一种新型真三轴仪的研制与开发

1、一种新型真三轴仪的研制与开发一种新型真三轴仪的研制与开发 邵生俊邵生俊西安理工大学岩土工程研究所西安理工大学岩土工程研究所2008.10 2008.10 目录 引言引言 新型真三轴仪研制的基本目标和思路新型真三轴仪研制的基本目标和思路 新型真三轴仪的研制新型真三轴仪的研制 试验误差初步分析试验误差初步分析 试验验证试验验证 结论结论 刚性板加荷刚性板加荷 试样安装在六个刚性板之间，当在三个应力方向施加压力试样安装在六个刚性板之间，当在三个应力方向施加压力时，试样会产生相应的主应变。这类加荷方式以剑桥大学时，试样会产生相应的主应变。这类加荷方式以剑桥大学真三轴仪为代表。真三轴仪为代表。 柔性囊加

2、荷柔性囊加荷 全部由液压系统控制三个主应力，通过橡皮囊对试样施加全部由液压系统控制三个主应力，通过橡皮囊对试样施加液压。这类加荷方式以科罗拉多大学真三轴仪为代表。液压。这类加荷方式以科罗拉多大学真三轴仪为代表。 复合加荷复合加荷 这种加荷方式某些方向采用刚性压膜，其它方向上又采用这种加荷方式某些方向采用刚性压膜，其它方向上又采用柔性压膜。这种加荷方式的三轴仪以日本京都大学的真三柔性压膜。这种加荷方式的三轴仪以日本京都大学的真三轴仪和英国皇家学院真三轴仪为代表。轴仪和英国皇家学院真三轴仪为代表。压力室结构特点及加载方式压力室结构特点及加载方式几种加荷方式的优点几种加荷方式的优点 刚性加荷刚性加荷

3、：能精确测量应变、能产生均匀应变、可达到较：能精确测量应变、能产生均匀应变、可达到较大的轴大的轴 向应变、可模拟复杂的应力应变路径、可在加荷向应变、可模拟复杂的应力应变路径、可在加荷板上安装压力盒及孔隙压力计等。板上安装压力盒及孔隙压力计等。 柔性加荷柔性加荷 ：法向主应力作用于加荷面、在各面上能均匀法向主应力作用于加荷面、在各面上能均匀分布应力、在无明显边界干扰情况下能在三个方向上达到分布应力、在无明显边界干扰情况下能在三个方向上达到最大应变、能按预定的复杂应力路径进行试验、能产生剪最大应变、能按预定的复杂应力路径进行试验、能产生剪切挠曲并可测量变形。切挠曲并可测量变形。 复合加荷：复合加荷

4、：以刚性边界作为压缩方向，应力控制的柔性边以刚性边界作为压缩方向，应力控制的柔性边界作为挤伸方向可免除边界干扰；孔隙压力计及其他仪器界作为挤伸方向可免除边界干扰；孔隙压力计及其他仪器易于安装；若预定的试验面与仪器轴成某一固定方向，则易于安装；若预定的试验面与仪器轴成某一固定方向，则可按应力路径或应变路径进行试验；可模拟平面应变。可按应力路径或应变路径进行试验；可模拟平面应变。几种加荷方式的缺点几种加荷方式的缺点 刚性加荷：刚性加荷：应力不均匀难以检验；不适宜于剪切挠曲；当应力不均匀难以检验；不适宜于剪切挠曲；当轴向应变大时，会产生加荷板干扰；不能进行预定的应力轴向应变大时，会产生加荷板干扰；不

5、能进行预定的应力路径试验；仪器较大而不灵巧；操作复杂。路径试验；仪器较大而不灵巧；操作复杂。 柔性加荷：柔性加荷：如不采取特殊预防措施，会产生边界干扰；如如不采取特殊预防措施，会产生边界干扰；如不加专门润滑措施，则难以达到均匀应变；只有通过逐步不加专门润滑措施，则难以达到均匀应变；只有通过逐步校正作用于平面的法向应力，才可能达到平面应变条件；校正作用于平面的法向应力，才可能达到平面应变条件；孔隙压力计不易安装。孔隙压力计不易安装。 复合加荷：复合加荷：预定的复杂应力路径试验难以进行，或根本不预定的复杂应力路径试验难以进行，或根本不可能进行；刚性板和柔性板上法向应力场和应变场的均匀可能进行；刚性

6、板和柔性板上法向应力场和应变场的均匀性难以确定；在边界附近产生不均匀应力场和应变场；仪性难以确定；在边界附近产生不均匀应力场和应变场；仪器较大而不灵巧；操作较复杂；仪器不允许剪切挠曲。器较大而不灵巧；操作较复杂；仪器不允许剪切挠曲。 引言引言 新型真三轴仪研制的基本目标和思路新型真三轴仪研制的基本目标和思路 新型真三轴仪的研制新型真三轴仪的研制 试验误差初步分析试验误差初步分析 试验验证试验验证 结论结论 总体要求、能够分别控制应力与应变、能够分别控制应力与应变、三向独立加荷、三向独立加荷、能够控制排水条件：、能够控制排水条件：、自动量测与控制、自动量测与控制基本目标 、水平面内两个主应力方向

7、上应力和变形均呈、水平面内两个主应力方向上应力和变形均呈对称分布；对称分布； 、土样侧面不受切向约束作用；、土样侧面不受切向约束作用； 、能够适应加载过程立方体土样变形引起侧棱、能够适应加载过程立方体土样变形引起侧棱变位的变化；变位的变化； 、能够适应土样侧棱挤出变形的发展；、能够适应土样侧棱挤出变形的发展； 、避免了三向主应力加载过程的互相干扰；、避免了三向主应力加载过程的互相干扰； 、加载过程土样保持对称，在水平面上始终中、加载过程土样保持对称，在水平面上始终中心受荷。心受荷。 引言引言 新型真三轴仪研制的基本目标和思路新型真三轴仪研制的基本目标和思路 新型真三轴仪的研制新型真三轴仪的研制

8、 试验误差初步分析试验误差初步分析 试验验证试验验证 结论结论 新型真三轴仪的研制新型真三轴仪的研制 加荷方式：加荷方式： 在轴向用刚性板施加大主应力；在侧向分别有两对柔性囊在轴向用刚性板施加大主应力；在侧向分别有两对柔性囊相向施加中主应力和小主应力。相向施加中主应力和小主应力。 关键技术：关键技术： 在压力室各侧压腔之间设置了能够径向弹性伸缩、水平面在压力室各侧压腔之间设置了能够径向弹性伸缩、水平面内弹性转动的隔离板，能够有效分离相邻液压囊。内弹性转动的隔离板，能够有效分离相邻液压囊。 整体结构整体结构压力室结构加荷系统加荷系统 其它关键问题其它关键问题 量测系统：应力量测、变形量测和孔隙水

9、量测系统：应力量测、变形量测和孔隙水压力量测。压力量测。 排水系统排水系统 自动控制系统自动控制系统 附属设备附属设备 引言引言 新型真三轴仪研制的基本目标和思路新型真三轴仪研制的基本目标和思路 新型真三轴仪的研制新型真三轴仪的研制 试验误差初步分析试验误差初步分析 试验验证试验验证 结论结论 端部的约束作用端部的约束作用 液压橡皮囊和橡皮膜的摩擦作用液压橡皮囊和橡皮膜的摩擦作用 液体（水）的压缩性液体（水）的压缩性 柔性液压橡皮囊嵌入压力室结构的缝隙柔性液压橡皮囊嵌入压力室结构的缝隙 引言引言 新型真三轴仪研制的基本目标和思路新型真三轴仪研制的基本目标和思路 新型真三轴仪的研制新型真三轴仪的

10、研制 试验误差初步分析试验误差初步分析 试验验证试验验证 结论结论 黄土的应力应变关系测试结果黄土的应力应变关系测试结果 b=0 b=0.25b=0.5 b=1b=0 b=0.5不同b值的对比w=5% w=10%w=15% w=20%b=0 b=0.25b=0.75 b=1黄土试样的破坏形式黄土试样的破坏形式 a,a侧胀破坏 b,b锥形破坏c,c梯形破坏 d,d六边形破坏 a b c da b c d 含水量最为显著，固结围压次之，含水量最为显著，固结围压次之，b b值最值最小。含水量较大时，易出现侧胀破坏，含水小。含水量较大时，易出现侧胀破坏，含水量较小时，易出现梯形破坏。固结围压较大量较小

11、时，易出现梯形破坏。固结围压较大时，易出现侧胀破坏，固结围压较小时，易时，易出现侧胀破坏，固结围压较小时，易出现梯形破坏。而出现梯形破坏。而b b值与剪切面是否出现无值与剪切面是否出现无直接关系，但它影响着剪切面的形状，直接关系，但它影响着剪切面的形状，b b等等于于0 0是锥形破坏的必要条件。六边形的破坏是锥形破坏的必要条件。六边形的破坏形式实际上是梯形破坏方式的延续，即在试形式实际上是梯形破坏方式的延续，即在试样出现梯形破坏后，继续增大大主应力或降样出现梯形破坏后，继续增大大主应力或降低小主应力而造成的结果。低小主应力而造成的结果。 引言引言 新型真三轴仪研制的基本目标和思路新型真三轴仪研

12、制的基本目标和思路 新型真三轴仪的研制新型真三轴仪的研制 试验误差初步分析试验误差初步分析 试验验证试验验证 结论结论 结论结论 研制开发了一种新型真三轴仪，它具有轴向研制开发了一种新型真三轴仪，它具有轴向刚性板加载、侧向双轴液压柔性囊加载的三向加刚性板加载、侧向双轴液压柔性囊加载的三向加载方式；侧向双轴相邻液压囊之间采用径向弹性载方式；侧向双轴相邻液压囊之间采用径向弹性伸缩、平面弹性转动的薄壁钢板有效隔离技术；伸缩、平面弹性转动的薄壁钢板有效隔离技术；伺服步进电机驱动滚珠丝杆推进活塞产生压力的伺服步进电机驱动滚珠丝杆推进活塞产生压力的液压与体变控制器独立施加三向主应力的自动控液压与体变控制器独立施加三向主应力的自动控制系统。制系统。 通过黄土的真三轴仪试验，从应力应变曲