[发明专利]一种饱和土应力路径全自动三轴试验系统

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种测试饱和土变形、强度特性的试验仪器，尤其涉及一种能精确模拟土体应力路径，能自动处理试验数据，实时生成试验图表的三轴试验系统。 

背景技术

三轴仪是用于测试土体变形、强度特性的土工试验仪器，考虑土体真实应力路径的三轴试验能够建立反映原位土体真实力学行为的本构关系，对于科学研究以及土木工程设计具有重大意义。 

现有技术的三轴仪自动化程度很低，有的完全依靠手动操作，模拟应力路径的功能差，甚至不具备这样的功能。例如应变控制式三轴仪，由于试验土样的竖向最大主应力完全依赖于围压和土样竖向应变速率，所以无法模拟土样的应力路径。常规的应力控制式三轴仪使用砝码施加轴向力，受限于加载方式和自动化低，只能模拟简单的应力路劲。 

经过专利文献检索，现有技术在应力路径和试验自动化方面对常规三轴仪做了一些有益的探索和改进，例如：（1）一种应力路径自动控制三轴仪（中国专利申请号为：201110253505.5），将常规应变控制式三轴仪的轴向加压系统换成由微机控制的气压加压系统，从而实现了应力控制式三轴仪的功能，但是受到气压加载能力和控制灵活性的限制，难以模拟复杂的应力路径。（2）一种基于拉压扭剪耦合的应力路径三轴仪（中国专利申请号为：201310064907.X），轴向荷载通过电动机以及轴向传动丝杠来施加，对于土样竖向变形速率较大的情况轴向荷载的可控性较差，因此能够模拟的应力路径十分有限。（3）一种应力路径全自动液压伺服控制式刚柔性多功能三轴仪（中国专利申请号：201210315390.2），虽然实现了伺服液压控制应力路径，但是由于轴向荷载采用的是反力架竖向加载，并且将荷重传感器置于压力室外部，会导致施加于土样的轴向力无法消除传力杆摩擦力的影响，试验精确度不高。 

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术的以下不足： 

(1)现有三轴仪不能精确控制土体的复杂应力路径(6种应力路径);

(2)仅仅实现元器件操作的自动化，试验过程控制仍旧依靠手动操作（闭环伺服控制），无法自动处理试验数据、实现试验数据可视化。

本发明提供一种自动化程度高，可精确控制土体的复杂应力路径(6种应力路径)的饱和土应力路径全自动三轴试验系统。 

技术方案：为了实现以上目的，本发明采取的技术方案为： 

一种饱和土应力路径全自动三轴试验系统，它包括：压力室，计算机、轴力体积控制器、围压体积控制器、反压体积控制器、数据采集盒和与计算机相连的压力体积控制系统；

所述的计算机、轴力体积控制器、围压体积控制器、反压体积控制器和数据采集盒通过通讯串口串联；

    所述的压力室包括基座、安装在基座上有机玻璃筒、连接螺杆，安装在有机玻璃筒上的顶板，所述顶板连接有连接杆，连接杆与机玻璃筒内的水下荷重传感器相连，水下荷重传感器下端依次与试样帽和拉伸帽相连；

所述的轴向体积控制器的出水口和压力室基座的基座进水口相连；

所述的围压体积控制器的出水口和压力室的注水口相连；

所述的反压体积控制器的出水口和压力室的反压进水口相连；

所述的压力室底板侧面的排水口连接有孔隙水压力传感器，压力室的基座的悬臂梁上安装有轴向位移传感器；

所述的孔隙水压力传感器、水下荷重传感器和轴向位移传感器的数据线接口分别与数据采集盒的采集端口相连。

作为优选方案，以上所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，所述的轴力体积控制器、围压体积控制器和反压体积控制器均包括控制面板和依次相连的启动步进电机、减速器、带动联轴器、丝杠与活塞，所述的活塞安装在水缸中。所述轴力体积控制器、围压体积控制器、反压体积控制器，通过电机和减速机驱动滚珠丝杠，从而推动水缸活塞输出压力。滚珠丝杠转动的角度和圈数能够精确计算水缸中水体积的变化，精度为0.001ml。 

作为优选方案，以上所述的饱和土应力路径全自动三轴试验系统，所述的基座包括包括上螺杆、下螺杆、连接上螺杆和下螺杆的螺杆连接套，下螺杆外设有下螺杆隔套，下螺杆贯穿悬臂梁，悬臂梁由螺杆连接套和下螺杆隔套夹紧，所述的下螺杆的下端安装有下活塞，下膜片安装在下活塞和密封螺母之间，且下膜片的边耳固定在压力室基座的内壁上，所述的下膜片与压力室基座底部形成一个与基座进水口连通的小空腔，所述的上螺杆的上端安装上活塞，上膜片安装在上活塞和试样座活塞之间，上膜片的边耳固定在压力室基座的内壁上，试验座活塞的顶面安装有试样座和试样座底板，试验座活塞外周安装有下封板。