一种实现静载与高频循环荷载耦合作用的三轴仪

1.本发明属于岩土工程测试设备和环境振动工程技术领域，涉及一种实现静载与高频循环荷载耦合作用的三轴仪。


背景技术：

2.随着我国区域经济呈现迅猛的发展态势，地区之间的交通量大幅增加，高速铁路、高速公路线路数呈急速增长趋势，路基土体受交通荷载长期高频振动作用，特别是高速铁路面临提速趋势，朝400km/h甚至更高速发展。因此，轨下路基土体受高频循环荷载作用下的长期服役性能将直接影响高铁列车的安全运营及舒适性保障。基于其高频振动特性，特别是轨下路基土体动力响应随着土体埋深增加，动应力幅急剧衰减。而土体在高频率、低振幅的动荷载作用下可产生抗剪强度急剧衰减、孔隙水压力急剧增加及变形急剧发展。
3.现有岩土动力学性质测试设备主要有动单剪仪、常规振动三轴仪、共振柱仪、振动扭剪三轴仪等。这些设备功能均比较受限，特别是常规振动三轴仪目前可加载频率约为10hz。此外，室内试验常用的围压加载方式是水压加载，特别是加载杆与三轴室顶盖间的摩擦力较大，高频振动时，两者间的摩擦力急剧增加，导致输出的动力大幅缩小。而通用的体积应变传感器均通过孔隙水压力变化补偿来换算体积应变，其伺服系统内腔由于横截面积较大，振动引起的较小体积变化通过水压伺服而几乎监测不到。因此，在高频低幅振动作用下，常规仪器已很难满足上述高频循环荷载条件的实验需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种实现静载与高频循环荷载耦合作用的三轴仪，能够实现高加载频率(如150hz)、动应力幅(一般不高于6kpa)、高能量输入(摩擦耗散降到最低)、高精度体应变传感器，且运行成本较低，可以解决现有岩土动力学性质测试设备中存在的仪器功能限制及检测精度不足等问题。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种实现静载与高频循环荷载耦合作用的三轴仪，该三轴仪包括加载系统以及与加载系统相适配的测量单元，加载系统包括加载架、设置在加载架上的反力架、设置在加载架上并位于反力架下方的升降台、设置在升降台上并用于放置试样的三轴室、设置在三轴室顶部的三轴室顶盖、设置在反力架下方的音圈电机、与音圈电机传动连接并贯穿三轴室顶盖的加载杆以及与三轴室的内部相连通的气压源，所述的测量单元包括压力测量系统、轴力测量系统、加速度测量系统、位移测量系统、体积测量系统及采集分析系统。加载杆承担传递荷载作用。加载系统可以实现静力加载及动态加载，其特点是可以根据静力剪切速率及轴向应力条件，实现高频循环荷载施加，轴向应力的控制通过控制加载架上的升降台高度来实现，围压由三轴室提供，实现较高的静应力水平；动荷载由音圈电机施加，音圈电机通过内部移动式永久磁铁的高频运动将动载施加于试样。该加载系统具有更高效、更精确的高频动荷载加载方式，从而获得更高的测量精度。
7.进一步地，所述的轴力测量系统包括设置在反力架与音圈电机之间的高频荷载传感器，所述的采集分析系统分别与高频荷载传感器、音圈电机电连接。优选地，高频荷载传感器与反力架通过螺栓固结，音圈电机与高频荷载传感器通过螺栓固结，加载杆与音圈电机底部通过螺栓固结。可根据需要调整采集频率从而实现试样的轴向应力采集。
8.进一步地，所述的试样上覆盖有乳胶膜，顶部设有试样帽，所述的加载杆的底部与试样帽接触。
9.进一步地，所述的三轴室顶盖与加载杆之间设有钢珠导套，该钢珠导套内设有多个与加载杆相适配的钢珠。钢珠既减小了加载杆与三轴室顶盖的摩擦力，又能在高频荷载振动施加过程中空气的流动形成气膜，也能大大减小音圈电机振动作用的能量耗散，并且该加载方式还能避免常规水压由于高频动态加载所产生的水的粘滞作用导致装置摩擦力增加。
10.进一步地，所述的气压源与试样的顶部之间设有第一高压透明管，所述的气压源与试样的底部之间设有第二高压透明管，所述的气压源与三轴室内腔之间设有第三高压透明管，所述的第一高压透明管、第二高压透明管、第三高压透明管上均设有阀。阀包括调压阀、开关阀等。
11.进一步地，所述的压力测量系统包括设置在第三高压透明管上的围压传感器以及设置在第二高压透明管上的孔隙水压力传感器，所述的体积测量系统包括设置在第一高压透明管上的体应变传感器，所述的采集分析系统分别与围压传感器、孔隙水压力传感器、体应变传感器电连接。气压源通过高压透明管连通三轴室和试样，利用围压传感器及孔隙水压力传感器，在不排水试验条件下关闭第一高压透明管上的阀门即能实现孔隙水压力高精度测量。体应变传感器能够实现试样体积变化的高精度监测，在高频循环荷载下土体的排水体积变化微小，故需要高精度测量仪器。
12.进一步地，所述的加速度测量系统包括设置在加载杆上的转接杆以及设置在转接杆上的加速度传感器，所述的采集分析系统与加速度传感器电连接。
13.进一步地，所述的位移测量系统包括设置在三轴室顶盖上的激光位移传感器，所述的采集分析系统与激光位移传感器电连接。激光位移传感器测定静力剪切及由于音圈电机振动时试样的高频位移响应。
14.进一步地，所述的采集分析系统包括高频数据采集仪，该高频数据采集仪分别与音圈电机、压力测量系统、轴力测量系统、加速度测量系统、位移测量系统、体积测量系统电连接。高频数据采集仪的单通道最高采集频率可达5khz。
15.进一步地，所述的采集分析系统还包括与高频数据采集仪电连接的计算机。高频采集仪通过高带宽光纤接入计算机，计算机可进行数据显示、存储和分析处理。
16.本发明中，加载系统可实现静荷载与高频循环荷载的同步耦合加载，静荷载的控制通过调节轴向应力、围压和反压实现，静荷载为升降台、三轴室、加载杆、音圈电机、高频荷载传感器、反力架及加载杆与三轴室顶盖间的摩擦力共同控制，轴向应力通过计算机控制三轴室升降速率实现，围压和反压由气压源提供，围压和反压大小由调压阀控制，气压源通过提供气压及调整调压阀通过三轴室施加于试样，从而实现较高的轴向静应力水平；高频循环荷载通过计算机控制音圈电机的输入电流而产生高频循环荷载将驱动力以动荷载的形式作用于试样，从而实现了静载与高频循环荷载的耦合加载，具有荷载频率及幅值调
节范围广、测量精度高、操作简洁等优点。
17.其中，静荷载通过围压及反压作用于试样，试样有一定抗剪强度，三轴室以固定速率向上移动，使得试样受三轴压缩剪切，从而达到目标强度；动荷载通过音圈电机内部的移动式永久磁铁与固定线圈间所产生的低惯性安培力来实现，所产生的动荷载具有高频率、低振幅的特点；三轴室顶盖与加载杆之间的钢珠导套侧向设置小钢珠，保证气压加载过程中不锈钢质加载杆与三轴室顶盖间形成一道气膜，从而减小两者间的摩擦力，保证音圈电机所产生的动应力全部作用于试样，相较于水压加载围压，其能够有效避免由于高频振动导致三轴室内部产生的粘滞作用增大加载杆的摩擦力；音圈电机通过导线连接在高频数据采集仪上。
18.与现有技术相比，本发明具有以下特点：
19.1)本发明可实现静载与高频循环荷载的耦合作用，可实现150hz高频低幅值循环荷载，循环时间或次数可根据需要及音圈电机发热情况而定；实现低至0.5kpa的低应力幅的精确控制，其误差小于0.1kpa。
20.2)本发明的三轴室顶盖与加载杆间通过设计钢珠实现低摩擦的振动作用，气压加载避免由于三轴室内水压波动而产生的粘滞作用增大加载杆与三轴室间的摩擦耗散，气压加载可使钢珠与加载杆间形成气膜，从而实现音圈电机动力高效地传递给试样，实现了高频低幅稳定振动作用。
21.3)本发明可完成传统动三轴仪不能完成的特殊三轴试验，结构更加简单，制作方便且成本更低，精度更高。
附图说明
22.图1为本发明的整体结构示意图；
23.图2为本发明中钢珠导套的结构示意图；
24.图中标记说明：
25.1—反力架、2—高频荷载传感器、3—音圈电机、4—转接杆、5—加载杆、6—三轴室顶盖、7—三轴室、8—试样、9—第一高压透明管、10—加速度传感器、11—激光位移传感器、12—钢珠、13—加载架、14—第三高压透明管、15—第二高压透明管、16—围压传感器、17—孔隙水压力传感器、18—气压源、19—体应变传感器、20—高频数据采集仪、21—计算机、22—升降台、23—试样帽。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
27.实施例1：
28.如图1所示的一种实现静载与高频循环荷载耦合作用的三轴仪，包括加载系统以及与加载系统相适配的测量单元，加载系统包括加载架13、设置在加载架13上的反力架1、设置在加载架13上并位于反力架1下方的升降台22、设置在升降台22上并用于放置试样8的三轴室7、设置在三轴室7顶部的三轴室顶盖6、设置在反力架1下方的音圈电机3、与音圈电
机3传动连接并贯穿三轴室顶盖6的加载杆5以及与三轴室7的内部相连通的气压源18，所述的测量单元包括压力测量系统、轴力测量系统、加速度测量系统、位移测量系统、体积测量系统及采集分析系统。
29.其中，轴力测量系统包括设置在反力架1与音圈电机3之间的高频荷载传感器2，采集分析系统分别与高频荷载传感器2、音圈电机3电连接。
30.试样8上覆盖有乳胶膜，顶部设有试样帽23，加载杆5的底部与试样帽23接触。
31.如图2所示，三轴室顶盖6与加载杆5之间设有钢珠导套，该钢珠导套内设有多个与加载杆5相适配的钢珠12。
32.气压源18与试样8的顶部之间设有第一高压透明管9，气压源18与试样8的底部之间设有第二高压透明管15，气压源18与三轴室7内腔之间设有第三高压透明管14，第一高压透明管9、第二高压透明管15、第三高压透明管14上均设有阀。
33.压力测量系统包括设置在第三高压透明管14上的围压传感器16以及设置在第二高压透明管15上的孔隙水压力传感器17，体积测量系统包括设置在第一高压透明管9上的体应变传感器19，采集分析系统分别与围压传感器16、孔隙水压力传感器17、体应变传感器19电连接。
34.加速度测量系统包括设置在加载杆5上的转接杆4以及设置在转接杆4上的加速度传感器10，采集分析系统与加速度传感器10电连接。
35.位移测量系统包括设置在三轴室顶盖6上的激光位移传感器11，采集分析系统与激光位移传感器11电连接。
36.采集分析系统包括高频数据采集仪20，该高频数据采集仪20分别与音圈电机3、压力测量系统、轴力测量系统、加速度测量系统、位移测量系统、体积测量系统电连接。采集分析系统还包括与高频数据采集仪20电连接的计算机21。
37.实施例2：
38.一种实现静载与高频循环荷载耦合作用的三轴仪，与传统的仪器相比，其频率范围为0-150hz，而本实施例高频率低应力幅控制相较于传统仪器控制更加简单，动应力幅一般低于6kpa，能够实现高效率动载施加及高精度测量，其测量轴向应力误差为0.1kpa，水压误差0.5kpa，位移误差0.0003mm，体积监测误差0.001ml。
39.该三轴仪包括以下结构：加载系统、压力测量系统、轴力测量系统、加速度测量系统、位移测量系统、体积测量系统。
40.加载系统包括反力架1、音圈电机3、加载杆5、三轴室顶盖6、三轴室7、升降台22、加载架13、气压源18；高频荷载传感器2与反力架1通过螺栓固结，音圈电机3与高频荷载传感器2通过螺栓固结，加载杆5与音圈电机3底部通过螺栓固结，加载杆5底部与试样帽23接触，三轴室7内设有试样8，试样8为乳胶膜覆盖。加载系统可以控制静荷载及高频循环荷载，静荷载通过调节轴向应力及围压及反压实现，静荷载为升降台22、三轴室7、加载杆5、音圈电机3、高频荷载传感器2、反力架1及加载杆5与三轴室顶盖6间的摩擦力共同控制，围压和反压由气压源18提供，围压和反压大小由第二高压透明管15、第三高压透明管14上的调压阀控制，气压源18提供气压，调整调压阀并通过三轴室7施加于试样8，从而实现较高的轴向静应力水平；高频循环荷载通过计算机21控制音圈电机3的输入电流而产生高频循环荷载，将驱动力以动荷载的形式作用于试样8，从而实现了静载与高频循环荷载的耦合加载。
41.静荷载通过围压及反压作用于试样8，试样有一定抗剪强度，三轴室7以固定速率向上移动，使得试样8受三轴压缩剪切，从而达到目标强度；动荷载通过音圈电机3内部移动式永久磁铁与固定线圈间所产生的低惯性安培力来实现，所产生的动荷载具有高频率、低振幅的特点；三轴室顶盖6内部的导向装置内部侧向设置小弹珠12，保证气压加载过程中不锈钢质加载杆5与三轴室顶盖6间形成一道气膜，从而减小两者间的摩擦力，保证音圈电机3所产生的动应力全部作用于试样8，相较于水压加载围压，其能够有效避免由于高频振动导致三轴室7内部产生的粘滞作用增大加载杆5的摩擦力；音圈电机3通过导线连接在高频数据采集仪20上。
42.压力测量系统的高频荷载传感器2分别与反力架1和音圈电机3通过螺栓固结，气压源18通过多个高压透明管连通三轴室7和试样8，第三高压透明管14与气压源18间设置围压传感器16；第二高压透明管15与气压源18间设置孔隙水压力传感器17，在不排水试验条件下关闭第一高压透明管9上的阀门即能实现孔隙水压力高精度测量。围压传感器16和孔隙水压力传感器17通过导线连接在高频数据采集仪20上。
43.轴力测量系统的高频荷载传感器2连接加载架1和音圈电机3，可根据需要调整采集频率从而实现试样8的轴向应力采集，传感器电路通过导线连接在高频数据采集仪20上。
44.加速度测量系统的加速度传感器10通过转接杆4固定于加载杆5上，传感器电路通过导线连接在高频数据采集仪20上。
45.位移测量系统的激光位移传感器11固定于三轴室顶盖6上，测定静力剪切及由于音圈电机3振动时试样8的高频位移响应，传感器电路通过导线连接在高频数据采集仪20上。
46.体积测量系统的体应变传感器19连接在气压源18与试样8顶部之间，通过体应变传感器19实现体应变的自动化高精度测量。传感器电路通过导线连接在高频数据采集仪20上。
47.本实施例中，压力测量系统、轴力测量系统、加速度测量系统、位移测量系统和体积测量系统连接高频数据采集仪20，其单通道最高采集频率可达5khz，高频数据采集仪20接入计算机21，进行数据显示和存储。
48.实验过程中，可以根据实验要求更换不同规格的三轴室7及试样8尺寸(φ39.1mm、φ50mm、φ61.8mm)，试样8由乳胶膜覆盖，乳胶膜的上下两端分别固定在三轴室7底部和试样帽23上，加载杆5底端与试样帽23接触，将轴向荷载通过加载杆5传递给试样。静荷载的施加通过控制轴向应力、围压以及反压实现，轴向应力通过计算机21控制升降台22的升降速率实现，围压由气压源18及第二高压透明管15、第三高压透明管14上的调压阀控制使试样8达到预期的应力水平；反压由气压源18及第三高压透明管14上的调压阀控制使试样8达到预期反压；加载系统中的音圈电机3通过高频数据采集仪20和计算机21共同控制将高频循环荷载施加于试样8。试样8中的孔隙水压力由孔隙水压力传感器17测得，围压由围压传感器16测得，轴向应力由高频荷载传感器2测得，轴向位移由激光位移传感器11测得，振动加速度由加速度传感器10测得，并通过高频数据采集仪20及计算机21记录数据。
49.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领
域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。