[發明專利]一種可消除膜順變效應影響的動靜態三軸試驗方法

在審

• 申請號: 202211272630.5
• 申請日: 2022-10-18
• 公開（公告）號: CN115683872A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 鄒德高;肖海斌;付永奎;遲福東;張佳晨;曹學興;季曉檬;龐博慧;沈立峰
• 申請（專利權）人: 大連理工大學;華能瀾滄江水電股份有限公司;華能集團技術創新中心有限公司
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/02;G01B11/02
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 許明章;王海波

1.一種可消除膜順變效應影響的動靜態三軸試驗方法，其特征在于，所述的動靜態三軸試驗方法基于壓力室測量裝置和補償裝置實現，其中壓力室測量裝置和補償裝置通過軟管(300)連接，軟管(300)上設有閥門；具體包括以下步驟：

第一步，組建壓力室測量裝置和補償裝置

將壓力室測量裝置安裝在主體支座結構的下臺上部中心位置處，其中壓力室測量裝置包括筆式位移傳感器(101)、上排水口直通閥(102)、下排水口直通閥(103)、上孔隙水壓力傳感器(104)、下孔隙水壓力傳感器(105)、滑臺(106)、RSF光柵尺(107)、圓環驅動器(108)、L型連接板(109)、無刷伺服電機(110)、鋼制臺座(111)、三軸試樣底部排水管(112)、外置式輪輻式壓力傳感器(113)、鋼墊板(114)、實心加載軸(115)、高精度圍壓傳感器(116)、三軸壓力室上盤(117)、內置式微型壓力傳感器(118)、三軸試樣頂部排水管(119)、三軸試樣帽(120)、鋼制圓環內環(121A)、鋼制圓環外環(121B)、有機玻璃三軸壓力室外殼(122)、激光位移傳感器測量裝置(123)、三軸試樣(124)、三軸試樣底座(125)、臺柱(126)、三軸壓力室下盤(127)；所述的外置式輪輻式壓力傳感器(113)上表面與加載裝置下端相連，其下表面與實心加載軸(115)上端相連，用于測量三軸試樣實際受力；所述的外置式輪輻式壓力傳感器(113)下表面與實心加載軸(115)連接；所述的實心加載軸(115)下端與內置式微型壓力傳感器(117)上端相連，內置式微型壓力傳感器(118)端法蘭構件與三軸試樣帽(120)相連；所述的鋼墊板(114)一端設有通孔與實心加載軸(115)連接，鋼墊板(114)平面與其下方的三軸壓力室上盤(117)平行；所述的筆式位移傳感器(101)垂直立于鋼墊板(114)之上，用于測量三軸試樣(124)的軸向變形；所述的三軸壓力室上盤(117)非中心處開有多個通孔，用于裝配下孔隙水壓力傳感器(105、上孔隙水壓力傳感器(104)以及高精度圍壓傳感器(116)；所述的三軸試樣底座(125)用于放置三軸試樣(124)，在三軸壓力室下盤(127)邊緣處設置臺柱(126)；所述的有機玻璃三軸壓力室外殼(122)裝配在三軸壓力室上盤(117)和三軸壓力室下盤(127)之間；所述三軸試樣帽(120)中心位置開孔，孔洞上端通過三軸試樣頂部排水管(119)與上排水口直通閥(102)輸入端相連；三軸試樣底座(125)中心位置開孔，孔洞下端通過三軸試樣底部排水管(112)與下排水口直通閥(102)輸入端相連；所述的鋼制臺座(111)固定在三軸壓力室下盤(127)外邊緣處；所述的RSF光柵尺(107)一側緊貼L型連接板(109)垂直一側并固定在鋼制臺座(111)上，滑臺(106)與無刷伺服電機(110)相鄰布置，使其底部嵌入鋼制臺座(111)；所述的滑臺(106)上滑塊外側與十字型鋼片一側相連，并位于鋼片正中心，在十字型鋼片外邊緣設置錨固孔，用于鎖緊RSF光柵尺(107)上滑塊；所述的鋼制圓環外環(121B)外邊緣設有通孔，固定于L型連接板(109)水平一側，鋼制圓環內環(121A)與鋼制圓環外環(121B)之間安裝有支撐架與鋼珠，使得二者可以相互轉動；所述的圓環驅動器(108)固定在L型連接板垂直一側，用于驅動鋼制圓環內環(121A)旋轉；所述的激光位移傳感器測量裝置(123)包含有四個激光位移傳感器，在豎直方向上垂直排列于鋼架上；所述的激光位移傳感器測量裝置(123)的鋼架末端通過螺栓固定在鋼制圓環內環(121A)內邊緣處；

所述的補償裝置用于向試樣內注水以消除橡皮膜的順變性，包括三通接頭(201)、高精度反壓傳感器(202)、無刷伺服電機(203)、活塞桿液壓缸(204)、連接桿(205)、活塞軸(206)、直線電動推桿(208)、法蘭支座(209)、鋼制底座(210)；所述的法蘭支座(209)為∏形板結構，由一個橫板和兩個豎板固定連接組成，法蘭支座(209)的兩個豎板安裝在鋼制底座(210)上部；所述的直線電動推桿(208)安裝在法蘭支座(209)橫板的上表面；所述的無刷伺服電機(203)安裝在法蘭支座(209)板的下表面，無刷伺服電機(203)的輸出端穿過法蘭支座(209)與直線電動推桿(208)連接，無刷伺服電機(203)用于驅動直線電動推桿(208)；所述的直線電動推桿(208)上端通過連接桿(205與活塞桿液壓缸(204)的法蘭固定連接，活塞桿液壓缸(204的活塞與直線電動推桿(208內部的活塞軸(206)連接；所述的三通接頭(201)分別連接高精度反壓傳感器(202)、下排水口直通閥的輸出端和活塞桿液壓缸(204)的液壓出口；在鋼制底座(210)上安裝與工控機通信連接的補償裝置柜(207)，用于對補償裝置供電，高精度反壓傳感器(202)和無刷伺服電機(203)與補償裝置控制柜(207)電連接；

第二步，安裝壓力室測量裝置，制備砂礫料三軸試樣，并進行試樣安裝，調整激光位移傳感器測量裝置(123)的位置，使四個激光位移傳感器激光水平，同時使激光位移傳感器測量裝置(123)最下端的激光位移傳感器的激光與三軸試樣底部平齊，此時最頂端的激光位移傳感器應對準三軸試樣(124)的3/4高度的水平面；之后，對砂礫料三軸試樣進行通氣、飽和；同時，將上孔隙水壓力傳感器(104)數據線、下孔隙水壓力傳感器(105)數據線、高精度圍壓傳感器(116)數據線、內置式微型壓力傳感器(118)數據線、外置式輪輻式壓力傳感器(113)數據線、筆式位移傳感器(101)數據線、壓力室測量裝置的無刷伺服電機(110)控制線、補償裝置的無刷伺服電機(203)控制線、激光位移傳感器測量裝置(123)數據線及RSF光柵尺(107)數據線與控制采集電控機上數據采集控制卡相連；完成試驗加載前的所有準備工作；

第三步，對飽和砂礫料三軸試樣進行固結試驗，通過工控機調整壓力室的圍壓，對三軸試樣(124)逐級進行加載，在該過程中對膜嵌入量隨有效圍壓的變化進行準確測量；測量方法如下：

在固結試驗過程中，首先啟動無刷伺服電機(110)帶動激光位移傳感器測量裝置(123)從三軸試樣(124)底部自下而上掃描，測得三軸試樣的軸向應變ε_h；然后保持豎向位置不變，啟動圓環驅動器(108)驅動鋼制圓環內環(121A)帶動激光位移傳感器測量裝置(123)繞三軸試樣(124)旋轉，測量徑向應變，之后控制無刷伺服電機(110)使激光位移傳感器測量裝置(123)下降三軸試樣(124)1/40的高度，控制豎直高度不變，再次啟動圓環驅動器(108)驅動鋼制圓環內環(121A)帶動激光位移傳感器測量裝置(123)繞三軸試樣(124)旋轉，測量徑向應變；之后保持每一次的下降高度不變重復以上操作直至激光位移傳感器測量裝置(123)回到初始位置，即可測得三周試樣(124)的徑向應變ε_r；

計算得三軸試樣的骨架體積應變為：

2×ε_r+ε_h＝ε_{v_骨架}

則砂礫料三軸試樣骨架體積變形V_骨架為：

V_骨架＝ε_{v_骨架}×V_原

此時，通過電子天平測量排出水的質量，即三軸試樣(124)的總體積變形V_總，進而計算出膜嵌入的體積V_膜嵌入：

V_膜嵌入＝V_總-V_骨架

上述固結試驗中測得的膜嵌入量隨有效圍壓變化的關系曲線作為后續動靜加卸載試驗膜嵌入效應修正輸入量；此時，圍壓即為有效圍壓，上述膜嵌入量隨圍壓變化的關系曲線即為膜嵌入量隨有效圍壓變化的關系曲線；

第四步，固結試驗結束之后，關閉下排水口直通閥(103)，繼續進行砂礫料三軸試樣動力不排水加載試驗；通過工控機設定加卸載控制方式以及加卸載速率，控制外置加載裝置，對砂礫料三軸試樣(124)進行動力加載，將筆式位移傳感器(101)作為砂礫料三軸試樣實際軸向變形信號源；加載過程中，實時采集并保存內置式微型壓力傳感器(118)、外置式輪輻式壓力傳感器(113)、筆式位移傳感器(101)、上孔隙水壓力傳感器(104)、孔隙水壓力傳感器(112)及高精度圍壓傳感器(116)的數據；因是動力試驗，取上孔隙水壓力傳感器(104)和下孔隙水壓力傳感器(105)測得的孔壓值的平均值作為砂礫料三軸試樣內部壓力值；高精度圍壓傳感器(116)測得圍壓值為實際圍壓值；

第五步，根據膜嵌入量隨圍壓變化的關系曲線即為膜嵌入量隨有效圍壓變化的關系曲線計算補償裝置所應推入或吸出三軸試樣內部的液體的體積，方法具體如下：

在動力試驗過程中，定義初始時刻t₀的圍壓為u₀,定義下一時刻t₁的有效圍壓為u₁，此時的孔壓為u′₁，有效圍壓隨孔壓的上升而逐漸降低，其計算方法如下：

u₁＝u₀-u′₁

在試驗過程中，圍壓傳感器將有效圍壓的數值傳輸給工控機，工控機根據固結試驗中獲得的膜嵌入量隨有效圍壓變化的關系曲線，首先根據圍壓u₀確定t₀時刻的膜嵌入量V_t0膜嵌入；隨著試驗的進行到下一時刻t₁時，工控機根據圍壓試驗中獲得的膜嵌入量隨有效圍壓變化的關系曲線，繼續根據有效圍壓u₁確定t₁時刻的膜嵌入量為V_t1膜嵌入，由此計算出補償裝置所應推入或吸出三軸試樣內部的液體的體積V_補償，計算方法為：

V_補償＝V_t0膜嵌入-V_t1膜嵌入

若V_補償0,表示補償裝置向三軸試樣內部吸出液體；若V_補償0，表示補償裝置三軸試樣內部推入液體；

根據實時有效圍壓值與膜嵌入量隨有效圍壓變化的關系曲線，獲得實時膜嵌入量，再根據上述計算方法計算出實時補償裝置所應推入或吸出三軸試樣內部的液體的體積，補償裝置控制柜(207)控制無刷伺服電機(203)轉速與轉動方向，無刷伺服電機(203)轉子帶動直線電動推桿(208)轉子運動，直線電動推桿(208)轉子帶動直線活塞軸(206)運動，直線活塞軸(206)帶動活塞桿液壓缸(204)活塞運動，將液體推入或吸出砂礫料三軸試樣內部，實現實時補償；控制及采集程序不斷重復上述步驟至動力加卸載試驗結束。