一種伺服液壓加載雙室三軸儀的研制與開發(fā)

邵生俊 ，褚 峰 ，陸 嫄 ，李瑋峰

（1. 西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2. 西安理工大學 陜西省黃土力學與工程重點實驗室，陜西 西安 710048）

1 引 言

土工試驗是土力學發(fā)展的基礎(chǔ)，試驗儀器的開發(fā)在土工試驗中具有重要的地位。三軸試驗是土工試驗中一項重要的力學試驗，自 1934年美國人Rendulic首先用這種方法測定土的強度參數(shù)以來，迄今已有70余年的歷史，有關(guān)試驗的測試技術(shù)有了很大發(fā)展。三軸試驗現(xiàn)已成為測定土的靜力特性，動力特性和研究砂土液化的主要試驗方法，是研究土本構(gòu)關(guān)系的主要手段。用三軸試驗測定的土的參數(shù)已成為重要巖土工程設(shè)計的主要依據(jù)，國內(nèi)外的土工試驗規(guī)程均把三軸試驗列為主要試驗項目，我國三軸試驗的發(fā)展是與三軸儀的研制發(fā)展同步進行的。我國于20世紀50年代開始研制三軸儀，南京電力自動化設(shè)備廠首先制造了用磅稱施加軸向力的三軸儀，而后又仿制了應(yīng)變式三軸儀，為我國當時的科學研究提供了良好的試驗手段，促進了當時科研的發(fā)展進步，成為測試土工性質(zhì)指標的通用設(shè)備。隨著時代的進步，普通靜三軸儀可測量指標已不能滿足科研的需求，因大部分儀器為人工讀數(shù)，較大的誤差不可避免，多功能新型三軸儀的研制就成為各大研究機構(gòu)努力的目標。近年來，國內(nèi)一些有代表性的三軸儀相繼問世，有香港理工大學研制的新雙室三軸儀[1]、河海大學三軸儀[2]、后勤工程學院三軸儀[3]和上海交通大學三軸儀[4]等。

各種新型三軸儀的功能各異，基本上都實現(xiàn)了對試樣各指標較精確的量測，很大程度上推動了三軸儀的發(fā)展，但還存在各種不足，如體變量測精度不夠高、儀器自動化程度不高、造價較高、占地面積較大、不易推廣等。本文介紹了西安理工大學巖土所研制的新型伺服液壓加載雙室三軸儀，很大程度上克服前述的一些不足，實現(xiàn)了試樣應(yīng)力、應(yīng)變以及體變的精確量測。

2 新型三軸儀的研制

新研制的三軸儀主要由主機、伺服步進電機液壓加載系統(tǒng)和計算機自動控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成。主機雙室壓力室呈圓柱體，內(nèi)室和外室充滿蒸餾水，內(nèi)室和外室在試驗過程中分別施加相同的圍壓，即內(nèi)外室的水承受同一圍壓作用，由于內(nèi)壓力室壁內(nèi)外承受同一壓力，即內(nèi)壓力室壁的壓縮變形和鼓脹變形幾乎為 0，這樣可以有效地減小內(nèi)壓力室體積測量的誤差。壓力室頂蓋上方設(shè)有加載反力架，反力架上設(shè)有荷載傳感器，伺服步進電機液壓加載系統(tǒng)能夠控制軸向荷載、內(nèi)室壓力、外室壓力的三系統(tǒng)獨立加載，伺服步進電機驅(qū)動滾珠絲桿推動液壓缸活塞產(chǎn)生液壓源，分別與壓力室底座下軸向活塞和壓力室底座側(cè)面的內(nèi)、外壓力室加壓口相連接，通過液壓傳感器和位移傳感器，既可以實現(xiàn)軸向、內(nèi)外壓力室的獨立加載，也能夠量測試樣的體積變化。同時，還實現(xiàn)了自動控制與數(shù)據(jù)采集。新型雙室三軸儀系統(tǒng)及工作原理見圖1，整體圖見圖2。

2.1 壓力室結(jié)構(gòu)

壓力室由底座、頂蓋板、雙層有機玻璃腔組成。壓力室有機玻璃腔形狀呈圓柱形，雙層有機玻璃腔中設(shè)置有外室加壓口，壓力室底座中設(shè)置內(nèi)室加壓口，具體形狀見圖3。壓力室橫截面外室直徑為200 mm，內(nèi)室直徑為160 mm，有機玻璃壁厚5 mm，壓力室高219 mm。

圖1 新型三軸儀結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a new triaxial apparatus

圖2 新型三軸儀系統(tǒng)Fig.2 A new triaxial apparatus system

圖3 壓力室及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Pressure cell and Internal structure of cell

試樣尺寸直徑為39.1 mm、高為80 mm。為便于控制排水條件，試樣底座和頂蓋內(nèi)均開設(shè)排水孔，橡皮膜密封的試樣放置于剛性底座與剛性帽之間。試驗的工作原理是試樣的圍壓σ3以及外室壓力分別由一組伺服步進電機驅(qū)動液壓缸活塞的液壓體變控制器施加，為減小內(nèi)壓力室體積測量（試樣外體變）的誤差，子試驗過程中保證內(nèi)室與外室施加相同的壓力，試樣上端部軸向傳力軸固定于壓力室頂部，且連接荷載傳感器量測試樣承受的軸向荷載，試樣下端部承受豎向加載軸作用，且與壓力室底座密封，豎向加載軸的荷載由一組獨立的伺服步進電機驅(qū)動液壓缸活塞的液壓體變控制器控制豎向加載軸下端連接的液壓缸加載。

2.2 加荷系統(tǒng)

如圖4所示，控制柜中部有3套伺服步進電機驅(qū)動/體變控制器，試樣固結(jié)時能實現(xiàn)內(nèi)外室及軸向應(yīng)力的單獨施加，壓縮剪切時主應(yīng)力之間也互不干擾和影響。側(cè)向圍壓的液壓/體變控制器均在液壓缸和移動活塞上裝有液壓傳感器和位移傳感器，分別用于控制側(cè)向圍壓的大小及液壓缸的體變；軸向荷載和試樣變形分別由反力架上的荷載傳感器和加載液壓缸上的位移傳感器測量，并反饋于軸向加載的液壓/體變控制器。對試樣施加軸向荷載，分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種。應(yīng)變控制是試樣按規(guī)定的變形速率產(chǎn)生軸向變形，測定產(chǎn)生某一軸向變形所需要的軸向力；應(yīng)力控制式則是分級加載，測量每級荷載作用下試樣的變形量，分別由軸向荷載傳感器和位移傳感器量測，并通過自動控制系統(tǒng)反饋于伺服步進電機液壓/體變控制器控制應(yīng)力和位移。

圖4 伺服步進電機Fig.4 Servo stepper motor

2.3 量測系統(tǒng)

量測系統(tǒng)包括應(yīng)力量測、變形量測和孔隙水壓力量測。軸向荷載為剛性試樣底座加壓，應(yīng)力傳感器直接安裝于壓力室頂部固定的反力架上，豎向位移傳感器通過試樣底座活塞截面積與加載液壓缸截面積轉(zhuǎn)換，接于加載液壓缸側(cè)面。側(cè)向圍壓和變形通過伺服步進電機加載系統(tǒng)上安裝的壓力傳感器和位移傳感器量測。外室壓力也通過伺服步進電機加載系統(tǒng)上安裝的壓力傳感器量測?？紫端畨毫υ谂潘ǖ捞幇惭b孔壓傳感器量測。

2.4 排水系統(tǒng)

土樣在固結(jié)和試驗時采用上下雙面排水，在與試樣直接接觸的頂板和底座上設(shè)有排水口，通過透水石可以進行排水。進行固結(jié)排水試驗時，可以通過排水管量測試樣在試驗時的排水量，進行固結(jié)不排水試驗時可關(guān)閉排水閥，測量試樣的孔隙水壓力。

2.5 自動控制系統(tǒng)

新型三軸儀的控制系統(tǒng)由各種傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制柜組成。傳感器包括壓力傳感器、位移傳感器、荷載傳感器，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集各個傳感器所測得的試樣的應(yīng)力值和變形值，并進行數(shù)據(jù)輸出控制，通過計算機完成控制試驗，采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的全過程。主機部分中的壓力傳感器、位移傳感器以及荷載傳感器分別與控制柜中的PCB板連接，連接均采用航插形式，其優(yōu)點在于不僅大大簡化了儀器的裝卸步驟，而且減少了由于經(jīng)常拆卸傳感器造成與PCB板接口的磨損，從而使得信號處理系統(tǒng)更加耐用，信號傳遞可靠。開發(fā)的控制界面如圖5所示，能夠控制不同加載方式、加載或變形速率的試驗。

圖5 控制界面Fig.5 Control interface

3 試驗驗證

3.1 試驗土樣

試驗土樣為Q3黃土，取自陜西省西安市南郊航天城，取土深度為10～16 m。經(jīng)室內(nèi)常規(guī)試驗測定，該黃土天然干密度為 1.42 g/cm3，天然含水率為19.8%。利用三軸削樣器將原狀土塊切削成高8 cm、直徑為3.91 cm的圓柱形試樣。將原狀試樣分別配制成10、13、16、20、24%五個不同的含水率。對低于天然含水率的試樣采用風干法，讓水分蒸發(fā)至所需含水率。對高于天然含水率的試樣采用水膜轉(zhuǎn)移法，用滴管滴定至所需含水率。配好水的試樣放置在保濕缸中靜置48 h，保證水分運移均勻。

為了對比原狀土與正常固結(jié)土的強度特性，利用自制的正常固結(jié)土制備器（見圖6），制備若干飽和正常固結(jié)土試樣。具體制備步驟為：先將原狀土過0.5 mm篩，其次在土中加入蒸餾水攪拌成泥漿，倒入正常固結(jié)土制備器，待泥漿自由沉積形成正常固結(jié)土，最后削取正常固結(jié)土試樣并飽和。

圖6 正常固結(jié)土制備器Fig.6 Preparation apparatus of normally consolidated soil

3.2 試驗步驟

試驗的步驟：① 將制備好的三軸試樣安裝于壓力室的底座與頂蓋之間；② 將雙室壓力室安裝并將蒸餾水注入內(nèi)外壓力室；③ 打開控制柜電源及自動控制程序，各傳感器初始讀數(shù)調(diào)0；④ 輸入固結(jié)應(yīng)力條件，打開步進伺服電機，啟動固結(jié)控制程序，施加固結(jié)壓力；⑤ 固結(jié)完成后，輸入加載控制方式，啟動加載程序進行剪切試驗，達到應(yīng)變控制條件后，停止試驗；⑥ 卸除步進伺服電機液壓加載系統(tǒng)液壓缸的壓力；⑦ 排出壓力室中蒸餾水，移除壓力室，拆除試樣。

3.3 應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果

為了考察新型三軸儀測試結(jié)果的合理性，利用原狀黃土在不同圍壓下進行三軸剪切試驗，圖7為不同固結(jié)圍壓下不同含水率條件下原狀黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。從圖中可以看出，（1）在較低的固結(jié)圍壓（100 kPa）、不同含水率（10%～24%）下曲線均呈現(xiàn)應(yīng)變軟化趨勢；（2）隨著固結(jié)圍壓的增大（200、300 kPa），在較低含水率下（10%、13%），曲線呈現(xiàn)軟化趨勢，在較高含水率下（16%、20%、24%）呈現(xiàn)硬化趨勢；（3）在較大的固結(jié)圍壓下（400、500 kPa）、不同含水率條件下曲線均呈現(xiàn)硬化趨勢。

3.4 體變測試結(jié)果

圖8為不同固結(jié)圍壓下不同含水率條件下原狀黃土的體變關(guān)系曲線。從圖中可以看出，（1）在較低的固結(jié)圍壓（100 kPa）、在較低含水率下（10%～16%），試樣隨著剪切軸向應(yīng)變的增大出現(xiàn)體脹趨勢，較高含水率下（20%、24%）試樣發(fā)生體縮；（2）隨著固結(jié)圍壓的增大（200～500 kPa），不同含水率下試樣均呈現(xiàn)體縮趨勢，這與黃土的力學特性基本一致[5]。

圖7 不同圍壓下黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.7 Stress-strain relationships of loess under different consolidation pressure

圖8 不同圍壓下黃土體變關(guān)系Fig.8 Volume change relationships of loess under different consolidation pressure

3.5 強度測試結(jié)果

圖9為p-q坐標上不同含水率原狀黃土與飽和正常固結(jié)土的強度曲線。從圖中可以看出，飽和正常固結(jié)土曲線交于坐標原點，隨著含水率的降低曲線逐漸上移，即與q軸的截距逐漸增大，在q軸上的截距表示原狀結(jié)構(gòu)土的初始抗剪強度，原狀結(jié)構(gòu)土的初始抗剪強度隨著含水率的增大而逐漸降低，并隨著結(jié)構(gòu)性的破壞最終趨近于飽和正常固結(jié)土。這同樣符合原狀結(jié)構(gòu)性黃土的基本特性。

圖9 不同含水率下黃土強度關(guān)系Fig. 9 Strength relationships of loess under different water content

表1列出原狀黃土與參考文獻[6]中近似物性試驗黃土強度指標黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ值，文獻中所用土為蘭州Q3黃土，干密度為1.38 g/cm3，含水率為5%～6%。從表中可以看出，蘭州Q3黃土黏聚力c= 27.2 kPa，內(nèi)摩擦角φ= 31.2°。本次試驗所用黃土在含水率為10%、13%、16%、20%、24%時，黏聚力c分別為25.7、22.6、20.3、17.5、15.5 kPa，內(nèi)摩擦角φ分別為 26.4°、24.9°、21.5°、20.3°、19.9°。這一試驗結(jié)果也比較符合黃土“當干密度相同時，黏聚力c值隨含水率的增大而減小，內(nèi)摩擦角φ值也隨含水率的增大而略有減小”這一規(guī)律，試驗結(jié)果中的誤差可能是蘭州Q3黃土與西安Q3黃土的性質(zhì)差異所致。

表1 黃土強度指標Table 1 Strength index of loess

3類曲線和相關(guān)圖表反映了原狀黃土的基本力學特性。從試驗曲線的形態(tài)和試驗結(jié)果看，儀器整體系統(tǒng)非常穩(wěn)定，試驗曲線光滑平順。

4 系統(tǒng)誤差分析

新型雙室三軸儀的體變量測通過伺服步進電機驅(qū)動液壓缸活塞的液壓體變控制器進行，前文體變曲線可見曲線較為光滑，證明儀器系統(tǒng)較為穩(wěn)定，現(xiàn)通過以下試驗測試儀器的系統(tǒng)體變，證明本儀器的合理性。

利用實體鋼樣來標定內(nèi)外室系統(tǒng)體變的誤差，標定用鋼樣的尺寸與試驗土樣相同，鋼樣可以認為是不可壓縮的，讓鋼樣在與試驗條件相同的情況下固結(jié)，測得在不同固結(jié)圍壓作用下儀器的內(nèi)室體變與外室體變，繪出體變隨固結(jié)圍壓的變化曲線如圖 10所示。隨著固結(jié)圍壓的增大，儀器系統(tǒng)的內(nèi)外室體變均在增大，根據(jù)計算在固結(jié)圍壓在500 kPa時，外室系統(tǒng)體變?yōu)?3.06%，內(nèi)室系統(tǒng)體變僅為0.406%，折算成體積分別為3.200 cm3和0.425 cm3，由此可以認為，內(nèi)室的系統(tǒng)體變很微小，證明了使用雙層壓力室的合理性。

圖10 不同圍壓下鋼樣體變關(guān)系Fig.10 Volume change relationships of steel specimen under different consolidation pressures

利用人工制備的飽和正常固結(jié)土試樣，在固結(jié)圍壓為400 kPa時進行均壓固結(jié)，得到排水管（試樣內(nèi)體變）與內(nèi)壓力室水（外體變）隨著時間的變化曲線如圖11所示。從圖中可以看出，隨著時間的增長，曲線逐漸增長最后至平緩，說明內(nèi)體變與外體變均隨著時間增長逐漸增大，且兩者的曲線非常接近，說明固結(jié)過程中系統(tǒng)誤差很小，內(nèi)體變曲線低于外體變曲線，這是由于飽和試樣時，飽和度沒有達到 100%所致，可以證明系統(tǒng)體變對試驗造成的誤差很小，亦證明新儀器的合理性。

圖11 飽和正常固結(jié)土體積變化Fig.11 Volume change of saturated loess during consolidation

5 結(jié) 論

（1）研制開發(fā)的新型三軸儀具有雙室壓力室，3組獨立的伺服步進電機驅(qū)動液壓缸活塞的液壓體變控制器，開發(fā)了能夠控制不同加載方式、加載或變形速率的自動控制系統(tǒng)和計算控制程序及操作界面。

（2）雙室壓力室的內(nèi)外腔各自由一組伺服步進電機驅(qū)動液壓缸活塞的液壓體變控制器施加與固結(jié)圍壓相同的液壓；試樣上端部軸向傳力軸固定于壓力室頂部，且連接荷載傳感器量測試樣承受的軸向荷載，試樣下端部承受豎向加載軸作用，且與壓力室底座密封，豎向加載軸的荷載由一組獨立的伺服步進電機驅(qū)動液壓缸活塞的液壓體變控制器控制豎向加載軸下端連接的液壓缸加載。

（3）通過黃土的三軸試驗，測試得到了符合黃土變形特性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線以及體應(yīng)變的關(guān)系曲線，驗證了儀器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測試結(jié)果的合理性。通過對儀器系統(tǒng)體變的標定，證明儀器系統(tǒng)較為穩(wěn)定，證明了新儀器的合理性。

（4）新型三軸儀系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有構(gòu)造簡單、操作簡便、自動化程度高、生產(chǎn)成本低等特點，便于以后進一步推廣。

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