一種新型非飽和土三軸試驗(yàn)機(jī)

概述ξ1.1用途微機(jī)控制非飽和土三軸試驗(yàn)機(jī)（以下簡稱本試驗(yàn)機(jī)）是一種新型的微機(jī)控制非飽和土靜態(tài)三軸試驗(yàn)機(jī)多功能試驗(yàn)機(jī)，也可以適配車載電源驅(qū)動控制系統(tǒng)，用于在野外工地現(xiàn)場對非飽和土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，測定非飽和土和細(xì)粒土的總抗剪強(qiáng)度和有效抗剪強(qiáng)度。本試驗(yàn)機(jī)是一套多功能靜態(tài)土試驗(yàn)設(shè)備，可滿足以下使用:1、能夠在三軸應(yīng)力應(yīng)變條件下試驗(yàn)，完全可用于土工常規(guī)三軸試驗(yàn)（即對飽和土的靜三軸試驗(yàn)）；2、能夠同步地測定一定應(yīng)力條件下非飽和土樣的濕度、密度和應(yīng)變（軸向應(yīng)變、體變）；3、能夠在浸水條件下測定入滲過程中非飽和土樣的濕度、密度和應(yīng)變（軸向應(yīng)變、體變）；4、能夠在力與浸水共同作用條件下測定非飽和土樣的濕度、密度和應(yīng)變（軸向應(yīng)彎、徑向應(yīng)變、體變）；5、能夠測定在上述各條件下非飽和土樣的孔隙水壓力和孔隙氣壓力。ξ1.2主要技術(shù)參數(shù)和基本配置1、軸向最大負(fù)荷：10kN2、軸向負(fù)荷精度：優(yōu)于±0.5%F.S.3、軸向最大位移：1504、軸向位移（變形）精度：0.1%F.S.5、周圍壓力量程：1Mpa；測量精度：±0.5%F.S.6、反壓力量程：1Mpa；測量精度：±0.5%F.S.7、孔隙水壓力量程：±0.5Mpa；測量精度：±0.5%F.S.8、孔隙氣壓力量程：1Mpa；測量精度：±0.5%F.S.9、體變量程：50ml；測量精度：±0.5%F.S.分度值：0.110、三軸壓力室壓力：0-1Mpa11、試樣尺寸：φ39.1×80mm，φ61.8×12、多通道多參數(shù)全數(shù)字閉環(huán)控制，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的PID值，采用高分辨率的反饋采樣和信號調(diào)節(jié)技術(shù)13、可選擇力（應(yīng)力）、變形（應(yīng)變）、位移等多種控制方式14、試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)能自動標(biāo)定試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確度、能夠自動調(diào)零15、全數(shù)字顯示σ1、σ3、ε1、εv、ua、uw等多個工程量，多通道并行獨(dú)立完成測量、顯示、控制任務(wù)。16、試驗(yàn)控制軟件，在Windows98/2000等多種環(huán)境下運(yùn)行，界面友好，操作簡單，能完成試驗(yàn)條件、試樣參數(shù)等設(shè)置、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)數(shù)據(jù)能以多種文件格式保存，試驗(yàn)結(jié)束后可再現(xiàn)試驗(yàn)歷程、回放試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可導(dǎo)入在Word、Excel、Access、Matlab等多種軟件下，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、編輯、分類、擬合試驗(yàn)曲線等操作，試驗(yàn)完成后，可打印出試驗(yàn)報告。17、基本配置三軸試驗(yàn)主機(jī)一臺雙層壓力室一套軸向伺服加載系統(tǒng)一套圍壓伺服加載系統(tǒng)一套等位定標(biāo)體變控制與測量系統(tǒng)一套孔隙氣壓控制測量系統(tǒng)一套孔隙水壓控制測量系統(tǒng)一套等Ua排水系統(tǒng)一套全數(shù)字式多通道計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一套非飽和土試驗(yàn)控制與數(shù)據(jù)處理軟件一套計(jì)算機(jī)一套打印機(jī)一套

ξ1.3試驗(yàn)機(jī)的正常工作環(huán)境1.環(huán)境溫度為10℃—302.在無振動、無明顯電磁干擾的環(huán)境中；3.三相交流220V、50HZ電源，電壓波動范圍不超過額定電壓的10%；4.防塵、周圍環(huán)境無腐蝕性介質(zhì)。5.本試驗(yàn)機(jī)的工作場地除滿足正常工作條件外，主機(jī)的后方及左右兩方應(yīng)留有1.2米的作業(yè)孔間，前方更應(yīng)開闊一些。6.將主機(jī)平穩(wěn)吊放在地基上，找水平，使前后左右均應(yīng)0.05/1000以內(nèi)。7.實(shí)驗(yàn)室應(yīng)自備與設(shè)備技術(shù)要求對應(yīng)壓力的氣源和純凈的水源。8.實(shí)驗(yàn)室應(yīng)有與試驗(yàn)相配套的試樣器具、器皿、量具、實(shí)驗(yàn)臺桌等。9．用戶自備以下附件：（1）擊實(shí)筒和飽和器。（2）切土盤、切土器、切土架和原狀土分樣器（圖5-27～圖5-29）。（3）承膜筒和砂樣制備模筒（圖5-30～圖5-31）。（4）天平。稱量200g、最小分度值0.01g；稱量1000g、最小分度值0.1g。（5）游標(biāo)卡尺。（6）其他，如乳膠薄膜、橡皮筋、透水石、濾紙、切土刀、鋼絲鋸、毛玻璃板、空氣壓縮機(jī)、真空抽氣機(jī)、真空飽和抽水缸及稱量盒等。（7）50ml以上體積帶刻度注射器。

第2章試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)組成與工作原理本試驗(yàn)機(jī)主要由主機(jī)部分、四壓（周圍壓力、孔隙氣壓力、孔隙水壓力、反壓力）測控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)自動控制系統(tǒng)等組成。（一）主機(jī)部分主機(jī)部分主要由軸向加載控制和測量部分，壓力室、體變量測系統(tǒng)、增濕浸水系統(tǒng)、孔隙氣壓力測量和控制系統(tǒng)、孔隙水壓力和反壓力測量與控制系統(tǒng)等組成，如圖所示。主機(jī)結(jié)構(gòu):其機(jī)械傳動原理圖如右圖所示。主機(jī)部分主要由底座、支架、伺服電機(jī)、減速器、滾珠絲杠、工作臺、立柱、活動橫梁、上下壓頭、負(fù)荷傳感器及上橫梁組成。工作時伺服電機(jī)帶動減速器（速比為1/60）旋轉(zhuǎn)，減速機(jī)輸出軸與滾珠螺杠絲桿直聯(lián)，絲桿旋轉(zhuǎn)使絲母上下直線移動，帶動連在活動橫梁上的上壓頭上、下移動，從而對試樣加載。力傳感器連在下工作臺上，上端和下壓頭連接，從而實(shí)現(xiàn)對試樣加卸負(fù)荷（力）值大小的測量。ξ1.1軸向加載測控系統(tǒng)1.1.1軸向試驗(yàn)力（σ1）測量和控制采用高精度、高穩(wěn)定性進(jìn)口負(fù)荷傳感器配備高精度、高分辨率采樣測量、放大系統(tǒng)，確保測力精度。軸向試驗(yàn)力（σ1）的施加，通過伺服電機(jī)驅(qū)動高精度、無進(jìn)回程間隙的減速機(jī)，再經(jīng)與減速機(jī)輸出軸連接的同步帶傳動到螺母，螺母的轉(zhuǎn)動使軸向活塞（即試樣的下壓頭）升降，實(shí)現(xiàn)軸向加載。1.1.2軸向變形（ε1）測量采用高精度、高穩(wěn)定性進(jìn)口光電編碼器，與軸向施加載荷的控制電機(jī)同軸連接，通過測量電機(jī)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，對應(yīng)標(biāo)定為軸向活塞的位移，因土樣在試驗(yàn)中承受力較小，且為脆性基體，因此可認(rèn)為這時光電編碼器測量的軸向活塞位移即為試樣軸向變形，配備高精度、高分辨率采樣測量、放大系統(tǒng)，確保測量精度，其分辨率為0.01mm1.1.3試驗(yàn)控制方式軸向試驗(yàn)的控制根據(jù)用途分為單調(diào)加載方式和多級加載控制方式兩類。單調(diào)加載控制，系指試驗(yàn)過程中控制參量不變，以同一種控制方式加載至試樣破壞。根據(jù)采用反饋參與控制量的不同，分為力控制、變形控制、應(yīng)力控制、應(yīng)變控制多種。多級加載控制，系指試驗(yàn)過程中控制參量和控制方式有多種，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，根據(jù)試驗(yàn)要求，改變不同的控制參量和控制方式實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)力路徑加載至試樣破壞。各級控制方式有力控制、變形控制、應(yīng)力控制、應(yīng)變控制、時間控制多種，整個試驗(yàn)歷程為力控制、變形控制、應(yīng)力控制、應(yīng)變控制、時間控制多種的組合。以軸向力傳感器的反饋量為控制參量的試驗(yàn)控制方式為力控制，如果將該力值換算為應(yīng)力，并以之為控制參量的試驗(yàn)控制方式為應(yīng)力控制。以軸向變形傳感器的反饋量為控制參量的試驗(yàn)控制方式為變形控制，如果將該變形值換算為應(yīng)變，并以之為控制參量的試驗(yàn)控制方式為應(yīng)變控制。圖2

ξ1.2側(cè)向(周圍壓力)加載測控系統(tǒng)側(cè)向試驗(yàn)壓力（σ3）測量和控制，采用高精度、高穩(wěn)定性壓力傳感器配備高精度、高分辨率采樣測量、放大系統(tǒng)，確保測量精度。側(cè)向試驗(yàn)壓力（σ3）的施加，通過伺服電機(jī)驅(qū)動高精度、無進(jìn)回程間隙的滾珠絲杠，再經(jīng)與同軸連接的活塞升降，推動擠壓缸筒里的水，使之將壓力傳遞到壓力室，實(shí)現(xiàn)周圍壓力加載測控。ξ