張家港晟泰克智能儀器有限公司 楊熙章 黃興 邵斌斌 

一、概述

          IZZYJ4—1型智能四聯(lián)應(yīng)變控制三軸儀，是在常規(guī)三軸儀的基礎(chǔ)上進一步改進，開發(fā)、研制而成。其目的是為提高三軸儀試驗功效和減少占地用房，使三軸試驗又特殊項目試驗轉(zhuǎn)變成常規(guī)的土工試驗。因此，該儀器具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，操作方便、性能穩(wěn)定、自動化程度高等數(shù)據(jù)采集與處理功能。實踐已證明，改型后的三軸儀可以提功效四倍，是一種國內(nèi)外比較*、高效、理想的三軸試驗儀器。

二、基本組成與功能

1、由步進電機數(shù)字控制的豎向加荷系統(tǒng)

          它使用的是一種上*的無級變速裝置，不僅出力大、性能穩(wěn)定、而且變速范圍廣，是單片機控制和計算機控制的兼容好的自動控制系統(tǒng)。

2、壓力室

          加荷試驗平臺上設(shè)有四個壓力室，可以施加相同或不相同的周圍壓力，使土樣在固結(jié)排水、不固結(jié)不排水條件下都能進行同步的三軸壓縮試驗。

3、多功能三軸試驗儀的側(cè)壓力控制和反壓力控制裝置

          它們被設(shè)計在同一個控制裝置內(nèi)，體積小巧，周圍壓力可以直接采用氣壓控制，也可以進行液壓控制，這種控制系統(tǒng)采用單片機數(shù)字控制，也可以用步進電機數(shù)字液壓控制系統(tǒng)進行高壓的三軸固結(jié)試驗，反壓力體變管直接安裝在主控柜上，可以充分利用儀器空間，使整體形象緊湊而美觀。

4、荷載傳感器，孔壓傳感器，體變傳感器，位移傳感器（可以軸向加荷的步進電機計算）

         荷重傳感器安裝在四個壓力室傳壓活塞上方的反力架上。孔壓傳感器安裝在四個壓力室底部的排水三通上。四個體變傳感器分別安裝在體變管下端并置于主控柜上，位移傳感器的位移量可由計算機控制的軸向加荷的步進電機由步進角計算而得。

5、主控柜組成與功能

         主控柜具有獨立控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈⑿陀嬎銠C系統(tǒng)，并有觸摸屏按照驗要求輸入試驗參數(shù)進行三軸應(yīng)變控制試驗，還可以指令三軸試驗的圍壓大小，采集和儲存荷重，孔壓，體變，位移等有效數(shù)據(jù)。

         微型計算機的控制系統(tǒng)與計算機連接后，所有的控制參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)的采集及處理均有計算機執(zhí)行完成。

6、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)

          計算機配置兼容性較好的Windows XP 或Windows 2007操作系統(tǒng)。計算機數(shù)據(jù)采集頻率可以根據(jù)試驗需求用戶自行按時間設(shè)定和位移量設(shè)定。計算機可以自動繪制實時跟蹤曲線。橫坐標按時間或位移，縱坐標按荷重或孔壓設(shè)置并且同步記錄四個壓力室在同一個位移條件下的荷重孔壓，或在CD試驗（排水條件下）排水量（體變）。

7、本儀器的置換和兼容功能

          IZZYJ4—1型智能四聯(lián)應(yīng)變控制三軸儀，可以根據(jù)需要在主機加荷平臺上置換一個高壓三軸，或置換一個大三軸壓力室進行平面應(yīng)變試驗，或置換一個CBR試驗容器，或者進行四個K₀試驗等等。

三、技術(shù)指標

1、軸向壓力P : 0~40kN，無級變速，加載，卸載；

2、軸向行程：0~100mm，設(shè)有限位開關(guān)；

3、剪切速率：0.001mm~4mm/min；

4、周圍壓力（側(cè)壓力）σ₃ ：0~600kPa（氣壓式），0~2000kPa（液壓式）；

5、反壓力σ_b ：0~600kPa（氣水轉(zhuǎn)換），0~2000kPa（液壓式）；

6、孔隙壓力U ：0~600kPa，0~2000kPa；

7、體積變量? V：0~50ml；

8、土樣面積：12cm²；

9、土樣高度：2倍于土樣直徑（80mm）；

10、主機體積：600×600×1700mm；

11、測壓反壓控制體積：750×450×1200mm；

12、凈重：150kg。

四、智能四聯(lián)應(yīng)變控制三軸儀實驗步驟

1、制備土樣

       根據(jù)實驗要求切取四個原狀土或人工制備擾動土，分別進行密度和含水率試驗以及描述其土樣*。

2、將三軸儀處于待機狀態(tài)（整機檢查）通電預(yù)熱。

3、分別打開四個壓力室，土樣底部管路、透水石沖水排氣飽和。

4、將裝有乳膠膜的土樣置于土樣座上并且把充水排氣飽和的土樣帽置于土樣上端，將乳膠膜扎緊密封。

5、裝上壓力室后分別施加不同或相同圍壓，檢測式樣飽和度，根據(jù)UU，CU，CD試驗要求進行不排水或者固結(jié)排水試驗（可以單向或雙向排水）。

6、當排水穩(wěn)定后記下各土樣的排水量，按CU， CD式樣方法進行等應(yīng)變控制剪切試驗。

7、剪切速率按照試驗規(guī)程的不同土性和不同的試驗方法設(shè)定。

8、由微型計算機或計算機采集試驗過程中的各項參數(shù)直至土的應(yīng)變?yōu)?0%停機。

五、試驗計算

1、由于四個壓力室在步進電機的控制下同步變形（土的變形）為?h₁，其他四個壓力室荷重，孔壓，體變參數(shù)分別為P₁-P₄ ，U₁-U₄，?V₁-?V₄，進行格式化儲存與顯示。

2、根據(jù)土樣的排水量來計算土樣固結(jié)以后的面積和高度（CU、CD試驗）。

式中：A₀為土樣的原始面積（cm²）；H₀為土樣的原始高度（mm）；?V為固結(jié)后的排水量（ml）；V₀為土樣原始體積（cm³）；A₀^’為固結(jié)后的土樣面積（cm²）；H₀^’為固結(jié)后的土樣高度（mm）。

3、剪切過程中的應(yīng)力應(yīng)變計算

軸向應(yīng)變

式中，h為向變形（mm）。

     剪應(yīng)力（偏應(yīng)力）

式中：P為向荷重（N）；A_a為切過程中的試驗面積（cm²）；σ₁為主應(yīng)力（軸向應(yīng)力kPa）；σ₃為主應(yīng)力（側(cè)向應(yīng)力kPa）。

4、有效應(yīng)力計算

式中：u為隙壓力（kPa）。

六、數(shù)據(jù)采集

七、繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線和摩爾強度包線

八、結(jié)論與意見

1、智能四聯(lián)應(yīng)變控制三軸儀是我公司創(chuàng)新發(fā)展的結(jié)果，該儀器根據(jù)國內(nèi)外的實驗室的現(xiàn)狀，經(jīng)反復(fù)試驗研究，既能滿足教學(xué)科研，又能夠貼近生產(chǎn)實際的需求，是在國內(nèi)外前沿的，工作效率特別高的自動化的三軸試驗儀。

2、智能四聯(lián)應(yīng)變控制三軸儀具有出力大，實驗空間兼容性強，它不僅可以進行高，中，低四聯(lián)三軸試驗還可以進行大土樣智能應(yīng)力路徑三軸試驗，大土樣的粗粒的滲壓試驗，四聯(lián)K₀固結(jié)試驗以及CBR試驗等等。

3、智能四聯(lián)應(yīng)變控制三軸儀經(jīng)用戶實踐表明該儀器數(shù)據(jù)穩(wěn)定，操作方便，自動化程度高，具有較高的工作效率，是國內(nèi)外的新型三軸儀。