技术摘要：
本发明公开了一种可消除膜嵌入效应影响的动静态三轴试验装置，属于土工试验技术领域。所述的动静态三轴试验装置可以针对砂砾料三轴试样的膜嵌入量进行非接触全场测量，在固结过程中，图像采集装置采集砂砾料三轴试样变形前后图像，经图像处理软件处理后获取砂砾料三轴  全部
背景技术：
砂砾料因其在自然环境中大量存在，易于获取，因而在土工构筑物实际施工中广 泛使用，常用作土石坝的垫层、反滤料和过度料，同样应用在高铁路基、人工填海和核电站 防波堤等重大工程建设中。 对于砂砾料力学特性的试验研究也越来越得到重视，目前针对砂砾料开展的室内 试验研究主要依靠三轴试验仪器，三轴试验仪器构造相对简单，试验模拟工况与实际土体 所处应力状态较为一致，因而得到广泛使用。利用三轴试验仪器可以测定砂砾料动-静态强 度参数、动-静态应力应变关系和渗透系数等。 相较于黏土与砂土，砂砾料颗粒尺寸有明显的增大，在常规三轴试验中，砂砾料三 轴试样表面的孔隙较大，且试样平均粒径相较于试样外裹橡皮膜的厚度要大近一个量级， 因而砂砾料三轴试样表面膜嵌入效应将会对试验结果产生重大的影响。在常规排水试验 中，试样体排、吸水体积的测量将包含膜嵌入体积大小的影响；在常规不排水试验中，试样 受到有效围压的变化将改变膜嵌入体积的大小，从而影响试样孔隙水压力的变化。若上述 膜嵌入效应的影响无法消除，相关三轴试验结果可信度将得不到保证。目前针对膜嵌入效 应的修正主要有三类方法，其一，试验后根据相关数值模拟方法的结果进行修正，该方法准 确性得不到试验验证。其二，在试样与橡皮膜之间进行物质填充直接消除膜嵌入，该方法制 样操作难度大，且在试验中引入不可预估的影响因素，试验结果准确性有待进一步验证。其 三，预先测量膜嵌入量，后在试验过程中对膜嵌入量进行补偿，以达到消除膜嵌入效应的效 果。目前，第三类方法准确性较高，且对后续试验过程不产生干扰，试验结果可信度高，但是 该类方法的准确性基于膜嵌入量测量的准确性。 由此，提出一种可消除膜嵌入效应的动静态三轴试验装置，实现膜嵌入量精准测 量，且满足对于砂砾料力学特性进行精准测量的要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术、方法和设备的缺点和不足，提供一种可测量膜 嵌入量且可消除膜嵌入效应的动静态三轴试验装置，该装置可以通过常规固结试验对砂砾 料三轴试样表面膜嵌入量进行精准地测量，且在实际试验过程中对于膜嵌入效应进行实时 补偿修正，以解决膜嵌入效应对于试验结果影响的问题。该装置具备功能完备，自动化程度 高，试验操作难度低及试验结果准确等优点。 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是： 一种可消除膜嵌入效应影响的动静态三轴试验装置，用于对砂砾料进行力学特性 等试验研究，所述的可消除膜嵌入效应影响的动静态三轴试验装置包括主体支座结构、液 5 CN 111579377 A 说　明　书 2/8 页 压轴向作动装置100、气动围压控制装置及气动膜嵌入量补偿控制装置200、压力室整体结 构300、反压饱和装置400、动态电阻应变仪500、电子天平体积变形测量装置600、工控机 700、多通道高频采集卡800和图像采集装置900。 所述的液压轴向作动装置100安置在主体支座结构的上台001上部中心位置处，液 压轴向作动装置100用于对砂砾料三轴试样施加轴向荷载。 所述的气动围压控制装置及气动膜嵌入量补偿控制装置200用于为砂砾料三轴试 样提供与其所处实际应力环境相近的应力条件，同时消除膜嵌入效应引起的试验过程中的 砂砾料三轴试样体积变化。 所述的压力室整体结构300安置主体支座结构的下台002上部中心位置处，压力室 整体结构为砂砾料三轴试样提供安装空间，同时为后续试验提供所需的应力环境。 所述的反压饱和试验装置400用于提高砂砾料三轴试样饱和度。 所述的动态电阻应变仪500主要用于力传感器及位移传感器信号变送，满足力和 位移信号的高频采集。 所述的电子天平体积变形测量装置600用于测量砂砾料三轴试样在试验过程中排 出或者吸入的水体体积。 所述的工控机700上安装试验控制软件、试验数据采集软件及图像处理软件等，试 验数据采集软件主要负责各类数据信号的采集与保存，试验控制软件主要负责各类控制信 号的输出，以调控设备平稳运行，图像处理软件主要负责针对图像采集装置900采集到的砂 砾料三轴试样图像的变形进行分析，为气动膜嵌入量补偿控制装置提供控制信号。 所述的多通道高频采集卡800用于各种传感器的信号的输入及控制程序信号的输 出，多通道高频采集卡800集合输入端与输出端，输入端分别连接各类传感器及动态电阻应 变仪等；输出端分别连接各类驱动器；多通道高频采集卡800数据接口与工控机700相连。 所述的图像采集装置900用于采集试验过程中砂砾料三轴试样变形前后的图像。 本发明的有益效果是： A)本动静态三轴试验装置，用于对砂砾料土样进行试验，该装置包括主体支座结 构、液压轴向作动装置、气动围压控制装置及气动膜嵌入量补偿控制装置、压力室整体结 构、反压饱和试验装置、动态电阻应变仪、电子天平体积变形测量装置、电脑、多通道高频采 集卡及图像采集装置。 B)主体支座结构主要用于安置液压轴向作动装置及压力室整体结构；液压轴向作 动装置主要用于砂砾料三轴试样的加卸载；压力室整体结构主要用于安置砂砾料三轴试样 及提供所需要的试验环境；气动围压控制装置主要用于为砂砾料三轴试样提供与实际相符 的应力环境；气动膜嵌入量补偿控制装置主要用于补偿砂砾料三轴试样试验过程中由于膜 嵌入变化引起的试样体体积变化；反压饱和试验装置主要用于提高砂砾料三轴试样饱和 度，以达到可以进行后续加卸载试验的要求；动态电阻应变仪主要用于力传感器及位移传 感器信号变送，满足力和位移信号的高频采集；采集卡主要用于各种传感器的信号的输入 及控制程序信号的输出；电脑主要用于各类数据型号的采集及各类控制信号的输出。 C)本动静态三轴试验装置可以针对砂砾料三轴试样的膜嵌入量进行非接触全场 测量，在固结过程中，图像采集装置采集试样变形前后图像，经图像处理软件处理后获取试 样骨架体积变形，后结合电子天平体积变形测量装置测得试样总体积变形，两者之差即求 6 CN 111579377 A 说　明　书 3/8 页 得试样随围压变化的膜嵌入量。该膜嵌入量测量过程，不会对试样产任何干扰，且测量过程 完全与固结过程耦合，该测量方法准确且高效，该测量装置简单且操作方便。 D)本动静态三轴试验装置可以在准确测量膜嵌入量的前提下，进行后续动静三轴 试验，包含排水试验及不排水试验，在上述各类型试验过程中，针对膜嵌入量随有效围压的 变化进行实时补偿，修正膜嵌入效应对于试样体积变形或孔隙水压力变化的影响。 综上所述，本发明装置结构简单精巧、布局合理、操作方便，实现了膜嵌入量的精 准测量，同时消除了试验加卸载过程中膜嵌入效应对于三轴试样体积变形或孔隙水压力变 化的影响。为土工试验和砂砾料本构关系研究的发展提供了更便利、更有效的试验手段，具 有良好的推广价值。 附图说明 图1为本发明动静态三轴试验装置整体示意图； 图2为本发明动静态三轴试验装置中主体支座结构、液压轴向作动装置示意图； 图3为本发明动静态三轴试验装置中气动围压控制装置及气动膜嵌入量补偿控制 装置示意图； 图4(a)为本发明动静态三轴试验装置中压力室整体结构示意图； 图4(b)为本发明动静态三轴试验装置具备可视化窗口压力室外罩结构示意图； 图4(c)为本发明动静态三轴试验装置压力室内部结构示意图； 图5为本发明动静态三轴试验装置中反压饱和试验装置示意图。 其中：100、液压轴向作动装置；200、气动围压控制装置及气动膜嵌入量补偿控制 装置；300、压力室整体结构；400、反压饱和试验装置；500、动态电阻应变仪；600、电子天平 体积变形测量装置；700、工控机；800、多通道高频采集卡；900、图像采集装置； 001、上台；002、下台；003、立柱； 100、液压轴向作动装置；101、驱动电机及液压泵；102、油箱；103、油源压力传感 器；104、耐压胶皮进油管；105、耐压胶皮回油管；106、蓄能器；107、电液伺服阀；108、作控制 用位移传感器；109、低摩阻密封液压油缸；110、连接轴； 200、气动围压控制装置及气动膜嵌入量补偿控制装置；201、空气压缩机；202、气 缸A；203、电气比例阀A；204、T型三通接头A；205、恒体积体变耐压管；206、变体积体变耐压 管；207、电气比例阀B；208、气缸B；209、L型三通阀A；210、L型三通阀B；211、液位压差传感 器；212、L型三通阀C； 300、压力室整体结构；301、携可视化窗口压力室外罩；302、可视化玻璃窗；303、外 置力传感器；304、外置位移传感器；305、加载轴；306、直线轴承；307、围压传感器；308、下孔 压传感器；309、下排水口直通阀；310、上孔压传感器；311、上排水口直通阀；312、压力室上 盘；313、围压控制快插接口；314、压力室立柱；315、内置力传感器；316、三轴试样帽；317、三 轴试样顶部排水管；318、三轴试样底座；319、三轴试样底部排水管；320、压力室下盘； 400、反压饱和装置；401、T型三通接头B；402、反压传感器；403、液压缸；404、法兰 连接杆；405、直线活塞轴；406、直推杆；407、伺服电机；408、电控柜；409、法兰支座；410、底 座； 500、动态电阻应变仪；600、电子天平体积变形测量装置；700、工控机；800、多通道 7 CN 111579377 A 说　明　书 4/8 页 高频采集卡；900、图像采集装置。