專利名稱：等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
砂土在不同的應(yīng)變路徑下會表現(xiàn)出不同的應(yīng)力_應(yīng)變響應(yīng)。研究應(yīng)變路徑控制條件下砂土的力學(xué)響應(yīng)是土的本構(gòu)關(guān)系的重要研究內(nèi)容之一。與應(yīng)力路徑控制的試驗相同， 模擬實際應(yīng)變路徑也具有重要的現(xiàn)實意義。譬如，擋土墻后填土強度的發(fā)揮和土壓力的大 小取決于填土的側(cè)向應(yīng)變約束條件。處于&固結(jié)狀態(tài)的土體的側(cè)向應(yīng)變?yōu)榱恪嶋H工程 中土體通常是處于排水和不排水之間的狀態(tài)，而應(yīng)變路徑試驗可以通過控制土的體積變化 來模擬這種實際的排水狀態(tài)。為了研究砂土應(yīng)變路徑控制條件下的應(yīng)力_應(yīng)變響應(yīng)，不少學(xué)者進(jìn)行了探索和嘗 試。例如，Asaka等對常規(guī)三軸試驗設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，實現(xiàn)了等應(yīng)變增量比的控制，其應(yīng)變 增量比的控制范圍為-0. 5 1. 0。但是還是存在應(yīng)變增量比的控制范圍小，控制精度差的 缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷，特別是解決現(xiàn)有技術(shù)等應(yīng)變增量比試 驗系統(tǒng)應(yīng)變增量比的控制范圍小和控制精度差的缺陷。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提出了一種等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)，包括水容 器，所述水容器中放置有盛放實驗用的試樣的試樣容器；軸向應(yīng)變增量測量系統(tǒng)，所述軸向 應(yīng)變增量測量系統(tǒng)連接至所述試樣容器并測量所述試樣容器的軸向應(yīng)變增量；體應(yīng)變增 量測量系統(tǒng)，所述體應(yīng)變增量測量系統(tǒng)連接至所述水容器并測量所述水容器中的體應(yīng)變增 量；圍壓控制系統(tǒng)，所述圍壓控制系統(tǒng)連接至所述水容器的一側(cè)并控制所述水容器的圍壓； 測控裝置，所述測控裝置連接至所述圍壓控制系統(tǒng)以控制所述水容器內(nèi)的圍壓。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述反壓力控制系統(tǒng)位于所述試樣容器之上。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述體應(yīng)變增量測量系統(tǒng)包括體變管，所述體變管與 所述試樣容器底部排水通道相連；以及體變傳感器，所述體變傳感器用于傳感所述體應(yīng)變 增量。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述圍壓控制系統(tǒng)包括位于所述試樣容器一側(cè)的側(cè) 向伺服閥；側(cè)向位移傳感器；和側(cè)向液壓缸，所述側(cè)向液壓缸在側(cè)向伺服閥的控制下控制 水容器內(nèi)的圍壓。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述軸向應(yīng)變增量測量系統(tǒng)包括位于所述試樣容器 之下的軸向伺服閥；軸向液壓缸，所述軸向液壓缸在軸向伺服閥的控制下控制所述試樣容 器內(nèi)的試樣的軸向載荷；和軸向變形傳感器具，所述軸向變形傳感器具傳感所述試樣容器 內(nèi)的試樣的軸向應(yīng)變增量。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，進(jìn)一步包括反壓力控制系統(tǒng)，所述反壓力控制系統(tǒng)調(diào)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，進(jìn)一步包括顯示系統(tǒng)，所述顯示系統(tǒng)與所述體變傳感 器和所述軸向變形傳感器具連接，并顯示具有預(yù)定應(yīng)變增量比的加載路徑。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述測控裝置在所述試樣的當(dāng)前應(yīng)變增量比大于預(yù)設(shè) 值時控制所述側(cè)向伺服閥和所述軸向伺服閥以減小圍壓，在所述試樣的當(dāng)前應(yīng)變增量比小 于預(yù)設(shè)值時控制所述側(cè)向伺服閥和所述軸向伺服閥以增大圍壓。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在所述顯示系統(tǒng)和所述測控裝置之間連接有D/A轉(zhuǎn)換 器，所述顯示系統(tǒng)和所述體變傳感器以及所述軸向變形傳感器具之間設(shè)置有A/D轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述體應(yīng)變增量測量系統(tǒng)進(jìn)一步包括連接在所述試 樣容器和體變管之間的孔壓傳感器；以及排水閥，所述排水閥控制所述體變管內(nèi)的水的排 放。本發(fā)明的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)能夠在試驗中實時檢測和控制試樣的應(yīng)變增量 比，保持試樣沿著應(yīng)變增量比為常數(shù)的路徑加載，該系統(tǒng)控制原理清楚，結(jié)構(gòu)簡單。另外，本 發(fā)明采用液壓伺服系統(tǒng)控制，壓力較氣壓更為穩(wěn)定，圍壓最大可加至3MPa，具有較大的加載 能力。其次，本發(fā)明應(yīng)變增量比控制范圍較大，排水量較大的試驗以及吸水的試驗均可進(jìn) 行，應(yīng)變增量比的控制范圍可以從試樣破壞時的應(yīng)變增量比一直到1。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1為本發(fā)明實施例的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實施例的體應(yīng)變測量示意圖。
具體實施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。本發(fā)明在Asaka提出的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了測量試樣體變的 傳感器，并且改造了三軸試驗機(jī)原有的控制程序，通過測控系統(tǒng)改變圍壓的大小來控制試 樣試驗過程中的應(yīng)變增量比保持為常數(shù)。本發(fā)明應(yīng)變增量比的控制范圍較為廣泛，針對砂 土的試驗實測結(jié)果與給定應(yīng)變路徑的比較表明系統(tǒng)具有足夠的控制精度，從而驗證了設(shè)備 的有效性。三軸試驗中試樣在加載過程中的側(cè)向應(yīng)變增量為Δ er= (Δ ε ν-Δ ε a)/2,(1)式中，Δ ε ,為試樣的體應(yīng)變增量，Δ ε a為試樣的軸向應(yīng)變增量，Δ、為試樣的 側(cè)向應(yīng)變增量。將試樣的應(yīng)變增量比Re定義為側(cè)向應(yīng)變增量與軸向應(yīng)變增量的比值，
5
Re = Δ ε Γ/Δ ε a。(2)式(1)代入式(2)可得j^ifH-iI ⑶式(3)表明只要體應(yīng)變增量比(Δ ε 乂 Δ ε a)的值為一常數(shù)，則側(cè)向應(yīng)變增量與軸 向應(yīng)變增量的比值Re也為一常數(shù)。試驗中試樣的軸向變形可由軸向變形傳感器量測并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄，從而 可通過計算得到試樣的軸向應(yīng)變及其在某一時間段內(nèi)的增量。如果試樣的體積變化也能夠 由傳感器電測并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄，就可以計算得到試樣的體應(yīng)變及其增量并由式(3) 計算得到試驗中試樣的當(dāng)前應(yīng)變增量比Re。將試驗中希望通過控制得到的應(yīng)變增量比記為REp。比較Rep與試驗中實測的當(dāng) 前的Re，如果Re > Rep，則減小圍壓，保持Re為想要控制得到的應(yīng)變增量比Rep ；反之，如 果1 < Rep，則增大圍壓，保持Re為想要控制得到的應(yīng)變增量比Rep。事實上，如果保持應(yīng) 變比值ε ν/ε 3為一個常數(shù)，應(yīng)變增量ε ν/ε a的比值也是同一個常數(shù)。所以只需在試驗中 控制應(yīng)變比值％/%為一常數(shù)即可。根據(jù)本發(fā)明的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)包括水容器，所述水容器中放置有盛放實 驗用的試樣的試樣容器；軸向應(yīng)變增量測量系統(tǒng)，所述軸向應(yīng)變增量測量系統(tǒng)連接至所述 試樣容器并測量所述試樣容器的軸向應(yīng)變增量；體應(yīng)變增量測量系統(tǒng)，所述體應(yīng)變增量測 量系統(tǒng)連接至所述水容器并測量所述水容器中的體應(yīng)變增量；圍壓控制系統(tǒng)，所述圍壓控 制系統(tǒng)連接至所述水容器的一側(cè)并控制所述水容器的圍壓；測控裝置，所述測控裝置連接 至所述圍壓控制系統(tǒng)以控制所述水容器內(nèi)的圍壓。所述反壓力控制系統(tǒng)可以位于所述試樣 容器之上。如圖1所示，為本發(fā)明實施例的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該等應(yīng)變增量比 試驗系統(tǒng)包括試樣容器，該試樣容器位于水容器中。該等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)還包括位于 試樣容器之上的反壓力閥3和反壓力控制系統(tǒng)2，位于試樣容器側(cè)向的側(cè)向伺服閥4、側(cè)向 位移傳感器5和側(cè)向液壓缸6，位于試樣容器之下的軸向伺服閥7、軸向液壓缸18和軸向變 形傳感器具19，與試樣容器底部排水通道相連的體變管13，和連接在試樣容器和體變管13 之間的孔壓傳感器15、體變傳感器16和排水閥17，分別與體變傳感器16和軸向變形傳感 器具19相連的計算機(jī)11，以及分別與計算機(jī)11、側(cè)向伺服閥4和軸向伺服閥7相連的測控 裝置8。下面將以計算機(jī)作為所述顯示裝置的一種來描述本發(fā)明。但是需要說明的是，普通 技術(shù)人員在閱讀了本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容之后，顯然可以采用其他相似的顯示裝置來實施本發(fā) 明。具體地，計算機(jī)11通過D/A轉(zhuǎn)換器10與測控裝置8相連接，計算機(jī)11通過A/D轉(zhuǎn)換 器12與體變傳感器16和軸向變形傳感器具19相連。測控裝置8在試樣的當(dāng)前應(yīng)變增量 比大于預(yù)設(shè)值時控制側(cè)向伺服閥4和軸向伺服閥7以減小圍壓，在試樣的當(dāng)前應(yīng)變增量比 小于預(yù)設(shè)值時控制側(cè)向伺服閥4和軸向伺服閥7以增大圍壓。該等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)還 包括分別與側(cè)向液壓缸6和軸向液壓缸18相連的液壓源9和圍壓傳感器14，以及位于試樣 容器之上的軸向載荷傳感器1。本發(fā)明是在清華大學(xué)20kN電液伺服微機(jī)控制動三軸試驗機(jī)的基礎(chǔ)上改造完成
6的。該三軸試驗機(jī)是天水紅山試驗機(jī)有限公司研制制造的，采用軸向和側(cè)向兩套電液伺服 閉環(huán)控制系統(tǒng)，其幅頻特性好，頻率響應(yīng)快，可對試樣做靜、動三軸試驗，可單獨激振或雙向 激振。該設(shè)備采用油壓作為驅(qū)動力，圍壓最大可達(dá)3MPa。如圖2所示，為本發(fā)明實施例的體應(yīng)變測量示意圖。本發(fā)明的等應(yīng)變增量比控制 試驗可為飽和砂土的排水試驗，試驗中試樣的軸向加載通過應(yīng)變控制方式，試樣的體應(yīng)變 可由體變管13中的排水量來確定。原有的設(shè)備能夠通過軸向變形傳感器量測試樣的軸向變形，試樣的體變?nèi)匀皇强?人工讀取數(shù)據(jù)的，無法滿足上述等應(yīng)變增量比的控制要求。因此本發(fā)明添加了一個測量試 樣排水量的傳感器(體變傳感器16)，它通過一個轉(zhuǎn)接頭和試樣底部的排水通道相連接。該 體變傳感器16能夠通過感應(yīng)排水管中的水壓力量測水面的高度，再根據(jù)水面高度換算得 到試 樣排水的體積，其量程為0 lm，精度為滿量程2%0。在A/D轉(zhuǎn)換器12 (模擬信號_數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器)和D/A轉(zhuǎn)換器10 (數(shù)字信號_模 擬信號轉(zhuǎn)換器)中增加體變傳感器16的通道，并在軟件中對體變傳感器16測量信號進(jìn)行 濾波。需要指出的是，設(shè)備原有的傳感器信號均為毫伏級，均需通過放大器進(jìn)行濾波放大， 每一個傳感器對應(yīng)一塊放大板。而新增加的體變傳感器輸出信號為1 5V，僅在軟件中對 信號進(jìn)行濾波即可。在試驗開始后，向試樣增加側(cè)向和軸向的圍壓，從而使得試樣中的水進(jìn) 入到體變管13中，體變傳感器16根據(jù)體變管13中增加的水量(即試樣的排水量)計算試 樣的體應(yīng)變。在試驗過程中，軸向變形傳感器具19和體變傳感器16實時記錄試樣的軸向 變形和體變，測量得到的信號經(jīng)過放大濾波后分為兩路，一路通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成計算 機(jī)可以識別的數(shù)字信號，輸入計算機(jī)。本發(fā)明在原有試驗機(jī)控制程序中增加計算語句，使其 能夠根據(jù)試樣固結(jié)后的高度和體積以及式(1) (3)計算得到試樣在加載過程中的應(yīng)變增 量比Re，用于計算機(jī)數(shù)據(jù)處理和控制。另一路則作為閉環(huán)控制的輸出信號進(jìn)入側(cè)向控制器 中。原有的控制程序能夠進(jìn)行側(cè)位移和圍壓控制，其原理是側(cè)向控制器將來自放大器 和D/A轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的給定波形進(jìn)行比較，并進(jìn)行PI控制后去驅(qū)動電液伺服閥工作。但 其不能實現(xiàn)等應(yīng)變增量比的控制。本發(fā)明根據(jù)前面提到的思路對控制程序進(jìn)行改進(jìn)，增加 了等應(yīng)變增量比的控制程序。在控制軟件中給定希望控制得到的應(yīng)變增量比Rep，將Rep與 控制程序計算得到的試樣當(dāng)前的應(yīng)變增量比Re進(jìn)行比較，其差值即為誤差信號。這一數(shù) 字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后成為模擬信號進(jìn)入側(cè)向控制器，然后經(jīng)過功率放大器放大后用 來驅(qū)動電液伺服閥，完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制。如果Re > Rep，則驅(qū)動電液伺服閥減小圍壓，圍 壓的減小會導(dǎo)致Re的減小，從而保持Re為想要控制得到的應(yīng)變增量比Rep ；反之，如果Re < Rep，則驅(qū)動電液伺服閥增大圍壓，保持Re為Rep。改進(jìn)后的設(shè)備能夠在試驗中通過實時 監(jiān)測和控制，保持試樣沿著應(yīng)變增量比為常數(shù)的路徑加載，實現(xiàn)等應(yīng)變增量比的加載控制。 改造后的軟件能夠在繪圖區(qū)域繪制軸向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變ε ρ應(yīng)變增量比Δ er/Δ 、體 應(yīng)變εν、軸向應(yīng)力σ。'、側(cè)向應(yīng)力、應(yīng)力比/σ0'隨時間t變化的關(guān)系曲線。本發(fā)明的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)能夠在試驗中實時檢測和控制試樣的應(yīng)變增量 比，保持試樣沿著應(yīng)變增量比為常數(shù)的路徑加載，該系統(tǒng)控制原理清楚，結(jié)構(gòu)簡單。另外，本 發(fā)明采用液壓伺服系統(tǒng)控制，壓力較氣壓更為穩(wěn)定，圍壓最大可加至3MPa，具有較大的加載 能力。其次，本發(fā)明應(yīng)變增量比控制范圍較大，排水量較大的試驗以及吸水的試驗均可進(jìn)行，應(yīng)變增量比的控制范圍可以從試樣破壞時的應(yīng)變增量比一直到1。
盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以 理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進(jìn)行多種變化、修改、替換 和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
一種等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)，其特征在于，包括水容器，所述水容器中放置有盛放實驗用的試樣的試樣容器；軸向應(yīng)變增量測量系統(tǒng)，所述軸向應(yīng)變增量測量系統(tǒng)連接至所述試樣容器并測量所述試樣容器的軸向應(yīng)變增量；體應(yīng)變增量測量系統(tǒng)，所述體應(yīng)變增量測量系統(tǒng)連接至所述水容器并測量所述水容器中的體應(yīng)變增量；圍壓控制系統(tǒng)，所述圍壓控制系統(tǒng)連接至所述水容器的一側(cè)并控制所述水容器的圍壓；測控裝置，所述測控裝置連接至所述圍壓控制系統(tǒng)以控制所述水容器內(nèi)的圍壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述反壓力控制系統(tǒng) 位于所述試樣容器之上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述體應(yīng)變增量測量 系統(tǒng)包括體變管，所述體變管與所述試樣容器底部排水通道相連；以及 體變傳感器，所述體變傳感器用于傳感所述體應(yīng)變增量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述圍壓控制系統(tǒng)包括位于所述試樣容器一側(cè)的側(cè)向伺服閥； 側(cè)向位移傳感器；和側(cè)向液壓缸，所述側(cè)向液壓缸在側(cè)向伺服閥的控制下控制水容器內(nèi)的圍壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述軸向應(yīng)變增量測 量系統(tǒng)包括位于所述試樣容器之下的軸向伺服閥；軸向液壓缸，所述軸向液壓缸在軸向伺服閥的控制下控制所述試樣容器內(nèi)的試樣的軸 向載荷；和軸向變形傳感器具，所述軸向變形傳感器具傳感所述試樣容器內(nèi)的試樣的軸向應(yīng)變增量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括 反壓力控制系統(tǒng)，所述反壓力控制系統(tǒng)調(diào)整所述試樣容器內(nèi)的反壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括顯示系統(tǒng)，所述顯示系統(tǒng)與所述體變傳感器和所述軸向變形傳感器具連接，并顯示具 有預(yù)定應(yīng)變增量比的加載路徑。
8.如權(quán)利要求4所述的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述測控裝置在所述試 樣的當(dāng)前應(yīng)變增量比大于預(yù)設(shè)值時控制所述側(cè)向伺服閥和所述軸向伺服閥以減小圍壓，在 所述試樣的當(dāng)前應(yīng)變增量比小于預(yù)設(shè)值時控制所述側(cè)向伺服閥和所述軸向伺服閥以增大 圍壓。
9.如權(quán)利要求7所述的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)，其特征在于，在所述顯示系統(tǒng)和所述 測控裝置之間連接有D/A轉(zhuǎn)換器，所述顯示系統(tǒng)和所述體變傳感器以及所述軸向變形傳感 器具之間設(shè)置有A/D轉(zhuǎn)換器。
10.如權(quán)利要求7所述的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述體應(yīng)變增量測量系 統(tǒng)進(jìn)一步包括連接在所述試樣容器和體變管之間的孔壓傳感器；以及 排水閥，所述排水閥控制所述體變管內(nèi)的水的排放。
全文摘要
本發(fā)明提出一種等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)，包括水容器，所述水容器中放置有盛放實驗用的試樣的試樣容器；軸向應(yīng)變增量測量系統(tǒng)，所述軸向應(yīng)變增量測量系統(tǒng)連接至所述試樣容器并測量所述試樣容器的軸向應(yīng)變增量；體應(yīng)變增量測量系統(tǒng)，所述體應(yīng)變增量測量系統(tǒng)連接至所述水容器并測量所述水容器中的體應(yīng)變增量；圍壓控制系統(tǒng)，所述圍壓控制系統(tǒng)連接至所述水容器的一側(cè)并控制所述水容器的圍壓；測控裝置，所述測控裝置連接至所述圍壓控制系統(tǒng)以控制所述水容器內(nèi)的圍壓。本發(fā)明的等應(yīng)變增量比試驗系統(tǒng)能夠在試驗中實時檢測和控制試樣的應(yīng)變增量比，保持試樣沿著應(yīng)變增量比為常數(shù)的路徑加載，該系統(tǒng)控制原理清楚，結(jié)構(gòu)簡單。
文檔編號G05D16/20GK101963556SQ20101026206
公開日2011年2月2日 申請日期2010年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月24日
發(fā)明者于藝林, 宋飛, 張嘎, 張建民, 鄭瑞華 申請人:清華大學(xué)