[发明专利]一种可消除膜顺变效应影响的动静态三轴试验方法

权利要求书

1.一种可消除膜顺变效应影响的动静态三轴试验方法，其特征在于，所述的动静态三轴试验方法基于压力室测量装置和补偿装置实现，其中压力室测量装置和补偿装置通过软管(300)连接，软管(300)上设有阀门；具体包括以下步骤：

第一步，组建压力室测量装置和补偿装置

将压力室测量装置安装在主体支座结构的下台上部中心位置处，其中压力室测量装置包括笔式位移传感器(101)、上排水口直通阀(102)、下排水口直通阀(103)、上孔隙水压力传感器(104)、下孔隙水压力传感器(105)、滑台(106)、RSF光栅尺(107)、圆环驱动器(108)、L型连接板(109)、无刷伺服电机(110)、钢制台座(111)、三轴试样底部排水管(112)、外置式轮辐式压力传感器(113)、钢垫板(114)、实心加载轴(115)、高精度围压传感器(116)、三轴压力室上盘(117)、内置式微型压力传感器(118)、三轴试样顶部排水管(119)、三轴试样帽(120)、钢制圆环内环(121A)、钢制圆环外环(121B)、有机玻璃三轴压力室外壳(122)、激光位移传感器测量装置(123)、三轴试样(124)、三轴试样底座(125)、台柱(126)、三轴压力室下盘(127)；所述的外置式轮辐式压力传感器(113)上表面与加载装置下端相连，其下表面与实心加载轴(115)上端相连，用于测量三轴试样实际受力；所述的外置式轮辐式压力传感器(113)下表面与实心加载轴(115)连接；所述的实心加载轴(115)下端与内置式微型压力传感器(117)上端相连，内置式微型压力传感器(118)端法兰构件与三轴试样帽(120)相连；所述的钢垫板(114)一端设有通孔与实心加载轴(115)连接，钢垫板(114)平面与其下方的三轴压力室上盘(117)平行；所述的笔式位移传感器(101)垂直立于钢垫板(114)之上，用于测量三轴试样(124)的轴向变形；所述的三轴压力室上盘(117)非中心处开有多个通孔，用于装配下孔隙水压力传感器(105、上孔隙水压力传感器(104)以及高精度围压传感器(116)；所述的三轴试样底座(125)用于放置三轴试样(124)，在三轴压力室下盘(127)边缘处设置台柱(126)；所述的有机玻璃三轴压力室外壳(122)装配在三轴压力室上盘(117)和三轴压力室下盘(127)之间；所述三轴试样帽(120)中心位置开孔，孔洞上端通过三轴试样顶部排水管(119)与上排水口直通阀(102)输入端相连；三轴试样底座(125)中心位置开孔，孔洞下端通过三轴试样底部排水管(112)与下排水口直通阀(102)输入端相连；所述的钢制台座(111)固定在三轴压力室下盘(127)外边缘处；所述的RSF光栅尺(107)一侧紧贴L型连接板(109)垂直一侧并固定在钢制台座(111)上，滑台(106)与无刷伺服电机(110)相邻布置，使其底部嵌入钢制台座(111)；所述的滑台(106)上滑块外侧与十字型钢片一侧相连，并位于钢片正中心，在十字型钢片外边缘设置锚固孔，用于锁紧RSF光栅尺(107)上滑块；所述的钢制圆环外环(121B)外边缘设有通孔，固定于L型连接板(109)水平一侧，钢制圆环内环(121A)与钢制圆环外环(121B)之间安装有支撑架与钢珠，使得二者可以相互转动；所述的圆环驱动器(108)固定在L型连接板垂直一侧，用于驱动钢制圆环内环(121A)旋转；所述的激光位移传感器测量装置(123)包含有四个激光位移传感器，在竖直方向上垂直排列于钢架上；所述的激光位移传感器测量装置(123)的钢架末端通过螺栓固定在钢制圆环内环(121A)内边缘处；

所述的补偿装置用于向试样内注水以消除橡皮膜的顺变性，包括三通接头(201)、高精度反压传感器(202)、无刷伺服电机(203)、活塞杆液压缸(204)、连接杆(205)、活塞轴(206)、直线电动推杆(208)、法兰支座(209)、钢制底座(210)；所述的法兰支座(209)为∏形板结构，由一个横板和两个竖板固定连接组成，法兰支座(209)的两个竖板安装在钢制底座(210)上部；所述的直线电动推杆(208)安装在法兰支座(209)横板的上表面；所述的无刷伺服电机(203)安装在法兰支座(209)板的下表面，无刷伺服电机(203)的输出端穿过法兰支座(209)与直线电动推杆(208)连接，无刷伺服电机(203)用于驱动直线电动推杆(208)；所述的直线电动推杆(208)上端通过连接杆(205与活塞杆液压缸(204)的法兰固定连接，活塞杆液压缸(204的活塞与直线电动推杆(208内部的活塞轴(206)连接；所述的三通接头(201)分别连接高精度反压传感器(202)、下排水口直通阀的输出端和活塞杆液压缸(204)的液压出口；在钢制底座(210)上安装与工控机通信连接的补偿装置柜(207)，用于对补偿装置供电，高精度反压传感器(202)和无刷伺服电机(203)与补偿装置控制柜(207)电连接；

第二步，安装压力室测量装置，制备砂砾料三轴试样，并进行试样安装，调整激光位移传感器测量装置(123)的位置，使四个激光位移传感器激光水平，同时使激光位移传感器测量装置(123)最下端的激光位移传感器的激光与三轴试样底部平齐，此时最顶端的激光位移传感器应对准三轴试样(124)的3/4高度的水平面；之后，对砂砾料三轴试样进行通气、饱和；同时，将上孔隙水压力传感器(104)数据线、下孔隙水压力传感器(105)数据线、高精度围压传感器(116)数据线、内置式微型压力传感器(118)数据线、外置式轮辐式压力传感器(113)数据线、笔式位移传感器(101)数据线、压力室测量装置的无刷伺服电机(110)控制线、补偿装置的无刷伺服电机(203)控制线、激光位移传感器测量装置(123)数据线及RSF光栅尺(107)数据线与控制采集电控机上数据采集控制卡相连；完成试验加载前的所有准备工作；

第三步，对饱和砂砾料三轴试样进行固结试验，通过工控机调整压力室的围压，对三轴试样(124)逐级进行加载，在该过程中对膜嵌入量随有效围压的变化进行准确测量；测量方法如下：

在固结试验过程中，首先启动无刷伺服电机(110)带动激光位移传感器测量装置(123)从三轴试样(124)底部自下而上扫描，测得三轴试样的轴向应变ε_h；然后保持竖向位置不变，启动圆环驱动器(108)驱动钢制圆环内环(121A)带动激光位移传感器测量装置(123)绕三轴试样(124)旋转，测量径向应变，之后控制无刷伺服电机(110)使激光位移传感器测量装置(123)下降三轴试样(124)1/40的高度，控制竖直高度不变，再次启动圆环驱动器(108)驱动钢制圆环内环(121A)带动激光位移传感器测量装置(123)绕三轴试样(124)旋转，测量径向应变；之后保持每一次的下降高度不变重复以上操作直至激光位移传感器测量装置(123)回到初始位置，即可测得三周试样(124)的径向应变ε_r；

计算得三轴试样的骨架体积应变为：

2×ε_r+ε_h＝ε_{v_骨架}

则砂砾料三轴试样骨架体积变形V_骨架为：

V_骨架＝ε_{v_骨架}×V_原

此时，通过电子天平测量排出水的质量，即三轴试样(124)的总体积变形V_总，进而计算出膜嵌入的体积V_膜嵌入：

V_膜嵌入＝V_总-V_骨架

上述固结试验中测得的膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线作为后续动静加卸载试验膜嵌入效应修正输入量；此时，围压即为有效围压，上述膜嵌入量随围压变化的关系曲线即为膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线；

第四步，固结试验结束之后，关闭下排水口直通阀(103)，继续进行砂砾料三轴试样动力不排水加载试验；通过工控机设定加卸载控制方式以及加卸载速率，控制外置加载装置，对砂砾料三轴试样(124)进行动力加载，将笔式位移传感器(101)作为砂砾料三轴试样实际轴向变形信号源；加载过程中，实时采集并保存内置式微型压力传感器(118)、外置式轮辐式压力传感器(113)、笔式位移传感器(101)、上孔隙水压力传感器(104)、孔隙水压力传感器(112)及高精度围压传感器(116)的数据；因是动力试验，取上孔隙水压力传感器(104)和下孔隙水压力传感器(105)测得的孔压值的平均值作为砂砾料三轴试样内部压力值；高精度围压传感器(116)测得围压值为实际围压值；

第五步，根据膜嵌入量随围压变化的关系曲线即为膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线计算补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体的体积，方法具体如下：

在动力试验过程中，定义初始时刻t₀的围压为u₀,定义下一时刻t₁的有效围压为u₁，此时的孔压为u′₁，有效围压随孔压的上升而逐渐降低，其计算方法如下：

u₁＝u₀-u′₁

在试验过程中，围压传感器将有效围压的数值传输给工控机，工控机根据固结试验中获得的膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，首先根据围压u₀确定t₀时刻的膜嵌入量V_t0膜嵌入；随着试验的进行到下一时刻t₁时，工控机根据围压试验中获得的膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，继续根据有效围压u₁确定t₁时刻的膜嵌入量为V_t1膜嵌入，由此计算出补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体的体积V_补偿，计算方法为：

V_补偿＝V_t0膜嵌入-V_t1膜嵌入

若V_补偿0,表示补偿装置向三轴试样内部吸出液体；若V_补偿0，表示补偿装置三轴试样内部推入液体；

根据实时有效围压值与膜嵌入量随有效围压变化的关系曲线，获得实时膜嵌入量，再根据上述计算方法计算出实时补偿装置所应推入或吸出三轴试样内部的液体的体积，补偿装置控制柜(207)控制无刷伺服电机(203)转速与转动方向，无刷伺服电机(203)转子带动直线电动推杆(208)转子运动，直线电动推杆(208)转子带动直线活塞轴(206)运动，直线活塞轴(206)带动活塞杆液压缸(204)活塞运动，将液体推入或吸出砂砾料三轴试样内部，实现实时补偿；控制及采集程序不断重复上述步骤至动力加卸载试验结束。