新型全自動應(yīng)變控制式直剪試驗系統(tǒng)的研究

祁麗華，劉 健，劉永勝

（中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京100101）

1 研究意義

直剪儀是土力學(xué)中較早使用的強(qiáng)度測試儀器之一，因其直觀、簡便、經(jīng)濟(jì)，能夠快速得到試驗結(jié)果，所以在工程界中一直被廣泛使用。但從200多年前庫侖（Coulomb）用它進(jìn)行土的強(qiáng)度試驗開始至今，直剪儀并未同固結(jié)儀、三軸儀等儀器一樣，伴隨現(xiàn)代新型技術(shù)的更新而更新?，F(xiàn)有的直剪儀仍通過人工施加荷重、控制應(yīng)變速率及記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，因而使測試過程存在不可避免的較大人為因素誤差及錯誤，降低了試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且人工操作效率低下，勞動強(qiáng)度大?，F(xiàn)有直剪儀垂直加壓范圍小，最大荷重只能施加到400kPa，甚至無法超過試樣的自重壓力，對于較深的巖土試樣，現(xiàn)有試驗系統(tǒng)無法合理模擬上覆壓力，其試驗值明顯不合理。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，常規(guī)直剪儀的更新優(yōu)化已不是技術(shù)上的難題，便捷、高效、精準(zhǔn)的試驗儀器及測試手段早應(yīng)推陳出新。

新型全自動應(yīng)變控制式直剪試驗系統(tǒng)在常規(guī)直剪儀工作原理基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)明和創(chuàng)造，集電子、自控、傳感器、機(jī)械制造技術(shù)于一體，實現(xiàn)了從手動到自動、從文本記錄到數(shù)字化采集、從單一操作到一體化管控的較大飛躍，確保了試驗的規(guī)范化及結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時更極大地節(jié)省了人力，降低了勞動強(qiáng)度；新型全自動應(yīng)變控制式直剪試驗系統(tǒng)實現(xiàn)了直剪試驗最大垂直荷載從400kPa到3 200kPa的跨越，為測試手段能更好地模擬試樣的真實狀態(tài)提供了儀器設(shè)備，為巖土工程測試的快速發(fā)展提供了新的依據(jù)和手段。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

該試驗系統(tǒng)的設(shè)計以符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范［1］為前提，以“便于全過程控制、真實反應(yīng)測試結(jié)果”為原則，最大程度地做到簡明化、集成化及可視化。

2.2 設(shè)計原理

常規(guī)試驗系統(tǒng)［2］僅由直剪儀構(gòu)成［3－5］，直剪儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：剪力盒裝置，杠桿式垂直加壓裝置，位移量測裝置（由測力計及位移計組成），最大剪切位移控制裝置（由手搖式傳動機(jī)構(gòu)及推動器組成）。

圖1 常規(guī)直剪儀結(jié)構(gòu)示意圖

新型直剪試驗系統(tǒng)中的剪力儀用新型加荷裝置替代原有的杠桿加荷裝置，提供最大3 200kPa的垂直荷載，并實現(xiàn)了自動施壓；伺服電機(jī)及減速裝置組成的自控式直剪出力裝置替代手搖式出力裝置，并實現(xiàn)了剪切速率和剪切位移的程序化和自動化控制；使用精密力傳感器量測系統(tǒng)替代量力環(huán)測力系統(tǒng)裝置，用數(shù)字化采集數(shù)據(jù)替代手工記錄數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了試驗數(shù)據(jù)記錄的自動化；對剪力盒裝置進(jìn)行了一系列改造和升級，有效地保證了剪切面的固定，并減少了剪力盒裝置本身對試驗數(shù)據(jù)的影響；新型直剪儀配有自動化控制器裝置，實現(xiàn)試驗過程的程序化，數(shù)字化，自動化控制不僅作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、荷重加載使用，而且作為整個系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作于整個試驗系統(tǒng)中，詳如圖2所示。

圖2 新型直剪儀結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 系統(tǒng)組成

以新型剪力儀為核心，該試驗系統(tǒng)新增了計算機(jī)軟件系統(tǒng)及集自控、電子、機(jī)械為一體的硬件系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集控制器、氣壓或液壓源，數(shù)據(jù)連接線以及壓力管路，如圖3所示。

圖3 新型直剪儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1）計算機(jī)端軟件用于設(shè)置和收發(fā)采集控制器相關(guān)測試指令、控制參數(shù)、儀器參數(shù)以及直剪測試的基本工程信息、測試方法、荷重標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)壓時長、剪停應(yīng)變等信息。

2）采集控制器用于監(jiān)測并記錄測力傳感器的輸出值，依據(jù)設(shè)定荷重要求調(diào)控壓力源，控制剪切應(yīng)變的速率及方向等。

3）測力傳感器用于將巖土樣品的抗剪強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號，供采集控制器處理使用。

4）氣壓或液壓源的作用是為儀器提供基礎(chǔ)的壓力荷載，經(jīng)采集控制器調(diào)節(jié)處理后施加于氣液壓缸，最終作用在測試巖土樣上。

5）數(shù)據(jù)連接線以及壓力管路用于將整個儀器有機(jī)連接，為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及控制加卸荷提供通道。

3 關(guān)鍵技術(shù)

基于系統(tǒng)設(shè)計，在該試驗系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，主要采用如下關(guān)鍵技術(shù)：

1）自動化控制技術(shù)。該技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)與電信號的轉(zhuǎn)換，包括試驗參數(shù)的發(fā)送、傳輸及試驗結(jié)果數(shù)據(jù)的采集與保存，垂直荷載的自動調(diào)整與施壓，剪切速度的調(diào)整與剪切應(yīng)變的控制等。主要集成于儀器自動化控制器中，進(jìn)行測試信息和指令的傳遞及數(shù)據(jù)采集，與傳感器技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了全自動化控制。

2）無級變速技術(shù)。它采用大功率高轉(zhuǎn)速的步進(jìn)電機(jī)，與傳動軸和工作直徑可變的主、從動輪相配合來傳遞動力，可以實現(xiàn)傳動比的連續(xù)改變。該技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)中的伺服步進(jìn)電機(jī)，采用1∶300的減速比率變速箱，速率可在0.2～2.4mm／min范圍內(nèi)任意設(shè)置，達(dá)到精確控制剪切速率與剪切位移的目的。

3）壓力的轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)技術(shù)。氣液壓是該系統(tǒng)中主要使用的壓力源，對其的有效控制極為重要。本系統(tǒng)采用空壓泵配合提供1個大氣壓的壓力。高壓管作為壓力傳遞媒介，過濾穩(wěn)壓器進(jìn)行氣源濾水和穩(wěn)壓，而后通過采集控制器進(jìn)行預(yù)設(shè)壓力調(diào)節(jié)，然后送入壓力缸，通過壓力轉(zhuǎn)化技術(shù)準(zhǔn)確輸出10～3 200kPa的垂直荷載作用于試樣上。

4）渦輪蝸桿技術(shù)。渦輪蝸桿傳動是由蝸桿和渦輪組成的，在空間交錯的兩軸間傳遞運(yùn)動和動力的一種傳動，這種傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。在新型剪切試驗系統(tǒng)中，利用該技術(shù)與平衡坨和動滑輪相結(jié)合，解決了垂直荷重的動平衡問題。

4 功能創(chuàng)新

1）新型全自動應(yīng)變控制式直剪試驗系統(tǒng)實現(xiàn)了直剪試驗全過程的自動化控制。包括試驗指令發(fā)出、數(shù)據(jù)采集、加卸荷重、剪切應(yīng)變控制、預(yù)壓、剪切、測試結(jié)束后恢復(fù)儀器初始狀態(tài)等，測試的各個環(huán)節(jié)均能自動轉(zhuǎn)接連續(xù)運(yùn)行，無需人工干預(yù)控制，規(guī)范了巖土剪切檢測步驟，減輕了測試人員的勞動強(qiáng)度、提高了測試工作效率。

2）提供了足夠大、穩(wěn)定性好、精度高的壓力源。剪切試驗中，垂直荷重的合理選用對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響很大。在采用常規(guī)直剪儀進(jìn)行的試驗中，垂直荷重的加卸是通過人工加減砝碼結(jié)合杠桿作用來實現(xiàn)的，通常施加的最小荷重為25kPa，最大荷重為400kPa，且由于砝碼的重量等級有限，可施加的荷重組合較少。然而，實際工程中，剪切試驗的對象從欠固結(jié)的軟土、超軟土到超固結(jié)的硬塑性、堅硬性土都涵蓋在內(nèi)，常規(guī)的荷重范圍及荷重組合的靈活度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工程需求。

新型試驗系統(tǒng)采用氣液壓作為壓力源，出力足夠大，經(jīng)過穩(wěn)壓、調(diào)壓、進(jìn)氣、變徑、補(bǔ)氣等過程，實現(xiàn)了10～3 200kPa的垂直荷重，壓力精度小于1kPa，且氣壓進(jìn)入出力缸后的維穩(wěn)時間短，試驗過程中壓力穩(wěn)定，且保證試驗的同步性。

3）人性化人機(jī)界面設(shè)計。界面總體布局設(shè)計合理，把功能相近的按鈕放在一起，并在樣式上與其他功能的按鈕相區(qū)別，這樣用戶使用起來將會更加方便。指令按照操作流程設(shè)計，使用戶的工作量減小，工作效率提高。自動化控制軟件經(jīng)過多次優(yōu)化和調(diào)試，完全滿足生產(chǎn)使用。自動化控制軟件所用開發(fā)程序語言為常用的編程語言，數(shù)據(jù)的輸出采用標(biāo)準(zhǔn)文件格式，便于用戶對試驗數(shù)據(jù)的讀取、存儲、備份和使用。

4）該系統(tǒng)使用時，可靈活搭配，便于使用。一臺采集控制器可以連接單臺單通道新型直剪儀，也可以連接單臺多通道直剪儀。系統(tǒng)加卸荷出力可以是1∶1，也可以是1∶2、1∶3、1∶4等多種形式，加卸荷控制可以配置為自動加卸荷或人工加卸荷，測力傳感器可以是傳統(tǒng)的量力環(huán)形式的也可以是測力傳感器或變送器，輸出信號可以是數(shù)字的也可以是模擬的。

5 系統(tǒng)測試

1）常用剪切速率計量指標(biāo)。使用檢定合格并在檢定有效期內(nèi)的游標(biāo)卡尺和機(jī)械式秒表分別選取0.02、0.1、0.4、0.8、1.2mm／min對新型全自動應(yīng)變控制式直剪試驗系統(tǒng)的剪切速率進(jìn)行了測試，其中最大相對誤差為2.6%，最小相對誤差為1.4%，優(yōu)于相關(guān)規(guī)范［3］對于剪切速率誤差小于等于10%的規(guī)定。

2）最大水平剪切力值。使用檢定合格并在檢定有效期內(nèi)的精度為0.1%FS，量程為50 000N的負(fù)荷傳感器，對新型全自動應(yīng)變控制式直剪試驗系統(tǒng)在不同剪切速率下輸出的最大水平剪切力進(jìn)行了測試。其中，最大剪切速率2.4mm／min時輸出力值最小為15 245N，折算為剪切強(qiáng)度為5.081MPa，完全滿足巖土剪切試驗要求。

3）垂直壓力輸出值。使用檢定合格并在檢定有效期內(nèi)的精度為0.02%FS，量程為5 000N的負(fù)荷傳感器，對新型全自動應(yīng)變控制式直剪試驗系統(tǒng)的各通道在最大垂直輸出范圍內(nèi)進(jìn)行了加載測試。其中最大相對誤差為0.7%，最小相對誤差為0%，符合規(guī)范要求。

6 結(jié)語

新型全自動應(yīng)變控制式直剪試驗系統(tǒng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行設(shè)計、開發(fā)，且取得發(fā)明專利［6］。其集電子、計算機(jī)、自控、傳感器、機(jī)械制造技術(shù)于一體，實現(xiàn)了直剪試驗的程序化、自動化、數(shù)字化。不僅極大地提高了測試精度，還最大程度地減少了人為因素的干擾，使測試結(jié)果更加真實。同時更極大地節(jié)省了人力資源，降低了試驗人員的勞動強(qiáng)度。

［1］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB／T 15406—2007巖土工程儀器基本參數(shù)及通用技術(shù)條件［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［2］中華人民共和國水利部.GB／T 50123—1999土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國計劃出版社，1999.

［3］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB／T 4934.1—2008土工試驗儀器剪切儀第1部分：應(yīng)變控制室直剪儀［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［4］中華人民共和國水利部.SL 116—95應(yīng)變控制式直剪儀校準(zhǔn)方法［S］.北京：水利水電出版社，2010.

［5］全國力值硬度計量技術(shù)委員會.JJG 455—2000工作測力儀規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國計量出版社.

［6］劉永勝，夏玉斌.全自動應(yīng)變控制式直剪測試儀器及其用途：中國，2012100645835［P］.2012－03－13.