直剪仪多级液压加载系统的设计与控制

吕原君，杜时贵，罗战友，黄曼

(1.浙江工业职业技术学院，浙江绍兴 312000；2.绍兴文理学院，浙江绍兴 312000；3.浙江科技学院，浙江杭州 310023)

随着我国国民经济的高速发展，许多高层建筑、高海拔的大坝、海湾工程、港口建设、水利工程建设和整治等项目中，研究岩体的稳定性的社会效益相当明显。另外，在自然界常常遇到滑坡、塌方等自然灾害，这些自然现象也涉及到岩体的结构强度问题。目前，国内外岩体结构面抗剪强度的确定方法主要有直剪试验法、室内模型试验法和经验估算方法等。通过直剪试验，结合工程地质勘测资料综合求取结构面抗剪强度的方法为国内岩体力学工作者所常用。

从资料的检索看，在高性能大接触面直剪仪中，美国Durham Geo公司生产了LG-140大型高性能接触面直剪仪。英国ELE公司生产的大型直剪仪用于测定在固结排水条件下土与土、土与土工织物、土工织物与土工织物之间的特性。美国GCTS公司生产了伺服控制直剪测试系统。国内的大型直剪仪有清华大学研制的TH-20t大型土与结构接触面循环加载剪切仪。长江科学研究院土工研究所研制了室内DHJ60型叠环式剪切试验机［1-3］。阂弘、刘小丽等［4-5］设计了现场室内两用大型直剪仪。张嘎等人［6］提出了土与土工织物接触面力学特性的试验研究。杜时贵等［7］提出了多尺度岩体结构面直剪试验仪的研制。南京土壤仪器有限公司和南京水利科学研究院［8］联合制造的NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪采用伺服电机加升降机实现40 t试样的测试。

现有设备存在的主要问题如下:(1)现有设备的法向力小，在试验室中无法模拟高坝等工程的受力情况，也不能实现等剪切面直剪试验，只能满足小型试样的测试;(2)现有电液伺服系统由于受到传感器精度范围的影响，在其满量程的10%以内或者90%以上部分精度稳定性不足，无法满足大范围载荷的测试要求;(3)现有直剪仪无法满足尺度试样问题，比如实现截面积为 (100 mm×100 mm) ～(500 mm×500 mm)的试样。

1 新型直剪仪的结构分析

图1所示为大型岩石直剪仪的示意图，它主要由法向液压缸、框体、剪切向液压缸、垫块等组成。两个液压缸完成岩石试样的剪切运动。不同数量的垫块组合实现大小试样剪切面同高度的测试。

图1 岩石直剪仪的结构示意图

大型岩石直剪仪的工作原理为:试样安装在一定数量垫块上，满足剪切面始终位于剪切加载位置→法向液压缸活塞杆伸出，加载到试样上表面，并逐级加载到一定载荷→剪切向液压缸逐级施加剪切载荷→上下试样产生滑移并到一定距离→卸载剪切载荷→卸载法向载荷→完成试样测试并输出相关曲线和数据。

2 岩石直剪仪的液压系统设计与分析

2.1 液压系统参数

(1)法向和剪切液压缸的加载

液压缸工作可区分为3个阶段:第一阶段为加载，负载力缓慢地逐级增加，达到最大法向载荷，速率控制在0.5 mm/s以内;第二阶段为保压，在规定压力下保持在压力精度范围内;第三阶段为卸载，能较快缩回液压活塞杆。技术参数如表1所示。

表1 液压系统的技术参数

则法向液压缸的惯性力为

(2)确定液压缸的主要结构参数

液压缸内径D和活塞杆直径d可根据最大总负载和选取的工作压力来确定。主缸内径为

由于压力表的单位为MPa，压力为kN。单位互换公式如下

其中:F为液压缸施加的压力值;A为液压缸的活塞面积;r为液压缸活塞半径。

2.2 液压系统的设计与控制

该岩石直剪仪的液压系统主要由法向载荷与剪切载荷组成，并且它们的液压回路类似，以法向回路作为分析对象进行说明。如图2所示，它主要由液压缸、控制阀、溢流阀、过滤器、单向阀、减压阀组成。

图2 多级加载回路的设计图

法向液压缸在加载达到设定载荷前需要分5级加载。用三位五通阀控制液压缸伸出或缩回，选用YV1、YV2、YV3、YV4、YV5共5个二位二通电磁阀控制每一级的压力，相对应地减压阀用于设置每一级的压力值。在卸载过程中设置了一个二位二通电磁阀YV8，用于液压缸快速缩回。剪切液压缸在加载达到相同设定载荷前需要分10级加载，即需要分10个二位二通电磁阀和减压阀进行控制。

法向液压回路的控制系统如图3所示，整个工作过程如下:按下启动按钮SB1后泵工作并达到工作压力→YV7得电→经过一定时候后YV1得电，进入第一级载荷的加载，并设置时间继电器进行定时，使得载荷加载并保压一段时间→YV2得电和YV1失电，进入第二级载荷的加载，同理通过时间继电器使得载荷加载并保压一段时间→依此类推得到第五级加载并保压→启动剪切液压回路，并同样采用类似回路进行分10级加载→上下试样发生相对移动后，记录剪切的载荷峰值→移动到一定距离后按下剪切液压回路中的停止按钮进行卸载→按下法向液压回路中的停止按钮进行卸载一定时间。

图3 法向载荷多级加载的控制图

2.3 液压回路的仿真

图4 仿真界面和压力表显示值

为验证整个液压回路的合理性，通过仿真软件FluidSIM-H进行分析。FluidSIM软件符合DIN电气—液压 (气压)回路图绘制标准，CAD功能是专门针对流体而特殊设计的，例如在绘图过程中，FluidSIM软件将检查各元件之间连接是否可行。最重要的是可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，并有元件的状态图显示，这样就使回路图绘制和相应液压(气压)系统仿真相一致，从而能够在设计完回路后，验证设计的正确性，并演示回路动作过程。

在仿真前设置好液压缸的参数，比如活塞面积、行程和载荷。设置每个减压阀的压力值。绘制好图2和图3所示的液压图和电气控制图。得到图4的仿真界面和法向加载过程中各压力表的显示值。

3 设备测试结果分析和结论

为了检验设备的精度和可靠性，对其进行测试，测试现场见图5。测试方法是在法向液压缸下的试样加载板下安装标定压力传感器，对试样进行100～500 kN的测试并比较:标定传感器和压力表控制方式绝对误差控制在10 kN以内，相对误差控制在5%以内，满足试样测试要求。对结果进行拟合后可知该控制方案精度高，另外控制成本远低于伺服控制方案。但是在处理载荷吨位较多时，需要调试压力的过程较繁琐，载荷的精度跟人为调节有一定影响。

图5 设备测试现场

［1］张嘎，张建民.大型土与结构接触面循环加载剪切仪的研制及应用［J］.岩土工程学报，2003，25(2):149-153.

［2］高俊合，于海学，赵维柄.土与混凝土接触面特性的大型单剪切试验研究及数值模拟［J］.土木工程学报，2003，33(4):42-46.

［3］殷宗泽，朱汉，许国华.土与结构材料接触面特性的变形及其数学模拟［J］.岩土工程学报，1994，16(3):14-22.

［4］阂弘，刘小丽，魏进兵，等，现场室内两用大型直剪仪研制(I):结构设计［J］.岩土力学，2006，127(1):168-172.

［5］刘小丽，罗锦添，闵弘，等.现场室内两用大型直剪仪研制(Ⅱ):试验测试［J］.岩土力学，2006，127(2):336-340.

［6］张嘎，张建民.土与土工织物接触面力学特性的试验研究［J］.岩土力学，2006，27(1):52-55.

［7］杜时贵，罗战友，黄曼，等.多尺度岩体结构面直剪试验仪的研制与应用［C］//和谐地球上的水工岩石力学——第三届全国水工岩石力学学术会议论文集，2010.

［8］茅加峰.NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪的设计研究［D］.南京:南京理工大学，2009.