應力式直剪儀在小剪應力下的精度提高技術

2014-03-26 02:05:30阮紅風孟偉超

實驗技術與管理 2014年7期

阮紅風，羅強，孟偉超

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031；2.國家交通大學，越南河內)

采用應力式直剪儀進行土體直接剪切試驗是一種研究土體蠕變特性較常用的試驗方法。試驗時間長、儀器自身精度(剛度、部件摩擦等)的不足和外界環境影響的干擾(溫度變化[1]、環境振動等)對應力式直剪蠕變試驗造成的誤差較大。尤其在剪應力水平低、試樣變形量小的情況下，由上述因素產生的誤差往往不可忽略，可能會對試驗數據產生嚴重干擾。

此類問題也引起了許多同行的重視，并且提出了一些建議和改進措施。龍建輝[2]在研究黃土滑坡滑帶土的過程中使用了一種改裝的應力式直剪儀，該直剪儀構造簡單，傳力直接，克服了杠桿比制造誤差，但是滑輪組的使用也會產生額外的摩阻力，會導致按照砝碼計算得到的剪切力輸入值與實際作用在土體上的剪切力輸出值有一定差異。由于該儀器未安裝量力環，實際剪切力不能直接測定，也會導致最終計算得到的試驗數據產生一定偏差。曲廣周[3]設計了一種原理類似的直剪蠕變儀，但其用于測量剪切力的拉力計與下剪切盒相連，這在儲水盒與底座部分的摩阻力視為零的理想狀態下是合理的，但在小剪應力水平下，摩阻力不可忽略，這種設計在小剪應力水平下的合理性需慎重考慮。谷任國[4-5]針對原狀土蠕變試驗耗時長、水分損失大這一特點，提出了一種改進的土體直剪蠕變儀，這種直剪儀在剪切盒的位置增加了試樣保濕裝置，試驗證明能有效減少試樣水分蒸發，本質上是保持試樣狀態方面的完善，但在儀器精度方面，該直剪儀主要采用安裝千分表和百分表共同測試剪切位移以提高測試精度的方案，在儀器自身精度未得到提高和環境影響未消除前提下，單純提高位移測試精度，很可能會得到大量摻雜了許多干擾信息的無規律數據，嚴重時甚至會掩蓋試驗數據的原有規律，干擾試驗分析。

綜上所述，應力式直剪儀用于小剪應力和小變形情況時，儀器摩阻力和環境溫度變化產生的誤差將會對試驗數據產生明顯影響，開展小剪應力條件下的直剪儀精度提高技術研究對于進一步完善特殊直剪試驗的設備條件具有重要意義和應用價值。

1 現有應力式直剪儀存在的問題

現有的應力式直剪儀多為框架型應力式直剪儀，其基本構造見圖1。這種直剪儀采用鋼質框架作為剪切力的傳遞機構，為保證鋼質傳力框架的結構穩定性在直剪儀支承平臺上沿鋼質傳力框架的拉桿軸向設置多個定位直線軸承。這些定位直線軸承與鋼質傳力框架之間都會存在大小不定的摩阻力。當所施加的剪切力較小時，這些摩阻力會嚴重干擾試樣的剪切受力狀態。同時，由于鋼質傳力框架的熱膨脹系數較高，在外界環境溫度變化的影響下，鋼質傳力框架還會發生熱脹冷縮的現象，這種現象在傳力框架拉桿的軸向和徑向均會發生，且在拉桿軸向尤為顯著，導致溫度應力的產生。另外，拉桿的微膨脹還會加劇定位軸承與鋼質傳力框架之間的摩阻力，進而對剪切力的傳遞產生干擾，進一步影響試樣的受力狀態。當然，儀器杠桿比的制造精度不足和杠桿部件間存在的摩阻力對于小剪應力水平下的試驗干擾也是不可忽略的。

圖1 框架型應力式直剪儀構造示意圖

為了校正由各類摩阻力和儀器制造精度不足等原因產生的誤差，試驗人員往往通過標定試驗得到儀器砝碼重量與實際剪切力間的關系曲線，然后將其線性回歸得到實際標定杠桿比以進行數據修正。但是這種線性回歸在小剪應力水平段的離散性較大，加之摩阻力的產生具有較強的隨機性和不確定性，使得標定試驗很難在小剪應力水平下校正該部分誤差。綜合考慮，現有儀器制造水平和試驗技術條件，由試驗設備的機構復雜性導致的儀器誤差是很難避免的，故許多學者[6-8]在進行土體長期剪切強度試驗或蠕變試驗時都對試驗儀器進行了改進，使其結構更加簡單，傳力更加直接，以提高儀器精度，降低試驗誤差。

另一方面，現有的框架型應力式直剪儀大多采用量力環測量試樣所受的實際剪切力。量力環需要通過自身變形量乘以相應的率定系數來獲得剪切力，它的變形會導致上、下剪切盒以及傳力框架產生聯動的整體位移，這部分位移對試樣承受的剪切力狀態保持和試樣剪切變形測試是無益的，并且會降低試驗儀器的整體剛度和穩定性。同時，上、下剪切盒以及傳力框架的整體移動還會增加不必要的部件摩阻力，進一步加大剪切力輸入值與輸出值間的差異。

除以上因素之外，現有應力式直剪儀的法向力加載裝置一般下部固定，只有與剪切盒加壓上蓋接觸的部位會隨量力環的變形發生水平移動，這將導致法向力加載裝置在試驗過程中產生一定的水平分力，影響試樣的剪切受力狀態[9-10]。與此對應，現有的應變式直剪儀多在法向力加載裝置的下部設置有平動滑輪，試驗過程中法向力加載裝置可以隨量力環變形產生整體水平移動，能有效克服應力式直剪儀的該類誤差，故本文的改進直剪儀以應變式直剪儀為基礎進行。

2 改進后的拉線型應力式直剪儀

圖2為基于現有應變式直剪儀改裝而成的一種拉線型應力式直剪儀[11]。該直剪儀針對現有框架型應力式直剪儀存在的問題，主要進行了兩方面改進：一是改裝儀器的剪切力加載裝置，減小各部件間的摩阻力對試樣受力狀態的干擾，同時提高儀器對溫度變化影響的抗干擾能力；二是通過改進儀器剪切力測量裝置，在土體剪切試驗時用剛性的鋼質支撐塊替換柔性的量力環，減小儀器在試驗過程中的整體水平移動，提高儀器的整體剛度和自身穩定性。

圖2 拉線型應力式直剪儀構造示意圖

2.1 改裝剪切力加載裝置

為了使儀器的構造和傳力更加簡單、可靠，將鋼質的框架式傳力機構改裝為傳力較為直接的拉線型傳力機構，結構的具體構成為：沿拉線方向左右對稱布置2個導向支架，其一端固定在儀器支承平臺上，另一端向外呈懸臂狀伸出并安裝有導向滑輪(定滑輪)；同時，在導向支架的中部下方設置支撐門架，支撐門架的橫梁上設有支撐螺桿，通過支撐螺桿頂部與導向支架底面接觸保證導向支架的穩定。用作拉線的尼龍繩一端固定在儲水盒的后壁，另一端繞過導向滑輪后與滑輪下方的砝碼吊桿橫梁相連。這樣，由砝碼重量施加的剪切力就通過砝碼吊桿橫梁、尼龍繩、導向支架和導向滑輪的共同配合傳遞到剪切盒位置。

拉線材料采用的高強度尼龍繩，具有柔性好、質量輕和熱膨脹系數小等優點，對外界環境的影響具有較強的抗干擾能力。同時，拉線型應力式直剪儀去掉了用于定位鋼質框架的直線軸承，只在導向支架的一端設置有導向滑輪。另外，因省去了剪切力加載杠桿，儀器的結構整體上更加簡潔，由剪切力加載裝置產生的摩阻力也大為降低，亦不會存在杠桿比的制造誤差，從而在很大程度上提高了儀器的精度。

2.2 減小儀器的整體移動

在上剪切盒的傳力桿和反力臺之間(即量力環安裝位置)設置了一塊尺寸適配的可拆卸鋼質支撐塊，用以替換量力環。這樣，在進行土體剪切試驗中，由于鋼質支撐塊基本不變形，致使剪切盒避免了不必要的整體移動，儀器的整體剛度和自身穩定性得到了提高，同時也對隨之產生的額外摩阻力有良好的抑制作用。

當然，對于應力式直剪儀而言，剪切力的輸入值與輸出值因摩阻力的存在而產生差異是一個客觀現象，雖然通過上述的改進，可使剪切力輸入值與輸出值間的差異明顯降低，但要完全消除是困難的。所以，拉線型應力式直剪儀設置的鋼質支撐塊是可拆卸的，根據需要可以隨時與量力環進行替換安裝。與之配套，為了保證試驗的準確性和可靠性，在進行土樣的正式剪切試驗之前，需將量力環安裝在原位置處，用標定鐵塊代替試樣，按照試驗規程以及具體試驗要求進行多次標定試驗，得到系列剪切力輸入值與輸出值之間的對應關系，作為后續土體正式剪切試驗時的真實剪切力輸出值。誠然，這樣一種用量力環進行剪切力標定的試驗過程又會在一定程度上帶入了因量力環變形產生的額外摩阻力干擾，但其較之未改進的常規試驗操作，誤差水平已有大幅降低。

用SPSS 22.0軟件處理數據，結果以表示，采用單因素方差分析進行多組間比較，采用LSD‐t檢驗進行兩兩比較。

3 儀器精度提高技術的試驗驗證

3.1 試驗方案設計

為了對比分析兩種應力式直剪儀(分別見圖3和圖4)在小剪應力水平下的試驗精度，進行了儀器受摩阻力和溫度變化影響的標定試驗。

以某鐵路客運專線粉質黏土飽和土試樣在90%壓實度、200 kPa法向壓力下固結快剪試驗得到的峰值抗剪強度τf=129.52 kPa為基準值，設計試驗方案驗證小剪應力水平下的儀器精度提高效果。儀器的剪應力水平采用剪應力比λ表達。剪應力比的定義為試樣所承受的剪應力τ與τf的比值，即

λ=τ/τf

(1)

3.1.1 儀器摩阻力效應標定試驗

選取2臺現有鋼質框架型應力式直剪儀(儀器編號為K1、K2)和2臺改裝后的拉線型應力式直剪儀(儀器編號為L1、L2)進行摩阻力影響對比標定試驗。首先，在剪切盒內安裝標定鐵塊，通過砝碼施加不同的剪切力荷載，穩定10 min[12]后讀取量力環的數據，由量力環率定系數計算實測剪切力，得到所施加砝碼重量與實測剪切力的關系曲線，并進行相應剪應力的誤差分析。由于標定試驗用時較短，外界環境干擾(溫度變化、環境振動等)可忽略不計。

3.1.2 環境溫度變化影響標定試驗

選取一臺現有鋼質框架型應力式直剪儀(K1)和一臺改裝后的拉線型應力式直剪儀(L1)進行溫度影響標定試驗。同樣，先在剪切盒內安裝標定鐵塊，然后調節室溫在13 ℃,并穩定1 h，再對框架型和拉線型直剪儀通過砝碼分別施加剪應力比λ=9.1%和λ=10.9%大小的荷載，在砝碼重量施加10 min后記錄量力環數據，計算出相應的剪應力；最后，通過空調的溫度調節使室溫在13 ℃～23 ℃之間變化[13]，并在相應的設定溫度θi附近穩定0.5 h后讀取量力環數據，計算環境溫度變化對剪應力的影響。

圖3 框架型應力式直剪儀標定試驗

圖4 拉線型應力式直剪儀標定試驗

3.2 試驗數據分析

3.2.1 儀器摩阻力影響分析

首先，根據兩種直剪儀標定試驗獲得的數據，繪制砝碼重量與實測剪切力關系曲線，分別如圖5和圖6所示。可以看出，4臺儀器(K1、K2和L1、L2)標定曲線的整體線性度良好，表明儀器工作性能正常，均可滿足常規條件下的試驗要求。根據圖5和圖6的測試數據進行線性回歸得到標定曲線方程可得到框架型直剪儀通過砝碼-杠桿系統施加剪切力的荷載比(砝碼重量∶剪切力)分別為1∶10.81和1∶10.97，拉線型直剪儀通過砝碼-滑輪系統傳遞的牽引力的荷載比分別為1∶0.94和1∶0.92。使用標定試驗獲得的荷載比，按式(2)和式(3)計算所對應儀器在不同剪應力水平下的剪應力差值Δτ和相對誤差Er，并繪制出如圖7和圖8所示摩阻力隨剪應力比的影響曲線。

Δτ=τc-τt

(2)

Er=Δτ/τc

(3)

式中:τc為根據標定試驗的荷載比通過砝碼重量得到的理論剪應力值(kPa)；τt為根據量力環讀數換算得到的實測剪應力值(kPa)。

圖5 框架型應力式直剪儀標定曲線

圖6 拉線型應力式直剪儀標定曲線

圖7和圖8表明，隨著剪應力比的提高，框架型應力式直剪儀和拉線型應力式直剪儀的剪應力差值均在一定數值范圍內呈先增大后減小的拋物線型變化，其幅值范圍分別為0.8 kPa～2.7 kPa(對應的剪切力值為2.3 N～8.1 N)，0.8 kPa～2.3 kPa(對應的剪切力值為2.3 N～6.8 N)。產生這一現象的原因在于儀器的摩阻力存在一個界限值，當所施加的剪切力小于這個界限值時，儀器摩阻力處于類似靜摩擦狀態，隨荷載水平增加而增大；當所施加的剪切力大于此界限值后，摩阻力不再隨荷載增大。

圖7 框架型應力式直剪儀摩阻力影響曲線

圖8 拉線型應力式直剪儀摩阻力影響曲線

另外，由于較大荷載會導致較大的儀器變形和部件位移，有一部分摩阻力會因此消散，此時的儀器摩阻力處于類似動摩擦狀態，即在該界限值之后摩阻力將基本保持不變或甚至有略微減小。同時還可以發現，兩種直剪儀的剪應力的差值隨著剪應力比的增大而逐漸減小，在大剪應力比(λ>20%)時，兩種儀器的相對誤差基本都在5%以內，對于常規要求的直剪試驗均有較好的適用性。但是在低剪力水平(λ< 20%)時，框架型應力式直剪儀的相對誤差范圍擴大為8%～22%，而拉線型應力式直剪儀的相對誤差范圍僅小幅擴大為6%～13%，后者受到的摩阻力干擾明顯小于前者，減小幅度約為40%。這說明框架型應力式直剪儀在小剪應力狀態下的摩阻力干擾較大，儀器精度不足，而改裝后的拉線型應力式直剪儀則顯著減小了摩阻力造成的影響，提高了試驗儀器的精度和準確性。

進一步對比圖7和圖8的試驗數據可以發現，兩臺拉線型應力式直剪儀的誤差曲線貼合程度和變化趨勢的一致性較框架型應力式直剪儀高，表明拉線型應力式直剪儀的儀器平行誤差小?？梢?，改進后的拉線型直剪儀在摩阻力得到顯著減小的同時，其摩阻力的變化也更加穩定，將十分有利于通過標定試驗進行誤差校正。當然，儀器間的平行誤差減小也有助于更好地掌握所試驗土樣和試驗數據的內在變化規律，避免了外界干擾對其基本性質的影響。

需要說明的是，鋼質支撐塊替換量力環后，剪切力的大小無法直接觀察，所以鋼質支撐塊對減小摩阻力以及提高儀器整體剛度和自身穩定性的效果不能直接通過標定試驗得出，但是從直剪儀的受力及工作原理可以定性地判斷出鋼質支撐塊的設置是有益的。

3.2.2 環境溫度變化影響分析

(4)

式中:τ0為初始室內環境溫度為13 ℃下開始加載時由量力環得到的實測剪應力值(kPa)；τi為試驗過程中在某一設定溫度θi附近由量力環得到的實測剪應力值(kPa)。

圖9為環境溫度θ變化下的標定試驗數據曲線?？梢园l現，兩種直剪儀的相對誤差在環境溫度提高的初始階段都存在一個相對較大的變化幅值，由于儀器部件間摩阻力的存在，初始階段產生的變化量不會隨溫度的回落而消失，但此后的實測剪應力隨溫度變化的波動只會在已發生變化后的實測剪應力值附近呈現相對較小的擺動。進一步觀察還可以看出，兩種直剪儀的相對誤差隨溫度變化的波動特點不同，剪應力的變化趨勢相反，即：框架型直剪儀的實測剪應力隨溫度的升高而增大，隨溫度的降低而減??；拉線型直剪儀的實測剪應力則隨溫度的升高而減小，隨溫度的降低而呈增大的趨勢，但其隨溫度變化的幅度相對較小，規律性不甚顯著，明顯低于框架型直剪儀。

圖9 環境溫度變化影響曲線

經過對圖9中試驗數據的計算，框架型應力式直剪儀的相對誤差平均值為-4.18%，標準差為2.05%；拉線型應力式直剪儀的相對誤差平均值為2.75%，標準差為1.66%。這表明，拉線型應力式直剪儀由溫度干擾產生的相對誤差不僅平均值始終小于框架型應力式直剪儀，其測試數據的波動性受溫度變化的影響也較小?？梢?，改裝后的拉線型應力式直剪儀具有較好地抵抗環境溫度變化造成影響的能力，儀器精度和數據穩定性都得到了一定程度提高。