本發(fā)明涉及一種顆粒材料測試技術(shù)領(lǐng)域的儀器，具體地，涉及一種顆粒材料的空心圓柱體各向異性測試儀。

背景技術(shù)：

自然界中存在許多顆粒材料，例如砂土、礫石等，各向異性是這些顆粒材料的基本性質(zhì)之一，其一直作為顆粒材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的重點研究對象。工程中的顆粒材料經(jīng)常會遇到波浪荷載和交通荷載等工程動荷載，主應(yīng)力軸方向變化是這些動荷載作用下顆粒材料所受的應(yīng)力路徑的主要特征，而主應(yīng)力軸方向正是體現(xiàn)了顆粒材料的各向異性這一性質(zhì)。因此，為了研究工程動荷載對顆粒材料的力學(xué)性狀的影響，提高工程的設(shè)計精度，深入研究顆粒材料的各向異性顯得尤為重要。

然而，目前常規(guī)的動三軸儀在試驗過程中一般只能采用控制三個主應(yīng)力方向固定不變，大主應(yīng)力反復(fù)變化的形式。若試樣呈空心圓柱體，便可通過控制軸力、扭矩、內(nèi)圍壓和外圍壓四個加載參數(shù)來模擬復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，使主應(yīng)力軸方向改變。傳統(tǒng)的空心圓柱扭剪儀便采用空心圓柱體試樣，但在試樣剪切開始前需預(yù)先調(diào)節(jié)試樣的內(nèi)外圍壓，剪切過程中內(nèi)外圍壓保持不變，軸力和扭矩耦合加載，這無法嚴格滿足主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)理論的要求。為了研究顆粒材料的各向異性對其強度和變形的影響，必須在測試試驗中實現(xiàn)對主應(yīng)力軸任意角度的控制，這便要求測試儀器在顆粒材料的剪切過程中實現(xiàn)對軸力、扭矩、內(nèi)圍壓和外圍壓四個加載參數(shù)的獨立連續(xù)控制。

對現(xiàn)有技術(shù)文獻檢索，尚未發(fā)現(xiàn)針對顆粒材料同時對軸力、扭矩和內(nèi)外圍壓四個參數(shù)自動連續(xù)加載的各向異性測試儀相關(guān)描述。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種顆粒材料的空心圓柱體各向異性測試儀，在空心圓柱體顆粒材料測試的全過程中實現(xiàn)軸力、扭矩和內(nèi)外圍壓四個參數(shù)自動連續(xù)加載，適用于顆粒材料的定向剪切和主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等試驗，目的在于改變現(xiàn)有測試儀器不能同時獨立控制軸力、扭矩和內(nèi)外圍壓四個加載參數(shù)自動連續(xù)加載，可用以研究顆粒材料的各向異性對其物理力學(xué)性狀的影響，為相關(guān)工程項目提供設(shè)計依據(jù)和技術(shù)支持。

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種顆粒材料的空心圓柱體各向異性測試儀，包括：氣壓源、四組空壓控制系統(tǒng)、氣缸傳力系統(tǒng)、圍壓室、體變量測系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中：

所述的圍壓室用以安裝顆粒材料試樣，結(jié)構(gòu)上分內(nèi)腔、外腔，試驗時注水至液面高于試樣，內(nèi)腔、外腔分別通過內(nèi)圍壓控制系統(tǒng)和外圍壓控制系統(tǒng)施加靜水壓力；

所述空壓控制系統(tǒng)包括四組，即軸力空壓控制系統(tǒng)、扭矩空壓控制系統(tǒng)、內(nèi)圍壓空壓控制系統(tǒng)和外圍壓空壓控制系統(tǒng)，這四組空壓控制系統(tǒng)的進氣端與所述氣壓源相連接，所述軸力空壓控制系統(tǒng)和所述扭矩空壓控制系統(tǒng)的出氣端分別與所述氣缸傳力系統(tǒng)的接入端相連接，所述內(nèi)圍壓空壓控制系統(tǒng)和所述外圍壓空壓控制系統(tǒng)的出氣端分別與所述圍壓室的內(nèi)腔和外腔相連接；

所述氣缸傳力系統(tǒng)的輸出端與圍壓室相連接；

所述體變量測系統(tǒng)與圍壓室相連；

四組所述空壓控制系統(tǒng)、所述氣缸傳力系統(tǒng)和所述體變量測系統(tǒng)的信號輸出端分別與所述采集系統(tǒng)相連接，其中；空壓控制系統(tǒng)傳輸氣壓模擬信號，氣缸傳力系統(tǒng)傳輸壓力或位移模擬信號，體變量測系統(tǒng)傳輸水壓模擬信號；

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機相連接，計算機存儲各模擬信號并對模擬信號進行處理，得到所需要的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，每組所述空壓控制系統(tǒng)均包括一個自動調(diào)壓閥和一個壓力傳感器，四組空壓控制系統(tǒng)具有四個自動調(diào)壓閥和四個壓力傳感器；其中：

四個所述自動調(diào)壓閥的進氣端與氣壓源相連接；四個所述自動調(diào)壓閥的出氣端分別與四個壓力傳感器相連接，且其中軸力空壓控制系統(tǒng)和扭矩空壓控制系統(tǒng)中的自動調(diào)壓閥的出氣端分別與氣缸傳力系統(tǒng)的接入端相連接，內(nèi)圍壓空壓控制系統(tǒng)和外圍壓空壓控制系統(tǒng)中的自動調(diào)壓閥的出氣端分別與圍壓室的內(nèi)腔、外腔相連接；四個所述自動調(diào)壓閥的信號輸入端均與計算機相連接；

四個所述壓力傳感器作為所述空壓控制系統(tǒng)的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，用以傳輸氣壓模擬信號給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述氣缸傳力系統(tǒng)，包括：軸向氣缸、側(cè)向氣缸、垂直傳力桿、水平傳力桿、軸力和軸向位移傳感器，以及扭矩和轉(zhuǎn)角變位傳感器；其中：

所述軸向氣缸和側(cè)向氣缸的進氣端分別與軸力空壓控制系統(tǒng)、扭矩空壓控制系統(tǒng)的出氣端相連接；所述軸向氣缸和側(cè)向氣缸的底部分別與垂直傳力桿和水平傳力桿相連接；所述水平傳力桿通過齒輪轉(zhuǎn)盤帶動垂直傳力桿轉(zhuǎn)動；所述軸力和軸向位移傳感器、扭矩和轉(zhuǎn)角傳感器分別與垂直傳力桿和水平傳力桿相連接；

所述軸力和軸向位移傳感器、扭矩和轉(zhuǎn)角變位傳感器作為所述氣缸傳力系統(tǒng)的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，用以傳輸壓力和位移模擬信號給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

所述氣缸傳力系統(tǒng)的輸出端與所述圍壓室相連接，用以施加軸力和扭矩給圍壓室內(nèi)的試樣。

優(yōu)選地，所述體變量測系統(tǒng)，包括：內(nèi)體變管、外體變管、內(nèi)體積傳感器、外體積傳感器和孔隙水壓力傳感器；其中：

所述內(nèi)體變管與圍壓室內(nèi)的試樣內(nèi)腔相連接；所述外體變管與圍壓室內(nèi)的試樣相連接；所述內(nèi)體積傳感器與內(nèi)體變管相連接；所述外體積傳感器與外體變管相連接；孔隙水壓力傳感器與外體變管相連接；

所述內(nèi)體積傳感器、外體積傳感器和孔隙水壓力傳感器作為所述體變量測系統(tǒng)的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，用以傳輸體變和水壓模擬信號給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括：集線盒和多通道讀數(shù)儀，其中：

所述集線盒的輸入端與氣缸傳力系統(tǒng)、體變量測系統(tǒng)以及四組空壓控制系統(tǒng)的信號輸出端相連接，用于接收氣缸傳力系統(tǒng)輸出的壓力和位移模擬信號、體變量測系統(tǒng)輸出的體變和水壓模擬信號以及四組空壓控制系統(tǒng)輸出的氣壓模擬信號；

所述多通道讀數(shù)儀的輸入端與集線盒的輸出端相連接，用以接收各模擬信號，多通道讀數(shù)儀的輸出端與計算機連接，用以傳輸各模擬信號給計算機。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明在空心圓柱體各向異性測試儀中實現(xiàn)軸力、扭矩和內(nèi)外圍壓四個加載參數(shù)能夠自動獨立連續(xù)控制，實現(xiàn)了顆粒材料在剪切過程中軸力、扭矩和內(nèi)外圍壓四個參數(shù)耦合加載，適用于顆粒材料的定向剪切和主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等試驗，可用以研究顆粒材料的各向異性對其力學(xué)性狀的影響，為相關(guān)工程項目提供設(shè)計依據(jù)和技術(shù)支持。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的轉(zhuǎn)角變位圖；

圖3為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的扭矩圖；

圖4為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的軸力圖；

圖5為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的內(nèi)外圍壓圖；

圖6為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的剪切過程土體所受應(yīng)力圖；

圖中：

氣壓源1，空壓控制系統(tǒng)2，氣缸傳力系統(tǒng)3，圍壓室4，體變量測系統(tǒng)5，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6，計算機7，自動調(diào)壓閥8，壓力傳感器9，軸向氣缸10，側(cè)向氣缸11，垂直傳力桿12，水平傳力桿13，軸力和軸向位移傳感器14，扭矩和轉(zhuǎn)角變位傳感器15，內(nèi)體變管16，外體變管17，內(nèi)體積傳感器18，外體積傳感器19，孔隙水壓力傳感器20，外腔21，內(nèi)腔22，試樣23。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，一種顆粒材料的空心圓柱體各向異性測試儀，包括：一個氣壓源1、一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6、一個氣缸傳力系統(tǒng)3、圍壓室4、一個體變量測系統(tǒng)5，以及四組空壓控制系統(tǒng)2，其中：

所述的圍壓室4用以安裝顆粒材料試樣23，結(jié)構(gòu)上分內(nèi)腔22、外腔21，試驗時注水至液面高于試樣，內(nèi)外腔分別通過內(nèi)圍壓控制系統(tǒng)和外圍壓控制系統(tǒng)2施加水壓，；

所述空壓控制系統(tǒng)包括四組，即軸力空壓控制系統(tǒng)、扭矩空壓控制系統(tǒng)、內(nèi)圍壓空壓控制系統(tǒng)和外圍壓空壓控制系統(tǒng)，四組空壓控制系統(tǒng)2的進氣端均與氣壓源1相連接，兩組空壓控制系統(tǒng)2(包括一組軸力空壓控制系統(tǒng)和一組扭矩空壓控制系統(tǒng))的出氣端與氣缸傳力系統(tǒng)3的接入端相連接，另外兩組空壓控制系統(tǒng)2(包括一組內(nèi)圍壓空壓控制系統(tǒng)和一組外圍壓空壓控制系統(tǒng))的出氣端分別與圍壓室4的內(nèi)腔22、外腔21相連接，氣缸傳力系統(tǒng)3的輸出端和兩組空壓控制系統(tǒng)2(即一組內(nèi)圍壓空壓控制系統(tǒng)和一組外圍壓空壓控制系統(tǒng))的出氣端與圍壓室4相連接；

四組空壓控制系統(tǒng)2的信號輸入端均與計算機7相連接，計算機7控制四組空壓控制系統(tǒng)2同時獨立控制軸力、扭矩和內(nèi)外圍壓四個加載參數(shù)自動連續(xù)加載；

四組空壓控制系統(tǒng)2、氣缸傳力系統(tǒng)3和體變量測系統(tǒng)5的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6相連接以傳輸模擬信號；其中；空壓控制系統(tǒng)傳輸氣壓模擬信號，氣缸傳力系統(tǒng)傳輸壓力或位移模擬信號，體變量測系統(tǒng)傳輸體變和水壓模擬信號；

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6與計算機7相連接，計算機7存儲各模擬信號并對模擬信號進行處理，得到所需要的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。

作為優(yōu)選，四組所述空壓控制系統(tǒng)2，均包括：自動調(diào)壓閥8和壓力傳感器9，四組空壓控制系統(tǒng)2具有四個自動調(diào)壓閥8和四個壓力傳感器9；其中：

四個所述自動調(diào)壓閥8的進氣端均與氣壓源1相連接，四個自動調(diào)壓閥8的信號輸入端與計算機7相連接；四個所述自動調(diào)壓閥8的出氣端分別與四個壓力傳感器9相連接，其中兩組空壓控制系統(tǒng)2(即軸力空壓控制系統(tǒng)和扭矩空壓控制系統(tǒng))中的兩個自動調(diào)壓閥8的出氣端與氣缸傳力系統(tǒng)3相連接，一組空壓控制系統(tǒng)2(即內(nèi)圍壓空壓控制系統(tǒng))中的自動調(diào)壓閥8的出氣端與圍壓室4的內(nèi)腔22相連接，還有一組空壓控制系統(tǒng)2(即外圍壓空壓控制系統(tǒng))中的自動調(diào)壓閥8的出氣端與圍壓室4的外腔21相連接；

所述壓力傳感器9作為空壓控制系統(tǒng)2的信號輸出端，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6相連接以傳輸氣壓模擬信號。

作為優(yōu)選，所述氣缸傳力系統(tǒng)3，包括：軸向氣缸10、側(cè)向氣缸11、垂直傳力桿12、水平傳力桿13、軸力和軸向位移傳感器14及扭矩和轉(zhuǎn)角變位傳感器15，其中：

軸向氣缸10和側(cè)向氣缸11的進氣端分別與軸力空壓控制系統(tǒng)和扭矩空壓控制系統(tǒng)的出氣端相連接，軸向氣缸10和側(cè)向氣缸11的底部分別與垂直傳力桿12和水平傳力桿13相連接，軸力和軸向位移傳感器14、扭矩和轉(zhuǎn)角變位傳感器15分別與垂直軸力桿12和水平傳力桿13相連接，水平傳力桿13通過齒輪轉(zhuǎn)盤帶動垂直傳力桿12轉(zhuǎn)動；

所述軸力和軸向位移傳感器14、扭矩和轉(zhuǎn)角變位傳感器15作為氣缸傳力系統(tǒng)3的信號輸出端，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6相連接。

作為優(yōu)選，所述體變量測系統(tǒng)5，包括：內(nèi)體變管16、外體變管17、內(nèi)體積傳感器18、外體積傳感器19和孔隙水壓力傳感器20，其中：

內(nèi)體變管16與圍壓室4的內(nèi)腔22相連接，外體變管17與圍壓室4的試樣23相連接，兩個體積傳感器18和19分別與兩個體變管16和17相連接，孔隙水壓力傳感器20與外體變管17相連接；

兩個體積傳感器18和19以及孔隙水壓力傳感器20作為體變量測系統(tǒng)5的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6相連接。

作為優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6，包括：集線盒和多通道讀數(shù)儀，其中：

集線盒的輸入端與氣缸傳力系統(tǒng)3、體變量測系統(tǒng)5以及四組空壓控制系統(tǒng)2的輸出端相連接以接收模擬信號，多通道讀數(shù)儀的輸入端與集線盒相連接用以接收模擬信號，多通道讀數(shù)儀的輸出端與計算機7連接。

上述所述測試儀通過以下方式進行工作：

1、將空心圓柱體試樣裝入圍壓室4，并且將圍壓室4與氣缸傳力系統(tǒng)3連接好；

2、打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6并調(diào)整自動調(diào)壓閥8的壓力為0(kPa)；

3、自動調(diào)壓閥8逐漸提高輸出電壓(從0到5v)，將壓力由0提升至某任意值，并測得各電壓值對應(yīng)的輸出空氣壓力值，得到電壓與輸出空氣壓力的相關(guān)曲線與比例系數(shù)，后續(xù)工作中將按照該比例系數(shù)在用電壓來控制輸出空氣壓力。

4、將自動調(diào)壓閥8的壓力歸零；

5、在程序中輸入試樣尺寸、固結(jié)及剪切時間、測試應(yīng)力路徑信息；

6、啟動自動控制程序，測試由計算機7全自動控制固結(jié)和剪切過程，并將試驗數(shù)據(jù)存儲在計算機7的硬盤內(nèi)，直至剪切結(jié)束；

7、開始剪切時，設(shè)定扭矩空壓控制系統(tǒng)的加載參數(shù)，包括加載速率、加載波形；開始剪切后，計算機7根據(jù)依據(jù)氣缸傳力系統(tǒng)3中的扭矩和轉(zhuǎn)角變位傳感器15讀取到實時的扭矩計算出所需的軸力和內(nèi)外圍壓，發(fā)送模擬信號給自動其余三組空壓控制系統(tǒng)2(即軸力空壓控制系統(tǒng)、內(nèi)圍壓空壓控制系統(tǒng)、外圍壓空壓控制系統(tǒng))的調(diào)壓閥8，壓力傳感器9讀取壓力數(shù)據(jù)后傳輸模擬信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6給計算機7，計算機7計算出軸向氣缸、內(nèi)圍壓和外圍壓這三組氣壓目標(biāo)值與現(xiàn)值的差距，重新發(fā)送模擬信號給自動調(diào)壓閥8，反復(fù)以上過程直至精度滿足要求；

8、剪切結(jié)束后，停止各系統(tǒng)，對計算機7內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)進行處理，得到所需結(jié)果。

如圖2-圖6所示，為整理計算機7內(nèi)儲存的數(shù)據(jù)所得圖形：

控制α角度為30°、有效平均主應(yīng)力為150kpa和中主應(yīng)力參數(shù)b為0.5不變，對砂土做排水剪切，設(shè)定試樣轉(zhuǎn)角變位為均勻直線變化，如圖2所示；

實測得到的扭矩、軸力和內(nèi)外圍壓分別如圖3、圖4和圖5所示；

計算得到剪切過程土體所受應(yīng)力狀態(tài)如圖6所示。

本發(fā)明在空心圓柱體各向異性測試儀中實現(xiàn)軸力、扭矩和內(nèi)外圍壓四個加載參數(shù)能夠自動獨立連續(xù)控制，實現(xiàn)了顆粒材料在剪切過程中軸力、扭矩和內(nèi)外圍壓四個參數(shù)耦合加載，適用于顆粒材料的定向剪切和主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等試驗，可用以研究顆粒材料的各向異性對其力學(xué)性狀的影響，為相關(guān)工程項目提供設(shè)計依據(jù)和技術(shù)支持。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。