本實用新型涉及土工試驗中土體宏觀強度的微觀本質研究領域，是一種用于分級加載過程中土體細觀結構變化的觀測方法及其系統(tǒng)。

背景技術：

目前，國內外很多巖土工程專業(yè)的研究人員都在熱衷于通過掃描電鏡、光學顯微鏡和同步輻射等方法探究巖土樣的空間結構特征，其中主要是以巖樣的裂隙分布和土樣的孔隙排布這兩方面的研究為主。

傳統(tǒng)的土工試驗主要是在靜態(tài)條件下獲取土體孔隙空間排列、孔隙形態(tài)、孔隙尺度變化特征等數據，而靜態(tài)條件下土樣的與動態(tài)條件下土樣的孔隙排布還是有很大差異的。就現有的室內試驗的技術條件而言，三軸試驗獲得的土樣強度較為準確可靠，但是傳統(tǒng)三軸儀主要是用于室內獲取靜態(tài)條件下，較大尺寸土樣的強度參數，用以提供給各工程設計中計算地基穩(wěn)定性的數值標準，其功能也僅僅只是用于獲取土樣的剪切強度，并不能獲取與土樣有關的其他信息。所以目前的研究技術都還沒有進行過合適的動態(tài)土體孔隙的獲取。

技術實現要素：

本實用新型目的是，針對傳統(tǒng)土工試驗無法在動態(tài)條件下獲取土樣參數的變化以及提高試驗觀測數據的可靠性，提供一種土體細觀結構的三軸旋轉觀測方法及其裝置。將測試系統(tǒng)置于X光成像環(huán)境之中，可實時獲得試樣內部結構單元在軸力作用下的運動軌跡數據，避免了試驗觀測數據的單一性以及無法獲取土樣微觀孔隙空間結構參數特征；同時，通過定時將試驗進程中的機械推移軸力與軸力傳感器采集的數據進行對比，及時修正傳感器和機械運行誤差，提高了試驗數據的可靠性，這有效的提高了分析土樣微觀空間結構特征的水平。本實用新型可為土樣宏觀尺度參數特征的變化研究提供微觀尺度的參考帶來便利。

為達成上述目的，本實用新型所采用的技術方案如下：

一種用于實時觀測土體細觀結構的三軸旋轉裝置，包括壓力室裝置1、檢測裝置2、加荷與驅動裝置3、底座4、旋轉驅動裝置5及自控系統(tǒng)6；檢測裝置2包括：圍壓檢測接口和連接自控系統(tǒng)的圍壓檢測傳感器；反壓接口和連接自控系統(tǒng)的反壓檢測傳感器；孔隙壓力接口和連接自控系統(tǒng)的孔隙壓力檢測傳感器；位移傳感器和位移傳感器測量板裝在位移傳感器架上，伴隨位移傳感器板與螺紋減速機絲杠上下移動實現位移量數值測量；壓力室裝置1的上螺紋孔連接軸力外傳力桿及軸壓加載帽；軸壓驅動裝置安裝在壓力室裝置的頂部并通過加載外聯接桿對壓力室裝置內試樣進行加載，圍壓/反壓加載是安裝在自控系統(tǒng)的ITV0050電氣比例閥，通過電氣比例閥開合度的控制實現對圍壓/反壓加載壓力的目標控制；旋轉觀測驅動單元包括安裝于底座內的步進電機、電機聯軸器、旋轉限位開關部件；采用控制步進電機的轉速、轉向，以實現觀測所需的旋轉速度；

加荷與驅動裝置3包括電機、螺紋減速機的軸壓加載裝置、圍壓/反壓加載、飽和壓力加載以及旋轉觀測驅動單元。壓力室頂部、底部分別留有圍壓、反壓、孔隙壓及排水氣接口，用于聯接測試參數控制接口；

底座4安裝在壓力室裝置1下部，旋轉驅動裝置5安裝在底座4內，旋轉驅動裝置5的螺紋減速機的輸出絲杠中心線與軸力外傳力桿、軸壓加載帽、透水石、試樣、試樣底座位于同一條鉛垂線上，旋轉驅動裝置5帶動上部的壓力室裝置1、檢測裝置2、加荷與驅動裝置3旋轉；

自控系統(tǒng)6包括：數據A/D轉換模塊、數據存儲模塊、指令輸入模塊、控制模塊、數據采集分模塊；

自控系統(tǒng)還包括計算對比分模塊、校核修正分模塊、LCD顯示和驅動電機執(zhí)行六部分。本實用新型裝置可暴露于同步輻射X光中，得到X光圖像表征的土體細觀結構，在X光旋轉加載，進行實時觀測。

測試過程中，試樣下部隔一透水石裝在試樣的底座4上；底座4頂部隔一透水石承接壓力室裝置1傳來的軸向壓力；軸向加載帽頂部接受軸力內傳力桿加載的軸向推力和反壓壓力；軸力內傳力桿直接連在檢測裝置2的下螺紋孔內；檢測裝置2的上螺紋孔聯接軸力外傳力桿；壓力室頂部、底部分別留有圍壓、反壓、孔隙壓及排水氣接口，用于聯接測試參數控制接口。

檢測裝置2獲取加載在試樣上的壓力值；圍壓傳感器、反壓傳感器、孔隙壓力傳感器、位移傳感器同時獲取相應的壓力值，并通過A/D轉換模塊6.1直接將數據顯示在HMI顯示上。

有益效果：本實用新型測試系統(tǒng)置于高亮度X光環(huán)境之中，進行逐級加載，在每級荷載下，持荷并控制儀器旋轉360度，獲得各級荷載下土體內部細觀結構斷層成像圖片序列。本發(fā)明旨在解決土工三軸試驗中難以實時定量表征土體細觀結構的不足，以提高表征土體物理、力學性質的能力。檢測裝置獲取相應軸壓、圍壓、反壓目標值S1、S2、S3，比較各傳感器的現時值與各自目標值，與系統(tǒng)預設定的允差標準值進行比較，若符合標準允差，試驗繼續(xù)進行，并向HMI顯示輸出數據，如果不符合標準允差，系統(tǒng)進入修正校核，首先檢測傳感器狀態(tài)。提供一種土體細觀結構的三軸旋轉觀測方法及其裝置。本實用新型將測試系統(tǒng)置于X光成像環(huán)境之中，可實時獲得試樣內部結構單元在軸力作用下的運動軌跡數據，避免了試驗觀測數據的單一性以及無法獲取土樣微觀孔隙空間結構參數特征；同時，通過定時將試驗進程中的機械推移軸力與軸力傳感器采集的數據進行對比，及時修正傳感器和機械運行誤差，提高了試驗數據的可靠性。判斷傳感器的工作狀態(tài)，若傳感器狀態(tài)異常，校正傳感器。完成上述后，讀取校正后的傳感器讀數，重復上述檢測裝置2獲取值；校核檢驗完成后，試驗繼續(xù)進行，并向HMI顯示輸出顯示數據；由以上本實用新型的技術方案可知，本實用新型的有益效果是與傳統(tǒng)土工試驗相比：利用步進電機運轉可控性和機械加載裝置本身固有的傳動比，控制微觀旋轉三軸系統(tǒng)軸向載荷和對試樣進行360°旋轉觀測，將測試系統(tǒng)置于X攝像環(huán)境之中，可獲得側限試樣內部結構單元可靠的三維運動軌跡檢測數據及試樣固結性能參數。

附圖說明

圖1為本實用新型的自校核無側限壓縮儀系統(tǒng)結構示意圖。

圖2為本實用新型的控制系統(tǒng)結構工作流程圖。

圖3為本實用新型的自校核控制系統(tǒng)工作流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實例對本實用新型做詳細闡述。

結合圖1，一種用于實時觀測土體細觀結構的三軸旋轉裝置，主要由壓力室裝置1、 檢測裝置2、加荷與驅動裝置3、底座4、旋轉驅動裝置5及自控系統(tǒng)6共同構成。位移傳感器8裝在上部。試樣9，軸力傳感器10。

壓力室裝置包括由壓力室底板、壓力室筒、壓力室頂蓋等組成密封罩結構，壓力室底板通過開槽無頭軸位螺釘，定座在旋轉連接盤上。試樣底座通過螺紋安裝在壓力室底板上；測試過程中，試樣下部隔一透水石裝在試樣底座上；試樣底座中心加工2mm透孔，用于測量孔隙壓力或傳遞飽和壓力；試樣底座頂部隔一透水石承接軸壓加載帽傳來的軸向壓力,壓力由軸壓加載電機7傳動至減速機加至加載帽；軸壓加載帽中心加工2mm透孔，用于傳遞反壓壓力；軸向加載帽頂部接受軸力內傳力桿加載的軸向推力和反壓壓力；軸力內傳力桿直接聯在軸力傳感器的下螺紋孔內；軸力傳感器的上螺紋孔聯接軸力外傳力桿；壓力室頂部、底部分別留有圍壓、反壓、孔隙壓及排水氣接口，用于聯接測試參數控制接口。

檢測裝置包括軸壓、圍壓、反壓、孔隙壓/飽和控制壓力檢測裝置和位移檢測裝置。其中軸壓檢測裝置包括軸力傳感器、軸壓內傳力桿、軸壓加載帽、試樣底座等，其相對安裝位置如上段壓力室結構所述；圍壓檢測裝置包括圍壓檢測接口和位于控制箱內的圍壓檢測傳感器；反壓檢測裝置包括反壓接口和位于控制箱內的反壓檢測傳感器；孔隙壓力/飽和控制壓力檢測裝置包含孔隙壓力接口和位于控制箱內的孔隙壓力檢測傳感器；位移檢測裝置包含位移傳感器、位移傳感器架、位移傳感器測量板等，伴隨位移傳感器板與螺紋減速機絲杠上下移動實現位移量數值測量；

加荷與驅動裝置包括軸壓加載、圍壓/反壓加載、飽和壓力加載以及旋轉觀測驅動。軸壓加載驅動裝置包含軸壓加載電機、螺紋減速機等，軸壓驅動裝置安裝在壓力室頂部通過加載外聯接桿對試樣進行加載；圍壓/反壓加載主要是安裝在控制箱內的ITV0050電氣比例閥，通過電氣比例閥開合度的控制實現對圍/反的目標控制；飽和加載驅動裝置位于控制箱內，包含120ml液壓缸、滾珠絲杠和驅動電機等，通過驅動電機驅動滾珠絲杠推動液壓缸內的活塞，實現對飽和壓力的控制；旋轉觀測驅動安裝于測試系統(tǒng)底座內的旋轉電機、電機聯軸器、旋轉限位開關等部件組成，主要采用控制步進電機的轉速、轉向，以實現觀測所需的旋轉速度。

底座及旋轉驅動裝置中，螺紋減速機的輸出絲杠中心線與與軸力外傳力桿、軸力內傳桿、軸壓加載帽、透水石、試樣、試樣底座位于同一條鉛垂線上。

通過壓力源為三軸儀壓力室提供恒定圍壓。

其中軸壓檢測裝置包括軸力傳感器、軸壓內傳力桿、軸壓加載帽、試樣底座等，其相對安裝位置如上段壓力室結構所述；圍壓檢測裝置包括圍壓檢測接口和位于控制箱內的圍壓檢測傳感器；反壓檢測裝置包括反壓接口和位于控制箱內的反壓檢測傳感器；孔隙壓力/飽和控制壓力檢測裝置包含孔隙壓力接口和位于控制箱內的孔隙壓力檢測傳感器；位移檢測裝置包含位移傳感器、位移傳感器架、位移傳感器測量板等，伴隨位移傳感器板與螺紋減速機絲杠上下移動實現位移量數值測量；

通過控制步進電機運轉以加大機械加載裝置傳動比(加大速度)，逐級增大三軸儀軸向壓力，同步測讀土樣位移、孔隙水壓力等基本參數。

在恒定圍壓、軸壓與反壓下持荷，控制三軸儀壓力室繞其圓筒軸心旋轉，控制轉速不超過12°/sec，且不低于1°/sec，旋轉360°后，獲得該級荷載下土樣內部細觀結構的X光斷層掃描圖像序列。

對所得圖像二值化，進行三維重構及數字矩陣運算等操作，精細化分析土樣內部三維細觀結構。

在各級荷載下，用土樣的三維細觀結構定量特征結合位移、孔壓及孔隙比等宏觀參數進行相關性分析，用于土體受力、變形內在機制研究。

首先，系統(tǒng)開機后檢測裝置2進行初始化自檢，系統(tǒng)歸零復位，系統(tǒng)進入等待試驗開始指令狀態(tài)，然后讀取試驗指令參數，自控系統(tǒng)6輸出驅動電機運行指令。

加荷與驅動裝置3獲取加載在試樣的底座4上的壓力值并通過轉換模塊將數據顯示在HMI顯示上。

結合圖3，檢測裝置2獲取相應軸壓、圍壓、反壓目標值S1、S2、S3，比較各傳感器的現時值與各自目標值，反饋兩者偏差值S1′、S2′、S3′；將兩者偏差值S1′、S2′、S3′與系統(tǒng)預設定的允差標準值進行比較；

如果符合要求，則繼續(xù)下一步，如果不符合，則進行調整，再次進行誤差比較，直到符合誤差要求，并向HMI顯示輸出數據；

完成試驗前的校準階段后，所有的原始測試數據及換算處理結果通過無線傳輸協議由旋轉驅動裝置5傳輸到自控系統(tǒng)6，自控系統(tǒng)通過接口接位移傳感器，再輸出到其他端口儲存。

結合圖2控制模塊6.4中的數據采集分模塊641，其中的軸力數據采集單元6411采集并記錄6.1送來的壓力數字數據，儲存并備用，同時將壓力數字數據輸送給HMI6.5 顯示；其中的位移數據采集單元6413采集并記錄6.1送來的位移數字數據，儲存并備用。

其中的壓力數據采集單元6412同步采集圍壓、反壓、孔隙/飽和壓力送來的壓力數據，儲存并備用；步進電機/比例閥運轉數據采集單元6414同步采集系統(tǒng)下達給步進電機比例閥的運轉狀態(tài)數據，儲存并備用。數據采集分模塊641分別將6411、6412、6413采集的信號數據和各自的目標值送給計算對比分模塊642進行比較。

本實例中，旋轉驅動裝置5通過對試樣底座4和軸力加壓帽之間的試樣進行加載，系統(tǒng)獲得實際加載在試樣上的軸向壓力數據；電氣比例閥通過壓力室頂底部的圍壓、反壓接口對壓力室內的試樣進行圍壓、反壓加載，系統(tǒng)獲得相應的壓力數據。

以位移為x軸，以壓力為y軸，將不同位移條件下的壓力數據記錄在x、y坐標平面內，從而獲得試樣的試樣在不同條件下的抗壓強度特性曲線；系統(tǒng)置于X光或CT掃描系統(tǒng)中觀測，則能夠獲得試樣微結構單元在不同圍/反壓和軸壓條件下的運行軌跡曲線。

結合圖2和圖3，可見本實用新型可以實時獲得試樣內部結構單元在軸力作用下的運動軌跡數據；同時，通過定時將試驗進程中的機械推移軸力與軸力傳感器采集的數據進行對比，及時修正傳感器和機械運行誤差，提高了試驗數據的可靠性，這有效的提高了分析土樣微觀空間結構特征的水平。可為研究土樣微觀結構的動態(tài)變化過程提供指導。