现场直剪试验自动化观测的实现和应用

韩鹏伟，徐兴伟，吴胤龙，李 磊

(1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000；3.湖南省勘查设计研究院，湖南 长沙 410014)

0 引 言

现场直剪试验是工程地质勘察中一项重要的现场原位测试，它是目前获得岩土体抗剪强度的一种较可靠的原位测试方法，在各行各业的工程实践中应用较广泛，特别是涉及到山地工程、边坡工程、滑坡工程等项目。但长期以来，受观测仪表技术、现场试验条件和试验经费等因素影响，现场直剪试验主要以采用常规观测仪表和现场人工操作为主，测量设备和方法较落后，试验观测以人工为主，配备试验人员多，观测数据受人为因素影响大，试验质量不高，且试验安全风险高。但随着新技术的发展，特别是传感器类仪表的不断成熟，有必要对试验观测工作进行改革和创新。本文即结合自身的积累和创新，阐述新的传感器技术在现场直剪试验观测自动化中的应用。

1 现场直剪试验的主要工作内容

现场直剪试验是一种现场大体积、大剪切面的岩土体直剪破坏的原位测试。即：在项目场地内或附近选择合适的试验剪切面，现场原位加工制作3个及以上的大体积的可沿试验剪切面推剪破坏的岩土体试样，每个试样分别施加垂直剪切面的不同法向荷载，并在试样侧壁施加沿剪切面的剪切荷载，直至试样剪切破坏，从而获得剪切试验的剪应力τ-剪切位移s曲线和剪应力τ-法向位移s曲线；根据曲线确定得剪切面在不同法向荷载下对应的比例强度、屈服强度、峰值强度、剪胀点、剪胀强度和残余强度；最后依据摩尔库仑理论，绘制不同法向应力与比例强度、屈服强度、峰值强度和残余强度的曲线，以确定剪切破坏面的不同抗剪强度参数，为地基基础设计和岩土工程设计提供可靠的岩土体强度参数。该试验一直在矿山开采、工业厂矿建设、城市建设、水利水电开发、公路铁路机场和港口航道建设等行业中广泛应用，积累了广泛的试验经验和成果资料，且针对试验形成各行各业的专项规范规程，对规范试验操作、提高试验质量有很大的促进作用。综合各规范规程等相关资料，现场直剪试验一般包括以下4个步骤。

①试验选场和试验设计阶段，即：在项目场地内或附近，选择适合开展剪切试验的岩土体结构面，根据选定场地的现场条件合理规划布设试坑、试样，并依据结构面的岩土特征和工程经验估算岩土体强度，以作为选配试验加载设备和仪表的依据，提出试验要求，编制试验方案。

②试样制作和设备安装阶段，即：采用人工或机械等方式，按照试验要求加工制作大体积岩土试样，安装试样模具，安装加载系统和观测系统。

③试验加载和剪切阶段，即：按试验方案，对不同样分别施加法向荷载和剪切荷载，同时观测记录试样的剪切变形和法向变形，绘制试验曲线，直至试样剪切破坏。

④试验资料处理阶段，即：根据观测数据和曲线，采用最小二乘法或图解法等，求得岩土体不同的强度参数，编制试验报告。

2 试验观测的改革和创新

在试验过程中，试验加载和剪切阶段是获取试验数据的关键。但长期以来，试验观测设备和方法未见更新，不利于提高试验质量和保障试验安全。随着新技术的发展，特别是传感器等仪表的不断成熟，具备对试验观测进行改革和创新的条件。对试验观测设备的升级改造和实现观测自动化，即是该次试验改革和创新点。

2.1 当前试验观测工作的现状

当前剪切试验过程中，在试验加载和剪切阶段有4个观测项：法向荷载观测、法向位移观测、剪切荷载观测和剪切位移观测，观测任务很繁重。其中：法向荷载观测采用人工观测精密油压表指针读数，试验过程中需专人同步根据油压表读数和法向位移观测数据，及时加压、泄压和稳压，以稳定荷载。法向位移观测采用人工观测百分表指针读数，为保证试验精确性，通常在试验顶面4角各布置1个百分表，需多人同时观测百分表，观测数据需实时通知法向荷载操控人员加压、泄压和稳压。剪切荷载观测采用人工观测精密油压表指针读数，剪切过程中需专人根据油压表读数和剪切位移观测数据，及时加压、泄压和稳压，及时通过加压大小来严格控制剪切速度。剪切位移观测一般在剪切荷载加载面或相反面的左右两端各安装1个百分表，采用人工同步读取指针百分表获得剪切位移，并同步反馈观测位移给剪切荷载控制人员，以调整剪切荷载施加。

4项观测工作在剪切过程中需同步进行，而1个试样从开始加载至剪切破坏一般仅需几分钟，时间很短，还需同时反馈和指挥法向荷载和剪切荷载的施加操作。试验过程中需配备多个试验人员，每个试验人员均需具有很熟练的操作技能，试验人员配备多，人员素质要求高；试验过程中，多个试验人员必须高度精神集中、密切配合，观测读数必须精、准、快，才能高质量完成试验；一旦其中一方操作失误、误读、漏读均有可能影响试验质量，甚至造成试验失败。试验观测均以人工观测为主，试验质量受人为因素影响较大。

现场直剪试验一般多在现场试坑底部制样和剪切。试验时，一般利用试坑侧壁作为施加剪切荷载的反力底座，并利用坑顶架设横梁和堆载来提供法向荷载。由于百分表必须紧贴试样，试验观测和加载一般都必须窝在试坑底进行，坑底工作空间狭窄，试验人员必须蜷缩、趴着、蹲着等才能方便准确观测和操作。同时，坑顶上方堆载一般是搁置在坑壁上，当试坑深度较大或土质较差时，极易发生坑壁压垮、坑壁支撑失稳和堆载滑塌等安全事故；法向荷载支撑立柱极易随剪切位移发生立柱倾倒安全事故。现场试验条件艰苦，试验观测过程中安全隐患大、风险高。

2.2 改革和创新

随着科学技术的进度，特别是传感器技术和自动化数字仪表的不断成熟，有必要对试验观测工作进行改革和创新。结合作者长期探索、试验和验证，对现场直剪试验观测工作改革创新如下。

2.2.1 位移观测自动化

在现场剪切过程试验中，同时有法向位移和剪切位移观测，各观测工作往往采用多个百分表同步观测，位移观测表数量众多，观测任务重，配备试验人员多，工效低，人为因素对观测质量影响大。新的位移传感器研制试验成功后，就在各行业各业中广泛替代常规百分表观测工作。其中，数显百分表已经在室内固结仪中普遍使用，应用很成功。对于现场直剪试验这种大位移观测常采用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术，特别容栅式传感器在载荷试验的沉降观测中应用广泛，剪切试验建议使用容栅式位移传感器。其测量反应灵敏、精度高、抗干扰能力强，环境要求低；单次位移量程一般50 mm，可多次累加使用，观测精度为0.1 %FS，观测频率可达1 s 1次，满足规范规程观测要求。

2.2.2 压力观测自动化

在现场剪切试验过程中，需同时观测法向荷载和剪切荷载，特别需在短短剪切破坏的几分钟内连续读取剪切荷载。目前，新的压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境。压力传感器有：应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电压力传感器，其中扩散硅压力传感器是结合重负荷，温差影响极少的传感器，具高抵御震荡能力，全不锈钢接触件，高安全性，免受RFI和EMI及静电影响、不受突变压力影响、不需要定期调节、适合艰巨的使用环境、负荷高稳定性及尝试使用要求，可用于接近高电压或有无线电影响的环境下，在载荷试验中应用较广泛，剪切试验建议使用扩散硅压力传感器。其测量反应灵敏、精度高、抗干扰能力强，环境要求低；荷载量程一般可达70 MPa，观测精度为0.5 %FS，观测频率可达1 s 1次，满足规范规程观测要求。

2.2.3 数据记录同步和观测自动化

在现场剪切试验过程中，需同时对上述多个仪表进行同步观测和记录，人为记录同步性差，且短时间内需连续记录多路数据，记录任务繁重，易出错。采用传感器仪表，再接入数据记录仪、微机或电脑等终端仪表，一方面可以实现一机现场、实时、多路、同步、高频率的观测、显示和记录各种测试数据，将试验人员从繁重的观测任务重解放出来，将试验观测工作通过延长数据线缆全部转移至安全宽敞环境下，试验环境得到彻底改善，试验安全得到充分保障；去除人为因素影响，试验质量也得到大幅度提高。另一方面，结合微机或电脑系统的软件开发，形成试验曲线实时自动绘制、自动数据处理系统，实现试验现场出曲线、出结果，以便于现场及时分析判断试验成功性，及时发现试验问题及时修正，避免试验失败或二次返工等浪费。

3 试验观测自动化的实践和应用

3.1 试验观测自动化的实现

综合以上新技术仪表，结合试验的特点，对常规现场直剪试验提出以下改造方法，即：利用容栅式位移传感器代替原指针百分表，利用扩散硅压力传感器代替原指针精密油压表，再配合数据记录仪、微机或电脑等终端仪表，即可完全实现观测记录自动化。由于剪切持续时间短，各传感器和终端仪表用电量小，可直接采用蓄电瓶现场供电，很方便现场使用。试验选用的各项观测仪表技术成熟，精准度可靠、组装简便，对现场条件要求低，非常适合现场直剪试验的升级改造。

3.2 试验观测自动化的应用

应用上述新技术新设备，经过作者多次试验实践发现：采用新型自动化观测仪表彻底改变当前常规的观测设备和人工观测的试验条件，解放现场试验人员，实现了观测自动化，试验环境彻底改变，试验安全有保障。通过新技术的改革和创新，相比常规试验观测设备和人工观测，试验观测数据的可靠性、精准度、频率、同步性均大幅提高，试验曲线更准确、更连续，试验质量明显提高，见图1。

图1 某现场直剪试验自动观测获得的τ-ε曲线Fig.1 τ-ε curve obtained by automatic observation of in-situ direct shear test

4 结 语

当前现场直剪试验观测工作一直沿用早期常规的观测仪表和人工观测方法，试验观测任务重，配备人员多，工效低，人为因素对试验质量影响大，现场试验安全风险高。随着科学技术的进步，特别各类传感器仪表的不断成熟，现场直剪试验可采用容栅式位移传感器、扩散硅压力传感器，再配合数据记录仪、微机或电脑等终端仪表，对当前试验进行改革和创新，即可完全实现观测记录自动化，简化和方便试验现场操作，提高试验质量，保障试验安全。