一种新型非饱和土三轴试验机.doc

第1章 概 述
ξ1.1 用途
微机控制非饱和土三轴试验机（以下简称本试验机）是一种新型的微机控制非饱和土静态三轴试验机多功能试验机，也可以适配车载电源驱动控制系统，用于在野外工地现场对非饱和土进行三轴试验，测定非饱和土和细粒土的总抗剪强度和有效抗剪强度。
本试验机是一套多功能静态土试验设备，可满足以下使用:
1、能够在三轴应力应变条件下试验，完全可用于土工常规三轴试验（即对饱和土的静三轴试验）；
2、能够同步地测定一定应力条件下非饱和土样的湿度、密度和应变（轴向应变、体变）；
3、能够在浸水条件下测定入渗过程中非饱和土样的湿度、密度和应变（轴向应变、体变）；
4、能够在力与浸水共同作用条件下测定非饱和土样的湿度、密度和应变（轴向应弯、径向应变、体变）；
5、能够测定在上述各条件下非饱和土样的孔隙水压力和孔隙气压力。

ξ1.2 主要技术参数和基本配置
1、轴向最大负荷：10kN
2、轴向负荷精度：优于±0.5% F.S.
3、轴向最大位移：150mm
4、轴向位移（变形）精度：0.1%F.S.
5、周围压力量程：1Mpa；测量精度：±0.5%F.S.
6、反压力量程：1Mpa；测量精度：±0.5%F.S.
7、孔隙水压力量程：±0.5Mpa；测量精度：±0.5%F.S.
8、孔隙气压力量程：1Mpa；测量精度：±0.5%F.S.
9、体变量程：50ml；测量精度：±0.5%F.S. 分度值：0.1
10、三轴压力室压力：0-1Mpa
11、试样尺寸：φ39.1×80mm，φ61.8×125mm
12、多通道多参数全数字闭环控制，自动调节系统的PID值，采用高分辨率的反馈采样和信号调节技术
13、可选择力（应力）、变形（应变）、位移等多种控制方式
14、试验机控制系统能自动标定试验机准确度、能够自动调零
15、全数字显示σ1、σ3、ε1、εv、ua、uw等多个工程量，多通道并行独立完成测量、显示、控制任务。
16、试验控制软件，在Windows98/2000等多种环境下运行，界面友好，操作简单，能完成试验条件试样参数等设置、试验数据处理。试验数据能以多种文件格式保存，试验结束后可再现试验历程、回放试验数据，可导入在Word、Excel、Access、Matlab等多种软件下，进行统计、编辑、分类、拟合试验曲线等操作，试验完成后，可打印出试验报告。
17、基本配置
1) 三轴试验主机 一台
2) 双层压力室 一套
3) 轴向伺服加载系统 一套
4) 围压伺服加载系统 一套
5) 等位定标体变控制与测量系统 一套
6) 孔隙气压控制测量系统 一套
7) 孔隙水压控制测量系统 一套
8) 等Ua排水系统 一套
9) 全数字式多通道计算机控制系统 一套
10) 非饱和土试验控制与数据处理软件 一套
11) 计算机 一套
12) 打印机 一套

ξ1.3 试验机的正常工作环境
1. 环境温度为10℃—30℃，环境相对湿度不超过85%；
2. 在无振动、无明显电磁干扰的环境中；
3. 三相交流220V、50HZ电源，电压波动范围不超过额定电压的10%；
4. 防尘、周围环境无腐蚀性介质。
5.本试验机的工作场地除满足正常工作条件外，主机的后方及左右两方应留有1.2米的作业孔间，前方更应开阔一些。
6.将主机平稳吊放在地基上，找水平，使前后左右均应0.05/1000以内。
7.实验室应自备与设备技术要求对应压力的气源和纯净的水源。
8.实验室应有与试验相配套的试样器具、器皿、量具、实验台桌等。
9．用户自备以下附件：
（1）击实筒和饱和器。
（2）切土盘、切土器、切土架和原状土分样器（图5-27～图5-29）。
（3）承膜筒和砂样制备模筒（图5-30～图5-31）。
（4）天平。称量200g、最小分度值0.01g；称量1000g、最小分度值0.1g。
（5）游标卡尺。
（6）其他，如乳胶薄膜、橡皮筋、透水石、滤纸、切土刀、钢丝锯、毛玻璃板、空气压缩机、真空抽气机、真空饱和抽水缸及称量盒等。
（7）50ml以上体积带刻度注射器。

第2章 试验机结构组成与工作原理

本试验机主要由主机部分、四压（周围压力、孔隙气压力、孔隙水压力、反压力）测控系统、计算机自动控制系统等组成。
（一） 主机部分
主机部分主要由轴向加载控制和测量部分，压力室、体变量测系统、增湿浸水系统、孔隙气压力测量和控制系统、孔隙水压力和反压力测量与控制系统等组成，如图所示。

主机结构: 其机械传动原理图如右图所示。
主机部分主要由底座、支架、伺服电机、减速器、滚珠丝杠、工作台、立柱、活动横梁、上下压头、负荷传感器及上横梁组成。工作时伺服电机带动减速器（速比为1/60）旋转，减速机输出轴与滚珠螺杠丝杆直联，丝杆旋转使丝母上下直线移动，带动连在活动横梁上的上压头上、下移动，从而对试样加载。力传感器连在下工作台上，上端和下压头连接，从而实现对试样加卸负荷（力）值大小的测量。

ξ1.1 轴向加载测控系统
1.1.1 轴向试验力（σ1）测量和控制
采用高精度、高稳定性进口负荷传感器配备高精度、高分辨率采样测量、放大系统，确保测力精度。
轴向试验力（σ1）的施加，通过伺服电机驱动高精度、无进回程间隙的减速机，再经与减速机输出轴连接的同步带传动到螺母，螺母的转动使轴向活塞（即试样的下压头）升降，实现轴向加载。
1.1.2 轴向变形（ε1）测量
采用高精度、高稳定性进口光电编码器，与轴向施加载荷的控制电机同轴连接，通过测量电机转过的圈数，对应标定为轴向活塞的位移，因土样在试验中承受力较小，且为脆性基体，因此可认为这时光电编码器测量的轴向活塞位移即为试样轴向变形，配备高精度、高分辨率采样测量、放大系统，确保测量精度，其分辨率为0.01mm。
1.1.3 试验控制方式
轴向试验的控制根据用途分为单调加载方式和多级加载控制方式两类。
单调加载控制，系指试验过程中控制参量不变，以同一种控制方式加载至试样破坏。根据采用反馈参与控制量的不同，分为力控制、变形控制、应力控制、应变控制多种。
多级加载控制，系指试验过程中控制参量和控制方式有多种，随着试验的进行，根据试验要求，改变不同的控制参量和控制方式实现不同的应力路径加载至试样破坏。各级控制方式有力控制、变形控制、应力控制、应变控制、时间控制多种，整个试验历程为力控制、变形控制、应力控制、应变控制、时间控制多种的组合。
以轴向力传感器的反馈量为控制参量的试验控制方式为力控制，如果将该力值换算为应力，并以之为控制参量的试验控制方式为应力控制。
以轴向变形传感器的反馈量为控制参量的试验控制方式为变形控制，如果将该变形值换算为应变，并以之为控制参量的试验控制方式为应变控制。

图2

ξ1.2 侧向(周围压力)加载测控系统
侧向试验压力（σ3）测量和控制，采用高精度、高稳定性压力传感器配备高精度、高分辨率采样测量、放大系统，确保测量精度。
侧向试验压力（σ3）的施加，通过伺服电机驱动高精度、无进回程间隙的滚珠丝杠，再经与同轴连接的活塞升降，推动挤压缸筒里的水，使之将压力传递到压力室，实现周围压力加载测控。

ξ1.3 压力室及其提升机构
压力室是土工三轴试验机的工作室，主要由上压头、下压头、压力室外罩等部分组成。
当压力室沿接杆上升至顶部后，挂牢固卡持机构可以防止压力室跌落，砸伤试验操作人员。
为适应φ39.1×80mm，φ61.8×125mm两种试样试验，试样上下压头和接杆设计有两套。
试样下压头通过接杆与力传感器连接，接杆与压力室上端盖中心孔之间无密封圈密封，无摩擦力。