摘要：本文介绍了一种新型的空心圆柱扭剪仪－GDS HCA。它是一个可以提供全自动精确荷载、位移、转角、计算应力和应变控制的闭合回路反馈系统。可以在实验室中进行土样的一次性加载、低频循环和动态测试。本文结合一个密砂土样在循环剪切试验时的结果详细说明了该系统的功能。
 

 
引言
 
目前存在这样一个事实，有些情况下，土工测试界非常有兴趣测试出超过5个量级以上的剪应变变化，而现有的试验设备和试验方法不是都能满足他们的广泛要求。
 
扭剪试验系统已经成为研究土的单调加载和循环加载特性的选择设备之一，尤其是在做空心圆柱状试样的时候。
 
关于空心圆柱试样扭转试验的争论点主要包括 (Saada, 1988)：如何把压力板对试验结果的影响降到最低，如何简易地实现各向异性应力条件，如何完整定义可被精确测得的应力状态。
 
因而，近年来，人们对土的室内土工扭剪试验的关注逐渐增加，特别是循环荷载作用时的特性。不考虑循环三轴试验所已知的局限性，扭剪试验的作用逐渐清晰，即采用扭剪试验系统所进行的试验对岩土工程和土力学研究有很多帮助。
 
空心圆柱扭剪设备的出现可以追溯到1965年(Broms and Casbarian, 1965)，它的出现具有里程碑式的意义。在此之后，许多空心圆柱扭剪设备相继出现，最近的一些相关设备有：(Hight et al., 1983),(Alarcon et al., 1986), (Ampadu and Tatsuoka, 1993), (Huang et al. 1994).
 
这里介绍的是一种新的空心圆柱试验系统，GDS HCA，它是一款全自动的试验系统，结合了高级三轴试验和高级扭剪试验的功能于一体。
 
计算机自动闭环回路反馈系统可以提供精确和独立的力、扭矩、轴向位移、转角、压力、计算应变和计算应力控制。
 

 
颗粒材料的各向异性不仅与颗粒的排列组合有关，比如在自然堆积情况下，颗粒在其层面上会有一个长轴；还与接触和接触力的空间分布有关。进一步讲，这种试样中由所谓的材料固有各向异性（Arthur和Menzies，1972）引起的各向异性现象，其产生是由沿应力路径产生的不可恢复的应变增量引起的。只有通过缜密的试验设计和控制，才有可能阐明应力路径对土的强度和变形的影响。
 
GDS空心圆柱扭剪试验系统可以实现全自动的广义总应力路径控制，即(p, q, b, α)应力空间。像简单剪切和平面应变试验等一些施加的应变路径测试也可用这台设备来实现。
 
除了上述介绍的几种针对空心圆柱扭剪试样进行的试验，这套设备还可以用来做高级三轴压缩和拉伸试验。这些三轴试验均可由独立的轴向和扭剪操作模式来实现应力和应变控制。
 
本文结合一个砂土试样在应力控制下的不排水扭剪试验来阐明这套设备的用途。用一种新的自动砂雨器 (Bilé Serra, 1999)来制备试样。试验过程中，先做四个低幅值的应力循环，接着是四个额外的中幅值循环，以发现两种截然不同的模式下的应力应变特性的区别：第一种情况是小应变区域无孔隙水压力上升；第二种发生在中幅值区域，膨胀及压密作用的联合影响会引起孔压的振荡式增长和剪应变幅值的增加。

  
扭剪试验
 
在扭剪设备中，轴向和扭转荷载的综合作用导致主应力向材料对称轴方向倾斜。空心圆柱试样内部和外部的压力差值产生一个一般状态的平均有效应力，其有效应力张量如下：

  

张量中的每个单元代表了超过相应应力场样本体积的平均值。当σθ' 和 σ z' 在平衡条件下得到时，其余单元的确定取决于关于应力场的基本假定。本文中采用了(Hight et al., 1983)的确定方法。每个张量的控制只有在独立的轴向力、扭矩、内外压力控制情况下才能实现。只有具备这种控制能力的设备才能进行广义应力路径的测试。
 
假定平均应变张量如下：

应变单元的确定参见(Hight et al., 1983)。

 

一方面，轴向应变ε z和非对角线单元ε z θ 的控制是简单直接的，因为他们分别表现为轴向位移和扭转角的直接活动。另一方面，高级应变路径试验（比如平面应变测试模式）需要对围压进行非常精确的伺服控制。
 
空心圆柱试验系统简介
 
空心圆柱试验系统包括一个压力室和驱动器。示意图见图1。

 

 
图1- 空心圆柱系统布局示意图

 
 
压力室可容纳试样和围压约束液体，压力室的轴向和径向强度设计值均非常高。通过利用压力室顶部和底座之间的三个宽截面反力杆（A）来获得这个强度。这些反力杆面对试样的一面是矩形的，这样的设计可确保扭转时的高刚度。压力室腔壁是用能承受1700kPa压力的透明塑料材料制成的。水下荷重/扭矩传感器（C）与压力室顶部刚性连接，有两种与系统所匹配的量程，100Nm/10kN和30Nm/3kN，可以轻松更换。平衡重坠式升降系统（图中未出现）是用来提升、降低和把压力室稳定在其任意的中间位置，以便于试样的安装。通过更换加载柱塞（L）上的试样底座能够测试两种尺寸的试样（100mm外径/60内径和70外径/30）。柱塞（L）通过平衡锤内腔（F）和压力室底部伸进压力室腔体内。平衡锤设计是为了确保在轴向动力荷载作用时对围压没有干扰，它是通过保证进入压力室的平衡锤体积与压力室内排到平衡锤腔的水的体积相等来实现。其联合影响就是压力室内压力的改变对纵杆（L）产生的合力为零。轴向荷载和位移是由连接在底座滚珠丝杠（J）的大功率无刷直流伺服电机（K）通过高刚度、零反弹的齿形传动带产生的。滚珠丝杠（J）的转动带动滚珠螺母（I）轴向移动，通过柱塞（L）来实现运动的转化。滚珠螺母（I）通过一个直线导轨（未显示）来避免产生转动，通过花键轴（G）将转动转变为轴向运动。第二个无刷直流伺服电机（H）通过高刚度、零反弹齿形带传动附着在花键轴（G）上，用来产生要求的扭矩或扭转位移。荷载/位移以及扭矩/转角的控制由专门设计的高速数据采集系统和控制卡（HSDAC）来实现。这些卡是内置在电脑ISA总线并提供荷载/位移和扭矩/转角的静态和动态控制功能。荷载/扭矩的反馈来自于荷载/扭矩复合型传感器，位移/转角的反馈来自于安装在电机（H&K）上的高精度旋转编码器。

HSDAC卡可选择荷载/扭矩通道或位移/转角通道作为当前控制参数。HSDAC卡内带有搜寻目标值和跟踪以前下载重复波形（通常为正弦波）的工具。HSDAC卡可以实现从直流到10Hz的精确控制。使用HSDAC卡实现这个功能使得电脑运行的程序对测试系统的相关性影响小了很多，因此大大降低了电脑本身的运算能力对测试系统的运行速度的影响。对于准静态试验，电脑运行的控制程序计算需要的目标值，并将这些目标值传递给HSDAC卡以运行控制程序。

 
空心圆柱试验的试样需要控制三个压力，分别是：外部围压、内部围压和反压。这三个压力均由控制能力为2 MPa/200 cc的GDS高级压力/体积控制器来进行控制。如果需要控制内围压与外围压或外围压与反压之间较小的差值，可以利用压力控制器通过一个二级传感器-低量程的湿/湿差压传感器来实现。反压控制器同时用于测量试样的体变，内围压控制器用于测量空心圆柱试样内部空间的体变。这些压力和体变的精确控制能力对于进行特殊低速试验是非常重要的，例如在(p,q,b,α)应力空间下的应力路径试验或简单剪切试验。
 
HSDAC卡可进行高速和低速的数据采集，每个卡都可以进行最多8个数据采集。通常需要采集的参数有：(i)轴向荷载，(ii)轴向位移，(iii)扭矩，(iv)转角，(v)三轴试验中的局部外部轴向应变（双通道），(vi)三轴试验中的局部外部径向应变，(vii)孔压（双通道），(viii)内围压，(ix)外围压，(x)反压，(xi)内部体变，(xii)试样体变，(xiii)小应变外部位移，(xiv)小应变外部转角。测量局部外部轴向与径向应变的设备是霍尔效应局部应变传感器(Clayton and Katrush,1986)。可以通过一个连接在底座的外部孔压传感器来测量孔压，另外的一个测量孔压的装置是中平面压力传感器，直接安放在试样的中间高度处。内围压、外围压和反压都是通过GDS数字式压力/体积控制器的输出值来直接测定的。除此以外，内围压、外围压和反压还可以是用单独的安装在压力室上的传感器来测量的，这样在进行动态测试的时候可以获得和静态一样好的测量效果。体积变化通
 
过GDS压力/体积控制器的输出值来测量。为了保证马达驱动系统的柔性可以进行估计，可以用高质量的LVDT直接测量加载柱塞上的轴向位移和转角。这种LVDT专门设计用于小应变测量的。
 
使用智能参数控制器（不安在电脑上）意味着非常复杂的控制程序（例如在应力空间(p,q,b,α)的应力路径）可以简单的执行。仪器可以执行试验的全部范围如下。
 
空心圆柱系统的控制能力
 
以下的表格列出了可以独立控制的参数，由控制器的硬件进行控制，与电脑发出的目标值相匹配，而电脑不参与这个控制过程。总共有５个独立的控制列。当超过一个参数被指派到某一列时，在任意时刻，下表中的项目只有一个可以被控制，例如，扭矩可以控制，转角也可以控制，但不能同时控制这两个独立的变量。

序列	1	2		3	4	5
静态变量	轴向力	扭矩		外部压力	内部压力	反压
动态变量	轴向位移	转角		外部体变	内部体变	试样体变

 
在准静态试验中，上述参数均可控制。在频率高达５Ｈｚ的动态试验中，只有参数１和２可以控制。而对于外压力、内压力和反压的动态控制是不需要的，因为对于一个典型的动态试验来说，试样是不排水的，外压力与内压力是相等的，并且动态平衡锤可保证外压力不受加载柱塞运动的干扰。
 
如果用电脑来执行一些控制运算，可以对准静态试验进行更多复杂的控制。下表列举了空心圆

  
广义的空心圆柱系统控制可通过如下方式实现，即允许根据一些时间的参考依据独立选取每个轴向的控制路径。提供的控制路径有：(i)保持恒定值，(ii)按斜率加载（从一个初始值到终点值），(iii)循环值（正弦、平方或三角）。

这种空心圆柱系统的广义控制能力可允许用户进行从简单到非常复杂的试验。可以通过保持内压力、外压力恒定以及斜线形或循环形的变形或旋转来执行简单的试验，可以是模量试验（杨氏剪切模量）。更复杂的试验如：循环的σ z 或τ zθ 试验，循环外压力和反压下的恒定σ z 试验，简单的平面应变试验。控制的次数意味着像简单剪切这样的复杂试验也可以有多种执行方式。例如，通过设定恒定的试样壁厚确定单剪的试验要求，也可以增加其他控制参数如循环转角、扭矩或σ z 。
 
这种新型空心圆柱设备的全部控制能力来自于广义应力路径能力的实施。硬件设计和控制简便性意味着他们与复杂控制算法的执行直接相关。这种应力路径的控制能力允许若干线性路径可以根据控制参数p,q,b,α来确定。每个线性路径根据其在(p,q,b,α)应力空间的终点来确定。随后可执行任意数目的路径，因此可模拟复杂的土工力学情况。
 
这种新型设备所提供的控制计算和简便性使得一套系统可以进行以前需要多个不同系统的试验功能。这套系统可用于替换三轴系统（静态和动态）、真三轴系统、单剪系统，因此它是一套可进行静态与动态试验的完整的空心圆柱系统。
 
 
砂土试样的扭剪试验
 
为了演示这套系统的功能，我们做一个Rio Maior砂样(比重=2.65，最大孔隙比=0.889，最小孔隙比=0.516)的循环扭剪试验(Bilé Serra, 1998)。将一个这种试验的结果列举在这里。
 
用一个特制的砂雨器将一个准备的相对密度为77％的密砂试样（外径70ｍｍ，内径30ｍｍ，高140ｍｍ）制成均匀的空心圆柱试样(Bilé Serra, 1998)。将干砂粒在一个三柱式容器中润湿，并用三个ASTM标准筛过滤以实现在空气中均匀流动。考虑下落高度和试样表面洒砂率对骨架颗粒的局部密度的影响以保持所有的参数在砂雨器内近似恒定。空心圆柱的空间部分由两个特制的模板来制成：一个带有橡胶膜的内部双瓣成模筒和一个四瓣成模筒，带有外包橡胶膜，可在砂雨器中永久保持真空状态。将它们组装固定在一个轴向可移动的底座上，在矩形容器下方的筛子紧密排列。在砂雨器中，底座是以一个恒定的速度向下运动（与试样表面升高的速度相等），因此可以保持有效下落高度恒定不变。
 
试样在200kPa等向有效压力和245kPa反压作用下进行固结。试验是在轴向应力与内、外围压保持恒定且不排水条件下由剪应力控制进行的。共进行了8个正弦循环。图2描述了剪应力/剪应变的滞回曲线。在前四个循环中施加的剪应力幅值为35kPa。

 

 
图2       剪应力－剪应变滞回曲线

 
前四个循环结束时，孔压波动值最终稳定在10kPa内(参照图3)。在随后的每个循环中，孔压的变化受试样密实趋势和膨胀的影响而呈振荡模式。每个循环结束时的净孔压将影响到连续两个循环之间的密实过程（会反映对连续两个循环之间的密实过程的影响）。
 
图4中，由重力砂雨引起的试样固有的交叉各项异性可通过轴向剪应变与水平向剪应变的比值来证明。通过轴向剪应变与水平向剪应变的比值可以很明显的显示由重力砂雨引起的试样固有的交叉各项异性。
 
 
结论
 
本文介绍了一种新型的空心圆柱设备，这种设备在设计上具有强大的单元测试能力，设备可进行准静态试验，也可进行小应变和大应变条件下频率最大可达5Hz的正弦波动态试验。硬件执行中消除了对电脑主机计算能力的依靠，从而简化了控制软件。配套的应用软件模块可供用户根据空心圆柱和实心圆柱（三轴）试验选择使用。智能化的硬件、综合的系统软件与相关应用软件相结合可进行高度复杂的程序操作，如在应力空间（p,q,b,α）内定义应力路径。该设备代表了高级的室内土工试验设备的终极产品，具备先进的独立测试模块，可进行单独的室内土工试验，而这些试验通常需要许多单独的试验系统—高级三轴、真三轴、直剪仪和单剪系统。

 

 
图3       有效应力张量组成的变化，平均有效压力和孔压的增长过程

 
图4       应变张量组成的变化