颗粒材料的空心圆柱体各向异性测试仪的制作方法

本发明涉及一种颗粒材料测试技术领域的仪器，具体地，涉及一种颗粒材料的空心圆柱体各向异性测试仪。

背景技术：

自然界中存在许多颗粒材料，例如砂土、砾石等，各向异性是这些颗粒材料的基本性质之一，其一直作为颗粒材料应力应变关系的重点研究对象。工程中的颗粒材料经常会遇到波浪荷载和交通荷载等工程动荷载，主应力轴方向变化是这些动荷载作用下颗粒材料所受的应力路径的主要特征，而主应力轴方向正是体现了颗粒材料的各向异性这一性质。因此，为了研究工程动荷载对颗粒材料的力学性状的影响，提高工程的设计精度，深入研究颗粒材料的各向异性显得尤为重要。

然而，目前常规的动三轴仪在试验过程中一般只能采用控制三个主应力方向固定不变，大主应力反复变化的形式。若试样呈空心圆柱体，便可通过控制轴力、扭矩、内围压和外围压四个加载参数来模拟复杂应力状态，使主应力轴方向改变。传统的空心圆柱扭剪仪便采用空心圆柱体试样，但在试样剪切开始前需预先调节试样的内外围压，剪切过程中内外围压保持不变，轴力和扭矩耦合加载，这无法严格满足主应力轴旋转理论的要求。为了研究颗粒材料的各向异性对其强度和变形的影响，必须在测试试验中实现对主应力轴任意角度的控制，这便要求测试仪器在颗粒材料的剪切过程中实现对轴力、扭矩、内围压和外围压四个加载参数的独立连续控制。

对现有技术文献检索，尚未发现针对颗粒材料同时对轴力、扭矩和内外围压四个参数自动连续加载的各向异性测试仪相关描述。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种颗粒材料的空心圆柱体各向异性测试仪，在空心圆柱体颗粒材料测试的全过程中实现轴力、扭矩和内外围压四个参数自动连续加载，适用于颗粒材料的定向剪切和主应力轴旋转等试验，目的在于改变现有测试仪器不能同时独立控制轴力、扭矩和内外围压四个加载参数自动连续加载，可用以研究颗粒材料的各向异性对其物理力学性状的影响，为相关工程项目提供设计依据和技术支持。

为实现以上目的，本发明提供一种颗粒材料的空心圆柱体各向异性测试仪，包括：气压源、四组空压控制系统、气缸传力系统、围压室、体变量测系统以及数据采集系统，其中：

所述的围压室用以安装颗粒材料试样，结构上分内腔、外腔，试验时注水至液面高于试样，内腔、外腔分别通过内围压控制系统和外围压控制系统施加静水压力；

所述空压控制系统包括四组，即轴力空压控制系统、扭矩空压控制系统、内围压空压控制系统和外围压空压控制系统，这四组空压控制系统的进气端与所述气压源相连接，所述轴力空压控制系统和所述扭矩空压控制系统的出气端分别与所述气缸传力系统的接入端相连接，所述内围压空压控制系统和所述外围压空压控制系统的出气端分别与所述围压室的内腔和外腔相连接；

所述气缸传力系统的输出端与围压室相连接；

所述体变量测系统与围压室相连；

四组所述空压控制系统、所述气缸传力系统和所述体变量测系统的信号输出端分别与所述采集系统相连接，其中；空压控制系统传输气压模拟信号，气缸传力系统传输压力或位移模拟信号，体变量测系统传输水压模拟信号；

所述数据采集系统与计算机相连接，计算机存储各模拟信号并对模拟信号进行处理，得到所需要的应力和应变数据。

优选地，每组所述空压控制系统均包括一个自动调压阀和一个压力传感器，四组空压控制系统具有四个自动调压阀和四个压力传感器；其中：

四个所述自动调压阀的进气端与气压源相连接；四个所述自动调压阀的出气端分别与四个压力传感器相连接，且其中轴力空压控制系统和扭矩空压控制系统中的自动调压阀的出气端分别与气缸传力系统的接入端相连接，内围压空压控制系统和外围压空压控制系统中的自动调压阀的出气端分别与围压室的内腔、外腔相连接；四个所述自动调压阀的信号输入端均与计算机相连接；

四个所述压力传感器作为所述空压控制系统的信号输出端与数据采集系统相连接，用以传输气压模拟信号给数据采集系统。

优选地，所述气缸传力系统，包括：轴向气缸、侧向气缸、垂直传力杆、水平传力杆、轴力和轴向位移传感器，以及扭矩和转角变位传感器；其中：

所述轴向气缸和侧向气缸的进气端分别与轴力空压控制系统、扭矩空压控制系统的出气端相连接；所述轴向气缸和侧向气缸的底部分别与垂直传力杆和水平传力杆相连接；所述水平传力杆通过齿轮转盘带动垂直传力杆转动；所述轴力和轴向位移传感器、扭矩和转角传感器分别与垂直传力杆和水平传力杆相连接；

所述轴力和轴向位移传感器、扭矩和转角变位传感器作为所述气缸传力系统的信号输出端与数据采集系统相连接，用以传输压力和位移模拟信号给数据采集系统；

所述气缸传力系统的输出端与所述围压室相连接，用以施加轴力和扭矩给围压室内的试样。

优选地，所述体变量测系统，包括：内体变管、外体变管、内体积传感器、外体积传感器和孔隙水压力传感器；其中：

所述内体变管与围压室内的试样内腔相连接；所述外体变管与围压室内的试样相连接；所述内体积传感器与内体变管相连接；所述外体积传感器与外体变管相连接；孔隙水压力传感器与外体变管相连接；

所述内体积传感器、外体积传感器和孔隙水压力传感器作为所述体变量测系统的信号输出端与数据采集系统相连接，用以传输体变和水压模拟信号给数据采集系统。

优选地，所述数据采集系统，包括：集线盒和多通道读数仪，其中：

所述集线盒的输入端与气缸传力系统、体变量测系统以及四组空压控制系统的信号输出端相连接，用于接收气缸传力系统输出的压力和位移模拟信号、体变量测系统输出的体变和水压模拟信号以及四组空压控制系统输出的气压模拟信号；

所述多通道读数仪的输入端与集线盒的输出端相连接，用以接收各模拟信号，多通道读数仪的输出端与计算机连接，用以传输各模拟信号给计算机。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明在空心圆柱体各向异性测试仪中实现轴力、扭矩和内外围压四个加载参数能够自动独立连续控制，实现了颗粒材料在剪切过程中轴力、扭矩和内外围压四个参数耦合加载，适用于颗粒材料的定向剪切和主应力轴旋转等试验，可用以研究颗粒材料的各向异性对其力学性状的影响，为相关工程项目提供设计依据和技术支持。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的结构示意图；

图2为本发明一优选实施例的转角变位图；

图3为本发明一优选实施例的扭矩图；

图4为本发明一优选实施例的轴力图；

图5为本发明一优选实施例的内外围压图；

图6为本发明一优选实施例的剪切过程土体所受应力图；

图中：

气压源1，空压控制系统2，气缸传力系统3，围压室4，体变量测系统5，数据采集系统6，计算机7，自动调压阀8，压力传感器9，轴向气缸10，侧向气缸11，垂直传力杆12，水平传力杆13，轴力和轴向位移传感器14，扭矩和转角变位传感器15，内体变管16，外体变管17，内体积传感器18，外体积传感器19，孔隙水压力传感器20，外腔21，内腔22，试样23。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种颗粒材料的空心圆柱体各向异性测试仪，包括：一个气压源1、一个数据采集系统6、一个气缸传力系统3、围压室4、一个体变量测系统5，以及四组空压控制系统2，其中：

所述的围压室4用以安装颗粒材料试样23，结构上分内腔22、外腔21，试验时注水至液面高于试样，内外腔分别通过内围压控制系统和外围压控制系统2施加水压，；

所述空压控制系统包括四组，即轴力空压控制系统、扭矩空压控制系统、内围压空压控制系统和外围压空压控制系统，四组空压控制系统2的进气端均与气压源1相连接，两组空压控制系统2(包括一组轴力空压控制系统和一组扭矩空压控制系统)的出气端与气缸传力系统3的接入端相连接，另外两组空压控制系统2(包括一组内围压空压控制系统和一组外围压空压控制系统)的出气端分别与围压室4的内腔22、外腔21相连接，气缸传力系统3的输出端和两组空压控制系统2(即一组内围压空压控制系统和一组外围压空压控制系统)的出气端与围压室4相连接；

四组空压控制系统2的信号输入端均与计算机7相连接，计算机7控制四组空压控制系统2同时独立控制轴力、扭矩和内外围压四个加载参数自动连续加载；

四组空压控制系统2、气缸传力系统3和体变量测系统5的信号输出端与数据采集系统6相连接以传输模拟信号；其中；空压控制系统传输气压模拟信号，气缸传力系统传输压力或位移模拟信号，体变量测系统传输体变和水压模拟信号；

所述数据采集系统6与计算机7相连接，计算机7存储各模拟信号并对模拟信号进行处理，得到所需要的应力和应变数据。

作为优选，四组所述空压控制系统2，均包括：自动调压阀8和压力传感器9，四组空压控制系统2具有四个自动调压阀8和四个压力传感器9；其中：

四个所述自动调压阀8的进气端均与气压源1相连接，四个自动调压阀8的信号输入端与计算机7相连接；四个所述自动调压阀8的出气端分别与四个压力传感器9相连接，其中两组空压控制系统2(即轴力空压控制系统和扭矩空压控制系统)中的两个自动调压阀8的出气端与气缸传力系统3相连接，一组空压控制系统2(即内围压空压控制系统)中的自动调压阀8的出气端与围压室4的内腔22相连接，还有一组空压控制系统2(即外围压空压控制系统)中的自动调压阀8的出气端与围压室4的外腔21相连接；

所述压力传感器9作为空压控制系统2的信号输出端，与数据采集系统6相连接以传输气压模拟信号。

作为优选，所述气缸传力系统3，包括：轴向气缸10、侧向气缸11、垂直传力杆12、水平传力杆13、轴力和轴向位移传感器14及扭矩和转角变位传感器15，其中：

轴向气缸10和侧向气缸11的进气端分别与轴力空压控制系统和扭矩空压控制系统的出气端相连接，轴向气缸10和侧向气缸11的底部分别与垂直传力杆12和水平传力杆13相连接，轴力和轴向位移传感器14、扭矩和转角变位传感器15分别与垂直轴力杆12和水平传力杆13相连接，水平传力杆13通过齿轮转盘带动垂直传力杆12转动；

所述轴力和轴向位移传感器14、扭矩和转角变位传感器15作为气缸传力系统3的信号输出端，与数据采集系统6相连接。

作为优选，所述体变量测系统5，包括：内体变管16、外体变管17、内体积传感器18、外体积传感器19和孔隙水压力传感器20，其中：

内体变管16与围压室4的内腔22相连接，外体变管17与围压室4的试样23相连接，两个体积传感器18和19分别与两个体变管16和17相连接，孔隙水压力传感器20与外体变管17相连接；

两个体积传感器18和19以及孔隙水压力传感器20作为体变量测系统5的信号输出端与数据采集系统6相连接。

作为优选，所述数据采集系统6，包括：集线盒和多通道读数仪，其中：

集线盒的输入端与气缸传力系统3、体变量测系统5以及四组空压控制系统2的输出端相连接以接收模拟信号，多通道读数仪的输入端与集线盒相连接用以接收模拟信号，多通道读数仪的输出端与计算机7连接。

上述所述测试仪通过以下方式进行工作：

1、将空心圆柱体试样装入围压室4，并且将围压室4与气缸传力系统3连接好；

2、打开数据采集系统6并调整自动调压阀8的压力为0(kPa)；

3、自动调压阀8逐渐提高输出电压(从0到5v)，将压力由0提升至某任意值，并测得各电压值对应的输出空气压力值，得到电压与输出空气压力的相关曲线与比例系数，后续工作中将按照该比例系数在用电压来控制输出空气压力。

4、将自动调压阀8的压力归零；

5、在程序中输入试样尺寸、固结及剪切时间、测试应力路径信息；

6、启动自动控制程序，测试由计算机7全自动控制固结和剪切过程，并将试验数据存储在计算机7的硬盘内，直至剪切结束；

7、开始剪切时，设定扭矩空压控制系统的加载参数，包括加载速率、加载波形；开始剪切后，计算机7根据依据气缸传力系统3中的扭矩和转角变位传感器15读取到实时的扭矩计算出所需的轴力和内外围压，发送模拟信号给自动其余三组空压控制系统2(即轴力空压控制系统、内围压空压控制系统、外围压空压控制系统)的调压阀8，压力传感器9读取压力数据后传输模拟信号经过数据采集系统6给计算机7，计算机7计算出轴向气缸、内围压和外围压这三组气压目标值与现值的差距，重新发送模拟信号给自动调压阀8，反复以上过程直至精度满足要求；

8、剪切结束后，停止各系统，对计算机7内存储的数据进行处理，得到所需结果。

如图2-图6所示，为整理计算机7内储存的数据所得图形：

控制α角度为30°、有效平均主应力为150kpa和中主应力参数b为0.5不变，对砂土做排水剪切，设定试样转角变位为均匀直线变化，如图2所示；

实测得到的扭矩、轴力和内外围压分别如图3、图4和图5所示；

计算得到剪切过程土体所受应力状态如图6所示。

本发明在空心圆柱体各向异性测试仪中实现轴力、扭矩和内外围压四个加载参数能够自动独立连续控制，实现了颗粒材料在剪切过程中轴力、扭矩和内外围压四个参数耦合加载，适用于颗粒材料的定向剪切和主应力轴旋转等试验，可用以研究颗粒材料的各向异性对其力学性状的影响，为相关工程项目提供设计依据和技术支持。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。