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1、YS–30型應(yīng)力路徑大型三軸儀及其在粗粒土試驗(yàn)研究中的應(yīng)用111秦紅玉高玉峰劉漢龍[摘要]本文詳細(xì)介紹了一種新型的YS–30型應(yīng)力路徑大型三軸儀構(gòu)造,包括加壓與控制系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)及其在特性試驗(yàn)研究中的應(yīng)用。該試驗(yàn)儀器可進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)與應(yīng)力路徑試驗(yàn)。[關(guān)鍵詞]應(yīng)力路徑大型三軸儀粗粒土自1970年以來(lái),隨著高壩的建設(shè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,工程界不僅僅滿足于單純地研究堆石料的強(qiáng)度特性,進(jìn)而研究其應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系,同時(shí)為了評(píng)估水庫(kù)首次蓄水時(shí)壩體可能產(chǎn)生的沉降值,以及壩體投入運(yùn)行以后的工程特性,還研究了
2、堆石浸水飽和產(chǎn)生附加變形的濕化性質(zhì)和堆石在荷載長(zhǎng)期作用下變形隨時(shí)間的發(fā)展,即流變特性。這些研究又促進(jìn)了試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,大型三軸試驗(yàn)技術(shù)得到了肯定和普及,成為當(dāng)前研究堆石料力學(xué)性能的主要儀[1]器和方法。到目前為止,國(guó)內(nèi)外已研制和生產(chǎn)了各種型號(hào)的大型三軸儀,如應(yīng)力控制式、應(yīng)變控制式和混合控制式,但大多只能進(jìn)行常規(guī)的三軸試驗(yàn)。河海大學(xué)巖土工程研究所和四川大學(xué)巖土儀器研究所聯(lián)合研制了YS–30型應(yīng)力路徑大型三軸試驗(yàn)儀除具有一般三軸壓縮功能外,還可進(jìn)行應(yīng)力路徑試驗(yàn)。1.YS–30型應(yīng)力路徑大型三軸儀的主要構(gòu)造YS–30
3、型應(yīng)力路徑大型三軸儀的主要構(gòu)造可分為三大系統(tǒng):①加壓與控制系統(tǒng),包括軸向壓力、周?chē)鷫毫头磯毫Φ氖┘优c控制;②量測(cè)系統(tǒng),包括軸壓、圍壓、孔壓、反壓體變的量測(cè)以及軸向位移和體積變形的量測(cè)裝置等;③數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。各部分原理圖見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。1.1壓力施加與控制系統(tǒng)1.1.1主機(jī)及壓力室主機(jī)外型尺寸1600×900×300mm,試樣尺寸φ300×600㎜。壓力室采用圓筒型移動(dòng)式。壓力室見(jiàn)圖1。1.1.2周?chē)鷫毫Φ氖┘优c控制周?chē)鷫毫Σ捎秒娨核欧y與壓力傳感器、計(jì)算機(jī)及控制軟件組成的閉環(huán)伺服系統(tǒng),穩(wěn)定周?chē)鷫毫Α8鶕?jù)事
4、先設(shè)計(jì)出的圍壓變化路徑,由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制圍壓的變化。圍壓傳感器監(jiān)測(cè)到的適時(shí)圍壓變化,經(jīng)A/D采集器進(jìn)入計(jì)算機(jī)判定后發(fā)出新的指令,控制電液伺服閥開(kāi)關(guān)量大小,以調(diào)整電液伺服閥進(jìn)油量的大小,使圍壓升高或降低,反復(fù)循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定的目的。該系統(tǒng)控制壓力可高達(dá)3.0MPa,反應(yīng)靈敏、精度高、穩(wěn)定效果好。系統(tǒng)另備有手動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu),當(dāng)電液伺服閥出現(xiàn)故障時(shí),可利用升壓、降壓閥門(mén)調(diào)整氣體壓力,控制專用氣、液平衡閥組成的手動(dòng)調(diào)控穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。改變平衡閥進(jìn)口氣壓即可改變穩(wěn)定壓力。1河海大學(xué)巖土工程研究所。2178712097002006515
5、01384???140010850600113003,2124511—底盤(pán);2—球面螺釘;3—平墊層;4—筒體組合;5—試樣帽;6—封頭組合7—柱塞套組合;8—并帽;9—柱塞;10—接頭體;11—荷載傳感器;12—壓力變送器圖1壓力室構(gòu)造圖(圖中單位:mm)1.1.3軸向壓力的施加與控制軸向加載系統(tǒng)由液壓伺服油源、軸向應(yīng)力及應(yīng)變加載部分組成。應(yīng)力加載采用電液伺服閥、液控單向閥、1200kN伺服油缸、下置式平板防水軸向荷重傳感器、計(jì)算機(jī)及電液伺服控制軟件組成閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。由下置式防水軸向荷重傳感器反饋的電信號(hào)
6、經(jīng)與計(jì)算機(jī)內(nèi)事先設(shè)定的參數(shù)比較后計(jì)算出調(diào)整參數(shù),輸出調(diào)整后的控制信號(hào)控制電液伺服閥流量,改變軸向應(yīng)力大小,以達(dá)控制軸向應(yīng)力變化的目的。軸向應(yīng)變速度控制采用與前者利用同一油源和電液伺服閥、采用高精度光柵位移傳感器,計(jì)算機(jī)電液伺服控制軟件,組成閉環(huán)位移控制系統(tǒng)控制位移量。由高精度光柵位移傳感器反饋回的軸向油缸移動(dòng)速度,經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較判斷,計(jì)算出當(dāng)前油缸移動(dòng)速度,與事先設(shè)定的移動(dòng)速度比較,求得差值后輸出新的控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)電液伺服控制器,控制電液伺服閥,改變軸向油缸移動(dòng)速度,達(dá)到控制軸向速度的目的。1.1.4反壓力穩(wěn)
7、定系統(tǒng)反壓力穩(wěn)定方式采用氣、水平衡穩(wěn)定方式,其工作原理與周?chē)鷫毫Φ氖謩?dòng)調(diào)控穩(wěn)壓方式相同。采用專用氣體減壓器,氣、液平衡閥配合皮囊式蓄能器穩(wěn)定。1.2量測(cè)系統(tǒng)1.2.1軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變與周?chē)鷫毫Φ牧繙y(cè)軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變分別采用壓力傳感器和位移傳感器直接量測(cè)。周?chē)鷫毫Φ臏y(cè)定采用液壓系統(tǒng)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)壓力表直接測(cè)讀。1.2.2孔隙水壓力的量測(cè)孔隙水壓力的測(cè)定,利用安裝于壓力室底盤(pán)上的膜片式高精度孔壓傳感器完成。本設(shè)備孔隙壓力傳感器安裝在壓力室底盤(pán)中心處其管路最短,膜片式結(jié)構(gòu),充水、排水方便,無(wú)一般液體傳感器的小孔供壓引起
8、的排氣不良造成的誤差。2181.2.3有反壓體變量測(cè)系統(tǒng)有反壓體變量測(cè)系統(tǒng),采用氣水平衡閥穩(wěn)定平衡反壓力,高精度液位計(jì)、體變計(jì)量缸、高精度光柵位移傳感器、截止閥門(mén)、步進(jìn)電機(jī)及其控制器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成體變量測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)壓力室內(nèi)試樣受周?chē)鷫毫洼S向壓力的擠壓產(chǎn)生變形時(shí),試樣內(nèi)部開(kāi)始排水,排出的水經(jīng)隔離器流向高精度液位計(jì),高精度液位計(jì)發(fā)生微量位移,產(chǎn)生不平衡電信號(hào),此信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大并由I