为了验证各个加载系统以及控制系统等的能力和精度,首先对伺服试验机的轴向、扭转分别单独进行测试,再选择复杂加载路径,考察伺服试验机各个方向联合加载的能力和控制精度。测试所使用的试样均是由粗粒土分层击实制成。

1.轴向加载

测试过程中保持扭矩T=0、内围压Pi=1 010 kPa、外围压Po=991.7 kPa、孔压u=500 kPa。在力控的条件下,轴向力以Fz=8.86 kN为平衡位置,进行振幅2 kN、频率f=0.005 Hz(准静态)的正弦变化。这相当于试样的三个主应力分别为θθ=900 kPa、σr=1 000 kPa、σz=(900±204) kPa。

观察轴向力的实测值与目标值之间的关系(图5)。从图5(a)中可以看到,在轴向力控条件下,轴向力的实测值与目标值非常接近,二者几乎重合在一起。从图5(b)中可以看到,轴向力实测值偏离目标值的最大波动不超过30 N,轴向力的控制精度能够满足试验要求。

同样在保持扭矩、内外围压以及孔压与之前相同的条件下,采用轴向变形控制模式,轴向变形s以0为平衡位置,做振幅为2 mm、频率f=0.005 Hz的正弦变化,得到轴向变形的实测值与目标值之间的关系。从图6(a)中看到,轴向变形控制的精度非常高,在准静态条件下实测值与目标值几乎完全一致;图6(b)也表明,试验过程中轴向变形的实测值和目标值之间的误差不超过0.006 mm,这样的精度足够满足试验要求。

2.扭矩加载

保持轴向力Fz=8.86 kN,内围压Pi=1 010 kPa、外围压Po=991.7 kPa、孔压u=500 kPa,扭矩在力控的条件下,以T=-0.2 kN·m为平衡位置,0.1 kN·m为振幅,做频率f=0.005 Hz的正弦变化。在准静态测试中得到扭矩实测值与目标值之间的关系曲线如图7所示。从图7(a)中可以看到二者几乎完全重合。从图7(b)中可以看到在扭矩控制条件下,实测值与目标值之间的偏差不超过±3 N·m,这表明扭矩控制的精度能够满足试验要求。

同样在上述试验条件下,使用扭转方向角度控制模式,让扭转角度以0°为平衡位置,2°为振幅,进行频率f=0.005 Hz的正弦运动。得到如图8所示

的扭转角度实测值与目标值的对比曲线。从图8(a)中可以看到,这二者基本完全重合。而图8(b)表明,扭转角度实测值与目标值之间的控制偏差最大只有0.001 5°,这说明本伺服试验机扭转角度控制精度很高,完全达到试验要求。

3.联合加载

为了检验伺服试验机各个方向联合加载能力以及整体伺服控制精度,进行了纯应力主轴往返循环旋转试验。在试验过程中始终保持土体单元的主应力分别为σ1=1 500 kPa、σ2=1 200 kPa、σ3=900 kPa,孔压u=500 kPa,此时有效主应力σ1'=1 000 kPa、σ2'=700 kPa、σ3'=400 kPa。然后让大主应力和小主应力在二者所在平面内,以初始位置为中心,±60°为幅值进行往返循环旋转,而中主应力方向始终保持不变。试验通过控制程序中预先编好的应力主轴往返旋转试验模块进行。在该模块中,扭转方向采用角度控制,轴向力和内外围压的控制目标值根据实时采集的扭矩值计算得到,而孔压始终保持不变。

试验得到的扭矩、轴向力、内外围压以及孔压的时程曲线如图9(a)、(b)所示。从图中看出,各个物理量的试验曲线都很平滑,波动非常小,在试验要求范围内。另外,由于应力主轴在一定角度范围内往返旋转,故扭矩、轴力和内外围压也在加载达到某个值之后开始折返,且折返出现的时刻都完全一致。由于应力主轴往返旋转角度幅值超过了45°,故一个周期内扭矩出现了多次折返。图9(c)给出了该试验在偏应力平面上的应力路径,表现为一个半径为300 kPa、角度为240°,且关于水平坐标轴对称的圆弧。可以看到,在每次扭转反向时,应力路径略微地偏离了圆弧,这主要是由土体本身的变形性质所引起的。而在应力路径圆弧的某些位置也出现了一些细微的波动,但这些波动均在试验允许的误差范围内。所以综合上述试验和测试结果可以认为,该伺服试验机的各项功能都达到了预期,完全能够满足试验要求。

3 结论

本文设计和研制成功了一台大型多自由度智能控制空心圆柱扭剪仪。该空心圆柱扭剪仪具有以下功能和特点:

(1) 试样尺寸大,高度可达600 mm,且可根据试验需求更换不同大小的试样及相匹配的传感器;

(2) 加载自由度多,可独立施加轴力、扭矩、内压、外压、孔压及相应的位移,实现了共五个自由度的自由控制,从而拓宽了可施加的应力路径的范围;

(3) 控制智能化,可先将拟进行的应力路径或应变路径写入程序,试验过程中由计算机自动控制。

测试结果表明,该伺服试验机的控制精度能够满足土工材料试验的要求。