土工试验中土样动态变形测试系统的设计

　　引言

　　随着国内城市建设的飞速发展，地铁、隧道、地下商场和车库等地下工程越来越多，许多巨大而复杂的岩土工程也随之涌现，土体在动力作用下的稳定和变形问题变得越来越重要，特别是由地震、风载荷和海浪等不同形式的振动载荷所引起的地基失效、基础的失稳以及变形等问题急需解决，而对于这些复杂的土动力学问题的研究主要是通过实验室内模拟试验来进行。土体在周期性载荷作用下的工程特性已被工程界普遍接受，因此开展周期性载荷作用下土体的强度和变形特性的研究是当今土体力学研究最重要的环节。

　　为满足土工试验中土体力学研究的需要，本文完成了土样动态变形测试系统的设计工作。该测试系统主要分为动态加载和动态测控两部分，利用电液伺服系统实现周期性载荷的动态加载，借助于 Labwindows/CVI 软件开发环境完成位移和力大小的动态检测。在电液伺服系统中详细阐述了电液伺服系统的设计、计算和选型工作，在测控系统还详细介绍了基于 Lab-windows/ CVI 测控平台的设计工作。

　　1土样动态变形测试系统

　　本文设计的土样动态变形测试系统的原理框图如图 1 所示，电液伺服加载子系统主要由伺服阀、功率放大器、伺服液压缸、液压油源和被测试土样组成。测控子系统主要依靠计算机和数据采集卡完成现场中各种传感器数据的采集和执行机构(伺服阀)的控制。

　　在本系统中需要检测的模拟信号有：液压油温度、伺服缸上腔压力、伺服液压缸下腔压力、泵出口管路压力、土样变形的位移和所受加载力。各传感器采用4～20 mA的标准电流输出，这些信号串接500 精密电阻转换为数据采集卡所需要的电压信号。采集后的数据经过计算机处理运算得到相关结论，并绘制出相关曲线。需要控制的模拟量信号有：电液伺服阀和比例溢流阀。电液伺服阀采用±10 V 标准控制信号输入，比例溢流阀采用 10 V 标准控制信号输入。另外，系统中还有许多开关量信号如：电磁换向阀、高压滤油堵、低压滤油堵、油温超高、油温超低、液位超低和压力超低等开关量信号的控制直接依靠数据采集卡DI/DO 接口实现。

　　2电液伺服加载子系统的设计计算

　　表 1 给出土工试验所要求电液伺服加载系统的性能指标。根据这些指标参数完成伺服缸、液压伺服阀、蓄能器以及电机液压泵等重要元件的设计和选型工作。

　　1)伺服缸的设计计算

　　伺服缸加载力的方向为土样的轴向方向，土样为垂直放置，考虑到对力和位移加载的垂直方向的定位有较高的要求，因此伺服液压缸必须设计成双输出轴的形式。