[发明专利]一种土工三轴仪用加载装置及加载方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种土工三轴仪用加载装置及加载方法。

技术背景

土工三轴是一种重要的岩土工程测试手段，也是现行规范所要求的测试项目之一。常规三轴试验分为不固结不排水试验，固结不排水试验，固结排水试验，可测定土体的抗压强度、抗剪强度、泊松比。三轴试验中围压和反压的加载以及体变、排水体积的量测是三轴试验的重要内容。

传统的三轴仪围压和反压的加载装置多采用调压筒，调压筒通常由电机、齿轮箱和压力缸组成，此种结构整体存在有以下问题：(1)由于压力缸体积有限，因此可调节的体积有限，经常出现试验过程中因压力缸活塞到达极限使得试验中断；(2)为了提高体积调节范围，要求压力缸的体积较大(多为200-500ml)，这使得活塞截面积大，从而在加载水的体积一定的情况下，使得活塞横向运动距离的控制精度较低；同时，大体积的压力缸需要大功率电机及齿轮箱加载；(3)加载动力源采用电机驱动齿轮箱，齿轮间隙造成加压、减压反应迟缓；(4)用于密封调压筒内部的活塞橡皮圈易产生变形，也使得加载精度下降；(5)体积测量精度受限于位移传感器、活塞面积等，而不得不增加体变管用于体变的量测；(6)无法实现进出水量的精确控制。

另外，在三轴试验中，体变及排水体积测量通常采用滴定管，为了实现数据的动态采集，通常采用差压传感器测量滴定管上下液面压力差的办法测量排水量，这种方法存在以下缺点：(1)排水体积受滴定管的直径和长度限制，太粗则精度差，太细则量程太小；(2)无法精确保持压力，压力随滴定管液面变化而变化，无法设定固定值；(3)要求同时控制压力及测定水量变化时，需多件设备及复杂的结构。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种可以实现无限体积加载，且加载精度较高的土工三轴仪用加载装置及加载方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种土工三轴仪用加载装置，包括压力缸，所述压力缸通过第一管路连接土工三轴仪目标室，在所述第一管路上通过第二管路连接有无气水容器，无气水容器位于所述压力缸的上方，所述第二管路上设置有第一电磁阀；

所述第一管路上设置有第二电磁阀，第二电磁阀位于第一管路和第二管路的连接处与土工三轴仪目标室之间；

所述第二电磁阀和土工三轴仪目标室之间的管路上连接有第一水压力传感器，所述第一水压力力传感器连接数字控制单元，所述的第一电磁阀和第二电磁阀均与所述的数字控制单元连接；

所述压力缸内的活塞与步进电机连接，所述步进电机的转轴上连接有编码器，所述步进电机和编码器均与所述数字控制单元连接。

进一步地，所述压力缸的缸体顶端和底端分别安装有第一光电传感器和第二光电传感器，二者均与所述数字控制单元连接。

进一步地，所述第二管路与第一管路的连接处与压力缸之间的第一管路上连接有第二水压力传感器，第二水压力传感器与所述数字控制单元连接。

进一步地，所述压力缸的侧壁上设置有排气孔，排气孔上安装有排气阀。

进一步地，所述排气孔处连接有温度传感器，所述温度传感器与所述数字控制单元连接。

可选地，所述步进电机通过滚珠丝杠与活塞连接。

一种应用本发明的装置对土工三轴仪进行加载的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：设目标室的目标压力为P₁，目标压力P₁与实际压力P₂的压力差ΔP的允许误差设为ΔP'；向无气水容器中注入无气水，无气水上表面设置矿物油与大气隔绝，将第一管路与目标室入口相连，关闭第二电磁阀，打开第一电磁阀，并打开排气阀，利用排气孔将系统中的空气排出；关闭排气阀和第一电磁阀；

步骤2：系统自检活塞的位置：数字控制单元获取活塞的位置，并判断活塞是否位于压力缸缸体两端，如果是，则打开第一电磁阀，调整活塞至压力缸的缸体中部位置，并关闭第一电磁阀，转步骤3；否则，执行步骤3；

步骤3：数字控制单元读取目标室的目标压力P₁，第一水压力传感器测得目标室内的实际压力P₂，并将该压力信号反馈给数字控制单元；

步骤4：数字控制单元判断压力差ΔP是否超过ΔP'，如果是，则执行步骤6；如果否，则转步骤5；

步骤5：数字控制单元通过编码器获得的活塞的实时位置信息，记录压力缸的进出水量，以及目标室内的实际压力；转步骤9；