智能四联应变控制三轴仪的研发与应用

张家港晟泰克智能仪器有限公司 杨熙章 黄兴 邵斌斌 

一、概述

          IZZYJ4—1型智能四联应变控制三轴仪，是在常规三轴仪的基础上进一步改进，开发、研制而成。其目的是为提高三轴仪试验功效和减少占地用房，使三轴试验又特殊项目试验转变成常规的土工试验。因此，该仪器具有结构紧凑，体积小，操作方便、性能稳定、自动化程度高等数据采集与处理功能。实践已证明，改型后的三轴仪可以提功效四倍，是一种国内外比较*、高效、理想的三轴试验仪器。

二、基本组成与功能

1、由步进电机数字控制的竖向加荷系统

          它使用的是一种上*的无级变速装置，不仅出力大、性能稳定、而且变速范围广，是单片机控制和计算机控制的兼容好的自动控制系统。

2、压力室

          加荷试验平台上设有四个压力室，可以施加相同或不相同的周围压力，使土样在固结排水、不固结不排水条件下都能进行同步的三轴压缩试验。

3、多功能三轴试验仪的侧压力控制和反压力控制装置

          它们被设计在同一个控制装置内，体积小巧，周围压力可以直接采用气压控制，也可以进行液压控制，这种控制系统采用单片机数字控制，也可以用步进电机数字液压控制系统进行高压的三轴固结试验，反压力体变管直接安装在主控柜上，可以充分利用仪器空间，使整体形象紧凑而美观。

4、荷载传感器，孔压传感器，体变传感器，位移传感器（可以轴向加荷的步进电机计算）

         荷重传感器安装在四个压力室传压活塞上方的反力架上。孔压传感器安装在四个压力室底部的排水三通上。四个体变传感器分别安装在体变管下端并置于主控柜上，位移传感器的位移量可由计算机控制的轴向加荷的步进电机由步进角计算而得。

5、主控柜组成与功能

         主控柜具有独立控制和数据传输的微型计算机系统，并有触摸屏按照验要求输入试验参数进行三轴应变控制试验，还可以指令三轴试验的围压大小，采集和储存荷重，孔压，体变，位移等有效数据。

         微型计算机的控制系统与计算机连接后，所有的控制参数设定和数据的采集及处理均有计算机执行完成。

6、数据采集和处理系统

          计算机配置兼容性较好的Windows XP 或Windows 2007操作系统。计算机数据采集频率可以根据试验需求用户自行按时间设定和位移量设定。计算机可以自动绘制实时跟踪曲线。横坐标按时间或位移，纵坐标按荷重或孔压设置并且同步记录四个压力室在同一个位移条件下的荷重孔压，或在CD试验（排水条件下）排水量（体变）。

7、本仪器的置换和兼容功能

          IZZYJ4—1型智能四联应变控制三轴仪，可以根据需要在主机加荷平台上置换一个高压三轴，或置换一个大三轴压力室进行平面应变试验，或置换一个CBR试验容器，或者进行四个K₀试验等等。

三、技术指标

1、轴向压力P : 0~40kN，无级变速，加载，卸载；

2、轴向行程：0~100mm，设有限位开关；

3、剪切速率：0.001mm~4mm/min；

4、周围压力（侧压力）σ₃ ：0~600kPa（气压式），0~2000kPa（液压式）；

5、反压力σ_b ：0~600kPa（气水转换），0~2000kPa（液压式）；

6、孔隙压力U ：0~600kPa，0~2000kPa；

7、体积变量∆ V：0~50ml；

8、土样面积：12cm²；

9、土样高度：2倍于土样直径（80mm）；

10、主机体积：600×600×1700mm；

11、测压反压控制体积：750×450×1200mm；

12、净重：150kg。

四、智能四联应变控制三轴仪实验步骤

1、制备土样

       根据实验要求切取四个原状土或人工制备扰动土，分别进行密度和含水率试验以及描述其土样*。

2、将三轴仪处于待机状态（整机检查）通电预热。

3、分别打开四个压力室，土样底部管路、透水石冲水排气饱和。

4、将装有乳胶膜的土样置于土样座上并且把充水排气饱和的土样帽置于土样上端，将乳胶膜扎紧密封。

5、装上压力室后分别施加不同或相同围压，检测式样饱和度，根据UU，CU，CD试验要求进行不排水或者固结排水试验（可以单向或双向排水）。

6、当排水稳定后记下各土样的排水量，按CU， CD式样方法进行等应变控制剪切试验。

7、剪切速率按照试验规程的不同土性和不同的试验方法设定。

8、由微型计算机或计算机采集试验过程中的各项参数直至土的应变为20%停机。

五、试验计算

1、由于四个压力室在步进电机的控制下同步变形（土的变形）为∆h₁，其他四个压力室荷重，孔压，体变参数分别为P₁-P₄ ，U₁-U₄，∆V₁-∆V₄，进行格式化储存与显示。

2、根据土样的排水量来计算土样固结以后的面积和高度（CU、CD试验）。

式中：A₀为土样的原始面积（cm²）；H₀为土样的原始高度（mm）；∆V为固结后的排水量（ml）；V₀为土样原始体积（cm³）；A₀^’为固结后的土样面积（cm²）；H₀^’为固结后的土样高度（mm）。

3、剪切过程中的应力应变计算

轴向应变

式中，h为向变形（mm）。

     剪应力（偏应力）

式中：P为向荷重（N）；A_a为切过程中的试验面积（cm²）；σ₁为主应力（轴向应力kPa）；σ₃为主应力（侧向应力kPa）。

4、有效应力计算

式中：u为隙压力（kPa）。

六、数据采集

七、绘制应力应变曲线和摩尔强度包线

八、结论与意见

1、智能四联应变控制三轴仪是我公司创新发展的结果，该仪器根据国内外的实验室的现状，经反复试验研究，既能满足教学科研，又能够贴近生产实际的需求，是在国内外前沿的，工作效率特别高的自动化的三轴试验仪。

2、智能四联应变控制三轴仪具有出力大，实验空间兼容性强，它不仅可以进行高，中，低四联三轴试验还可以进行大土样智能应力路径三轴试验，大土样的粗粒的渗压试验，四联K₀固结试验以及CBR试验等等。

3、智能四联应变控制三轴仪经用户实践表明该仪器数据稳定，操作方便，自动化程度高，具有较高的工作效率，是国内外的新型三轴仪。