新型全自动应变控制式直剪试验系统的研究

祁丽华，刘 健，刘永胜

（中交水运规划设计院有限公司，北京100101）

1 研究意义

直剪仪是土力学中较早使用的强度测试仪器之一，因其直观、简便、经济，能够快速得到试验结果，所以在工程界中一直被广泛使用。但从200多年前库仑（Coulomb）用它进行土的强度试验开始至今，直剪仪并未同固结仪、三轴仪等仪器一样，伴随现代新型技术的更新而更新。现有的直剪仪仍通过人工施加荷重、控制应变速率及记录相关数据，因而使测试过程存在不可避免的较大人为因素误差及错误，降低了试验数据的准确性，且人工操作效率低下，劳动强度大。现有直剪仪垂直加压范围小，最大荷重只能施加到400kPa，甚至无法超过试样的自重压力，对于较深的岩土试样，现有试验系统无法合理模拟上覆压力，其试验值明显不合理。随着科学技术的不断发展，常规直剪仪的更新优化已不是技术上的难题，便捷、高效、精准的试验仪器及测试手段早应推陈出新。

新型全自动应变控制式直剪试验系统在常规直剪仪工作原理基础上进行发明和创造，集电子、自控、传感器、机械制造技术于一体，实现了从手动到自动、从文本记录到数字化采集、从单一操作到一体化管控的较大飞跃，确保了试验的规范化及结果的准确性，同时更极大地节省了人力，降低了劳动强度；新型全自动应变控制式直剪试验系统实现了直剪试验最大垂直荷载从400kPa到3 200kPa的跨越，为测试手段能更好地模拟试样的真实状态提供了仪器设备，为岩土工程测试的快速发展提供了新的依据和手段。

2 系统设计

2.1 设计原则

该试验系统的设计以符合相关标准及规范［1］为前提，以“便于全过程控制、真实反应测试结果”为原则，最大程度地做到简明化、集成化及可视化。

2.2 设计原理

常规试验系统［2］仅由直剪仪构成［3－5］，直剪仪结构如图1所示，主要包括：剪力盒装置，杠杆式垂直加压装置，位移量测装置（由测力计及位移计组成），最大剪切位移控制装置（由手摇式传动机构及推动器组成）。

图1 常规直剪仪结构示意图

新型直剪试验系统中的剪力仪用新型加荷装置替代原有的杠杆加荷装置，提供最大3 200kPa的垂直荷载，并实现了自动施压；伺服电机及减速装置组成的自控式直剪出力装置替代手摇式出力装置，并实现了剪切速率和剪切位移的程序化和自动化控制；使用精密力传感器量测系统替代量力环测力系统装置，用数字化采集数据替代手工记录数据，实现了试验数据记录的自动化；对剪力盒装置进行了一系列改造和升级，有效地保证了剪切面的固定，并减少了剪力盒装置本身对试验数据的影响；新型直剪仪配有自动化控制器装置，实现试验过程的程序化，数字化，自动化控制不仅作为系统的数据采集、荷重加载使用，而且作为整个系统的执行机构，工作于整个试验系统中，详如图2所示。

图2 新型直剪仪结构示意图

2.3 系统组成

以新型剪力仪为核心，该试验系统新增了计算机软件系统及集自控、电子、机械为一体的硬件系统，包括数据采集控制器、气压或液压源，数据连接线以及压力管路，如图3所示。

图3 新型直剪仪系统结构示意图

1）计算机端软件用于设置和收发采集控制器相关测试指令、控制参数、仪器参数以及直剪测试的基本工程信息、测试方法、荷重标准、预压时长、剪停应变等信息。

2）采集控制器用于监测并记录测力传感器的输出值，依据设定荷重要求调控压力源，控制剪切应变的速率及方向等。

3）测力传感器用于将岩土样品的抗剪强度转换成电信号，供采集控制器处理使用。

4）气压或液压源的作用是为仪器提供基础的压力荷载，经采集控制器调节处理后施加于气液压缸，最终作用在测试岩土样上。

5）数据连接线以及压力管路用于将整个仪器有机连接，为整个系统的数据采集及控制加卸荷提供通道。

3 关键技术

基于系统设计，在该试验系统实现过程中，主要采用如下关键技术：

1）自动化控制技术。该技术的关键在于数据与电信号的转换，包括试验参数的发送、传输及试验结果数据的采集与保存，垂直荷载的自动调整与施压，剪切速度的调整与剪切应变的控制等。主要集成于仪器自动化控制器中，进行测试信息和指令的传递及数据采集，与传感器技术结合，实现了全自动化控制。

2）无级变速技术。它采用大功率高转速的步进电机，与传动轴和工作直径可变的主、从动轮相配合来传递动力，可以实现传动比的连续改变。该技术应用于该系统中的伺服步进电机，采用1∶300的减速比率变速箱，速率可在0.2～2.4mm／min范围内任意设置，达到精确控制剪切速率与剪切位移的目的。

3）压力的转换调节技术。气液压是该系统中主要使用的压力源，对其的有效控制极为重要。本系统采用空压泵配合提供1个大气压的压力。高压管作为压力传递媒介，过滤稳压器进行气源滤水和稳压，而后通过采集控制器进行预设压力调节，然后送入压力缸，通过压力转化技术准确输出10～3 200kPa的垂直荷载作用于试样上。

4）涡轮蜗杆技术。涡轮蜗杆传动是由蜗杆和涡轮组成的，在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，这种传动具有结构紧凑、传动比大、传动平稳等优点。在新型剪切试验系统中，利用该技术与平衡坨和动滑轮相结合，解决了垂直荷重的动平衡问题。

4 功能创新

1）新型全自动应变控制式直剪试验系统实现了直剪试验全过程的自动化控制。包括试验指令发出、数据采集、加卸荷重、剪切应变控制、预压、剪切、测试结束后恢复仪器初始状态等，测试的各个环节均能自动转接连续运行，无需人工干预控制，规范了岩土剪切检测步骤，减轻了测试人员的劳动强度、提高了测试工作效率。

2）提供了足够大、稳定性好、精度高的压力源。剪切试验中，垂直荷重的合理选用对数据的准确性影响很大。在采用常规直剪仪进行的试验中，垂直荷重的加卸是通过人工加减砝码结合杠杆作用来实现的，通常施加的最小荷重为25kPa，最大荷重为400kPa，且由于砝码的重量等级有限，可施加的荷重组合较少。然而，实际工程中，剪切试验的对象从欠固结的软土、超软土到超固结的硬塑性、坚硬性土都涵盖在内，常规的荷重范围及荷重组合的灵活度已远远满足不了工程需求。

新型试验系统采用气液压作为压力源，出力足够大，经过稳压、调压、进气、变径、补气等过程，实现了10～3 200kPa的垂直荷重，压力精度小于1kPa，且气压进入出力缸后的维稳时间短，试验过程中压力稳定，且保证试验的同步性。

3）人性化人机界面设计。界面总体布局设计合理，把功能相近的按钮放在一起，并在样式上与其他功能的按钮相区别，这样用户使用起来将会更加方便。指令按照操作流程设计，使用户的工作量减小，工作效率提高。自动化控制软件经过多次优化和调试，完全满足生产使用。自动化控制软件所用开发程序语言为常用的编程语言，数据的输出采用标准文件格式，便于用户对试验数据的读取、存储、备份和使用。

4）该系统使用时，可灵活搭配，便于使用。一台采集控制器可以连接单台单通道新型直剪仪，也可以连接单台多通道直剪仪。系统加卸荷出力可以是1∶1，也可以是1∶2、1∶3、1∶4等多种形式，加卸荷控制可以配置为自动加卸荷或人工加卸荷，测力传感器可以是传统的量力环形式的也可以是测力传感器或变送器，输出信号可以是数字的也可以是模拟的。

5 系统测试

1）常用剪切速率计量指标。使用检定合格并在检定有效期内的游标卡尺和机械式秒表分别选取0.02、0.1、0.4、0.8、1.2mm／min对新型全自动应变控制式直剪试验系统的剪切速率进行了测试，其中最大相对误差为2.6%，最小相对误差为1.4%，优于相关规范［3］对于剪切速率误差小于等于10%的规定。

2）最大水平剪切力值。使用检定合格并在检定有效期内的精度为0.1%FS，量程为50 000N的负荷传感器，对新型全自动应变控制式直剪试验系统在不同剪切速率下输出的最大水平剪切力进行了测试。其中，最大剪切速率2.4mm／min时输出力值最小为15 245N，折算为剪切强度为5.081MPa，完全满足岩土剪切试验要求。

3）垂直压力输出值。使用检定合格并在检定有效期内的精度为0.02%FS，量程为5 000N的负荷传感器，对新型全自动应变控制式直剪试验系统的各通道在最大垂直输出范围内进行了加载测试。其中最大相对误差为0.7%，最小相对误差为0%，符合规范要求。

6 结语

新型全自动应变控制式直剪试验系统严格按照相关规程进行设计、开发，且取得发明专利［6］。其集电子、计算机、自控、传感器、机械制造技术于一体，实现了直剪试验的程序化、自动化、数字化。不仅极大地提高了测试精度，还最大程度地减少了人为因素的干扰，使测试结果更加真实。同时更极大地节省了人力资源，降低了试验人员的劳动强度。

［1］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB／T 15406—2007岩土工程仪器基本参数及通用技术条件［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［2］中华人民共和国水利部.GB／T 50123—1999土工试验方法标准［S］.北京：中国计划出版社，1999.

［3］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB／T 4934.1—2008土工试验仪器剪切仪第1部分：应变控制室直剪仪［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［4］中华人民共和国水利部.SL 116—95应变控制式直剪仪校准方法［S］.北京：水利水电出版社，2010.

［5］全国力值硬度计量技术委员会.JJG 455—2000工作测力仪规定的标准［S］.北京：中国计量出版社.

［6］刘永胜，夏玉斌.全自动应变控制式直剪测试仪器及其用途：中国，2012100645835［P］.2012－03－13.