一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，涉及土工试验仪器。该试验系统由轴向和扭转驱动装置、压力室、内外围压、气压和反压控制器、数据采集器和计算机组成，可实现进行控制吸力的非饱和土空心扭剪试验。轴向和扭转驱动装置可提供轴向应力和扭矩；压力室底座镶有高进气值陶土板，陶土板与空心圆柱试样底部相连；压力室底部有内外围压、气压和反压控制器输入接口以及孔隙水（气）压传感器测量接口；压力室内可设置局部位移传感器，测试试件内、外壁径向位移和轴向位移；试样顶部通过透水石与试样帽接触；试样帽设有孔隙气压入口和出口，用于孔隙气压的施加和量测；试样帽上部为轴力/扭矩传感器，可测定非饱和试样的轴向应力和剪切应力，实现主应力轴旋转条件下非饱和土力学参数的测定。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统
本专利技术属于岩土工程测试设备
，特别涉及一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统。
技术介绍
工程实践中遇到的诸如路基和大坝的不均匀沉降和湿化变形、平山造地形成的巨厚填方的不均匀沉降、大厚度黄土的湿陷、膨胀土的湿胀干缩、深基坑和高边坡的失稳、城市垃圾填埋场的覆盖层设计、高放废物深地质处置库的缓冲材料在热–水–力–化学耦合条件下的长期性能等都涉及非饱和土力学问题。岩土工程领域所涉及的大部分工程实践如路基填筑、基坑开挖、边坡滑移甚至煤矿巷道开挖等问题中土体所受的大主应力方向与竖直方向夹角将发生改变，特别是对高速铁路、公路地基而言，高速交通循环荷载作用将导致地基土的大主应力σ1与竖直方向的夹角α时刻改变，导致地基土单元受力发生主应力轴连续循环，将使土体产生孔压积累、加剧土体累积塑性应变，引发土体次生各向异性和强度的变化。在实际工程中，若忽略这种变化将低估非饱和土的变形而使工程设计偏于不安全。目前测试非饱和土力学特性的主要仪器包括：非饱和土固结仪、直剪仪、渗气仪、标准三轴仪、温控三轴仪、多功能三轴仪和土工CT-三轴仪等，通过试验研究，揭示了非饱和土与特殊土的水气运动规律及变形、强度、屈服、水量变化、湿陷、湿胀、细观结构演化、温度效应等许多重要力学特性规律；构建了岩土力学的公理化理论体系与多种组合形式的非饱和土的应力状态变量；提出了各向异性多孔介质的有效应力理论公式与非饱和土的有效应力理论公式；建立了非饱和土、湿陷性黄土和膨胀土的本构模型谱系与分别考虑密度、净平均应力和偏应力影响的广义土–水特征曲线模型谱系；创立了非饱和土三维固结理论及其固结模型谱系；自主研发了分析固结问题的系列软件，求得一维固结问题的解析解和二维固结问题的数值解，形成了完整的理论体系。但工程实践遇到的非饱和土问题大多数主应力轴方向是发生旋转的，已有的研究结果表明主应力轴旋转条件下土体的力学性质将发生显著改变，而目前的非饱和土直剪仪、固结仪和三轴仪等实验设备尚无法考虑主应力轴旋转的影响，主应力轴旋转导致的非饱和土强度和变形特性研究尚无法开展。为解决现有技术的缺陷，本专利技术提出一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，可满足控制和量测吸力条件的主应力轴定向剪切和循环旋转应力路径下非饱和土力学特性试验的要求，为研究主应力轴偏转条件下非饱和土的强度特性、变形特性、各向异性和非共轴特性提供试验数据和科学依据，可促进实验非饱和土力学的发展。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，可以开展主应力轴旋转条件下非饱和土的空心扭剪试验。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，包括：轴向和扭转驱动装置、空心圆柱压力室、内外部围压、气压和反压控制器；数据采集系统和计算机控制系统。所述的轴向、扭转驱动装置是由轴向（扭转）马达和驱动器组成，包括通过齿形传动带驱动滚珠丝杠和花键轴的两个无刷直流伺服马达。所述空心圆柱压力室底座固定在驱动装置的顶部，空心圆柱压力室底座包括内、外围压、气压和反压连接管路并与内、外围压、气压和反压传感器相连。空心圆柱压力室顶座装有可互换式荷载扭矩传感器，压力室顶盖通过一个连接在电动马达上的升降架实现升降操作，使试样处于合适的位置。所述内、外围压、气压和反压控制器由伺服步进马达控制，通过改变控制器体积实现内、外围压、气压和反压的控制。所述空气压力控制器适用于极低刚度的空气的控制器，规格参数为2MPa/1000cc空气压力/体积控制器；所述内围压控制器（2）、外围压控制器（1）和反压控制器（3）适用于液体的控制器，规格参数为2MPa/200cc水压/体积控制器。控制器内充满的是除气水，用来控制孔隙水压力(反压)以及测量孔隙水体积变化△V。将孔隙中空气和水的体积的变化相加可以估算到试样总体积的变化。所述空心圆柱压力室底座镶嵌有环形高进气值陶土板（HAEPD）（11），以便空心圆柱土样中的水可以通过而施加的气体不能通过。从而达到既可控制基质吸力而又可排水的目的，所述环形高进气值陶土板通气压力值5Bar。所述空心圆柱压力室底座包括内、外围压、气压和反压进气（水）管路，可通过内围压控制器（2）、外围压控制器（1）、气压控制器（4）和反压控制器（3）施加内、外围压、气压和反压；压力室底座与气压传感器（31）和孔压传感器（29）相连，可以测试试样的孔隙气压和孔隙水压；所述内、外围压和反压控制器规格参数为2MPa/200cc水压/体积控制器；所述气压控制器规格参数为2MPa/1000cc空气压力/体积控制器（4）。所述空心圆柱压力室内腔中部向下1/4位置设置局部外壁位移传感器（13）和LVDT位移传感器，可测试试件外壁径向位移以及轴向位移变化；试样内壁装有霍尔效应传感器和LVDT位移传感器，可测试试样内壁径向位移以及轴向位移变化；根据试验内外壁径向位移和轴向位移变化可进行试验受力状态分析。空心圆柱试样底部与环形陶土板（11）相连，以便反压施加的水可以通过而气体不能通过；试样顶部与透水石（20）相连，透水石（20）上部与试样帽（34）相连，孔隙气压通过试样帽（34）上预留孔道相连，使通过气压控制器施加的空气与试样中的孔隙气体连接，以量测、控制土样中的孔隙气压力和整个试样系统中空气体积变化，从而控制试样的基质吸力。所述信号调节装置包括模拟信号调节和数字信号调节。模拟信号调节包括一个8通道的电脑板，可以为每个传感器提供激励电压、调零和设置增益值。该电脑板安装在一个独立的装置（DIT）内。数字信号调节固化于DIT内，包括一个8通道电脑板用于连接从HSDAC卡到马达控制器及其他设备的数字信号。所述数字控制系统以GDSDCS高速数字控制系统为基础，该系统有位移和荷载闭环反馈。GDSDCS配有16bit数据采集（A/D）和16bit控制输出（D/A）装置，以每通道10Hz的控制频率运行，每个循环可以有1000个数据控制和釆集点；1Hz时每个循环可以有10000个数据控制和釆集点。非饱和土的空心圆柱试验系统可通过其自身的PID控制器，控制比例增益Kp、积分增益KI和微分增益KD来来实现不同应力路径的试样主应力轴旋转试验和定向剪切试验。与现有的技术相比，本专利技术的有益效果是能够通过在现有空心圆柱试验系统基础上，增加陶土板和空气压力/体积控制器以及孔隙气压力传感器、内/外壁位移传感器等，可测试主应力轴定向剪切和旋转试验时非饱和土样的内/外壁径向、轴向和环向位移及应力。本专利技术装置结构设置合理，使用方便，满足了控制和量测吸力的主应力轴定向剪切和循环旋转条件下非饱和土力学特性试验的要求，为研究主应力轴偏转条件下非饱和土的强度特性、变形特性、各向异性和非共轴特性提供试验数据和科学依据，可促进实验非饱和土力学的发展。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1为GDS非饱和土空心圆柱试验系统整体结构图图2为压力室结构图图3为压力室系统联通管路图图4为孔隙气压排气阀与气压传感器布置图图5为孔隙水压排气阀与水压传感器布置图其中：1、外围压控制系统；2、内围压控制系统；3、反压控制系统；4、气压控制系统；5、数据控制/采集系统；6、计算机控制系统；7、轴力（轴向位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，包括：轴向和扭转驱动装置、空心圆柱压力室、内外部围压、气压和反压控制器；数据采集系统和计算机控制系统；所述的轴向、扭转驱动装置是由轴向（扭转）马达和驱动器组成，包括通过齿形传动带驱动滚珠丝杠和花键轴的两个无刷直流伺服马达；所述空心圆柱压力室底座固定在驱动装置的顶部，空心圆柱压力室底座包括内、外围压、气压和反压连接管路并与内、外围压、气压和反压传感器相连；空心圆柱压力室顶座装有可互换式荷载扭矩传感器，压力室顶盖通过一个连接在电动马达上的升降架实现升降操作，使试样处于合适的位置；所述内、外围压、气压和反压控制器由伺服步进马达控制，通过改变控制器体积实现内、外围压、气压和反压的控制；所述空气压力控制器适用于极低刚度的空气的控制器，规格参数为2MPa/1000cc空气压力/体积控制器；所述内外围压和反压控制器适用于液体的控制器，规格参数为2MPa/200cc水压/体积控制器，控制器内充满的是除气水，用来控制孔隙水压力(反压)以及测量孔隙水体积变化，将孔隙中空气和水的体积的变化相加可以估算到试样总体积的变化。

【技术特征摘要】
1.一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，包括：轴向和扭转驱动装置、空心圆柱压力室、内外部围压、气压和反压控制器；数据采集系统和计算机控制系统；所述的轴向、扭转驱动装置是由轴向（扭转）马达和驱动器组成，包括通过齿形传动带驱动滚珠丝杠和花键轴的两个无刷直流伺服马达；所述空心圆柱压力室底座固定在驱动装置的顶部，空心圆柱压力室底座包括内、外围压、气压和反压连接管路并与内、外围压、气压和反压传感器相连；空心圆柱压力室顶座装有可互换式荷载扭矩传感器，压力室顶盖通过一个连接在电动马达上的升降架实现升降操作，使试样处于合适的位置；所述内、外围压、气压和反压控制器由伺服步进马达控制，通过改变控制器体积实现内、外围压、气压和反压的控制；所述空气压力控制器适用于极低刚度的空气的控制器，规格参数为2MPa/1000cc空气压力/体积控制器；所述内外围压和反压控制器适用于液体的控制器，规格参数为2MPa/200cc水压/体积控制器，控制器内充满的是除气水，用来控制孔隙水压力(反压)以及测量孔隙水体积变化，将孔隙中空气和水的体积的变化相加可以估算到试样总体积的变化。2.根据权利要求1所述的一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，其特征在于：所述空心圆柱压力室底座镶嵌有环形高进气值陶土板（HAEPD），以便空心圆柱土样中的水可以通过而施加的气体不能通过，从而达到既可控制基质吸力而又可排水的目的，所述环形高进气值陶土板通气压力值5Bar。3.根据权利要求1所述的一种适用于非饱和土的空心圆柱试验系统，其特征在于：所述空心圆柱压力室底座包括内、外围压、气压和反压进气（水）管路，可通过内围压控制器（2）、外围压控制器（1）、气压控制器（4）和反压控制器（3）施加内、外围压、气压和反压；压力室底座与气压传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘家顺，王来贵，张向东，张建俊，扈小飞，赖鹏安，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21