路東輝，商首興，田　萍

(長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

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帶上下反壓功能的土體滲流試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

路東輝，商首興，田萍

(長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

摘要：本機(jī)是一種可對(duì)土體在三軸應(yīng)力作用下的滲流性能進(jìn)行測(cè)試的試驗(yàn)機(jī)，由軸向壓力加載系統(tǒng)、圍壓室、圍壓加載系統(tǒng)、上反壓加載系統(tǒng)、下反壓加載系統(tǒng)、軸向測(cè)控系統(tǒng)、圍壓測(cè)控系統(tǒng)、孔隙水反壓測(cè)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾部分組成。本機(jī)的最大特點(diǎn)是可對(duì)試樣施加上下不同的壓力并進(jìn)行滲流量測(cè)量。本機(jī)可對(duì)試樣進(jìn)行恒載荷或恒變形控制，還可對(duì)試樣施加特定頻率和振幅變化的動(dòng)態(tài)載荷。

關(guān)鍵詞：土體；三軸；滲流

1引言

隨著越來(lái)越多地下工程的應(yīng)用，對(duì)地下土質(zhì)研究成為越來(lái)越多的科研工作者的研究方向，因此研發(fā)了帶有上下反壓功能的土體滲流試驗(yàn)系統(tǒng)。本機(jī)是長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司在原有的土體滲流試驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了上下反壓功能而開(kāi)發(fā)成功的。

帶上下反壓功能的土體滲流試驗(yàn)系統(tǒng)可用于土體在三軸應(yīng)力作用下的滲流性能測(cè)試，土體在垂直載荷作用下的蠕變性能測(cè)試，土體在周圍原位應(yīng)力作用下引起的固結(jié)、高壓滲透、回彈過(guò)程中的釋水量、吸水量的定量測(cè)試；可以在恒定圍壓下進(jìn)行恒載荷和恒變形控制，也可在恒載荷或恒變形控制一段時(shí)間后再施加按一定頻率和振幅變化的動(dòng)態(tài)載荷；能夠測(cè)試在上述三軸加載條件下試樣上的力或變形變化情況，測(cè)量試樣內(nèi)部的孔隙壓力和孔隙水流量。該試驗(yàn)機(jī)是有關(guān)大專院校、科研設(shè)計(jì)單位進(jìn)行土體性能研究、測(cè)試的強(qiáng)有力工具，可以滿足科研工作者在地下土體滲流試驗(yàn)研究方向上對(duì)設(shè)備的需求。

2本滲流試驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

(1)最大軸向加載能力：200kN；

(2)力測(cè)量誤差：±0.5%示值，(從滿量程1%開(kāi)始)

(3)軸向變形測(cè)量范圍：0～25mm；

(4)變形測(cè)量精度：±0.003mm；

(5)圍壓室最大壓力：10MPa；

(6)圍壓測(cè)量精度：±0.5% F.S；

(7)最大反壓力(滲透壓力)：5MPa；

(8)孔隙水壓測(cè)量范圍：10MPa；

(9)反壓力、孔隙水壓測(cè)量精度：±0.5% F.S；

(10)孔隙水流量測(cè)量范圍：0～40ml；

(11)孔隙水流量測(cè)量精度：±0.5%F.S；

(12)土體吸水及滲水量測(cè)量范圍：±50ml，測(cè)量誤差不大于±0.05ml；

(13)試件尺寸：?61.8mm×125mm。

3本試驗(yàn)系統(tǒng)主要原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本試驗(yàn)系統(tǒng)由200kN軸向壓力加載系統(tǒng)、圍壓室、圍壓加載系統(tǒng)、上反壓加載系統(tǒng)、下反壓加載系統(tǒng)、軸向測(cè)控系統(tǒng)、圍壓測(cè)控系統(tǒng)、孔隙水反壓測(cè)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾部分組成(如圖1所示)。圍壓室、圍壓加載系統(tǒng)、上反壓加載系統(tǒng)和下反壓加載系統(tǒng)均裝在一臺(tái)移動(dòng)臺(tái)車上。軸向測(cè)控系統(tǒng)、圍壓測(cè)控系統(tǒng)和孔隙水反壓測(cè)控系統(tǒng)安裝在一個(gè)電控機(jī)柜內(nèi)。工控機(jī)放到電腦桌上。

圖1　整機(jī)示意圖

進(jìn)行滲流試驗(yàn)時(shí)，先將移動(dòng)臺(tái)車的圍壓室部分推到主機(jī)的試驗(yàn)空間內(nèi)，定好位后，將圍壓室固定在主機(jī)的拉管上，拉管向上移動(dòng)對(duì)試樣軸向進(jìn)行加載，作用到試樣上的力通過(guò)上壓桿傳到圍壓室外固定在上橫梁上的測(cè)力傳感器上，通過(guò)測(cè)力傳感器可測(cè)出試樣受力。上壓桿與圍壓室間的密封摩擦力對(duì)軸向力測(cè)量影響較小。試樣的軸向變形通過(guò)用位于壓力室外的光柵傳感器測(cè)量下壓桿位移的方式測(cè)出。

3.1200kN軸向壓力加載系統(tǒng)

200kN軸向壓力加載系統(tǒng)是由上橫梁、工作臺(tái)、下底板及兩根支柱和四根角鋼支撐起來(lái)的門(mén)形框架。測(cè)力傳感器固定在上壓桿上，在工作臺(tái)和下底板上安裝加載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。加載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服電機(jī)、渦輪減速器、滾珠絲杠、下拉管、支撐管及導(dǎo)向臂等構(gòu)成。伺服電機(jī)通過(guò)同步帶帶動(dòng)渦輪減速機(jī)，渦輪減速機(jī)輸出軸與滾珠絲杠相連，通過(guò)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)固定在滾珠絲杠螺母上的下壓管的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣加載。在拉管上還裝有一個(gè)導(dǎo)向臂，通過(guò)兩徑向軸承靠緊到裝在上臺(tái)板上的導(dǎo)向桿上。當(dāng)電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于導(dǎo)向臂的作用，使螺母和固定其上的拉管只能上下移動(dòng)，而不能旋轉(zhuǎn)，由此對(duì)試樣施加軸向力。

3.2圍壓室

圍壓室是對(duì)裝在其中的試樣施加圓周向圍壓的壓力容器，由支座、有機(jī)玻璃筒、上蓋、六根連接桿和壓緊螺母等構(gòu)成。在有機(jī)玻璃筒與支座、上蓋之間裝有O形密封圈，通過(guò)連接桿和壓緊螺母使有機(jī)玻璃筒與上蓋、支座間壓緊，保證密封。在支座的底部有一個(gè)下壓桿插入孔，壓桿與插入孔之間采用斯特封式組合密封圈密封。在支座的側(cè)面有二個(gè)與外相通的孔，一個(gè)孔上連接一個(gè)壓力變送器，用以測(cè)量容器內(nèi)的壓力；另一個(gè)孔上連接一個(gè)三通，三通一端連接一個(gè)壓力變送器，另一端裝一個(gè)截止閥，截止閥的出口插一根管，直通電子天平上的燒杯。在此孔內(nèi)側(cè)裝一個(gè)快速接頭，在壓桿上端的支撐座上也裝一個(gè)快速接頭，它們之間有一尼龍管相連。

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，支座上端的試樣被擠壓時(shí)，其內(nèi)部的孔隙水可以順著尼龍管流到三通上的壓力變送器和截止閥之間。當(dāng)截止閥關(guān)閉時(shí)，孔隙水流不出去，產(chǎn)生的壓力(即孔隙壓力)可以用壓力變送器測(cè)出。當(dāng)截止閥打開(kāi)后，孔隙水流過(guò)截止閥引出管滴入到電子天平上的燒杯內(nèi)，由此可以測(cè)出孔隙水流量。

在容器支座底部還有一個(gè)小孔，其出口處裝有一個(gè)三通閥，三通閥一端通過(guò)一尼龍管與圍壓加載伺服缸相連，另一端可連接一根尼龍管作為加水和放水用。在側(cè)面還裝有一個(gè)放氣閥，當(dāng)對(duì)容器加水或放水時(shí)，都要將放氣閥打開(kāi)。在圍壓室座上有多個(gè)引出孔，可與圍壓、上下反壓加載系統(tǒng)、圍壓反壓傳感器、試樣孔隙排水量測(cè)量系統(tǒng)相連。為了裝卸試樣方便，在支架上還裝有壓力室提升機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由交流電機(jī)、螺旋升降機(jī)、支撐臂構(gòu)成。

3.3圍壓、上下反壓加載系統(tǒng)

本試驗(yàn)系統(tǒng)的圍壓和上下反壓都是采用機(jī)電伺服作動(dòng)缸施加的。上反壓加載作動(dòng)缸對(duì)試樣上端施加壓力，下反壓加載作動(dòng)缸對(duì)試樣下端施加壓力，其結(jié)構(gòu)和工作原理均相同，都是由伺服電機(jī)、減速器、滾珠絲杠、加載缸、滾動(dòng)導(dǎo)軌和支座等構(gòu)成，其作用原理如下：

電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，由于絲杠的螺母是固定不動(dòng)的，所以絲杠向前運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)加載缸的活塞往前移動(dòng)，對(duì)加壓缸中的水加壓，即對(duì)圍壓室加壓。圍壓和上下反壓的測(cè)量均采用壓阻式壓力傳感器，壓力傳感器的信號(hào)直接傳送到測(cè)量控制器中。上下反壓加載作動(dòng)缸除了對(duì)試樣上下兩端施加壓力外，還擔(dān)負(fù)著滲流及試樣滲水量或吸水量的測(cè)量。當(dāng)試樣上反壓力大于下反壓力時(shí)，上反壓加載缸中的水通過(guò)試樣流入下反壓缸中，用測(cè)量出的下反壓缸活塞的位移乘以活塞的面積即可算出試樣的滲流量。

為了精確測(cè)量上下反壓加載作動(dòng)缸的活塞移動(dòng)量，在上下反壓加載系統(tǒng)上還安裝了光柵位移傳感器，該光柵位移傳感器的測(cè)量精度可以達(dá)到±0.003mm，由此可以保證滲流量的測(cè)量誤差不大于±0.05ml。軸向力測(cè)量采用測(cè)力傳感器。試樣被壓縮而產(chǎn)生的軸向變形，是通過(guò)光柵位移傳感器來(lái)測(cè)量的。光柵位移傳感器固定在圍壓容器支座上的一個(gè)支架上，在下壓桿壓力容器外引出端固定一個(gè)引出臂，其上有一個(gè)調(diào)零用調(diào)節(jié)螺釘，該螺釘頭部端面與光柵位移傳感器芯桿頂住。試樣在壓桿作用下所產(chǎn)生的變形，與壓桿相對(duì)圍壓容器支座的位移相等，該位移由光柵位移傳感器測(cè)出。

3.4圍壓室及加壓缸加水系統(tǒng)

為了保證操作的方便性和試驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性，專門(mén)設(shè)計(jì)了一套加水系統(tǒng)，該系統(tǒng)的關(guān)鍵是要消除系統(tǒng)中和所加水中的空氣。在往圍壓室和三套壓力加載系統(tǒng)加水前，先采用真空泵排除圍壓室及管路系統(tǒng)中的空氣，并使加水容器內(nèi)水中的空氣排除，然后再通過(guò)水泵將不含空氣的水加到圍壓室及加壓缸內(nèi)。

3.5孔隙排水量測(cè)量系統(tǒng)

本機(jī)試樣孔隙滲透排水量采用電子天平測(cè)量。在圍壓室座上有一小孔，用鋼管與圍壓室底板上的排水孔相連，再經(jīng)圍壓室座上的一截止閥上的尼龍管與電子天平上的燒杯相通。當(dāng)需測(cè)孔隙水流量時(shí)，打開(kāi)截止閥，孔隙水就流入到電子天平的燒杯內(nèi)，由天平稱出水的重量。電子天平帶RS232接口，通過(guò)導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)相連，將所測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，經(jīng)過(guò)處理，在顯示器的屏幕上即可顯示出孔隙排水量。

3.6電氣及軟件控制系統(tǒng)

本機(jī)的軸向控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)及上下反壓控制系統(tǒng)均采用德國(guó)DOLI的數(shù)字式控制器。所配置的軟件具有斷點(diǎn)恢復(fù)、曲線自動(dòng)刷新、超限報(bào)警、故障診斷等功能，還具有曲線放大、曲線遍歷、曲線坐標(biāo)移動(dòng)、相關(guān)曲線疊加、添標(biāo)注等圖形處理功能。本機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以文本形式存儲(chǔ)，并可由EXCEL進(jìn)行處理。

4結(jié)論

本試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)巧妙，運(yùn)行穩(wěn)定，功能強(qiáng)大，完全可以滿足大學(xué)或科研單位在地下工程土體滲流試驗(yàn)研究方向上對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉躍南,等.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[收稿日期]2016-03-03

[作者簡(jiǎn)介]路東輝(1978-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：專用試驗(yàn)設(shè)備。

中圖分類號(hào)：TH87

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.019

Development of Soil Seepage Testing System with Backpressure Function

Lu Donghui, Shang Shouxing, Tian Ping

(Changchun Research Institute for Mechanical Science Co., Ltd. Changchun 130103, Jilin, China, China)

Abstract：The testing system is a kind of testing machine which can be used to test the seepage performance of soil under triaxial stress. The testing system consists of axial pressure loading system, confining pressure chamber, confining pressure loading system, backpressure loading system, axial control system, confining pressure control system, anti-pore water pressure measurement and control system and data processing system. The most important characteristic of the testing machine is that it can be used to force different pressures on the top and undersurface of the specimen and to measure the seepage discharge. The testing machine can be used to realize the constant strain control or constant load control for sample, and it can also be applied to force the dynamic load with specific frequency and specific amplitude to the specimen.

Keywords:soil; triaxial; seepage