路東輝，商首興，田　萍

(長春機械科學研究院有限公司，吉林 長春 130103)

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帶上下反壓功能的土體滲流試驗系統(tǒng)的研制

路東輝，商首興，田萍

(長春機械科學研究院有限公司，吉林 長春 130103)

摘要：本機是一種可對土體在三軸應力作用下的滲流性能進行測試的試驗機，由軸向壓力加載系統(tǒng)、圍壓室、圍壓加載系統(tǒng)、上反壓加載系統(tǒng)、下反壓加載系統(tǒng)、軸向測控系統(tǒng)、圍壓測控系統(tǒng)、孔隙水反壓測控系統(tǒng)和數據處理系統(tǒng)等幾部分組成。本機的最大特點是可對試樣施加上下不同的壓力并進行滲流量測量。本機可對試樣進行恒載荷或恒變形控制，還可對試樣施加特定頻率和振幅變化的動態(tài)載荷。

關鍵詞：土體；三軸；滲流

1引言

隨著越來越多地下工程的應用，對地下土質研究成為越來越多的科研工作者的研究方向，因此研發(fā)了帶有上下反壓功能的土體滲流試驗系統(tǒng)。本機是長春機械科學研究院有限公司在原有的土體滲流試驗系統(tǒng)基礎上，增加了上下反壓功能而開發(fā)成功的。

帶上下反壓功能的土體滲流試驗系統(tǒng)可用于土體在三軸應力作用下的滲流性能測試，土體在垂直載荷作用下的蠕變性能測試，土體在周圍原位應力作用下引起的固結、高壓滲透、回彈過程中的釋水量、吸水量的定量測試；可以在恒定圍壓下進行恒載荷和恒變形控制，也可在恒載荷或恒變形控制一段時間后再施加按一定頻率和振幅變化的動態(tài)載荷；能夠測試在上述三軸加載條件下試樣上的力或變形變化情況，測量試樣內部的孔隙壓力和孔隙水流量。該試驗機是有關大專院校、科研設計單位進行土體性能研究、測試的強有力工具，可以滿足科研工作者在地下土體滲流試驗研究方向上對設備的需求。

2本滲流試驗系統(tǒng)主要技術指標

(1)最大軸向加載能力：200kN；

(2)力測量誤差：±0.5%示值，(從滿量程1%開始)

(3)軸向變形測量范圍：0～25mm；

(4)變形測量精度：±0.003mm；

(5)圍壓室最大壓力：10MPa；

(6)圍壓測量精度：±0.5% F.S；

(7)最大反壓力(滲透壓力)：5MPa；

(8)孔隙水壓測量范圍：10MPa；

(9)反壓力、孔隙水壓測量精度：±0.5% F.S；

(10)孔隙水流量測量范圍：0～40ml；

(11)孔隙水流量測量精度：±0.5%F.S；

(12)土體吸水及滲水量測量范圍：±50ml，測量誤差不大于±0.05ml；

(13)試件尺寸：?61.8mm×125mm。

3本試驗系統(tǒng)主要原理與結構特點

本試驗系統(tǒng)由200kN軸向壓力加載系統(tǒng)、圍壓室、圍壓加載系統(tǒng)、上反壓加載系統(tǒng)、下反壓加載系統(tǒng)、軸向測控系統(tǒng)、圍壓測控系統(tǒng)、孔隙水反壓測控系統(tǒng)和數據處理系統(tǒng)等幾部分組成(如圖1所示)。圍壓室、圍壓加載系統(tǒng)、上反壓加載系統(tǒng)和下反壓加載系統(tǒng)均裝在一臺移動臺車上。軸向測控系統(tǒng)、圍壓測控系統(tǒng)和孔隙水反壓測控系統(tǒng)安裝在一個電控機柜內。工控機放到電腦桌上。

圖1　整機示意圖

進行滲流試驗時，先將移動臺車的圍壓室部分推到主機的試驗空間內，定好位后，將圍壓室固定在主機的拉管上，拉管向上移動對試樣軸向進行加載，作用到試樣上的力通過上壓桿傳到圍壓室外固定在上橫梁上的測力傳感器上，通過測力傳感器可測出試樣受力。上壓桿與圍壓室間的密封摩擦力對軸向力測量影響較小。試樣的軸向變形通過用位于壓力室外的光柵傳感器測量下壓桿位移的方式測出。

3.1200kN軸向壓力加載系統(tǒng)

200kN軸向壓力加載系統(tǒng)是由上橫梁、工作臺、下底板及兩根支柱和四根角鋼支撐起來的門形框架。測力傳感器固定在上壓桿上，在工作臺和下底板上安裝加載驅動系統(tǒng)。加載驅動系統(tǒng)由伺服電機、渦輪減速器、滾珠絲杠、下拉管、支撐管及導向臂等構成。伺服電機通過同步帶帶動渦輪減速機，渦輪減速機輸出軸與滾珠絲杠相連，通過絲杠轉動帶動固定在滾珠絲杠螺母上的下壓管的上下移動，實現對試樣加載。在拉管上還裝有一個導向臂，通過兩徑向軸承靠緊到裝在上臺板上的導向桿上。當電機通過減速器帶動滾珠絲杠旋轉時，由于導向臂的作用，使螺母和固定其上的拉管只能上下移動，而不能旋轉，由此對試樣施加軸向力。

3.2圍壓室

圍壓室是對裝在其中的試樣施加圓周向圍壓的壓力容器，由支座、有機玻璃筒、上蓋、六根連接桿和壓緊螺母等構成。在有機玻璃筒與支座、上蓋之間裝有O形密封圈，通過連接桿和壓緊螺母使有機玻璃筒與上蓋、支座間壓緊，保證密封。在支座的底部有一個下壓桿插入孔，壓桿與插入孔之間采用斯特封式組合密封圈密封。在支座的側面有二個與外相通的孔，一個孔上連接一個壓力變送器，用以測量容器內的壓力；另一個孔上連接一個三通，三通一端連接一個壓力變送器，另一端裝一個截止閥，截止閥的出口插一根管，直通電子天平上的燒杯。在此孔內側裝一個快速接頭，在壓桿上端的支撐座上也裝一個快速接頭，它們之間有一尼龍管相連。

進行試驗時，支座上端的試樣被擠壓時，其內部的孔隙水可以順著尼龍管流到三通上的壓力變送器和截止閥之間。當截止閥關閉時，孔隙水流不出去，產生的壓力(即孔隙壓力)可以用壓力變送器測出。當截止閥打開后，孔隙水流過截止閥引出管滴入到電子天平上的燒杯內，由此可以測出孔隙水流量。

在容器支座底部還有一個小孔，其出口處裝有一個三通閥，三通閥一端通過一尼龍管與圍壓加載伺服缸相連，另一端可連接一根尼龍管作為加水和放水用。在側面還裝有一個放氣閥，當對容器加水或放水時，都要將放氣閥打開。在圍壓室座上有多個引出孔，可與圍壓、上下反壓加載系統(tǒng)、圍壓反壓傳感器、試樣孔隙排水量測量系統(tǒng)相連。為了裝卸試樣方便，在支架上還裝有壓力室提升機構。該機構由交流電機、螺旋升降機、支撐臂構成。

3.3圍壓、上下反壓加載系統(tǒng)

本試驗系統(tǒng)的圍壓和上下反壓都是采用機電伺服作動缸施加的。上反壓加載作動缸對試樣上端施加壓力，下反壓加載作動缸對試樣下端施加壓力，其結構和工作原理均相同，都是由伺服電機、減速器、滾珠絲杠、加載缸、滾動導軌和支座等構成，其作用原理如下：

電機通過減速器帶動絲杠旋轉，由于絲杠的螺母是固定不動的，所以絲杠向前運動，帶動加載缸的活塞往前移動，對加壓缸中的水加壓，即對圍壓室加壓。圍壓和上下反壓的測量均采用壓阻式壓力傳感器，壓力傳感器的信號直接傳送到測量控制器中。上下反壓加載作動缸除了對試樣上下兩端施加壓力外，還擔負著滲流及試樣滲水量或吸水量的測量。當試樣上反壓力大于下反壓力時，上反壓加載缸中的水通過試樣流入下反壓缸中，用測量出的下反壓缸活塞的位移乘以活塞的面積即可算出試樣的滲流量。

為了精確測量上下反壓加載作動缸的活塞移動量，在上下反壓加載系統(tǒng)上還安裝了光柵位移傳感器，該光柵位移傳感器的測量精度可以達到±0.003mm，由此可以保證滲流量的測量誤差不大于±0.05ml。軸向力測量采用測力傳感器。試樣被壓縮而產生的軸向變形，是通過光柵位移傳感器來測量的。光柵位移傳感器固定在圍壓容器支座上的一個支架上，在下壓桿壓力容器外引出端固定一個引出臂，其上有一個調零用調節(jié)螺釘，該螺釘頭部端面與光柵位移傳感器芯桿頂住。試樣在壓桿作用下所產生的變形，與壓桿相對圍壓容器支座的位移相等，該位移由光柵位移傳感器測出。

3.4圍壓室及加壓缸加水系統(tǒng)

為了保證操作的方便性和試驗測量的準確性，專門設計了一套加水系統(tǒng)，該系統(tǒng)的關鍵是要消除系統(tǒng)中和所加水中的空氣。在往圍壓室和三套壓力加載系統(tǒng)加水前，先采用真空泵排除圍壓室及管路系統(tǒng)中的空氣，并使加水容器內水中的空氣排除，然后再通過水泵將不含空氣的水加到圍壓室及加壓缸內。

3.5孔隙排水量測量系統(tǒng)

本機試樣孔隙滲透排水量采用電子天平測量。在圍壓室座上有一小孔，用鋼管與圍壓室底板上的排水孔相連，再經圍壓室座上的一截止閥上的尼龍管與電子天平上的燒杯相通。當需測孔隙水流量時，打開截止閥，孔隙水就流入到電子天平的燒杯內，由天平稱出水的重量。電子天平帶RS232接口，通過導線與計算機相連，將所測數據傳輸到計算機內，經過處理，在顯示器的屏幕上即可顯示出孔隙排水量。

3.6電氣及軟件控制系統(tǒng)

本機的軸向控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)及上下反壓控制系統(tǒng)均采用德國DOLI的數字式控制器。所配置的軟件具有斷點恢復、曲線自動刷新、超限報警、故障診斷等功能，還具有曲線放大、曲線遍歷、曲線坐標移動、相關曲線疊加、添標注等圖形處理功能。本機試驗數據以文本形式存儲，并可由EXCEL進行處理。

4結論

本試驗機設計巧妙，運行穩(wěn)定，功能強大，完全可以滿足大學或科研單位在地下工程土體滲流試驗研究方向上對試驗設備的需求。

參考文獻

[1]劉躍南,等.機械系統(tǒng)設計[M].機械工業(yè)出版社,1999.

[2]成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2010.

[收稿日期]2016-03-03

[作者簡介]路東輝(1978-)，男，高級工程師，主要研究方向：專用試驗設備。

中圖分類號：TH87

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.019

Development of Soil Seepage Testing System with Backpressure Function

Lu Donghui, Shang Shouxing, Tian Ping

(Changchun Research Institute for Mechanical Science Co., Ltd. Changchun 130103, Jilin, China, China)

Abstract：The testing system is a kind of testing machine which can be used to test the seepage performance of soil under triaxial stress. The testing system consists of axial pressure loading system, confining pressure chamber, confining pressure loading system, backpressure loading system, axial control system, confining pressure control system, anti-pore water pressure measurement and control system and data processing system. The most important characteristic of the testing machine is that it can be used to force different pressures on the top and undersurface of the specimen and to measure the seepage discharge. The testing machine can be used to realize the constant strain control or constant load control for sample, and it can also be applied to force the dynamic load with specific frequency and specific amplitude to the specimen.

Keywords:soil; triaxial; seepage