動(dòng)三軸儀

動(dòng)三軸儀可選擇的頻率范圍包括0.01-10Hz；

可選擇的軸向荷載包括：0-60kN；

可選擇的額定試樣范圍：38mm、50mm、70mm、100mm，最大可做到150mm；

圍壓：0-3MPa；

以上指標(biāo)可根據(jù)試驗(yàn)需要定制。

動(dòng)三軸儀有以下分類：

電機(jī)控制動(dòng)三軸

電機(jī)控制的動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)是研究型動(dòng)三軸測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將三軸壓力室和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器合為一體，從壓力室底座施加軸向力和軸向變形。壓力室由裝有馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的基座螺旋傳動(dòng)。當(dāng)沒(méi)有選擇徑向動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器時(shí)，通過(guò)平衡錘消除動(dòng)態(tài)試驗(yàn)對(duì)恒定圍壓的影響。系統(tǒng)由動(dòng)三軸軟件來(lái)控制。任一循環(huán)的數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)記錄和顯示出來(lái)。

技術(shù)參數(shù)：

（1） 位移量程=100mm

（2） 位移精度=35μm/50mm(即：0.07%)

（3） 位移分辨率=0.208μm

（4） 軸向力精度=<荷重傳感器量程的0.1% (即：對(duì)于10kN的荷重傳感器來(lái)說(shuō)，其精度為1N)

（5） 軸向力分辨率=16 bit(即：對(duì)于10KN 荷重傳感器來(lái)說(shuō)<0.4N，對(duì)于40KN 荷重傳感器來(lái)說(shuō)<1.5N)

（6） 每個(gè)周期可以控制的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)=10,000@1Hz，2000@5Hz

（7）最大可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)=1000點(diǎn)/周期

雙向振動(dòng)三軸儀

（1）可進(jìn)行強(qiáng)震、動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)模量及阻尼比等土體動(dòng)態(tài)指標(biāo)測(cè)試

（2）采用動(dòng)態(tài)伺服電機(jī)從壓力室下方加載

（3）兼容所有靜三軸測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試功能

（4）最高級(jí)別的動(dòng)三軸測(cè)試設(shè)備

（5）在10Hz范圍內(nèi)獨(dú)立循環(huán)程控軸向和徑向加載。可以施加正弦波、方波、三角波

基本型動(dòng)三軸儀

除了動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)外，動(dòng)三軸系統(tǒng)也可以進(jìn)行傳統(tǒng)的三軸試驗(yàn)，例如不排水不固結(jié)試驗(yàn)（UU），固結(jié)不排水試驗(yàn)(CU)，固結(jié)排水試驗(yàn)(CD)以及更高級(jí)的試驗(yàn)例如應(yīng)力路徑、K0固結(jié)和彈性模量試驗(yàn)等。

技術(shù)規(guī)范：

（1）最大測(cè)試頻率：5Hz

（2）最小測(cè)試頻率：靜態(tài)，比如小于0.001Hz

（3）高精度的動(dòng)態(tài)電機(jī)伺服作動(dòng)器。

（4）可以使用標(biāo)準(zhǔn)三軸壓力室（升級(jí)到動(dòng)態(tài)的密封元件和軸承）。

（5）可選的試樣尺寸（取決于選擇的壓力室）：

- Φ38×76mm (或者Φ39.1×80mm)

- Φ50×100mm

- Φ70×140mm (或者Φ61.8×123.6mm)

- Φ100×200mm (或者Φ101×202mm)

- Φ150×300mm

（6）16-比特的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集

（7）16-比特的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)控制通道

（8）圍壓可達(dá)到2MPa (取決于壓力室的選擇)

（9）很小的室內(nèi)占地空間

（10）不需要液源裝置

土體動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)，直接影響著土動(dòng)力特性研究和土體動(dòng)力分析計(jì)算的發(fā)展，起著正確揭示土的動(dòng)力特征規(guī)律和完善分析計(jì)算理論的重要作用，是土動(dòng)力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。在室內(nèi)進(jìn)行土的動(dòng)力特性試驗(yàn)，主要包括兩方面的內(nèi)容：

（1）確定土的動(dòng)強(qiáng)度，用以分析在大變形條件下地基和結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，特別是沙土的振動(dòng)液化問(wèn)題；

（2）確定剪切模量和阻尼比，用以計(jì)算在小變形條件下土體在一定范圍內(nèi)所引起的位移、速度、加速度或應(yīng)力隨時(shí)間的變化。

振動(dòng)三軸試驗(yàn)所涉及的基礎(chǔ)理論，包括：振動(dòng)與波的基本概念，地震的有關(guān)知識(shí)，受力體的三向應(yīng)力等。

早在五十年代末，中國(guó)國(guó)家水利科學(xué)院就在黃文熙教授等領(lǐng)導(dǎo)下，開(kāi)始利用振動(dòng)三軸儀試驗(yàn)方法來(lái)研究飽和地基及邊坡的抗液化穩(wěn)定性；六十年代初期，振動(dòng)三軸試驗(yàn)被正式列入水電部的《土工試驗(yàn)操作規(guī)程》，這大大推動(dòng)了土動(dòng)力特性的實(shí)驗(yàn)研究工作。

傳統(tǒng)的振動(dòng)三軸儀一般包括壓力室、激振設(shè)備和量測(cè)設(shè)備三個(gè)系統(tǒng)。

振動(dòng)三軸儀的壓力室與靜三軸儀的壓力室基本相同，結(jié)構(gòu)材料、密封形式也大體一樣。

在量測(cè)設(shè)備方面，振動(dòng)三軸儀要比靜三軸儀復(fù)雜一些。振動(dòng)三軸儀的量測(cè)記錄，一般采用電測(cè)設(shè)備，即將動(dòng)力作用下的動(dòng)孔隙水壓力、動(dòng)變形和動(dòng)應(yīng)力的變化，通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電量或電參數(shù)的變化，再經(jīng)過(guò)放大，推動(dòng)光電示波器的振子偏轉(zhuǎn)，引起光點(diǎn)移動(dòng)，并在紫外線感光紙帶上分別記錄下來(lái)。

振動(dòng)三軸儀的激振設(shè)備，根據(jù)產(chǎn)生激振力方式的不同，可以分為電-磁激振式、慣性力振動(dòng)式和電-氣激振式等類型。每種類型又分為單向激振和雙向激振兩種。

隨著土工試驗(yàn)技術(shù)不斷進(jìn)步，像英國(guó)GDS等專業(yè)土工試驗(yàn)儀器研究者逐漸研發(fā)出了新型動(dòng)三軸儀，儀器的動(dòng)力方式、工作原理等都發(fā)生了革命性變化，新型動(dòng)三軸儀解決了傳統(tǒng)三軸儀存在的很多問(wèn)題，儀器參數(shù)性能提高，能完成更高性能的動(dòng)三軸試驗(yàn)。

江西理工大學(xué)

北方交通大學(xué)

長(zhǎng)安大學(xué)

大連理工大學(xué)

東南大學(xué)

國(guó)網(wǎng)北京電力建設(shè)研究院

華僑大學(xué)

南京工業(yè)大學(xué)

南京水利科學(xué)研究院

三峽大學(xué)

紹興文理學(xué)院

天津大學(xué)

西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司

西北大學(xué)

浙江樹(shù)人大學(xué)

中交四航工程研究院有限公司

中科院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所

中科院武漢巖土力學(xué)研究所

長(zhǎng)江科學(xué)院土工研究所

中南大學(xué)鐵道校區(qū)土木學(xué)院

重慶交通學(xué)院

山西省交通科學(xué)研究院

北京建筑工程學(xué)院

國(guó)家海洋局第一海洋研究所

西南交通大學(xué)

浙江大學(xué)

上海地質(zhì)調(diào)查研究院

中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所

南京林業(yè)大學(xué)

吉林建筑大學(xué)

2100433B

l 粗粒料動(dòng)三軸試驗(yàn)

l B檢測(cè)、飽和試驗(yàn)

l 可控制線性應(yīng)力路徑，p、q和s、t關(guān)系曲線

l 各向同性固結(jié)試驗(yàn)

l 各向異性固結(jié)試驗(yàn)

l K0固結(jié)試驗(yàn)

l CD固結(jié)排水　l CU固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)

l UU不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)

300mm大型動(dòng)三軸綜合測(cè)試系統(tǒng)

真三軸儀研制目標(biāo)和思路

真三軸儀可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)軸向分別施加不同大小的主應(yīng)力，3軸向產(chǎn)生應(yīng)變，能夠模擬土體中一般的應(yīng)力條件。為了實(shí)現(xiàn)3個(gè)軸向施加主應(yīng)力，真三軸試樣一般為一個(gè)立方體。若真三軸儀的3個(gè)軸向均采用平板加載時(shí)，每個(gè)軸向施加正應(yīng)力的平板的剛性大，相對(duì)于土樣，三向加載板可視為剛性板。當(dāng)試樣發(fā)生較大變形后，與試樣接觸的剛性板必然產(chǎn)生相互接觸而制約它們的運(yùn)動(dòng)，這就影響了3個(gè)軸向的加載和變形。三向柔性加載時(shí)，便于控制應(yīng)力，但三向柔性液壓囊在接觸處存在相互干擾，且不利于獨(dú)立測(cè)試三向應(yīng)變。雙向平板、一向柔性加載時(shí)，雙向剛性平板之間也存在互相干擾，且它們只能施加大小主應(yīng)力。因此，改善真三軸試驗(yàn)加載機(jī)構(gòu)，消除現(xiàn)有真三軸儀加載剛性板之間的相互制約，剛性板對(duì)試樣變形的約束影響，以及柔性液壓囊之間的相互干擾使得試樣沿三個(gè)軸向自由變形，不僅可以克服現(xiàn)有真三軸儀存在的問(wèn)題，而且使模擬的應(yīng)力與變形條件更加符合實(shí)際。

完善的真三軸儀加載機(jī)構(gòu)能夠模擬一般應(yīng)力條件，3個(gè)軸向獨(dú)立量測(cè)變形，以便研究復(fù)雜應(yīng)力條件下巖土材料的力學(xué)性狀。為此，對(duì)該真三軸儀的研制提出如下技術(shù)要求：

①能夠分別控制應(yīng)力與應(yīng)變，在軸向加載過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)控制加荷速率和變形速率，剪切過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)中主應(yīng)力聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)等洛德參數(shù)應(yīng)力路徑；

②三向獨(dú)立加荷，可以分別獨(dú)立自動(dòng)控制施加軸向、側(cè)向荷載，既避免兩者之間的相互影響，又可以相互協(xié)調(diào)，使立方體試樣上沿軸向和側(cè)向分別承受不同大小的正應(yīng)力，能夠模擬主應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)應(yīng)力路徑等土體的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，并能進(jìn)行多種應(yīng)力路徑的真三軸試驗(yàn)；

③能夠控制排水條件，可以分別進(jìn)行固結(jié)排水和固結(jié)不排水條件試驗(yàn)，同時(shí)可以量測(cè)孔隙水壓力；

④自動(dòng)量測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)所有應(yīng)力信號(hào)輸入與反饋控制的自動(dòng)化，以及測(cè)試、量測(cè)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集處理。

同時(shí)，真三軸儀還具備以下6個(gè)特點(diǎn)：

①水平面內(nèi)兩個(gè)主應(yīng)力方向上應(yīng)力和變形均呈對(duì)稱分布；

②土樣側(cè)面不受切向約束作用；

③能夠適應(yīng)加載過(guò)程立方體土樣變形引起側(cè)棱變位的變化；

④能夠適應(yīng)土樣側(cè)棱擠出變形的發(fā)展；

⑤避免三向主應(yīng)力加載過(guò)程的互相干擾；

⑥加載過(guò)程土樣保持對(duì)稱，在水平面上始終中心受荷。

真三軸儀新型真三軸儀的研制

對(duì)比以往真三軸儀的優(yōu)缺點(diǎn)，新研制的真三軸儀是一種軸向剛性、側(cè)向柔性的復(fù)合型加載真三軸儀，主要由主機(jī)、伺服步進(jìn)電機(jī)液壓加載系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)3部分構(gòu)成。

主機(jī)的壓力室呈立方體，試樣位于剛性底座和頂蓋中央，立方體試樣的側(cè)面對(duì)應(yīng)的有兩組梯形側(cè)壓腔，放置柔性液壓囊，且與液壓/體變控制器連接。在豎向的主軸方向用剛性板施加大主應(yīng)力σ₁；在水平面內(nèi)的側(cè)向分別有兩對(duì)柔性囊相向施加中主應(yīng)力σ₂和小主應(yīng)力σ₃。為了主動(dòng)適應(yīng)加載過(guò)程中試樣變形引起棱角的變化和避免中、小主應(yīng)力之間的相互干擾，壓力室的各側(cè)壓腔之間設(shè)置能夠徑向彈性伸縮、水平面內(nèi)彈性轉(zhuǎn)動(dòng)的隔離板，能夠有效分離相鄰液壓囊。步進(jìn)伺服電機(jī)液壓加載系統(tǒng)能夠控制三向獨(dú)立加載，其具有伺服步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿推進(jìn)液壓缸活塞產(chǎn)生液壓源，分別與壓力室底座下軸向活塞和側(cè)向液壓柔性囊連接，通過(guò)液壓傳感器和位移傳感器，既能夠?qū)崿F(xiàn)三向獨(dú)立加載，也能夠控制三向加載時(shí)柔性囊的體變。同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集。這是本次儀器開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)。新型真三軸儀系統(tǒng)及工作原理見(jiàn)圖1所示。

真三軸儀主要結(jié)構(gòu)

壓力室

壓力室由底座、頂蓋板、外筒組成。它們都由不銹鋼金屬材料制成。壓力室外筒的形狀呈立方體，其中四棱為圓弧形。具體形狀見(jiàn)圖2，3。壓力室橫截面直邊長(zhǎng)200mm，壁厚8mm，高度為150mm，外棱邊的倒角弧度為15°。側(cè)壓腔的隔板與壓力室側(cè)壁連為一體，每個(gè)隔板由轉(zhuǎn)動(dòng)軸承、徑向伸縮板組成，徑向伸縮彈簧銜嵌在轉(zhuǎn)動(dòng)軸承內(nèi)，水平面扭轉(zhuǎn)限制彈簧安裝于壓力室外側(cè)壁。

試樣尺寸為70mm×70mm×70mm，內(nèi)置于正方形斷面的特制的橡膠膜內(nèi)，兩端通過(guò)橡皮膜外包薄壁環(huán)，且繞過(guò)薄壁環(huán)內(nèi)嵌，再嵌入帶有密封圈的正方形底或頂座，密封試樣上下兩端。試樣的底座和頂蓋均內(nèi)嵌透水板，便于控制排水條件。橡皮膜密封的試樣安置在四個(gè)側(cè)壓力腔和一個(gè)剛性底座及一個(gè)剛性帽之間。壓力室的工作原理是試樣的側(cè)向中主應(yīng)力σ₂和小主應(yīng)力σ₃分別由兩套伺服步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓/體變控制器連接的液壓柔性囊施加。試樣的大主應(yīng)力由壓力室底座下的軸向加荷油缸頂升壓力室，通過(guò)試樣帽由反力主軸施加。當(dāng)軸向加載時(shí)，試樣產(chǎn)生軸向壓縮變形，側(cè)向可能產(chǎn)生擠出變形，隨著側(cè)脹的發(fā)生，側(cè)壓力腔隔板可產(chǎn)生彈性收縮，適應(yīng)試樣側(cè)棱的位移。

如試樣也產(chǎn)生側(cè)向壓縮變形，則側(cè)壓腔的隔板可產(chǎn)生彈性伸出。當(dāng)中主應(yīng)力比小主應(yīng)力較大作用試樣時(shí)，試樣在水平面上沿小主應(yīng)力作用方向產(chǎn)生伸展變形，沿中主應(yīng)力方向產(chǎn)生壓縮變形，引起試樣側(cè)棱產(chǎn)生轉(zhuǎn)角變位，同樣，隔板也可產(chǎn)生水平面轉(zhuǎn)動(dòng)，從而能夠適應(yīng)試樣側(cè)棱的變位。試樣的排水條件可由與底座、頂蓋透水板連通的排水管閥門控制。壓力室實(shí)物及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，5。

加荷系統(tǒng)

固結(jié)壓力均由伺服步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓/體變控制器直接供給。兩個(gè)側(cè)向固結(jié)應(yīng)力分別由兩套與側(cè)壓腔內(nèi)柔性囊連接的液壓/體變控制器獨(dú)立控制，大主應(yīng)方向由與壓力室底座下的油缸連接的一套液壓/體變控制器獨(dú)立控制。如圖6所示，共有3套伺服步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓/體變控制器。在試樣固結(jié)時(shí)能實(shí)現(xiàn)3個(gè)固結(jié)應(yīng)力的單獨(dú)施加，壓縮剪切時(shí)3個(gè)主應(yīng)力也互不干擾和影響。兩套側(cè)向主應(yīng)力的液壓/體變控制器均在液壓缸和移動(dòng)活塞上裝有液壓傳感器和位移傳感器，分別用于控制側(cè)向主應(yīng)力的大小及液壓囊的體變；軸向荷載和試樣變形分別由反力主軸上的荷載傳感器和壓力室頂蓋上的位移傳感器測(cè)量（圖7），并反饋于軸向加載的液壓/體變控制器。對(duì)試樣施加軸向荷載，可以分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種。應(yīng)變控制是指試樣按規(guī)定的變形速率產(chǎn)生軸向變形，測(cè)定產(chǎn)生某一軸向變形所需要的軸向力。應(yīng)力控制式是指分級(jí)加載，測(cè)量每級(jí)荷載作用下試樣的變形量。它們可以分別由軸向荷載傳感器和位移傳感器量測(cè)，并通過(guò)自動(dòng)控系統(tǒng)反饋于伺服步進(jìn)電機(jī)液壓/體變控制器控制應(yīng)力和位移。

量測(cè)系統(tǒng)

量測(cè)系統(tǒng)包括應(yīng)力量測(cè)、變形量測(cè)和孔隙水壓力量測(cè)。大主應(yīng)力方向?yàn)閯傂园寮訅?，因此?yīng)力和變形傳感器可直接安裝在壓力室蓋板上。側(cè)向應(yīng)力和變形可通過(guò)伺服步進(jìn)電機(jī)加載系統(tǒng)上安裝的壓力傳感器和位移傳感器量測(cè)?？紫端畨毫υ谂潘ǖ捞幇惭b孔壓傳感器量測(cè)。

排水系統(tǒng)

土樣在固結(jié)和試驗(yàn)時(shí)采用的是上下雙面排水，在與土樣直接接觸的頂板和底座上設(shè)置有透水板，通過(guò)透水板可以進(jìn)行排水。在做固結(jié)排水試驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)量水管量測(cè)試樣在試驗(yàn)時(shí)的排水量；進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)時(shí)，可將排水管連接到孔壓傳感器上，以測(cè)得試樣的孔隙水壓力。

自動(dòng)控制系統(tǒng)

真三軸儀的控制系統(tǒng)由應(yīng)力應(yīng)變傳感器、電阻應(yīng)變儀、控制調(diào)節(jié)電路及微機(jī)控制系統(tǒng)幾部分組成，見(jiàn)圖8。土體試樣的應(yīng)力應(yīng)變，由對(duì)應(yīng)的傳感器做相應(yīng)的輸出，輸出作為反饋的信號(hào)與給定的信號(hào)閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)，應(yīng)力控制與應(yīng)變控制由切換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大后輸入A/D卡中，由微機(jī)完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的高速采集，以數(shù)據(jù)文件方式存放于微機(jī)中。

附屬設(shè)備

相關(guān)的附屬設(shè)備包括原狀樣削樣器、重塑樣壓樣器、試樣飽和器、橡皮膜、液壓橡膠囊等。 2100433B