基本介紹
- 中文名：GDS空心扭剪儀
- 外文名：GDS hollow shear apparatus
- 用途：空心扭剪三軸試驗
- 測量：應力、應變、孔壓和體積變形
- 優點：應力應變分布較均勻、測試精度高
- 影響因素：最大允許粒徑與試樣直徑之比
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簡介
空心扭剪儀（也稱為空心圓柱測試系統或空心圓柱扭剪儀）是專門用來進行空心扭剪三軸試驗的高級土工試驗儀器。英國GDS公司生產的SS-HCA空心扭剪儀由電機控制系統控制，測試精度高。GDS空心扭剪儀可以給圓柱型空心土樣施加旋轉位移和扭矩，能控制σ1、σ2、σ3等3個主應力的大小和方向。用來研究土的各向異性、主應力旋轉和中主應力旋轉問題。GDS空心扭剪儀利用高速直流伺服馬達施加動荷載(軸向、徑向、 扭矩)，用計算機根據荷重感測器、位移感測器、壓力感測器的反饋來控制荷載和變形的大小。扭剪儀現有 4 個功能模組，分別是：標準靜態和低速循環控制模組。由自定義的軸向和旋轉部件之間的相位差來控制，其值可以是常數、按照線性變化和低頻循環變化；應力路徑模組；常規三軸模組；動態控制模組。頻率從 0. 01 ～5 Hz 獨立/耦合動態控制軸向荷載或軸向位移、扭矩或位移、靜態控制內外圍壓。空心圓柱扭剪儀的試樣為空心圓柱體試樣，其外徑為100 mm，內徑為 60 mm，高為 200 mm。
右圖顯示的是SS-HCA空心扭剪儀對試樣施加的力與傳統三軸儀施加力的方式的對比。
試樣受力情況對比SS-HCA空心扭剪儀有動態系統（SS-HCA d）和靜態系統（SS-HCA s）兩個版本。動態扭剪儀兼具靜態系統的所有功能。GDS還提供一款小應變空心圓柱系統（SS-HCA II），專門為完成非常小的軸向應變而設計，最小應變可達0.00004%。有香港城市大學、南京工業大學、南京水利科學研究院等十幾所著名高校和科研院所在使用GDS空心圓柱扭剪儀系統。
試樣製作與試樣安裝：粘土試樣的製作和安裝是空心扭剪試驗比較困難的一步操作，使用傳統制樣方法切削下來的粘土會堵塞試驗系統，造成實驗無法進行或錯誤。2005年浙江大學與歐美大地及英國GDS聯合研製的一套動態空心圓柱扭剪儀系統解決了該問題。該套系統的制樣工具經過重新設計，添加一個擋板裝置，使粘土碎屑被隨時取出，而不是落入儀器內。
空心扭剪三軸試驗
空心扭剪三軸試驗是一種比較複雜的土工試驗，該試驗的試樣為空心圓柱型。試驗時對試樣的內外壁分別施加徑向應力。在試樣的端部施加軸向力，然後沿試樣頂面施加繞軸心的扭力矩，使試樣受到環向剪下力。隨著環向剪下力的增加，式樣的大主應力和小主應力的方向隨之轉動。空心扭剪三軸試驗套用的典型情況為交通荷載作用下路基土體的應力路徑測試，這種情況下，主應力軸不斷旋轉，傳統三軸試驗無法準確模擬這種狀況下土體的受力情況。空心扭剪三軸儀與常規三軸儀的主要區別是試樣形狀的不同，空心扭剪試驗需要對試樣的內壁和外壁施加壓力，在試樣頂端面施加繞軸心的扭力矩。測定試樣內壁和外壁的變形，其餘與常規三軸儀相同。 空心扭剪三軸儀由載入系統、壓力室、量測系統等組成。空心扭剪三軸試驗與常規三軸試驗相比具有以下優點：
（1）應力應變分布較均勻。若試樣壁較薄，試樣高度與直徑之比（H/2ro）較大，則試樣的應變除兩端局部區域外，均較均勻，應力也較均勻。若試樣是處在Po-=Pi的條件下，則應力場更為均勻，在軸向荷重W為零時，試樣的大部分區域處於理想的純剪受力狀態。
（2）主應力方向可以轉動。在許多實際工程中，如地基開挖，堤壩填築等土體載入過程中，主應力方向隨之轉動。空心扭剪三軸試驗可以實現應力方向在z-r平面內的轉動。又如實際工程中的層狀土，可以將其按平面問題進行研究，扭剪三軸儀是研究主應力方向轉動的最理想儀器。
（3）可以控制中主應力σ2。中主應力σ2可由獨立的加荷系統施加，任意控制其大小，而在z-θ平面內的主應力方向也不因其他主應力方向的轉動而受影響。
（4）可以進行不同應力路徑的試驗。扭剪三軸試驗可以控制軸向應力σz、徑向應力σr、環向應力σθ、剪應力τzθ及扭轉角θ，因而可按不同的應力路徑進行試驗。
（5）可以進行大變形試驗。扭轉角θ可以達到很大的角位移，以研究土在大剪應變情況下的形狀。
缺點：儀器結構複雜，操作麻煩。空心三軸試樣的內壁和外壁均包以橡皮膜，會影響試樣的應力應變關係。試樣端部的摩擦力雖然可以用增加試樣的高度的辦法減少其對應力應變的影響，但不能全部消除。
土工試驗
岩、土的物理、力學、化學性質和礦物測試的總稱。土工試驗分原位測試(現場勘察測試)和室內試驗兩類。當地基土壤不易採取試樣和不宜作室內試驗時，則進行原位測試。原位測試有直接測試和間接測試之分。直接測試方法有“十”字板剪下試驗、荷載試驗、旁壓試驗、動彈性模量試驗以及抽水、壓水、注水試驗等。間接測試法有靜、動力觸探試驗、標準貫入試驗、同位素測定密度和含水量試驗等。室內試驗分常規試驗和專門試驗。常規試驗包括物理性指標試驗(如顆粒分析試驗、液限和塑限試驗、含水量、容重、比重試驗等)和力學性指標試驗(如壓縮試驗、抗剪強度試驗等)。專門試驗有滲透試驗、固結係數、前期固結壓力、靈敏度、燒灼失重等指標的試驗。一般工程不要求做土的化學和礦物分析。
