堆石料劣化大型三轴剪切试验仪

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堆石料劣化大型三轴剪切试验仪\n技术领域\n[0001] 本发明属于试验装置技术领域，涉及一种高土石坝筑坝堆石料的劣化性能测试设备，具体是一种堆石料劣化大型三轴剪切试验仪。本发明主要用于测量堆石料在经历物理风化（干湿和冷热作用）和化学风化（酸化）过程中的力学性能，同时还具备进行高土石坝堆石料复杂应力路径及流变、湿化试验研究功能。\n背景技术\n[0002] 目前，堆石料是构筑高土石坝的主要材料，为节省工程投资，保护生态环境，坝址附近一些易风化岩性的开挖堆石料已被广泛应用于堆石坝的填筑。一般而言堆石料的风化进程是极为缓慢的，但在某些情况下在很短甚至几个月的时间内就会发生明显的风化，堆石料力学性质的劣化会使其强度参数降低并引起坝体产生附加后期变形，从而导致大坝安全稳定性的降低。因此，研制能准确测试堆石料在劣化作用下强度变形指标的试验设备显得十分必要。\n[0003] 目前国内外已研制出少数几台用于测试堆石料劣化特性的试验设备，但存在以下主要问题：\n[0004] （1）试样直径太小，缩尺效应过大。国际上现有的试验设备为意大利米兰技术大学的小型压缩仪（直径为55.7mm，高度为22mm）和英国谢菲尔德大学的小型直剪仪，国内现有的试验设备为清华大学的中型压缩仪（直径和高度均为15cm）。随着施工水平及碾压工艺的提高，堆石料的最大粒径已经达到120cm，而上述试验设备允许试验的最大粒径仅为3cm，缩尺效应过大；\n[0005] （2）只能开展K0固结试验，不能开展复杂应力路径的试验研究，不能用于测定目前常用堆石料本构模型的计算参数；\n[0006] （3）仅能进行物理风化试验，不能开展化学风化试验。随着全球环境污染致使酸雨引起的风化加剧，环境变化对工程的影响将也日趋显著，因此，研究堆石料经受化学风化作用后的强度和变形特性很有必要，而现有仪器没有这一功能；\n[0007] （4）现有的大型三轴试验设备仅能测试饱和样的体积变形，不能测量干样的体积变形。\n发明内容\n[0008] 本发明的目的在于提供一种堆石料劣化大型三轴剪切试验仪，以克服上述缺陷。\n[0009] 本发明的技术方案是：\n[0010] 一种堆石料劣化大型三轴剪切试验仪，包括试验主机、围压与孔压伺服加载系统、温控系统、闭环测控系统以及计算机控制与数据采集系统15；所述围压与孔压伺服加载系统将加载介质增压到指定压力后通过围压增压孔、渗水孔与试验主机的压力室相连，给试样施加围压；所述温控系统将加载介质加温或制冷到一定温度；闭环测控系统包括多通道闭环测控仪以及通过电缆线连接在多通道闭环测控仪上的压力、和变形传感器；所述计算机控制与数据采集系统15与闭环测控系统相联，闭环测控系统分别与试验主机的伺服移动加载横梁与围压与孔压伺服加载系统相联，温控系统与计算机控制与数据采集系统15相联。\n[0011] 所述试验主机包括自上而下依次连接的固定横梁1、伺服移动加载横梁2、四丝杠组6、负荷传感器4、压头5、压力室和主机底座8，试样置于压力室内；固定横梁1、四丝杠组\n6和主机底座8组成固定框架、伺服移动加载横梁2沿四丝杠组6可上下移动并对压力室内试样进行轴向加载；主机伺服电机3通过蜗轮11和齿轮传动机构12驱动四丝杠组6转动。小车9和导轨10带动压力室进出。\n[0012] 所述压力室包括小压力室7、中压力室13和大压力室14。按照不同要求选择使用。\n[0013] 所述压力室包括自上而下设置的LVDT位移传感器16、力传感器17和径向变形传感器18，径向变形传感器18设置在试样19上。\n[0014] 所述围压与孔压伺服加载系统20由加压伺服电机21、减速机22、滚珠丝杠加载装置23、基座24、水腔25、加载介质、电气控制部分组成，加压伺服电机21通过减速机22连接滚珠丝杠加载装置23，滚珠丝杠加载装置23的一端为水腔25，滚珠丝杠加载装置23设置在基座24上，伺服电机通过减速机驱动滚珠丝杠加载装置对水腔内的加载介质增加压力，并由电气控制部分控制运行。\n[0015] 所述温控系统包括加热机构和制冷机构，将加载介质加温或制冷到一定温度，温度控制方式为PID调节。\n[0016] 所述闭环测控系统包括多通道闭环测控仪以及压力、和变形传感器，通过电缆线与多通道闭环测控仪相联。\n[0017] 计算机控制和处理系统将参数和控制信号传输给闭环测控系统，闭环测控系统根据上述参数和控制信号控制轴向与围压伺服加载系统，轴向与围压伺服加载系统根据所给压力、位移控制信号对试件加载，温控系统根据计算机控制和处理系统的参数要求，将围压与孔压伺服加载系统中加载介质加温或制冷到一定温度，试件受压力后产生的变形值，通过传感器采集相关参数反馈至所述闭环测控系统中的闭环控制仪，闭环控制仪将采集到的参数经放大处理后传输给计算机控制处理系统，并通过显示器显示和打印机打印出最终结果。\n[0018] 本发明的有益效果是：\n[0019] 本发明的堆石料劣化大型三轴剪切试验仪具有以下特点：\n[0020] （1）试样直径分为10cm、20cm和30cm三种，能在同一台设备上开展最大粒径为\n2cm、4cm、6cm力学特性试验，有效解决了不同设备间系统误差将对测试结果的影响，可用于研究缩尺效应对堆石料力学特性的影响；\n[0021] （2）本发明的堆石料劣化大型三轴剪切试验仪采用多通道闭环控制器对伺服电机，减速机滚珠丝杠实现了轴向加荷和侧向加荷的双向独立高精度控制，可开展复杂应力路径下堆石料的力学特性试验；\n[0022] （3）本发明的堆石料劣化大型三轴剪切试验仪采用具有温度控制泵的冷热控制装置和酸碱循环装置以及防腐管路，可同时进行物理风化和化学风化试验；\n[0023] （4）本发明的堆石料劣化大型三轴剪切试验仪采用差动位移传感器和和直径变形测量传感器，实现了堆石料试件干湿变化过程中体积变形动态变化过程的精确测量；\n[0024] （5）本发明的堆石料劣化大型三轴剪切试验仪采用伺服电机减速机滚珠丝杠对轴向加载与围压孔压调压方式，可进行轴向荷载为1500kN、围压为4MPa、持续时间不少于30天的流变变形试验。\n附图说明\n[0025] 图1为本发明的总装结构示意图。\n[0026] 图2为本发明的试验主机的结构示意图。\n[0027] 图3为本发明的试验主机的俯视示意图。\n[0028] 图4为本发明的围压与孔压伺服加载系统图。\n[0029] 图5为本发明的三轴压力室图。\n[0030] 图中：1为固定横梁、2为伺服移动加载横梁、3为主机伺服电机、4为负荷传感器、\n5为压头、6为四丝杠组、7为小压力室、8为主机底座、9为小车、10为导轨、11为蜗轮、12为齿轮传动机构、13为中压力室、14为大压力室、15为计算机控制与数据采集系统、16为LVDT位移传感器、17为力传感器、18为径向变形传感器、19为压力室底座、20为围压与孔压伺服加载系统、21为加压伺服电机、22为减速机、23为滚珠丝杠加载装置、24为基座、25为水腔。\n具体实施方式\n[0031] 下面结合具体图示，进一步阐述本项发明的实现技术手段、创新点与主要功能。\n[0032] 如图1～3所示，一种堆石料劣化大型三轴剪切试验仪，包括试验主机、围压与孔压伺服加载系统、温控系统、闭环测控系统以及计算机控制与数据采集系统15；所述围压与孔压伺服加载系统将加载介质增压到指定压力后通过围压增压孔、渗水孔与试验主机的压力室相连，给试样施加围压；所述温控系统将加载介质加温或制冷到一定温度；闭环测控系统包括多通道闭环测控仪以及通过电缆线连接在多通道闭环测控仪上的压力和变形传感器；所述计算机控制与数据采集系统15与闭环测控系统相联，闭环测控系统分别与试验主机的伺服移动加载横梁与围压与孔压伺服加载系统相联，温控系统与计算机控制与数据采集系统15相联。\n[0033] 试验主机包括自上而下依次连接的固定横梁1、伺服移动加载横梁2、四丝杠组6、负荷传感器4、压头5、压力室和主机底座8，试样置于压力室内；固定横梁1、四丝杠组6和主机底座8组成固定框架、伺服移动加载横梁2沿四丝杠组6可上下移动并对压力室内试样进行轴向加载；主机伺服电机3通过蜗轮11和齿轮传动机构12驱动四丝杠组6转动。\n小车9和导轨10带动压力室进出。\n[0034] 压力室包括小压力室7、中压力室13和大压力室14。按照不同要求选择使用。\n[0035] 压力室包括自上而下设置的LVDT位移传感器16、力传感器17和径向变形传感器\n18，径向变形传感器18设置在试样上。\n[0036] 围压与孔压伺服加载系统20由加压伺服电机21、减速机22、滚珠丝杠加载装置\n23、基座24、水腔25、加载介质、电气控制部分组成，加压伺服电机21通过减速机22连接滚珠丝杠加载装置23，滚珠丝杠加载装置23的一端为水腔25，滚珠丝杠加载装置23设置在基座24上，伺服电机通过减速机驱动滚珠丝杠加载装置对水腔内的加载介质增加压力，并由电气控制部分控制运行。\n[0037] 温控系统包括加热机构和制冷机构，将加载介质加温或制冷到一定温度，温度控制方式为PID调节。\n[0038] 闭环测控系统包括多通道闭环测控仪以及压力和变形传感器，通过电缆线与多通道闭环测控仪相联。\n[0039] 闭环测控系统包括多通道闭环测控仪以及通过电缆线联接在多通道闭环测控仪上的压力和变形传感器；计算机控制处理系统与闭环测控系统相联，闭环测控系统同围压伺服加载系统相联，温控系统同围压伺服加载系统相联。\n[0040] 计算机控制处理系统将参数和控制信号传输给闭环测控系统，闭环测控系统根据上述参数和控制信号控制轴向与围压与孔压伺服加载系统，轴向与围压伺服加载系统根据所给压力、位移控制信号对试件加载，温控系统根据计算机控制和处理系统的参数要求，将围压伺服加载系统中加载介质加温或制冷到一定温度，试件受到轴向与围压并产生变形值，通过压力、位移传感器采集相关参数反馈至所述闭环测控系统中的闭环测控仪，闭环测控仪将采集到的参数经放大处理后传输给计算机控制和处理系统，并通过显示器显示和打印机打印出最终结果。操作时，将试件装在压力室中，并将轴向伺服伺服移动加载横梁加载系统、围压伺服加载系统、闭环测控系统、计算机控制和处理系统、温控系统接好电源，检查接线无误后，通电试车，试车成功，即可进入试验。\n[0041] 通过计算机控制处理系统将闭环测控系统中的各种传感器清零，开始进行试验，选择加卸载方式，即可进入试验状态。试验结束后，计算机控制处理系统发出指令，让围压伺服加载系统停止工作。\n[0042] 本发明的堆石料劣化大型三轴剪切试验仪的主要创新与功能为：\n[0043] 1、主机上的加载横梁可以从0-1.7m调整高度，根据试验要求可灵活更换试样尺寸，实现了在同一台设备上研究堆石料缩尺效应的设想，有效解决了缩尺效应研究中不同试验机的系统误差对试验结果的影响。\n[0044] 2、闭环高精度控制器可分别控制3套伺服电机减速机滚珠丝杠加载，实现了轴向加荷和侧向加荷的双向独立高精度控制，可开展复杂应力路径下堆石料的力学特性试验。\n[0045] 3、采用具有温度控制泵的冷热控制装置和酸碱循环装置以及防腐管路，可同时进行物理风化和化学风化试验。\n[0046] 4、采用差动位移传感器和和直径变形测量传感器，实现了堆石料试样干湿变化过程中体积变形动态变化过程的精确测量。\n[0047] 5、加载横梁上的伺服电机蜗轮齿轮减速机加载装置，具有负荷时不可逆转的自锁特性，且在闭环控制器作用下，能依照试样变形情况调整负荷大小，实行力、位移闭环控制，该加载系统能提供长期稳定的压力而不会产生压力波动情况。\n[0048] 上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。