带上下反压功能的土体渗流试验系统的研制

路东辉，商首兴，田　萍

(长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)



带上下反压功能的土体渗流试验系统的研制

路东辉，商首兴，田萍

(长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)

摘要：本机是一种可对土体在三轴应力作用下的渗流性能进行测试的试验机，由轴向压力加载系统、围压室、围压加载系统、上反压加载系统、下反压加载系统、轴向测控系统、围压测控系统、孔隙水反压测控系统和数据处理系统等几部分组成。本机的最大特点是可对试样施加上下不同的压力并进行渗流量测量。本机可对试样进行恒载荷或恒变形控制，还可对试样施加特定频率和振幅变化的动态载荷。

关键词：土体；三轴；渗流

1引言

随着越来越多地下工程的应用，对地下土质研究成为越来越多的科研工作者的研究方向，因此研发了带有上下反压功能的土体渗流试验系统。本机是长春机械科学研究院有限公司在原有的土体渗流试验系统基础上，增加了上下反压功能而开发成功的。

带上下反压功能的土体渗流试验系统可用于土体在三轴应力作用下的渗流性能测试，土体在垂直载荷作用下的蠕变性能测试，土体在周围原位应力作用下引起的固结、高压渗透、回弹过程中的释水量、吸水量的定量测试；可以在恒定围压下进行恒载荷和恒变形控制，也可在恒载荷或恒变形控制一段时间后再施加按一定频率和振幅变化的动态载荷；能够测试在上述三轴加载条件下试样上的力或变形变化情况，测量试样内部的孔隙压力和孔隙水流量。该试验机是有关大专院校、科研设计单位进行土体性能研究、测试的强有力工具，可以满足科研工作者在地下土体渗流试验研究方向上对设备的需求。

2本渗流试验系统主要技术指标

(1)最大轴向加载能力：200kN；

(2)力测量误差：±0.5%示值，(从满量程1%开始)

(3)轴向变形测量范围：0～25mm；

(4)变形测量精度：±0.003mm；

(5)围压室最大压力：10MPa；

(6)围压测量精度：±0.5% F.S；

(7)最大反压力(渗透压力)：5MPa；

(8)孔隙水压测量范围：10MPa；

(9)反压力、孔隙水压测量精度：±0.5% F.S；

(10)孔隙水流量测量范围：0～40ml；

(11)孔隙水流量测量精度：±0.5%F.S；

(12)土体吸水及渗水量测量范围：±50ml，测量误差不大于±0.05ml；

(13)试件尺寸：∅61.8mm×125mm。

3本试验系统主要原理与结构特点

本试验系统由200kN轴向压力加载系统、围压室、围压加载系统、上反压加载系统、下反压加载系统、轴向测控系统、围压测控系统、孔隙水反压测控系统和数据处理系统等几部分组成(如图1所示)。围压室、围压加载系统、上反压加载系统和下反压加载系统均装在一台移动台车上。轴向测控系统、围压测控系统和孔隙水反压测控系统安装在一个电控机柜内。工控机放到电脑桌上。

图1　整机示意图

进行渗流试验时，先将移动台车的围压室部分推到主机的试验空间内，定好位后，将围压室固定在主机的拉管上，拉管向上移动对试样轴向进行加载，作用到试样上的力通过上压杆传到围压室外固定在上横梁上的测力传感器上，通过测力传感器可测出试样受力。上压杆与围压室间的密封摩擦力对轴向力测量影响较小。试样的轴向变形通过用位于压力室外的光栅传感器测量下压杆位移的方式测出。

3.1200kN轴向压力加载系统

200kN轴向压力加载系统是由上横梁、工作台、下底板及两根支柱和四根角钢支撑起来的门形框架。测力传感器固定在上压杆上，在工作台和下底板上安装加载驱动系统。加载驱动系统由伺服电机、涡轮减速器、滚珠丝杠、下拉管、支撑管及导向臂等构成。伺服电机通过同步带带动涡轮减速机，涡轮减速机输出轴与滚珠丝杠相连，通过丝杠转动带动固定在滚珠丝杠螺母上的下压管的上下移动，实现对试样加载。在拉管上还装有一个导向臂，通过两径向轴承靠紧到装在上台板上的导向杆上。当电机通过减速器带动滚珠丝杠旋转时，由于导向臂的作用，使螺母和固定其上的拉管只能上下移动，而不能旋转，由此对试样施加轴向力。

3.2围压室

围压室是对装在其中的试样施加圆周向围压的压力容器，由支座、有机玻璃筒、上盖、六根连接杆和压紧螺母等构成。在有机玻璃筒与支座、上盖之间装有O形密封圈，通过连接杆和压紧螺母使有机玻璃筒与上盖、支座间压紧，保证密封。在支座的底部有一个下压杆插入孔，压杆与插入孔之间采用斯特封式组合密封圈密封。在支座的侧面有二个与外相通的孔，一个孔上连接一个压力变送器，用以测量容器内的压力；另一个孔上连接一个三通，三通一端连接一个压力变送器，另一端装一个截止阀，截止阀的出口插一根管，直通电子天平上的烧杯。在此孔内侧装一个快速接头，在压杆上端的支撑座上也装一个快速接头，它们之间有一尼龙管相连。

进行试验时，支座上端的试样被挤压时，其内部的孔隙水可以顺着尼龙管流到三通上的压力变送器和截止阀之间。当截止阀关闭时，孔隙水流不出去，产生的压力(即孔隙压力)可以用压力变送器测出。当截止阀打开后，孔隙水流过截止阀引出管滴入到电子天平上的烧杯内，由此可以测出孔隙水流量。

在容器支座底部还有一个小孔，其出口处装有一个三通阀，三通阀一端通过一尼龙管与围压加载伺服缸相连，另一端可连接一根尼龙管作为加水和放水用。在侧面还装有一个放气阀，当对容器加水或放水时，都要将放气阀打开。在围压室座上有多个引出孔，可与围压、上下反压加载系统、围压反压传感器、试样孔隙排水量测量系统相连。为了装卸试样方便，在支架上还装有压力室提升机构。该机构由交流电机、螺旋升降机、支撑臂构成。

3.3围压、上下反压加载系统

本试验系统的围压和上下反压都是采用机电伺服作动缸施加的。上反压加载作动缸对试样上端施加压力，下反压加载作动缸对试样下端施加压力，其结构和工作原理均相同，都是由伺服电机、减速器、滚珠丝杠、加载缸、滚动导轨和支座等构成，其作用原理如下：

电机通过减速器带动丝杠旋转，由于丝杠的螺母是固定不动的，所以丝杠向前运动，带动加载缸的活塞往前移动，对加压缸中的水加压，即对围压室加压。围压和上下反压的测量均采用压阻式压力传感器，压力传感器的信号直接传送到测量控制器中。上下反压加载作动缸除了对试样上下两端施加压力外，还担负着渗流及试样渗水量或吸水量的测量。当试样上反压力大于下反压力时，上反压加载缸中的水通过试样流入下反压缸中，用测量出的下反压缸活塞的位移乘以活塞的面积即可算出试样的渗流量。

为了精确测量上下反压加载作动缸的活塞移动量，在上下反压加载系统上还安装了光栅位移传感器，该光栅位移传感器的测量精度可以达到±0.003mm，由此可以保证渗流量的测量误差不大于±0.05ml。轴向力测量采用测力传感器。试样被压缩而产生的轴向变形，是通过光栅位移传感器来测量的。光栅位移传感器固定在围压容器支座上的一个支架上，在下压杆压力容器外引出端固定一个引出臂，其上有一个调零用调节螺钉，该螺钉头部端面与光栅位移传感器芯杆顶住。试样在压杆作用下所产生的变形，与压杆相对围压容器支座的位移相等，该位移由光栅位移传感器测出。

3.4围压室及加压缸加水系统

为了保证操作的方便性和试验测量的准确性，专门设计了一套加水系统，该系统的关键是要消除系统中和所加水中的空气。在往围压室和三套压力加载系统加水前，先采用真空泵排除围压室及管路系统中的空气，并使加水容器内水中的空气排除，然后再通过水泵将不含空气的水加到围压室及加压缸内。

3.5孔隙排水量测量系统

本机试样孔隙渗透排水量采用电子天平测量。在围压室座上有一小孔，用钢管与围压室底板上的排水孔相连，再经围压室座上的一截止阀上的尼龙管与电子天平上的烧杯相通。当需测孔隙水流量时，打开截止阀，孔隙水就流入到电子天平的烧杯内，由天平称出水的重量。电子天平带RS232接口，通过导线与计算机相连，将所测数据传输到计算机内，经过处理，在显示器的屏幕上即可显示出孔隙排水量。

3.6电气及软件控制系统

本机的轴向控制系统、围压控制系统及上下反压控制系统均采用德国DOLI的数字式控制器。所配置的软件具有断点恢复、曲线自动刷新、超限报警、故障诊断等功能，还具有曲线放大、曲线遍历、曲线坐标移动、相关曲线叠加、添标注等图形处理功能。本机试验数据以文本形式存储，并可由EXCEL进行处理。

4结论

本试验机设计巧妙，运行稳定，功能强大，完全可以满足大学或科研单位在地下工程土体渗流试验研究方向上对试验设备的需求。

参考文献

[1]刘跃南,等.机械系统设计[M].机械工业出版社,1999.

[2]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2010.

[收稿日期]2016-03-03

[作者简介]路东辉(1978-)，男，高级工程师，主要研究方向：专用试验设备。

中图分类号：TH87

文献标识码：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