完全卸荷的应力应变控制式土工三轴试验系统的制作方法

本发明涉及一种完全卸荷的应力应变控制式土工三轴试验系统。

背景技术：

三轴压缩试验是一种较完善的测定土抗剪强度试验方法，与直接剪切试验相比较，三轴压缩试验试样中的应力状态相对比较明确和均匀。应变式三轴压缩仪由压力室、竖向加压系统、横向加压系统、反压力系统、孔隙水压力量测系统等组成。

目前有普通三轴压缩试验仪和真三轴压缩试验仪两种：

1、普通三轴压缩试验仪是在压力室中注入液体形成围压来模拟土体试样受到的周围荷载，但同时也在土体试样的顶部施加了相同大小的竖向荷载，再通过竖向加压系统施加竖向荷载。普通三轴压缩试验仪只能模拟竖向荷载大于或等于水平荷载的情况，模拟类型较单一。

2、真三轴压缩试验仪是通过三个方向上加载来模拟土体试样的受力状态。但真三轴压缩试验仪同样不能模拟竖向荷载小于水平荷载的情况，且制造复杂，仪器庞大且精密，造价高昂，不易普及。

两种压缩试验仪在试验中通过传感器和压力表记录各向压力大小，通过不断加压，最终将土体试样压坏，通过计算得到土体试样的抗剪强度。

在基坑开挖工程中，土体处于复杂应力状态，其应力应变关系也很难确定,目前的三轴压缩试验仪很难模拟基坑开挖时坑底土体卸荷的应力路径。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种在竖向加载与横向加载完全独立进行下，能够模拟基坑开挖坑底土体卸荷的应力路径，构造简单，操作简便，易控制，造价低，使用寿命长、便于维修的完全卸荷的应力应变控制式土工三轴试验系统。

本发明目的的实现方式为，完全卸荷的应力应变控制式土工三轴试验系统，竖向加压系统接输油泵；竖向加压系统的传力杆接加压帽，加压帽置于钢制护筒的上端开口内；位移传感器固定在钢制护筒上，并与加压帽连接；上排水管穿过加压帽与体变管连接：竖向加压系统的底部设有底部排水装置，穿过底部排水装置中心的下排水管与反压系统连接；钢制护筒内腔设有橡胶柱体加压装置，橡胶柱体加压装置留有注液孔，注液孔通过排水管与周围压力系统连接；钢制护筒下部接横向加压系统；竖向加压系统通过支柱固定在底座上，钢制护筒底部固定在底座上。

试验时先从钢制护筒中取出橡胶柱体加压装置。将圆柱体试样放入橡胶柱体加压装置中，套上钢制护筒并固定。通过控制横向加压系统将液体注入橡胶柱体加压装置中，对圆柱体试样横向施压，再通过竖向加压系统施加竖向压力。竖向、横向施压互不干扰。关闭上方的排水阀，在不排水的情况下，待竖向加压系统施加竖向压力后，控制反压系统施加反向压力，迫使连接反压系统的压力表读数始终保持不变，反压系统施加的反向压力即试样中的孔隙水压。对于饱和试样，打开压力室上方连接的排水管阀门，竖向加压系统进行轴向加压的同时，体变管中的排水量即圆柱体试样体积变化。

试验过程中通过控制橡胶柱体加压装置注液孔处所连接的横向加压系统，可以精确的控制圆柱体试样的围压(即σ2和σ3)。由于横向加压、竖向加压互不干扰性，竖向加压装置可以控制产生任意大于等于或者小于围压的竖向荷载，使试验可以模拟出普通三轴压缩试验仪无法模拟的情况。

本发明的有益效果是：

1、试验时可以单独对围压(即σ2和σ3)和竖向荷载(σ1)进行控制，两者之间不受相互干扰；

2、可以模拟普通三轴压缩试验仪无法模拟的竖向荷载小于围压(即σ1＜σ2＝σ3)的情况；

3、竖向加压系统和位移传感器由计算机控制；试验时控制竖向加压系统对圆柱体试样施加一定的轴向压力，同时计算机读数得到位移传感器产生相应的变形量，即圆柱体试样受到轴向压力产生的压缩形变，从而实现本发明的应力应变控制；

4、结构简单，易于安装和操作，造价低，复杂机械连接件少、使用寿命长、便于维修。

附图说明

图1为本发明结构示意图，

图2为本发明底座连接图，

图3为钢制护筒与底座连接侧视图。

具体实施方式

下面参照附图详述本发明。

参照图1、2、3，竖向加压系统14接输油泵，竖向加压系统的传力杆接加压帽3，竖向加压系统的竖向压力由油泵提供，通过计算机控制油泵的输出压力对置于橡胶柱体加压装置中的试样进行竖向加压。加压帽置于钢制护筒4的上端开口2内，加压帽的四周涂有凡士林，使其能在上端开口内竖向滑动。位移传感器1固定在钢制护筒上，并与加压帽连接。

所述钢制护筒4厚5mm，内径101.1mm，外径111.1mm，高157mm。钢制护筒上端开口2厚5mm，内径39.1mm，外径49.1mm，高40mm。钢制护筒由优质钢制成。所述透明有机玻璃加压帽3直径39.1mm，高30mm。

上排水管10穿过透明有机玻璃加压帽与体变管12连接，上排水管上有排水阀。用来测量饱和土样在加压过程中的体积变化。竖向加压系统的底部设有底部排水装置8，穿过底部排水装置中心的下排水管9与反压系统13连接。

底部排水装置8直径39.1mm，厚30mm，上、下排水管直径为5mm。

连接钢制护筒内腔6设有橡胶柱体加压装置5，橡胶柱体加压装置柱体高152mm，壁厚3mm，内腔厚25mm。橡胶柱体加压装置的橡胶采用耐水耐腐蚀，弹性变形性好的橡胶材料。橡胶柱体加压装置留有安排水管7的注液孔，注液孔孔径为10mm。注液孔采用高强度钢制螺纹嘴头通过排水管与周围压力系统19连接，排水管上装有排水阀和压力表，能够控制注液的进出并且能记录内壁围压的大小。

钢制护筒下部接横向加压系统11。竖向加压系统通过支柱17固定在底座18上，钢制护筒底部固定在底座上。

钢制护筒底部固定端直径171.1mm，底部固定端有六个圆周分布的螺栓孔，螺栓孔内径10mm，螺栓孔孔心距固定端边部15mm。底座18长240mm，宽200mm，高度80mm，由优质钢制成。

用本发明试验前，先取出钢制护筒中，取一块直径39.1mm，高度120mm的圆柱体试样，圆柱体试样外面套上一层塑料薄膜，圆柱体试样上下端截面均放置滤纸和透水石15。放入橡胶柱体加压装置5的内腔中，套上钢制护筒，用螺栓16固定到底座上。开启排水管7上的排水阀，向橡胶柱体加压装置内腔注入液体，随着液体的注入橡胶柱体加压装置产生膨胀从而挤压内腔的圆柱体试样。由于钢制护筒内壁与橡胶柱体加压装置外壁紧密相连，从而注入的液体只对内部圆柱体试样周围产生挤压变形，通过横向加压系统连接的压力表记录土样受到的围压。然后控制竖向加压系统对圆柱体试样施加轴向压力σ1。圆柱体试样在竖向产生形变，同时位移传感器通过记录加压帽的位移读数，即为圆柱体试样受到轴向压力σ1产生的压缩形变量。通过控制注入液体的压力以及橡胶柱体加压装置注液孔处所装压力表的读数，可以精确的控制圆柱体试样的围压(即σ2和σ3)，得到试验理想数值。

同时由于竖向加压系统只对圆柱体试样横截面产生竖向压力，并且不干扰橡胶柱体加压装置对圆柱体试样周围加压，竖向加载与横向加载各自独立进行，互不干扰。竖向加压装置可以控制产生任意大于等于或者小于围压的竖向荷载，使试验可以模拟出基坑开挖时坑底土体卸荷的应力路径。

在不排水的情况下，如要测定圆柱体试样中的孔隙水压力，可关闭上排水管10上的排水阀，待竖向加压系统施加竖向压力后，控制反压系统13施加反向压力，迫使连接反压系统的压力表读数始终保持不变，反压系统施加的反向压力即圆柱体试样中的孔隙水压力。对于饱和圆柱体试样而言，打开橡胶柱体加压装置内腔上方，上排水管上的排水阀，竖向加压系统进行轴向加压的同时，体变管中的排水量即为圆柱体试样体积变化。

本发明结合位移传感器与竖向加载系统两者同时工作，通过计算机控制，形成一种完全卸荷的应力应变控制式土工三轴试验系统。

本发明能在竖向加载与横向加载完全独立进行下，能够模拟基坑开挖坑底土体卸荷的应力路径，构造简单，操作简便，易控制，造价低，使用寿命长、便于维修。