過連通管47連接三對伺服液壓缸組合46；一個方向上加載的伺服液壓缸組合46的兩個伺服液壓缸側(cè)面連接側(cè)向位移傳感器43，試樣10加載時由電磁閥控制開關(guān)48控制一個液壓缸加載結(jié)束時，轉(zhuǎn)換另一個液壓缸開始加載，實現(xiàn)對試樣的持續(xù)加載；在軸向加載方向，伺服液壓缸組合46連接電磁閥控制開關(guān)48，再連接液壓連通管開關(guān)49和液壓傳感器36，再由連通管47連接軸向壓力腔5，傳遞液壓；在水平面內(nèi)正交兩向，也分別由伺服液壓缸組合46連接電磁閥控制開關(guān)48，再連接液壓連通管開關(guān)49和液壓傳感器36，再由連通管47連接液壓囊50，傳遞液壓；快速充油管42分別連通三向電磁閥控制開關(guān)48和各向伺服液壓缸組合46中加載結(jié)束的液壓缸，起到一個補充壓力液體的作用。真空泵40通過真空管41的連接水平面內(nèi)正交兩向液壓囊50連通系統(tǒng)抽真空，以便充滿液體；

如圖6所示，同步數(shù)據(jù)采集與處理的控制系統(tǒng)包括程控放大器53和定時與邏輯控制器51，程控放大器53和定時與邏輯控制器51的輸入端均與軸向位移傳感器20、軸向荷載傳感器28、液壓傳感器36、側(cè)向位移傳感器43連接，程控放大器53和定時與邏輯控制器51的輸出端與采樣保持器54連接，采樣保持器54連接A/D轉(zhuǎn)換器55，A/D轉(zhuǎn)換器55和定時與邏輯控制器51均連接計算機52；

本發(fā)明一種三向獨立加載的大型真三軸儀的工作原理是，主機部分的一室四腔的壓力室主要是由上座總成15、第三壓力室側(cè)箱11(小主應(yīng)力方向壓力室側(cè)箱)、第二壓力室側(cè)箱27(中主應(yīng)力方向壓力室側(cè)箱)、壓力室底板箱7、扭力平衡機構(gòu)13、轉(zhuǎn)柱擋板25構(gòu)成；上座總成15中包括試樣帽17以及焊接在四周的加筋板16，其材料主要采用的是防銹鋼材；第三壓力室側(cè)箱11、第二壓力室側(cè)箱27是由防銹鋼板焊接而成的箱體結(jié)構(gòu)，第三壓力室側(cè)箱11和第二壓力室側(cè)箱27兩個方向的壓力室側(cè)箱內(nèi)側(cè)設(shè)置液壓囊50，由乳膠制成；壓力室底板箱7主要起到抗壓和抗彎的作用，為了儀器輕便的作用，第二壓力室側(cè)箱27加筋板16上開4個孔洞，也便于安裝扭力平衡機構(gòu)立柱32的支撐結(jié)構(gòu)，扭力平衡機構(gòu)13上端是在上座總成15上通過兩個拉簧30固定，實現(xiàn)隨試樣側(cè)棱的轉(zhuǎn)動變形，下部扭力平衡機構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)24在壓力室底板箱7上，中間安裝有隨著試樣變形的徑向伸縮的轉(zhuǎn)柱擋板25，其主要靠壓簧連座26進行控制，上述的部件都是鋼構(gòu)件，具有防銹的功能。以上所述封閉結(jié)構(gòu)能很好的實現(xiàn)第三壓力室側(cè)箱11小主應(yīng)力方向、第二壓力室側(cè)箱27中主應(yīng)力方向和豎向三個方向的獨立加載，能夠滿足對大尺寸試樣的加載所需要的壓力室剛度和變形；

主機部分的上座總成15上部安裝的軸向傳力桿輔助機構(gòu)18在試驗軸向加載時，引導(dǎo)軸向傳力桿19沿試樣帽17中心豎向傳遞荷載；

基于試樣10的大尺寸成樣的考慮，試驗開始的裝樣階段和試驗結(jié)束之后的拆樣階段，不便在壓力平臺上進行裝卸樣，一般按照下述程序進行，試驗結(jié)束時，通過軸向壓力腔5逐步降低試樣10下壓力室底板箱7，采用焊接在壓力室底板箱7上的上部結(jié)構(gòu)支撐機構(gòu)6支撐，使得整個上部結(jié)構(gòu)支撐在梁軌組合3上，如圖1和圖2所示，然后將整個結(jié)構(gòu)通過滑軌沿著第二壓力室側(cè)箱27中主應(yīng)力應(yīng)力加載方向推出卸樣；同理，裝樣時，只需將安裝好試樣10的整個上部機構(gòu)，通過梁軌組合3推進試樣10到試驗儀的中心，對準軸向壓力腔5中心后，通過軸向壓力腔5逐步抬升壓力室，使得上部結(jié)構(gòu)脫離梁軌組合3，上升到需要的位置進行試驗；

試驗中液壓加載機構(gòu)將提供動力支撐，液壓源39持續(xù)不斷的提供油源給軸向的壓力腔5和兩個側(cè)向的液壓囊50傳遞壓力，軸向伺服油缸組合46是由兩個相同的小直徑油缸組成，提供加載時，由步進電機驅(qū)動一個液壓缸加載直到液壓缸活塞走完側(cè)向位移傳感器43的行程，電磁閥控制開關(guān)48調(diào)節(jié)啟動另一個液壓缸加載，加載結(jié)束的液壓缸通過快速充液管42充壓力液體，以備再次啟動加載，直至滿足軸向加載的要求；中主應(yīng)力與小主應(yīng)力方向的加載時，加載原理與豎向加載原理一致，提供給試樣的荷載由液壓囊50施加。

本發(fā)明的三向獨立加載的大型真三軸儀能夠?qū)α⒎襟w大尺寸試樣10進行軸向和側(cè)向的加載，通過軸向荷載傳感器20、軸向位移傳感器28、液壓傳感器36和側(cè)向位移傳感器43可量測到試樣固結(jié)和剪切過程中的應(yīng)力、變形、孔壓。本發(fā)明機構(gòu)簡單、輕便以及易于操作，是一種較好的大尺寸試樣復(fù)雜應(yīng)力加載機構(gòu)。本發(fā)明不僅限于靜力應(yīng)力應(yīng)變加載，還可實往返加卸載。