全自動三軸儀

傳統(tǒng)的振動三軸儀一般包括壓力室、激振設備和量測設備三個系統(tǒng)。

振動三軸儀的壓力室與靜三軸儀的壓力室基本相同，結構材料、密封形式也大體一樣。

在量測設備方面，振動三軸儀要比靜三軸儀復雜一些。振動三軸儀的量測記錄，一般采用電測設備，即將動力作用下的動孔隙水壓力、動變形和動應力的變化，通過傳感器轉換成電量或電參數(shù)的變化，再經過放大，推動光電示波器的振子偏轉，引起光點移動，并在紫外線感光紙帶上分別記錄下來。

振動三軸儀的激振設備，根據產生激振力方式的不同，可以分為電-磁激振式、慣性力振動式和電-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。

隨著土工試驗技術不斷進步，像英國GDS等專業(yè)土工試驗儀器研究者逐漸研發(fā)出了新型動三軸儀，儀器的動力方式、工作原理等都發(fā)生了革命性變化，新型動三軸儀解決了傳統(tǒng)三軸儀存在的很多問題，儀器參數(shù)性能提高，能完成更高性能的動三軸試驗。

真三軸儀研制目標和思路

真三軸儀可以實現(xiàn)3個軸向分別施加不同大小的主應力，3軸向產生應變，能夠模擬土體中一般的應力條件。為了實現(xiàn)3個軸向施加主應力，真三軸試樣一般為一個立方體。若真三軸儀的3個軸向均采用平板加載時，每個軸向施加正應力的平板的剛性大，相對于土樣，三向加載板可視為剛性板。當試樣發(fā)生較大變形后，與試樣接觸的剛性板必然產生相互接觸而制約它們的運動，這就影響了3個軸向的加載和變形。三向柔性加載時，便于控制應力，但三向柔性液壓囊在接觸處存在相互干擾，且不利于獨立測試三向應變。雙向平板、一向柔性加載時，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力。因此，改善真三軸試驗加載機構，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軸向自由變形，不僅可以克服現(xiàn)有真三軸儀存在的問題，而且使模擬的應力與變形條件更加符合實際。

完善的真三軸儀加載機構能夠模擬一般應力條件，3個軸向獨立量測變形，以便研究復雜應力條件下巖土材料的力學性狀。為此，對該真三軸儀的研制提出如下技術要求：

①能夠分別控制應力與應變，在軸向加載過程中可以實現(xiàn)控制加荷速率和變形速率，剪切過程可以實現(xiàn)中主應力聯(lián)動控制，實現(xiàn)等洛德參數(shù)應力路徑；

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

③能夠控制排水條件，可以分別進行固結排水和固結不排水條件試驗，同時可以量測孔隙水壓力；

④自動量測與控制，實現(xiàn)所有應力信號輸入與反饋控制的自動化，以及測試、量測信號的A/D轉換和數(shù)據的自動采集處理。

同時，真三軸儀還具備以下6個特點：

①水平面內兩個主應力方向上應力和變形均呈對稱分布；

②土樣側面不受切向約束作用；

③能夠適應加載過程立方體土樣變形引起側棱變位的變化；

④能夠適應土樣側棱擠出變形的發(fā)展；

⑤避免三向主應力加載過程的互相干擾；

⑥加載過程土樣保持對稱，在水平面上始終中心受荷。

真三軸儀新型真三軸儀的研制

對比以往真三軸儀的優(yōu)缺點，新研制的真三軸儀是一種軸向剛性、側向柔性的復合型加載真三軸儀，主要由主機、伺服步進電機液壓加載系統(tǒng)和計算機自動控制系統(tǒng)3部分構成。

主機的壓力室呈立方體，試樣位于剛性底座和頂蓋中央，立方體試樣的側面對應的有兩組梯形側壓腔，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力σ₁；在水平面內的側向分別有兩對柔性囊相向施加中主應力σ₂和小主應力σ₃。為了主動適應加載過程中試樣變形引起棱角的變化和避免中、小主應力之間的相互干擾，壓力室的各側壓腔之間設置能夠徑向彈性伸縮、水平面內彈性轉動的隔離板，能夠有效分離相鄰液壓囊。步進伺服電機液壓加載系統(tǒng)能夠控制三向獨立加載，其具有伺服步進電機驅動滾珠絲桿推進液壓缸活塞產生液壓源，分別與壓力室底座下軸向活塞和側向液壓柔性囊連接，通過液壓傳感器和位移傳感器，既能夠實現(xiàn)三向獨立加載，也能夠控制三向加載時柔性囊的體變。同時，還實現(xiàn)了自動控制與數(shù)據采集。這是本次儀器開發(fā)的核心技術。新型真三軸儀系統(tǒng)及工作原理見圖1所示。

真三軸儀主要結構

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。具體形狀見圖2，3。壓力室橫截面直邊長200mm，壁厚8mm，高度為150mm，外棱邊的倒角弧度為15°。側壓腔的隔板與壓力室側壁連為一體，每個隔板由轉動軸承、徑向伸縮板組成，徑向伸縮彈簧銜嵌在轉動軸承內，水平面扭轉限制彈簧安裝于壓力室外側壁。

試樣尺寸為70mm×70mm×70mm，內置于正方形斷面的特制的橡膠膜內，兩端通過橡皮膜外包薄壁環(huán)，且繞過薄壁環(huán)內嵌，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側壓力腔和一個剛性底座及一個剛性帽之間。壓力室的工作原理是試樣的側向中主應力σ₂和小主應力σ₃分別由兩套伺服步進電機驅動的液壓/體變控制器連接的液壓柔性囊施加。試樣的大主應力由壓力室底座下的軸向加荷油缸頂升壓力室，通過試樣帽由反力主軸施加。當軸向加載時，試樣產生軸向壓縮變形，側向可能產生擠出變形，隨著側脹的發(fā)生，側壓力腔隔板可產生彈性收縮，適應試樣側棱的位移。

如試樣也產生側向壓縮變形，則側壓腔的隔板可產生彈性伸出。當中主應力比小主應力較大作用試樣時，試樣在水平面上沿小主應力作用方向產生伸展變形，沿中主應力方向產生壓縮變形，引起試樣側棱產生轉角變位，同樣，隔板也可產生水平面轉動，從而能夠適應試樣側棱的變位。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。壓力室實物及其內部結構見圖4，5。

加荷系統(tǒng)

固結壓力均由伺服步進電機驅動的液壓/體變控制器直接供給。兩個側向固結應力分別由兩套與側壓腔內柔性囊連接的液壓/體變控制器獨立控制，大主應方向由與壓力室底座下的油缸連接的一套液壓/體變控制器獨立控制。如圖6所示，共有3套伺服步進電機驅動的液壓/體變控制器。在試樣固結時能實現(xiàn)3個固結應力的單獨施加，壓縮剪切時3個主應力也互不干擾和影響。兩套側向主應力的液壓/體變控制器均在液壓缸和移動活塞上裝有液壓傳感器和位移傳感器，分別用于控制側向主應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量（圖7），并反饋于軸向加載的液壓/體變控制器。對試樣施加軸向荷載，可以分為應變控制式和應力控制式兩種。應變控制是指試樣按規(guī)定的變形速率產生軸向變形，測定產生某一軸向變形所需要的軸向力。應力控制式是指分級加載，測量每級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，并通過自動控系統(tǒng)反饋于伺服步進電機液壓/體變控制器控制應力和位移。

量測系統(tǒng)

量測系統(tǒng)包括應力量測、變形量測和孔隙水壓力量測。大主應力方向為剛性板加壓，因此應力和變形傳感器可直接安裝在壓力室蓋板上。側向應力和變形可通過伺服步進電機加載系統(tǒng)上安裝的壓力傳感器和位移傳感器量測?？紫端畨毫υ谂潘ǖ捞幇惭b孔壓傳感器量測。

排水系統(tǒng)

土樣在固結和試驗時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置有透水板，通過透水板可以進行排水。在做固結排水試驗時，可以通過量水管量測試樣在試驗時的排水量；進行固結不排水試驗時，可將排水管連接到孔壓傳感器上，以測得試樣的孔隙水壓力。

自動控制系統(tǒng)

真三軸儀的控制系統(tǒng)由應力應變傳感器、電阻應變儀、控制調節(jié)電路及微機控制系統(tǒng)幾部分組成，見圖8。土體試樣的應力應變，由對應的傳感器做相應的輸出，輸出作為反饋的信號與給定的信號閉環(huán)負反饋調節(jié)，應力控制與應變控制由切換開關轉換，相應的傳感器輸出信號經放大后輸入A/D卡中，由微機完成試驗數(shù)據的高速采集，以數(shù)據文件方式存放于微機中。

附屬設備

相關的附屬設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

動三軸儀有以下分類：

電機控制動三軸

電機控制的動三軸試驗系統(tǒng)是研究型動三軸測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將三軸壓力室和動力驅動器合為一體，從壓力室底座施加軸向力和軸向變形。壓力室由裝有馬達驅動的基座螺旋傳動。當沒有選擇徑向動力驅動器時，通過平衡錘消除動態(tài)試驗對恒定圍壓的影響。系統(tǒng)由動三軸軟件來控制。任一循環(huán)的數(shù)據都可以實時記錄和顯示出來。

技術參數(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：對于10kN的荷重傳感器來說，其精度為1N)

（5） 軸向力分辨率=16 bit(即：對于10KN 荷重傳感器來說<0.4N，對于40KN 荷重傳感器來說<1.5N)

（6） 每個周期可以控制的數(shù)據點數(shù)=10,000@1Hz，2000@5Hz

（7）最大可以存儲的數(shù)據點數(shù)=1000點/周期

雙向振動三軸儀

（1）可進行強震、動強度、動態(tài)模量及阻尼比等土體動態(tài)指標測試

（2）采用動態(tài)伺服電機從壓力室下方加載

（3）兼容所有靜三軸測試系統(tǒng)的測試功能

（4）最高級別的動三軸測試設備

（5）在10Hz范圍內獨立循環(huán)程控軸向和徑向加載?？梢允┘诱也ā⒎讲?、三角波

基本型動三軸儀

除了動態(tài)三軸試驗外，動三軸系統(tǒng)也可以進行傳統(tǒng)的三軸試驗，例如不排水不固結試驗（UU），固結不排水試驗(CU)，固結排水試驗(CD)以及更高級的試驗例如應力路徑、K0固結和彈性模量試驗等。

技術規(guī)范：

（1）最大測試頻率：5Hz

（2）最小測試頻率：靜態(tài)，比如小于0.001Hz

（3）高精度的動態(tài)電機伺服作動器。

（4）可以使用標準三軸壓力室（升級到動態(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-比特的動態(tài)數(shù)據采集

（7）16-比特的動態(tài)驅動控制通道

（8）圍壓可達到2MPa (取決于壓力室的選擇)

（9）很小的室內占地空間

（10）不需要液源裝置