应力式直剪仪在小剪应力下的精度提高技术

2014-03-26阮红风孟伟超

实验技术与管理 2014年7期

阮红风，罗强，孟伟超

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031；2.国家交通大学，越南河内)

采用应力式直剪仪进行土体直接剪切试验是一种研究土体蠕变特性较常用的试验方法。试验时间长、仪器自身精度(刚度、部件摩擦等)的不足和外界环境影响的干扰(温度变化[1]、环境振动等)对应力式直剪蠕变试验造成的误差较大。尤其在剪应力水平低、试样变形量小的情况下，由上述因素产生的误差往往不可忽略，可能会对试验数据产生严重干扰。

此类问题也引起了许多同行的重视，并且提出了一些建议和改进措施。龙建辉[2]在研究黄土滑坡滑带土的过程中使用了一种改装的应力式直剪仪，该直剪仪构造简单，传力直接，克服了杠杆比制造误差，但是滑轮组的使用也会产生额外的摩阻力，会导致按照砝码计算得到的剪切力输入值与实际作用在土体上的剪切力输出值有一定差异。由于该仪器未安装量力环，实际剪切力不能直接测定，也会导致最终计算得到的试验数据产生一定偏差。曲广周[3]设计了一种原理类似的直剪蠕变仪，但其用于测量剪切力的拉力计与下剪切盒相连，这在储水盒与底座部分的摩阻力视为零的理想状态下是合理的，但在小剪应力水平下，摩阻力不可忽略，这种设计在小剪应力水平下的合理性需慎重考虑。谷任国[4-5]针对原状土蠕变试验耗时长、水分损失大这一特点，提出了一种改进的土体直剪蠕变仪，这种直剪仪在剪切盒的位置增加了试样保湿装置，试验证明能有效减少试样水分蒸发，本质上是保持试样状态方面的完善，但在仪器精度方面，该直剪仪主要采用安装千分表和百分表共同测试剪切位移以提高测试精度的方案，在仪器自身精度未得到提高和环境影响未消除前提下，单纯提高位移测试精度，很可能会得到大量掺杂了许多干扰信息的无规律数据，严重时甚至会掩盖试验数据的原有规律，干扰试验分析。

综上所述，应力式直剪仪用于小剪应力和小变形情况时，仪器摩阻力和环境温度变化产生的误差将会对试验数据产生明显影响，开展小剪应力条件下的直剪仪精度提高技术研究对于进一步完善特殊直剪试验的设备条件具有重要意义和应用价值。

1 现有应力式直剪仪存在的问题

现有的应力式直剪仪多为框架型应力式直剪仪，其基本构造见图1。这种直剪仪采用钢质框架作为剪切力的传递机构，为保证钢质传力框架的结构稳定性在直剪仪支承平台上沿钢质传力框架的拉杆轴向设置多个定位直线轴承。这些定位直线轴承与钢质传力框架之间都会存在大小不定的摩阻力。当所施加的剪切力较小时，这些摩阻力会严重干扰试样的剪切受力状态。同时，由于钢质传力框架的热膨胀系数较高，在外界环境温度变化的影响下，钢质传力框架还会发生热胀冷缩的现象，这种现象在传力框架拉杆的轴向和径向均会发生，且在拉杆轴向尤为显著，导致温度应力的产生。另外，拉杆的微膨胀还会加剧定位轴承与钢质传力框架之间的摩阻力，进而对剪切力的传递产生干扰，进一步影响试样的受力状态。当然，仪器杠杆比的制造精度不足和杠杆部件间存在的摩阻力对于小剪应力水平下的试验干扰也是不可忽略的。

图1 框架型应力式直剪仪构造示意图

为了校正由各类摩阻力和仪器制造精度不足等原因产生的误差，试验人员往往通过标定试验得到仪器砝码重量与实际剪切力间的关系曲线，然后将其线性回归得到实际标定杠杆比以进行数据修正。但是这种线性回归在小剪应力水平段的离散性较大，加之摩阻力的产生具有较强的随机性和不确定性，使得标定试验很难在小剪应力水平下校正该部分误差。综合考虑，现有仪器制造水平和试验技术条件，由试验设备的机构复杂性导致的仪器误差是很难避免的，故许多学者[6-8]在进行土体长期剪切强度试验或蠕变试验时都对试验仪器进行了改进，使其结构更加简单，传力更加直接，以提高仪器精度，降低试验误差。

另一方面，现有的框架型应力式直剪仪大多采用量力环测量试样所受的实际剪切力。量力环需要通过自身变形量乘以相应的率定系数来获得剪切力，它的变形会导致上、下剪切盒以及传力框架产生联动的整体位移，这部分位移对试样承受的剪切力状态保持和试样剪切变形测试是无益的，并且会降低试验仪器的整体刚度和稳定性。同时，上、下剪切盒以及传力框架的整体移动还会增加不必要的部件摩阻力，进一步加大剪切力输入值与输出值间的差异。

除以上因素之外，现有应力式直剪仪的法向力加载装置一般下部固定，只有与剪切盒加压上盖接触的部位会随量力环的变形发生水平移动，这将导致法向力加载装置在试验过程中产生一定的水平分力，影响试样的剪切受力状态[9-10]。与此对应，现有的应变式直剪仪多在法向力加载装置的下部设置有平动滑轮，试验过程中法向力加载装置可以随量力环变形产生整体水平移动，能有效克服应力式直剪仪的该类误差，故本文的改进直剪仪以应变式直剪仪为基础进行。

2 改进后的拉线型应力式直剪仪

图2为基于现有应变式直剪仪改装而成的一种拉线型应力式直剪仪[11]。该直剪仪针对现有框架型应力式直剪仪存在的问题，主要进行了两方面改进：一是改装仪器的剪切力加载装置，减小各部件间的摩阻力对试样受力状态的干扰，同时提高仪器对温度变化影响的抗干扰能力；二是通过改进仪器剪切力测量装置，在土体剪切试验时用刚性的钢质支撑块替换柔性的量力环，减小仪器在试验过程中的整体水平移动，提高仪器的整体刚度和自身稳定性。

图2 拉线型应力式直剪仪构造示意图

2.1 改装剪切力加载装置

为了使仪器的构造和传力更加简单、可靠，将钢质的框架式传力机构改装为传力较为直接的拉线型传力机构，结构的具体构成为：沿拉线方向左右对称布置2个导向支架，其一端固定在仪器支承平台上，另一端向外呈悬臂状伸出并安装有导向滑轮(定滑轮)；同时，在导向支架的中部下方设置支撑门架，支撑门架的横梁上设有支撑螺杆，通过支撑螺杆顶部与导向支架底面接触保证导向支架的稳定。用作拉线的尼龙绳一端固定在储水盒的后壁，另一端绕过导向滑轮后与滑轮下方的砝码吊杆横梁相连。这样，由砝码重量施加的剪切力就通过砝码吊杆横梁、尼龙绳、导向支架和导向滑轮的共同配合传递到剪切盒位置。

拉线材料采用的高强度尼龙绳，具有柔性好、质量轻和热膨胀系数小等优点，对外界环境的影响具有较强的抗干扰能力。同时，拉线型应力式直剪仪去掉了用于定位钢质框架的直线轴承，只在导向支架的一端设置有导向滑轮。另外，因省去了剪切力加载杠杆，仪器的结构整体上更加简洁，由剪切力加载装置产生的摩阻力也大为降低，亦不会存在杠杆比的制造误差，从而在很大程度上提高了仪器的精度。

2.2 减小仪器的整体移动

在上剪切盒的传力杆和反力台之间(即量力环安装位置)设置了一块尺寸适配的可拆卸钢质支撑块，用以替换量力环。这样，在进行土体剪切试验中，由于钢质支撑块基本不变形，致使剪切盒避免了不必要的整体移动，仪器的整体刚度和自身稳定性得到了提高，同时也对随之产生的额外摩阻力有良好的抑制作用。

当然，对于应力式直剪仪而言，剪切力的输入值与输出值因摩阻力的存在而产生差异是一个客观现象，虽然通过上述的改进，可使剪切力输入值与输出值间的差异明显降低，但要完全消除是困难的。所以，拉线型应力式直剪仪设置的钢质支撑块是可拆卸的，根据需要可以随时与量力环进行替换安装。与之配套，为了保证试验的准确性和可靠性，在进行土样的正式剪切试验之前，需将量力环安装在原位置处，用标定铁块代替试样，按照试验规程以及具体试验要求进行多次标定试验，得到系列剪切力输入值与输出值之间的对应关系，作为后续土体正式剪切试验时的真实剪切力输出值。诚然，这样一种用量力环进行剪切力标定的试验过程又会在一定程度上带入了因量力环变形产生的额外摩阻力干扰，但其较之未改进的常规试验操作，误差水平已有大幅降低。

用SPSS 22.0软件处理数据，结果以表示，采用单因素方差分析进行多组间比较，采用LSD‐t检验进行两两比较。

3 仪器精度提高技术的试验验证

3.1 试验方案设计

为了对比分析两种应力式直剪仪(分别见图3和图4)在小剪应力水平下的试验精度，进行了仪器受摩阻力和温度变化影响的标定试验。

以某铁路客运专线粉质黏土饱和土试样在90%压实度、200 kPa法向压力下固结快剪试验得到的峰值抗剪强度τf=129.52 kPa为基准值，设计试验方案验证小剪应力水平下的仪器精度提高效果。仪器的剪应力水平采用剪应力比λ表达。剪应力比的定义为试样所承受的剪应力τ与τf的比值，即

λ=τ/τf

(1)

3.1.1 仪器摩阻力效应标定试验

选取2台现有钢质框架型应力式直剪仪(仪器编号为K1、K2)和2台改装后的拉线型应力式直剪仪(仪器编号为L1、L2)进行摩阻力影响对比标定试验。首先，在剪切盒内安装标定铁块，通过砝码施加不同的剪切力荷载，稳定10 min[12]后读取量力环的数据，由量力环率定系数计算实测剪切力，得到所施加砝码重量与实测剪切力的关系曲线，并进行相应剪应力的误差分析。由于标定试验用时较短，外界环境干扰(温度变化、环境振动等)可忽略不计。

3.1.2 环境温度变化影响标定试验

选取一台现有钢质框架型应力式直剪仪(K1)和一台改装后的拉线型应力式直剪仪(L1)进行温度影响标定试验。同样，先在剪切盒内安装标定铁块，然后调节室温在13 ℃,并稳定1 h，再对框架型和拉线型直剪仪通过砝码分别施加剪应力比λ=9.1%和λ=10.9%大小的荷载，在砝码重量施加10 min后记录量力环数据，计算出相应的剪应力；最后，通过空调的温度调节使室温在13 ℃～23 ℃之间变化[13]，并在相应的设定温度θi附近稳定0.5 h后读取量力环数据，计算环境温度变化对剪应力的影响。

图3 框架型应力式直剪仪标定试验

图4 拉线型应力式直剪仪标定试验

3.2 试验数据分析

3.2.1 仪器摩阻力影响分析

首先，根据两种直剪仪标定试验获得的数据，绘制砝码重量与实测剪切力关系曲线，分别如图5和图6所示。可以看出，4台仪器(K1、K2和L1、L2)标定曲线的整体线性度良好，表明仪器工作性能正常，均可满足常规条件下的试验要求。根据图5和图6的测试数据进行线性回归得到标定曲线方程可得到框架型直剪仪通过砝码-杠杆系统施加剪切力的荷载比(砝码重量∶剪切力)分别为1∶10.81和1∶10.97，拉线型直剪仪通过砝码-滑轮系统传递的牵引力的荷载比分别为1∶0.94和1∶0.92。使用标定试验获得的荷载比，按式(2)和式(3)计算所对应仪器在不同剪应力水平下的剪应力差值Δτ和相对误差Er，并绘制出如图7和图8所示摩阻力随剪应力比的影响曲线。

Δτ=τc-τt

(2)

Er=Δτ/τc

(3)

式中:τc为根据标定试验的荷载比通过砝码重量得到的理论剪应力值(kPa)；τt为根据量力环读数换算得到的实测剪应力值(kPa)。

图5 框架型应力式直剪仪标定曲线

图6 拉线型应力式直剪仪标定曲线

图7和图8表明，随着剪应力比的提高，框架型应力式直剪仪和拉线型应力式直剪仪的剪应力差值均在一定数值范围内呈先增大后减小的抛物线型变化，其幅值范围分别为0.8 kPa～2.7 kPa(对应的剪切力值为2.3 N～8.1 N)，0.8 kPa～2.3 kPa(对应的剪切力值为2.3 N～6.8 N)。产生这一现象的原因在于仪器的摩阻力存在一个界限值，当所施加的剪切力小于这个界限值时，仪器摩阻力处于类似静摩擦状态，随荷载水平增加而增大；当所施加的剪切力大于此界限值后，摩阻力不再随荷载增大。

图7 框架型应力式直剪仪摩阻力影响曲线

图8 拉线型应力式直剪仪摩阻力影响曲线

另外，由于较大荷载会导致较大的仪器变形和部件位移，有一部分摩阻力会因此消散，此时的仪器摩阻力处于类似动摩擦状态，即在该界限值之后摩阻力将基本保持不变或甚至有略微减小。同时还可以发现，两种直剪仪的剪应力的差值随着剪应力比的增大而逐渐减小，在大剪应力比(λ>20%)时，两种仪器的相对误差基本都在5%以内，对于常规要求的直剪试验均有较好的适用性。但是在低剪力水平(λ< 20%)时，框架型应力式直剪仪的相对误差范围扩大为8%～22%，而拉线型应力式直剪仪的相对误差范围仅小幅扩大为6%～13%，后者受到的摩阻力干扰明显小于前者，减小幅度约为40%。这说明框架型应力式直剪仪在小剪应力状态下的摩阻力干扰较大，仪器精度不足，而改装后的拉线型应力式直剪仪则显著减小了摩阻力造成的影响，提高了试验仪器的精度和准确性。

进一步对比图7和图8的试验数据可以发现，两台拉线型应力式直剪仪的误差曲线贴合程度和变化趋势的一致性较框架型应力式直剪仪高，表明拉线型应力式直剪仪的仪器平行误差小。可见，改进后的拉线型直剪仪在摩阻力得到显著减小的同时，其摩阻力的变化也更加稳定，将十分有利于通过标定试验进行误差校正。当然，仪器间的平行误差减小也有助于更好地掌握所试验土样和试验数据的内在变化规律，避免了外界干扰对其基本性质的影响。

需要说明的是，钢质支撑块替换量力环后，剪切力的大小无法直接观察，所以钢质支撑块对减小摩阻力以及提高仪器整体刚度和自身稳定性的效果不能直接通过标定试验得出，但是从直剪仪的受力及工作原理可以定性地判断出钢质支撑块的设置是有益的。

3.2.2 环境温度变化影响分析

(4)

式中:τ0为初始室内环境温度为13 ℃下开始加载时由量力环得到的实测剪应力值(kPa)；τi为试验过程中在某一设定温度θi附近由量力环得到的实测剪应力值(kPa)。

图9为环境温度θ变化下的标定试验数据曲线。可以发现，两种直剪仪的相对误差在环境温度提高的初始阶段都存在一个相对较大的变化幅值，由于仪器部件间摩阻力的存在，初始阶段产生的变化量不会随温度的回落而消失，但此后的实测剪应力随温度变化的波动只会在已发生变化后的实测剪应力值附近呈现相对较小的摆动。进一步观察还可以看出，两种直剪仪的相对误差随温度变化的波动特点不同，剪应力的变化趋势相反，即：框架型直剪仪的实测剪应力随温度的升高而增大，随温度的降低而减小；拉线型直剪仪的实测剪应力则随温度的升高而减小，随温度的降低而呈增大的趋势，但其随温度变化的幅度相对较小，规律性不甚显著，明显低于框架型直剪仪。

图9 环境温度变化影响曲线

经过对图9中试验数据的计算，框架型应力式直剪仪的相对误差平均值为-4.18%，标准差为2.05%；拉线型应力式直剪仪的相对误差平均值为2.75%，标准差为1.66%。这表明，拉线型应力式直剪仪由温度干扰产生的相对误差不仅平均值始终小于框架型应力式直剪仪，其测试数据的波动性受温度变化的影响也较小。可见，改装后的拉线型应力式直剪仪具有较好地抵抗环境温度变化造成影响的能力，仪器精度和数据稳定性都得到了一定程度提高。