（机械电子工程专业论文）土工平面应变试验仪研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 为了保证建筑和工程设施的安全和正常使用，经济合理地进行土木工程设计，必须 研究土的力学性状及其与建筑物相互作用的力学过程。土工试验的目的就是测试土的物 理性质指标和力学性能指标，为工程设计及数值计算提供合理的土的力学参数，进而对 工程问题进行研究分析及预测。平面应变试验则是土工试验的一种，它是用来模拟工程 实践中的土处于平面应变受力状态的试验。此外，平面应变试验更容易进行土的局部化 变形、剪切带生成机理等问题的研究，为更全面的研究土的力学性质提供有效的工具。 研究表明，土的变形是孔隙应变和土颗粒的滑移、破碎等形式共同作用的效果。如 果能从试验中获得土颗粒滑移、破碎的变化规律，那么就可以借助于孔隙介质力学的方 法来分析土体的应力应变特性，这与目前土力学研究中所应用的连续介质力学理论是有 明显区别的，且更为合理。 本课题所设计的平面应变仪的主要目的是建立一个试验的平台，依托于数字图像测 量技术，在平面应变条件下，研究土样在外荷载作用下的变形特性，并且试图测量和探 讨土颗粒滑移和滚动的变形机理。同时可进行土样在平面应变状态下的抗剪强度试验， 确定剪切带位置，研究土体局部化变形规律。 本文在研究分析了国内外现有平面应变仪的结构特点和工作原理的基础上，结合课 题对土样表层土颗粒图像采集的特殊要求，完成了仪器的机械结构设计和数据采集系统 设计。机械设计方面，主要以p r o e 软件为工具，设计了整个装置的结构，主要包括侧 向力板、侧力挡板、加压帽组件、位移传感器组件等，并对装置进行了运动学的仿真和 分析。数据采集系统主要是利用l a b v i e w 图形化编程语言编写了压力传感器和位移传 感器的数据采集软件。 。， 课题所设计的平面应变仪与传统的平面应变仪相比，结构设计上的主要区别在于试 样为砂土样且试验过程中试样没有橡皮膜的包裹，另外，仪器对试样的加载方式和量测 方式都有不同。 仪器的试验运行结果表明，该仪器可以完成砂土的平面应变试验，试验过程中能够 采集到清晰的土样表层土颗粒的细观图像，为后期研究土颗粒的滑移、破碎变形机理等 规律创造了条件，基本实现了最初的设计目的。 关键词：土工试验；平面应变仪；结构设计；数字图像测量 土工平面应变试验仪研制 r e s e a r c ha n d d e s i g no f p l a n es t r a i na p p a r a t u si ns o i lt e s t 、b s t r a e l ： i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f e t yo fs l i u c t l l r ea n de n g i n e e r i n gf a c i l i t i e s ，a n dp r o p e rc i v i l e n g i n e e r i n gd e s i g n , i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h es o i lp r o p e r t ya n dt h ei n t e r a e t i o n a lp r o c e s s b e t w e e ns o i la n ds t r u c t u r e s s o i lt e s ti st om e a s u r et h ep r o p e r t yp a r a m e t e r s w h i c hc o u l db e b e t t e ru s e di ne n g i n e e r i n gd e s i g na n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , a n dt h e ne n g i n e e r i n gp r o b l e m s c o u l db ea c c u r a t e l ya n a l y z e da n da n t i c i p a t e d p l a n es t r a i nt e s ti so n eo ft h es o i lt e s t e s w h i c h s i m u l a t e st h es o i lt h a ti ss e t t l e di nt h ep l a n es t r a i nc o n d i t i o ni ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e f l u s ， p l a n es t r a i nt e s tc a r lb e t t e rm e a s l l l el o c a ld e f o r m a t i o na n ds h e a rb a n d , w h i c hc 锄b eu s e f u lf o r s o i lp r o p e r t yr c s e a r e t l 1 1 1 er e s e a r c hi l l u s t r a t e st h a ts o i ls t r a i ni sc a u s e db yp o r es t r a i n , s o i lg r a n u l as l i p p a g e a n d f r a g m e n t a t i o n i ft h es o i lg r a n u l as l i p p a g ea n df i a g r n e n t a t i o nr u l e sc a nb eo b t a i n e df i o mt h e t e s t , t h e ns o i ls l i e s s , s t l a i l 3r e l a t i o n s h i pe a r lb es t a d i e dw i t ht h em e t h o do fp o r em e d i u m m e e l a a n i c s ，w l a i e hi sd i f f e r e n tw i t ht h ec u r r e n tm e t h o do f c o n t i n u u mt h e o r y n em a i np u r p o s eo f p l a n es t r a i na p p a r a t u si st oc r e a t eap l a t f o r m w h i c hb a s e d0 1 3i m a g e n l c a s u r c m e n tt e c h n i q u e ，t o s t u d yt h e s u r f a c e l a y e r s a n ds o i l g r a n u l as l i p p a g e a n d 。 f i a g m e n t a t i o nu n d e re x t e r n a lf o r c ei nt h ep l a n es t r a i nt e s t a tt h es a m et i m e i tc 锄b eu s e df o r s h e a rs t r e n g t ht e s tu n d e rt h ec o n d i t i o no fp t a n es t r a i n , t oo b t a i ns h e a rb a n dl o c a t i o na n ds t u d y t h es o i ll o c a ld e f o r m a t i o n c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp l a n ea p p a r a t u s t h em a i nd i f f e r e n c ei s t h a tt h et e s ts p e c i m e ni ss a n ds o i lw i t h o u tr u b b e rm e m b r a n ed u r i n gt h et e s t , s ot h a tt h es o i l g r a a u l ac a r lb eo b s e r v e db yi m a g em e a s u r e m e n t b a s e do i lt h er e s e a r c ha b o u tp l a n es t r a i na p p a r a t u sc h a r a c t e r i s t i c sh o m ea n da b r o a d , a c c o r d i n gt ot h em i c r oi m a g em e a s l l l - i e m e n tr e q u i r e m e n t t h ea p p a r a t u ss t r u c t u r ea n dd a t a c o l l e c t i n gs y s t e ma 北d e s i g n e d p r o es o f t w a r ei se m p l o y e di nm e c h a n i c a ls t r u c t t n ed e s i g n , i n c l u d i n gs i d es t a n d i n gb o a r d , s i d e f o r c eb o a r d , p r e s s u r ep a r tc o m p o n e n ts t r u c t u r e ， d i s p l a c e m e n ts e n s o l e o m p o n e l l ts l l u c t u r e ，e t c a n dt h ea p p a r a t u si sc o n d u c t e dw i t hk i n e r n a t i e e m u l a t i o n i nd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m , l a b v i e ws o t t w d l ei su s e dt oe o u e e tp r e s s u r es e n s o r a n d d i s p l a c e m e n ts e n s o rd a t a c o m p a r e dw i l ht r a d i t i o n a lp l a n es t r a i na p p a r a t u s t h ep l a n es t r a i na p p a r a t u si nt h i sp a p e r h a sad i f f e r e n tw a yo fl o a d i n ga n dm e a s u r e m e n t a n dt h es p e e i m e l ai ss a n dw i t h o u tr u b b e r m e m b r a n e 一i i 大：j 圭理工大学硕士学位论文 t h et e s tl 他s u l ti l l u s t r a t e st h a tt h i sa p p a r a t u sc a nb eu s e dp r o p e r l yi np l a n es t r a i nt e s t , a n d t h em i c r oi m a g eo fs o i lg r a n u l ao nt h es u r f a c el a y e rc a nb em e a s u r e dc l e a r l y , w h i c hc a l lb e u s e di nt h et h e o r yr e s e a r c ha b o u ts o i lg r a n u l as l i p p a g e ，a n dd a m a g ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m a n dt h ea p p a r a t u sc a ns a d s f yt h et e s tr e q u i r e m e n t k e yw o r d s s o i lt e s t ；p l a n es t r a i na p p a r a t u s ) s ( m c u n ed e s i g no f t h ea p p a r a t u s ： d i g i t a li m a g em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：莹盎主日期：兰兰壁，上壁 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 储躲聋喜羔： 翩繇亟丝 ) 崖宝年_ 土月驷 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 土体的受力特性与它的物理性质有关。为了研究土体在不同应力条件下的破坏行 为，需要用科学的仪器来模拟土体的各种负载环境，观察和测量土体的应力应变关系， 建立土的剪切破坏准则。 本课题所做的基于图像测量技术的平面应变仪，就是为了模拟土体在平面应变条件 下的受载，依托于图像测量技术来研究土样的局部变形规律，观察土样变形的不均匀性， 以及研究土样剪切带的生成和发展规律等。 土体局部特性研究是当今土力学重要的研究领域之一。将图像测量和分析识别技术 应用于平面应变土体的局部变形数据处理，对于土体局部特性研究具有着重要的意义。 1 1 选题的依据及意义 三轴试验是土工试验中的一项重要的力学试验，是测定土的静力特性、动力特性和 研究沙土液化条件的主要试验方法，是研究土体本构关系的重要手段。用三轴试验测定 土的参数己成为重要岩土工程设计的主要依据i l 】。 而平面应变试验则属于一种特殊的三轴试验，它是模拟工程实践中土处于平面应变 受力状态时的试验。在实际工程中，大多数土工问题都近似于平面应变，如土石坝、路 堤、挡土墙及条形基础等。目前有关平面应变问题的一些工程，设计人员所采用的强度 参数多是通过常规三轴试验确定的，平面应变试验相比于常规三轴试验使用的较少。对 于常规设计，轴对称与平面应变两者之间的明显差别并不重要。但对于测定土的强度来 讲，采用平面应变试验与采用常规三轴试验所测得的结果，其强度有重大差别。平面应 变试验测得的强度比三轴试验大，最大达3 0 【2 】。土工建筑物如土坝、路堤等，其填土 方量都很大。对大于中等密度的填土，如果在计算中采用平面应交试验的参数，则可节 省大量的费用。因此，许多研究机构发展了平面应变试验，用以研究土在平面应变条件 下的强度、应力应变关系以及中主应力o ：对强度的影响。 土体的逐渐破损理论是当前岩土力学研究的焦点问题之一，应变软化特性在三轴试 验这一边值问题中，表现为试样会出现剪切带。近年来，国内外不少学者采用平面应变 仪量测试样的局部侧向变形，用于研究平面应变条件下试样剪切带的形成和发展过程【3 】。 研究土体小应交特性的重要性也逐渐引起人们的关注，这一方面源于人们认识的发展过 程，另一方面也因为在此前土体试验的测量精度受到试验仪器的限制。 士工平面应变试验仪研制 近年来，随着原位监测技术的提高，有了高精度的局部变形测量技术，可以对土体 在小应变范围内的应力应变特性展开研究，数字图像测量技术及其它变形测量技术的应 用及其精度的不断提高为开展这样的研究提供了一种可能性。 大连理工大学邵龙潭教授及其合作者经过多年的研究，己经成功的将图像测量技术 应用于传统的土工三轴试验，实现了试样径向变形、轴向变形以及排水管体积变化的同 步测量，并且申请了发明专利【4 湖。把计算机数字图像测量技术应用于土工三轴试验的 变形测量，能够实现试样轴向变形和径向变形的非接触式直接测量，减小了对试样体的 扰动。数字图像测量系统用计算机自动采集数据并自动存贮，提高了数据采集频率，同 时也降低了试验人员的劳动强度。在三轴剪切试验过程中，数字图像测量系统能够按试 验人员自行设定的时间间隔自动保存试样变形图像，为试验结束后真实、直观的再现试 样变形全过程提供了可能。应用图像测量技术等价于在试样径向和轴向安设了许多个非 接触式局部位移传感器，来量测试样的局部变形，利用它的这一特点，可以用来捕捉三 轴压缩过程中试样剪切带的形成时间和形成规律。 在土力学研究方面，计算机数字图像处理和分析技术的应用主要集中在土中孔隙的 分布、土颗粒的形状和级配【6 】、土体微观结构分析”1 等方面。 随着数字图像处理技术的进一步发展，可以预见，数字图像测量技术的应用领域将 越来越广泛。目前，该试验室继续尝试将图像测量技术应用于其它三轴试验上，做无橡 皮膜包裹的干士土样的平面应变试验，通过图像的采集和处理技术，对土样表层土颗粒 进行捕捉和运动轨迹的追踪，以此来研究土样剪切带的生成机理和土样的局部化变形 等。 1 2 平面应变仪概述 1 2 1 平面应变仪系统的组成 如图1 1 所示，平面应变仪系统大致有如下几个部分组成：平面应变压力室、应力 加载控制系统、应力及体变测量系统。 ( 1 ) 平面应变压力室是用以安装试样。施加轴向应力、小主应力o3 以及约束中主应 力o2 方向变形的主要部件，是仪器的核心部件。与常规三轴压力室不同，其主要要求 有： 试样装配完成后，其四个垂直侧壁都应该保持平面。 为减少中主应力o2 作用面上的摩擦影响( 端部约束影响) ，除试样采用长方 形块体外，在o2 作用面上应涂硅油，还可以再夹以乳胶片作过渡层。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 平面应变仪系统的组成 f i g l 1c o m p o s i t i o no f p l a n es t r a i na p p a r a t u ss y s t e m 垂直方向大主应力o1 采用刚性端板加荷方式。水平方向小主应力o3 采用柔性 加压。试验过程中应保证试样边角正交，并且ol 、o 2 、o3 之间不允许产生相互干 扰影响，这就有赖于各构件间的合理设计。 ， 试验过程中可以进行中主应力o2 、试样孔隙压力和体积变化的量测。 ( 2 ) 平面应变试验中，应力加载控制系统主要是用于对试样的大主应力o 和小主 应力o3 的加载和控制。该系统一般主要包括三轴加压机、空气压缩机、调压阀、水箱 等组成。 大主应力o1 的加载系统即轴向加荷系统，一般试验室常用的是应变控制式三轴压 力机。应变控制是指使试样按规定的变形速率产生轴向变形，测定产生某一轴向变形所 需要的轴向力。轴向力可通过三轴加压机上的测力计( 如测力环、荷重传感器等) 来测 定。三轴加压机的动力和传动系统为电动机和齿轮变速箱，通过对它们的控制可以使加 压机通过加压杆的传导实现对试样的等速率加载。 试验中，一般是要求小主应力o3 的大小恒定，并能满足一定的精度。目前，常用 的。3 的加载设备主要有气水交换压力控制、油水交换压力控制、水银自动补偿稳压控 制以及伺服稳压控制等。现主要对伺服稳压控制做简要介绍：其主要由步进电机、丝杠 螺母副、调压筒和压力传感器组成；工作原理是通过步迸电机与电脑和压力传感器组成 的反馈控制系统控制活塞的进退，以达到输出稳定压力的目的。 ( 3 ) 应力及体变的量测系统。主应力ol 、o3 加载时各自的加载装置均自带传感器 可读出其大小。体变量测装置用于测定试验过程中试样的体积变化。体变测量装置有很 土工平面应变试验仪研制 多种形式，如对试样不施加反压力，则体变测量装置只是一支有刻度的透明量管；如要 对试样施加反压力，则试样内的孔隙水是在有压力的情况下排水，必须采用双层体变管。 1 2 2 平面应变试验的主要内容与试验步骤 ( 1 1 三轴试验的主要内容 三轴剪切试验能控制试验过程中的排水条件，可根据工程施工和运行的实际情况选 择不同排水条件的试验，无论粘质土或砂质土均可适用。三轴剪切试验通常分为不周结 不排水剪试验( u u 试验) ，固结不排水剪试验( c u 试验) 和固结排水剪试验( c d 试 验) 。 不固结不排水剪试验( u u 试验) 。从地基中或土工建筑物内取出或由实验室制 各的土样放在三轴仪的压力室内，在排水阀关闭的情况下施加周围压力仃，不让试件固 结，即试件不压密，几所引起的孔隙水压力不让消散。然后增加轴向主应力差d ，即 偏差应力p ，一仃，) ，进行剪切，在这一过程中也关闭排水阀门不让试样排水。不固结不 排水剪试验也简称为不排水剪试验。 固结不排水剪试验( c u 试验) 。让几个试件分别在不同周围压力仃，作用下固 结，将固结后的试件在不排水条件下加轴向主应力差矾进行剪切，剪切中试件内将出 现一定数值的孔隙水压力，其值可从孔压测量系统中测定。 固结排水剪试验( c d 试验) 。在三轴试验中，让排水阀门始终打开，试样先在 周围压力o r ，作用下充分固结。稳定后缓慢增加轴向主应力差a o ，使得试样在剪切过程 中充分排水，试验过程中恒不出现超孔隙水压力。用这种试验方法测得的抗剪强度称为 排水强度，相应的抗剪强度指标为土的排水强度指标臼、钆。 ( 2 ) 三轴试验的主要步骤 常规三轴试验方法嘲的主要步骤如下：将圆柱体试样用乳胶膜包裹，固定在压力室内 的底座上，橡皮膜下端绑扎在底座上，上端绑扎在试样帽上，使试样内的孔隙水与压力 室内的水完全隔开：向压力室内注满液体( 一般为水) ，对试样施加周围压力盯，并使仃， 在试验过程中保持不变：孔隙水通过试样下端的透水石与孔隙水压力测量系统连通，或 者通过上端透水石与排水管连通：当试样受到各向均等应力叮，时，这时试件内各向的三 个主应力都相等，通过传力杆对试件施加轴向压力，轴向主应力就大于侧向主应力，随 着主应力差p 一) 的逐渐加大，直至试样受剪破坏。 ( 3 ) 平面应变试验的主要内容与步骤 大连理工大学硕士学位论文 平面应变试验除了仪器装置与常规三轴试验仪有所区别外，其余如试样制备、试样 方法、加荷路经等都基本类似。在试验过程中，测定主应力0 1 、轴向应变t 、侧向应 变e 。、孔隙压力及体积变化a v 等方法和步骤与也常规三轴试验的测量方法和步骤相 同。 1 2 3 平面应变仪的国内外研究概况 六十年代初期，英国剑桥大学以及帝国学院相继研制了不同类型的平面应变仪。由 于当时电子仪器水平的限制，其量测手段大多数比较简单。1 9 7 1 年，美国麻省理工学院 制成了比较完善的平面应变仪。七十年代中期，日本谷藤会社又在麻省理工学院平面应 变仪的基础上加以改进制成了多功能三轴仪 9 1 。 表1 1 所示是国内外一些单位使用的平面应变仪及相关信息【2 ：】。 表1 1 国内外平面应变仪简介 t a b 17 1p l a n es t r a i na p p a r a t u ss u m m a r i z a t i o nh o m ea n da b o a r d 我国开展相应的仪器研制工作是比较早的，早在六十年代中期，中国科学院武汉岩 体土力学研究所就吸取当时英国剑桥大学的成果，研制了一台真三轴仪，这台真三轴仪 原则上可以实现平面应变状态下的剪切。1 9 8 1 年北京水利科学研究院对常规三轴仪的压 土工平面应变试验仪研制 力室进行改装。在三轴压力室内加立两块钢板，实现了平面应变状态的剪切，称之为简 单平面应变仪，但是这种仪器目前尚不能进行中主应力o2 的量测 9 1 。西安理工大学1 9 9 6 年与江苏溧阳永昌机械厂合作开发了p y l o - l 平面应变仪。同济大学2 0 0 0 年开发了同济 大学平面应变仪，是在国内首台自行研制的真三轴仪的基础上改制而成的。在真三轴仪 的大压力室内增加两块刚性侧板，以提供产生平面应变变形的边界条件，侧板由透明的 有机玻璃制成，以便在试验过程中观测土样局部化变形的发展过程【l o j 。 从大的方面分，平面应变仪主要有如下两种形式： 一种就是纯粹的平面应变仪，即仪器的设计仅针对做平面应变试验，这种形式的平 面应变仪制造相对简单，操作方便，因此被广泛采用； 另一种是真三轴仪，即试样的六个面的接触板均为刚性板，且六个面均可单独施加 载荷。在试验时，使真三轴仪的中主应力方向的两端刚性固定，从而使中主应变。2 = 0 ， 以满足平面应变条件。在大主应力ol 方向和小主应力03 方向的应力均通过刚性板施 加。 现对上述两种形式分别举椤4 介绍如下； ( 1 ) 平面应变仪 试样的大主应力0 。方向为加荷刚性板，中主应力oz 方向的两端为固定的刚性板， 而在小主应力方向则为柔性板，用以施加荷载o3 。根据施加小主应力o3 的方式不同分 为两种。 一种是将试样用橡皮膜包裹后放入试样装置内( 试样装置由轴向加荷板，底板，侧 向约束板组成) ，然后放入压力室内，利用三轴仪的围压系统施加o3 。轴向力( 即o1 方向力) 则利用压力机施加，如图1 2 所示的平面应变仪。在施加轴向力的过程中，试 样的体积变化或孔隙压力均可利用三轴仪设备测定。 试样两端的侧向变形约束板的作用是，限制试样在o2 方向变形及测定02 的变化 值。约束板是由两块刚性板和4 根连接杆组成，如图1 3 所示。 试样左侧的刚性板是固定的，右侧的承压板与荷载板连接。荷载板的另一面位于压 力腔内。压力腔内充满无气水，用尼龙管与压力室外零位指示器连接，或和压力传感器 连接。试样位于刚性板和承压板之间。在施加轴向力和侧向力时，用调压筒控制零位指 示器的水银柱面，使之保持不变，即使承压板无位移，此时所指示的压力即为中主应力 o2 。其操作步骤与三轴试验测孔隙压力相同。如不用零位指示器，采用压力传感器， 则操作更为简单。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 一接压力倍蒋僻；2 一接体变蕾；，一接d ，系统；4 - - - 试样； 卜假向变形约柬板：6 一压力烹；7 _ 活塞 岳_ 一撵气孔 图1 2 平面应变仪例1 f i g 1 2e x a m p l e1o f p l a n es t r a i na p p a r a t u s 图1 4 所示是另一种形式的平面应变仪。 l 裁a 应 i 一尼龙管( 接零位揣示器) l2 一约柬短；3 一承压饭；4 - - 眭接”；5 一甩力腔；l 卜一隔板；7 - - 补强饭；8 一加衙板。 9 - - 。o 。彤环l o 一弹簧；u 一连接杵1 2 一播气扎 图i 3 侧向变形约束装置 f i g 1 3 l a t e r a ld e f o r m a t i o nr e s t r a i n td e v i c e 1 幸鼯嘟j2 娟e 紧框i3 - 上封蛾i4 书窿裹，5 卅嘎雌办讯6 - 0 功向i 出扳，t 。窿童l s _ 菪 孔掸压艏( 或件壹计) i9 燕接蠢秆坤静废曩，l l o 劝向锄甄控- ：g 口3 压力嚣 图i 4 平面应变仪例2 f i g 1 4e x a m p l e2o f p l a r ”s t r a i na p p a r a t u s 这种仪器的试样两端为刚性板，用4 根直径1 2 r a m 的螺杆连接固定。试样的项面及 底座为刚性板。4 根螺杆上帖有电阻应变片，用以测定中主应力o2 。当试样受到ol 和 0 3 作用时，4 根螺杆因受拉而产生应变，根据变形测知侧板所承受的中主应力o2 值。 在试样两侧装有橡皮囊和刚性架组成的组合板，并与三轴仪施加o3 的压力系统连接， 土工平面应交试验仪研制 用以施加o3 。轴向应力ol 借三轴压力机施加。这种平面应变仪的试样装置不需另装在 压力室内。 为了减少试样与橡皮膜及刚性板与橡皮囊的摩擦，应在橡皮膜四周涂以润滑硅脂。 在计算应力时，摩擦力的影响可略而不计。 c 2 ) 真三轴仪 由于国内的平面应变仪大多是在真三轴仪上改装的，所以有必要了解一下真三轴 仪。真三轴仪自1 9 3 6 年k j e l l m a n 设计成功以来，国内外先后研制了多种真三轴仪，按 照中主应力的施加方式的不同，一般可以分为三种：刚性水平加压板真三轴仪、柔性水平 加压板真三轴仪及刚柔复合加压真三轴仪。 由于真三轴仪原理的复杂性、研制代价相对比较昂贵、国内土力学和土工测试技术 发展水平等诸多因素的限制，我国2 0 世纪8 0 年代之前还没有自主研制和引进真三轴仪， 后来真三轴仪的研制和试验研究也主要是在清华大学、同济大学和河海大学进行的。 国内较早的真三轴仪是1 9 8 5 年清华大学研制的刚性水平加压板真三轴仪，采用矩 形四棱柱试样。通过在常规三轴仪的压力室内增加了一套侧压力装置，并通过调压筒变 化侧压力室内的压力来施加中主应力口：，轴向压力( 大主应力口。) 和围压( 小主应力o 。) 的施加与常规三轴仪相同，中主应变 。是由水平加压板前后移动的位移量( 通过计算侧 压力室内水量的变化) 推算，这种真三轴仪的量测和控制系统自动化程度较低【1 2 1 。 1 9 8 7 年同济大学赵锡宏等研制了刚柔复合型真三轴仪，采用立方体试样。试样的大 主应力由轴向一对水平刚性板施加，小主应力由压力室气压施加，中主应力由中主压力 腔施加。中主应力压力腔由加压囊、刚性框架和盖板等组成。压力的施加是由气压经气 压经气水转换装置转变成液压而施加到试样上。 1 9 9 5 年，河海大学殷宗泽教授主持开发的真三轴仪，压力室是清华大学在日本诚研 舍真三轴仪的基础上作了改进后设计的，中科院科学仪器厂加工制造，加压系统和数据 采集系统由河海大学和南京电力自动化研究所共同研制，试样为矩形四棱柱，仍属于刚 性水平加压板类型。压力室的筒身外壁镶嵌连接中主应力的压力室和侧向位移测试室， 中主应力压力室的气压通过与传压杆连接的刚性板将中主应力施加到试验侧表面，小主 应力是通过将压力室充水，由水压提供，轴向加荷是类似常规三轴仪的应变控制加荷台 施加，中主应变的量测是点接触的位移传感器，在试验侧表面与中主应力活塞杆连接的 加压钢板之间垫加一块高度略低于试样高度的有机玻璃板，通过在有机玻璃板与包裹试 样的橡皮膜之间涂抹凡士林，尽可能地减少和避免因加压钢板直接与橡皮膜接触产生的 摩擦力对试样变形的影响。尽管这种改进的真三轴仪加荷系统和量测系统自动化程度比 大连理工大学硕士学位论文 较高，但未克服刚性水平加压板真三轴仪的缺点，除了边角效应以外，许多三维应力路径， 如轴向加荷压缩到一定变形量后，增加中主应力的试验，往往由于有机玻璃板或刚性加 压板高度的限制而无法进行。 河海大学z s y 1 型复合型真三轴仪。试样尺寸为7 1 0c m 7 1 0g n a 3 1 5c m 的矩形四棱柱，现对其压力室和加荷系统做一简要介绍。 轴向活塞缸 图1 5 压力室 f i g 1 5 p r e s s u r el o o m 压力室见图1 5 ，由有机玻璃盖筒与底板组成，有机玻璃盖筒的盖板、底板是铝合金板， 盖筒上部内含施加轴向应力ol 的液压活塞、加压杆和压力传感器，底板主要由试样底 座、位移传感器固定杆、中主应力加压装置，进出试样的水管和小主应力o3 进气管路组 成，有机玻璃盖筒与底板之间通过不锈钢拉杆螺丝紧固后，使压力室处于密封状态。这种 压力室的主要特点：轴向加压支架，轴向活塞的压力传感器只采集施加在试样上表面的 “有效力”，避免了中主应力方向的试样表面与复合加压板之间的摩擦力影响。这一设计 是通过试样顶帽上的加压支架与试样侧向复合加压板联合实现的，加压支架的上部可与 轴向活塞的加压套筒紧密接触，轴向活塞传力杆向下移动时，与轴向活塞加压套筒同步向 下移动。而轴向压力传感器安装在轴向活塞传力杆上，所以，只采集直接施加到试样顶部 的力。国内外许多真三轴仪，尽管通过在包裹试样的橡皮膜表面与中主应力加压板之间涂 抹润滑材料，但轴向总应力往往记入了侧向的摩擦力。 土工平面应交试验仪研制 中主应力加压装置见图1 6 。复合加压板，由薄铝板和小橡皮管逐层相间叠合而成， 是一种成层的复合材料，水平向刚性，可以传力，橡皮管的压缩性又在竖向上最大约有2 0 的竖向变形。可以随试样同步变形。试样顶部的轴向加压支架通过带有轴承的四个脚放 置在复合加压板顶端，复合加压板的底板托置在压力室底板两排小轴承支撑的水平可自 由移动铝板上，因此复合加压板既可水平自由移动，又可轴向压缩，既可避免计入中主应力 的摩擦力，又可最大程度地减少边角效应。 轴向传压杆 图l6 中主应力加压装置 f i e 1 6 p r e s s u r ed e v i c eo f m e d i u mp r i n c i p a ls 虹e s s 加荷系统主要完成对三向应力的旌加，三向荷载都来源于氮气瓶的气压源，经过气液 转换装置，将气压转换成轴向和中主应力向的液压。小主应力03 通过气压调压阀，由压 力室的气压手动直接施加，轴向大主应力ol 和中主应力02 分别由微机控制的步进电 机通过液压调压筒调节与试样接触的液压活塞。由传压杆加荷、维持恒定压力或卸荷。 同济大学真三轴仪 1 9 8 6 年同济大学真三轴仪在我国首创研制成功。该仪器为刚柔混合型，主要由压力 室、中主应力压力腔、加压系统、排水系统和量测系统组成。见图1 7 。中主应力压力腔 由柔性加压囊、刚性框架和盖板组成，如图1 8 所示。加压系统中，小主应力由空气压缩 机提供；大主应力由加压支架通过传压活塞施加，采用等应变速率控铫中主应力由中 主应力腔提供，由液压系统控制。三向主应力可独立控制。排水系统，可以控制排水与不 排水及测量孔隙压力。量测系统是自动采集系统。即通过拉压传感器、孔压传感器、位 移传感器由计算机自动采集【1 3 】。 大连理工大学硕士学位论文 图1 7 真三轴仪工作原理图 f i g 1 7 t r u et r i - a x i a la p p a r r t u sp r i n c i p l ec h a r t 圈1 8 中主匝力压力腔 f i g 1 8 p r e s s u r ed e v i c eo f m e d i u mp r i n c i p a ls t r v s s 河海大学岩土工程研究所的三轴试验仪 该三轴试验仪实现了常规土i - - 轴实验与岩土材料微细结构的联合测试，获得了土 体在荷载作用过程中微细结构变化清晰的图像序列，不仅可以定量研究土体在荷载作用 下微结构的变化情况，还可利用数字图像相关技术对微细结构图像序列进行相关分析， 得出土颗粒在荷载作用下的微观位移场【1 4 1 。 试验系统主要由加载系统、图像采集系统和图像处理系统三部分组成，如图1 9 所 示。 土工平面应变试验仪研制 图1 9 微细结构光学测试系统示意图 f i g 1 9d i a 鲫o f o p t i c a l t e s ts y s t e m m i c r o - s t r u e t u r e ( a ) 前视图( b ) 俯视翻 图1 ，1 0 加载舱详图 f i g 1 i 0 p 诂s s u r er o o m 它的加载装置是根据试验要求研制的并委托上海7 1 1 所加工制造。加载舱采用半圆 柱体形状( 如图1 1 0 所示) ，观测面采用特制高强度玻璃板( 能承受1 0m p a 的压强不 变形) 。轴向压力通过蜗轮蜗杆施加，在蜗杆与轴压加载压头间安装有轴向压力、轴向 位移传感器；围压通过半圆筒状橡胶气囊从土样周围施加，围压充气口处安装有侧向压 力传感器，土样观测断面上的围压由玻璃板的反力提供，根据半圆柱体的对称性可知观测 大连理工大学硕士学位论文 断面上应力o = o3 。轴向压力、轴向位移和侧向压力传感器分别通过光缆与微型计算机 相连，将所得到的荷载和位移信息直接传入计算机。 图像采集系统由长距离显微镜、三轴位移平台、c c d 摄像仪和视频监视器组成。 将长距离显微镜固定在三轴位移平台上，正对加载舱的观测断面( 玻璃板一面) 进行观 测，长距离显微镜后接c c d 摄像头，经c c d 摄像头拍摄到的微细结构图像分别由光 缆传入到视频监视器和微机中，通过观察视频监视器中的放大微细结构图像来观察、跟 踪目标。 1 3 本论文的主要工作 本课题的研究内容属于国家自然科学基金项目的一部分，项目名称；三轴试验土样 变形数字图像测量系统的改进和应用研究( 5 0 5 2 7 8 0 3 ) 。 本文作者主要做了如下几方面的工作： ( 1 ) 总结和整理了平面应变仪的国内外的应用和研究现状，概括分析了其各自的工 作原理和结构特点。在详细了解土工三轴试验的试验目的、试验内容以及操作步骤的基 础上，主要就其中两例平面应变仪的各个部分结构的原理、特点和作用进行了细致的研 究和分析。 ( 2 ) 在明确了所要设计的平面应变仪的主要功能要求，并对比了其与传统平面应交 仪的区别之后，研究并确定了仪器的总体设计方案，包括应力加载方案和应力、体变的 量测方案。 ( 3 ) 根据总体设计方案，重点对整个装置的机械结构进行了设计。 ( 4 ) 研究并确定选用西安兰华传感器有限责任公司生产的b w g - 4 型位移传感器、 b t y - 5 型土压力传感器，并根据安装的结构和尺寸要求对土压力传感器进行了定制。 ( 5 ) 论证并选用了n i 公司生产的数据采集卡u s b 6 0 0 8 ，利用l a b v i e w 软件编制 数据采集软件，对四路压力信号和两路位移信号进行采集。 ( 6 ) 通过试验，对仪器的工作情况进行分析，发现不足并提出改进方案。 土工平面应交试验仪研制 2 平面应变仪整体方案设计 2 1平面应变试验原理 图2 1 平面应变条件的应力状态 f i g 2 1 s t r e s ss t a t ei np l a n es 晡nc o n d i t i o n 砂土的平面应变试验原理。1 ：取一长方体土样，在对土样施加大小为常量的小主应力 o 。的同时，逐渐施加大主应力o 。直至土样达到破坏，并且在施加大主应力o 。和小主应 力o 。的过程中，中主应力方向的主应变e ：始终保持为零，即试验只允许土样在o 。和o 。 两主应力方向产生变形。它是真三轴试验的一种特殊条件。图2 1 所示为土样在平面应 变状态下的应力状态。 本课题试验需要在试验过程中对土样中主应力o 。约束面上的表层沙土的运动进行 图像采集，以借助于图像处理技术来识别单个的土颗粒并追踪其运动轨迹，通过对大量 土颗粒的追踪，就可以得到土样的整个表层土颗粒的运动场，以此获取土样剪切带的位 置，研究土体的局部化变形等。 与传统平面应变仪相比，本课题所做的平面应变仪的试验目的和试验对象有所不 同：传统平面应变试验用于研究饱和或非饱和砂土的力学特性，试验过程中试样有橡皮 膜的包裹；而本课题要做的平面应变试验的对象是干砂土，试验目的是研究干土在平面 应变状态下的土样表层土颗粒的滑移、破碎的变化规律，以及研究土体剪切带的形成及 局部化变形等。后者的试验要求土样没有橡皮膜的包裹。 大连理工大学硕士学位论文 虽是试验对象的有膜和无膜的不同，但从试验仪器的整体方案设计和结构设计的角 度看，二者有着很大的差别：试验操作步骤不同，加载方案不同，试验的注意事项和仪 器设计注意的细节等都有差别。 2 2 平面应变仪的结构功能要求 根据平面应变试验的原理，综合考虑到试验目的、试验步骤、可操作性等方面，对 平面应变仪各结构部件提出如下的功能要求： ( 1 ) 仪器的结构应保证试验过程中尽可能的使土样形状始终保持为长方体，即要求 与土样接触的六个面力的加载均须用刚性板加载； ( 2 ) 由于土样没有橡皮膜的包裹，故平面应变仪所采用的结构需尽量避免试验过程 中细沙土颗粒嵌入到刚性板间的缝隙中，并能使得在试验结束后沙土清理方便； ( 3 ) 试验过程中需采集土样所受主应力0 。、o 。、0 。的大小及在这三个方向上所 产生的位移； ， ( 4 ) 中主应力o ：前端面的约束板需选用透明且表面抗划伤的材料，例如钢化玻璃， 以便于c c d 摄像仪在试验过程中直接采集到土样表层土颗粒的运动图像，为后续的 图像处理做准备； ( 5 ) 须综合考虑整个试验的操作步骤和试验流程，尽量使试验操作简单方便。 2 3 应力加载方案 图2 2 应力加载方案 f i g 2 2 s t r e s sl o a d i n gc a s e 图2 3 气动加载流程图 f i g 2 3 p n e u m a t i cl o a d i n gf l o wp r o c e s sc h a r t 土工平面应变试验仪研制 根据试验室试验的需要，同时参考了国内外已有平面应变试验的资料，最终论证并 确定平面应变仪的技术指标，主要包括：试样尺寸为4 0 m m x 6 0 r a m x 8 0 r a m ：大主应力 o 。范围是o - 4 0 0 0 k p a ，中主应力o 。范围是o - 1 0 0 0 k p a ，小主应力0s 范围是0 6 0 0 k p a ： 试样轴向变形为o - 1 5 m ；轴向加载力最大为1 0 k n ，小主应力方向加载力最大为2 8 0 0 n 。 为充分利用试验室现有资源，减少仪器开发的周期和降低开发难度，也是从提高仪 器研发的成功率等方面考虑，应力加载方案选定为轴向力即大主应力o ，的加载选用三 轴试验中轴向加载常用的三轴加压机，小主应力0