【EPC产品】空心扭剪仪试验系统 SS-HCA

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型 号： SS-HCA d, SS-HCA s, SS-HCA II
原产地： 英国GDS公司
用 途： GDS小应变空心圆柱扭剪仪测试系统（SS-HCA）可以给空心圆柱土样施加旋转位移和扭矩。这套设备可以控制 3个主应力的大小和方向。可以进行土的各向异性、主应力旋转的效应、中主应力旋转的效应等方面的研究，完成一系列的应力路径试验。加载系统由计算机控制，应变直接在试样上测量

心圆柱扭剪仪试验系统 SS-HCA

英国GDS公司生产的SS-HCA空心扭剪仪试验系统，也称空心圆柱试验系统，是世界上唯一采用电机控制系统的空心圆柱扭剪仪，具有测试精度高、功能齐全、无噪音、无污染的特点。可以给空心圆柱土样施加旋转位移和扭矩。可以控制3个主应力的大小和方向，可以研究土的各向异性、主应力旋转和中主应力旋转。

SS-HCA仪器分动态系统（SS-HCA d）和静态系统（SS-HCA s）两个版本。动态扭剪仪SS-HCA d具有动态空心圆柱系统的所有功能，即动态轴向和动态旋转轴，而价格与标准动态三轴测试系统的价格相同。

GDS还提供一款小应变空心圆柱系统（SS-HCA II），SS-HCA II是一套优质廉价的系统，专门为完成非常小的轴向应变而设计，最小应变可达0.00004%。

GDS的动扭剪测试系统借鉴了全球岩土工程最著名的院校之一，英国帝国理工学院所自行研发的小应变HCA的精华，再加上GDS特有的伺服电机加载技术以及独步天下的全自动数字式控制器，造就了全世界上最成熟、最被人所认可的空心圆柱静动力扭剪仪SS-HCA测试系统。

空心圆柱扭剪仪GDS规格选择：

根据用户的不同需要，GDS SS-HCA仪器至少提供4种不同规格的仪器供选择，分别是：

（1）轴向荷载/扭矩可选规格包括：5Kn/100Nm、5Kn/100Nm、5Kn/100Nm、5Kn/100Nm。
（2）动态频率可选规格包括：0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz。
（3）试样高度/外径 ?/内径 ?: 200/100/60mm; 400/200/160mm;或用户自定义尺寸。
（4）围压：200/100/60mm = 2MPa；400/200/160mm = 1MPa。
若有特殊需求可以与欧美大地协商，定制。

GDS空心圆柱系统配置：

SS-HCA仪器包括以下几个主要的子系统：

• 轴向、扭转驱动装置和压力室顶盖

• 围压控制器

• 反压控制器

• 内压控制器

• 信号调节装置

• GDSDCS动态控制系统

以浙江大学采购的动态空心圆柱扭剪仪为例，系统主要部件如下：

空心圆柱系统压力室（图片来自浙江大学）

空心圆柱内部构造（图片来自浙江大学）

空心圆柱系统压力/体积控制器（图片来自浙江大学）

传感器数据转换器（图片来自浙江大学）

计算机控制系统（图片来自浙江大学）

空心圆柱系统构成示意图（图片来自浙江大学）

GDS公司可以根据客户的研究要求提供四个级别的系统，分别是：

• 级别一：静态施加轴向力、扭力、内外围压

• 级别二：同时施加动态轴向力和扭力，内外围压为静态控制

• 级别三：动态施加内外围压，频率和波形相同，相位不同

• 级别四：施加独立控制的动态内外围压、轴向力和扭力

空心圆柱系统粘土试样制样装：

空心圆柱系统的粘土试验制作和装样曾经是空心圆柱实验面临的一个普遍难题，制样切削下来的粘土经常会堵塞试验系统，造成实验无法继续或错误。2005年，浙江大学与欧美大地和英国GDS公司合作，联合开发了一套动态空心圆柱扭剪仪系统，该套系统的制样工具经过重新研发和设计实现了革命性的飞跃，粘土制样工具简洁实用，圆满解决了粘土试样制样和装样难题。

更多信息请下载“英国GDS空心圆柱系统粘土试样制样装样过程介绍.pdf”文件。

原装粘土切样部件----外壁切削
（图片来自浙江大学）

原装粘土切样部件----内芯切样器
（图片来自浙江大学）

原装粘土成样显示——真样与橡皮样对比
（图片来自浙江大学）

原装粘土成样显示——土样内壁
（图片来自浙江大学）

GDS空心圆柱扭剪仪优势：

（1）加载方式：GDS SS-HCA采用步进或伺服电机控制加压。
GDS可以生产电液伺服控制的系统，同时也可以生产廉价的电气伺服控制系统，但是根据室内岩土土工测试的特点，GDS主要推荐采用响应速度最快、分辨率最高、加载最为稳定可靠的伺服电机控制形式。

采用伺服电机的加载形式是当今越来越普遍使用的，步进电机控制的特点是频率不能太高（最大10Hz），荷载也不能太大（最大60kN），在低频和低荷载情况下伺服电机的性能是所有形式中最优越的。

岩土工程测试，由于土的强度是有限的，绝大多数的情况下都是小荷载、和低频的测试，特别是动态测试，轴向力通常来说都会小于1kN，测试频率通常都会低于或者等于1Hz，在一些高速公路或者高铁研究项目中主频率可能会到达5Hz左右，但是这时候测试荷载会更加低，所以伺服电机加载形式是最佳的选择。更大的加载范围或者频率范围只会导致精度白白下降，而且在小荷载、小应力情况下基本上无法发挥真正的功能。

伺服电机控制加载形式还有一个好处是不需要液压源，整机功率很低，只需要提供电源并且连接到电脑就可以实现全自动测试，是所有加载形式中最方便的。

（2）实验控制方面：GDS SS-HCA可以独立控制或者通过电脑软件全自动控制，而且整套系统除了连接头的地方以外，并不需要任何液压阀，测试程序会自动控制排水和不排水条件，不需要任何人工干预。

（3）控制方式：GDS仪器可以进行位移和力控制模式。
GDS给浙江大学的双向10Hz动三轴开发了世界上第一个应力控制模块，这是一个异常复杂的控制模块，除了要考虑测试力的变化以外，还要考虑到试样直径的变化对应力的影响。GDS的软件会自动修正试样截面积变化对加载的影响。

伺服系统都会使用传感器的读数来不断修正测试参数，仪保证控制的准确性，而在动态测试中由于试验进行得很快，在等传感器测量得数据传输到控制系统再经过复杂的PID计算来进行修正的话，可能试验已经结束，修正已经没有意义。采用刚度估算来进行前反馈是为了更好地实现控制，让系统对将要发生的事情有一个预判能力，这样会更好保证控制精度。

（4）轴压：GDS推荐静态轴压10kN，动态为8kN。
GDS可以生产最大60kN的加载能力，但是不推荐给用户，因为上述推荐的轴压能够满足动静态试验需要，并且是保证精度最适宜的配置。

（5）轴向加载频率：GDS可以生产最大10Hz的动态系统，在这里我们推荐5Hz主频，这里所说的5Hz指的是GDS确保一定可以达到理想测试状态的频率，实际上若是降低荷载使用GDS的动态系统还可以“超频”，但是不建议这么来使用。

（6）扭剪加载频率：GDS推荐5Hz，说明同上条。

（7）扭转角度：45°甚至无限角度，实际上最大扭转角只取决于试样本身，不是我们想加多大就加多大，GDS所能够实现无限角度也只是为了不给测试造成障碍而已。

（8）轴向、扭剪耦合加载频率：GDS的SS-HCA系统在任何相位差的情况下都可以达到5Hz的耦合测试频率。

（9）内、外围压加载频率：5Hz，无电刷伺服电机控制动态压力/体积控制器，内外围压200cc/1,000 kPa。
GDS可以生产任意量程的控制器，但是推荐200cc/1,000 kPa的控制器主要是基于实际测试的要求，测试频率也是为了和整套系统的频率吻合。

（10）孔压加载：GDS采用静态控制器把孔压施加到所要模拟的不变的地下水位。

（11）轴向、径向双向同步耦合动态加载：GDS系统不管单机频率抑或是耦合频率都是5Hz，动态围压控制器容积只和压力室总容积大小有关系，而和试样的大小没有关系。

（12）扭剪荷载：GDS SS-HCA空心圆柱系统能够提供100Nm动静态扭矩。
无数的测试已经证明，正常土体能够承受的荷载是有限的，100Nm已经完全满足测试要求，为了提高测试精度，GDS还提供30Nm的传感器以满足实际测试的精度要求，大量程只会造成精度的下降。

（13）内、外围压和孔压：动态内、外围压均为1000kPa。
GDS可以生产任何量程的控制器提供任何压力，但是我们只推荐合理的量程给用户以用于真正的测试。

（14）试样尺寸：GDS推荐的空心试样内径为60mm，外径为100mm；高度200mm，是国际上公认的空心试样尺寸。实心试样尺寸可由用户自行指定。

（15）数据采集和控制系统：16位分辨率，最快1000个数据/循环，也就是说在控制系统最大10Hz控制能力的情况下的闭环采样速率是10kHz，动态控制器和数据采集仪通过告诉USB接口进行通讯。

（16）软件：GDSLAB平台，全球有超过800台设备在使用这个专业测试平台。
GDS的测试软件是功能最强大的室内岩土测试软件，对于空心圆柱HCA测试而言，有完备的测试模块用于各种动、静态加载，以及空心圆柱测试中最为复杂的HCA应力路径测试模块，可以控制轴向荷载、扭转、内外围压、反压的加载路径，实现真三轴的测试。

GDSLAB控制软件：

GDSLAB控制和数据采集软件是一个非常成熟可灵活扩展的软件平台。在安装核心模块和数据采集模块后，用户可根据自己的试验需求安装附加模块。目前GDS可提供以下试验模块：

• SATCON (饱和和固结)

• 标准三轴

• 应力路径试验 (p,q和s,t)

• 高级加载试验

• 非饱和土试验

• K0固结

• 渗透性

• 空心圆柱 (静态和动态)

不管用户的硬件选配得如何独特，GDSLAB都可以根据用户的选择来配置硬件。为了建立系统硬件与PC的数据连接，GDSLAB将建立一个文本文件或者是初始化文件以描述系统硬件与PC的数据连接。在GDSLAB ‘object display’操作界面下，试验系统的硬件排列以图形形式表现出来，这样使得安装和检查系统硬件与PC的数据连接非常简单，如下图所示：

Object display显示一个GDS SS-HCA配置情况

空心圆柱静动力扭剪仪技术参数：

轴力/扭矩量程：5kN/100Nm，10kN/200Nm，12kN/200Nm，15kN/400Nm
试样尺寸（高度/外径/内径）：200/100/60mm或400/200/160mm
传感器分辨率 (以3kN/30Nm荷重传感器为例)。动态值仅做参考值，因为它与仪器的参数有关。

• 轴向荷载：动态 SS-HCA d = <3N，静态 SS-HCA s = <0.7N

• 轴向位移编码器：动态SS-HCA d = <1μm，静态 SS-HCA s = <0.08μm

• 扭矩：动态SS-HCA d = <0.03Nm，静态 SS-HCA s = <0.008Nm

• 旋转编码器：动态 SS-HCA d = <0.04度，静态 SS-HCA s = <0.00011度

局部应变传感器（可选）：

• 霍尔效应 6mm 量程

• LVDT 5mm or 10mm 量程

• 非接触距离传感器 0.9 to 6mm 量程.

试样内环应变传感器（可选）
可选择加大型压力室提供更多试验空间，加大型压力室内径可达500mm
传感器通道环上可提供18路通道
重量约为500kg
尺寸：700 X 700 X 1000mm (不含压力室)， 1450mm (含压力室)， 2350mm（含压力室提升架）

空心圆柱静动态扭剪仪客户列表：

GDS在中国有庞大用户群，到目前为止已经有超过100个中国（包含港澳地区）的成熟用户群。国内最著名的土木工程院校，比如浙江大学、同济大学、长安大学、长江科学院、中科院武汉岩土所等等，香港最著名的高校香港大学、香港科技大学、香港城市大学、香港土木工程拓展署，这些无不是GDS产品的忠实拥护者，纷纷二次甚至多次购买GDS的产品。这些机构的使用者都是国内最顶尖的岩土工程专家，他们使用过几乎全球所有品牌的产品，但是最终的选择都只是一个：GDS。

空心圆柱扭剪仪主要客户包括：
浙江大学
南京水利科学研究院
南京工业大学
同济大学
葡萄牙里斯本国家土木工程实验室（LNEC）
英国南安普顿大学（Southampton University ）
英国诺丁汉大学（Nottingham University Centre for geo-environmental studies ）
加拿大西安大略大学（University of Western Ontario）

长安大学采购的 HCA空心圆柱

南京工业大学采购的GDSHCA空心圆柱扭剪仪

南京水科院动采购的HCA空心扭剪试验系统

同济大学采购的HCA空心圆柱扭剪仪系统

温州大学采购的HCA空心圆柱系统

浙江大学采购的HCA空心圆柱扭剪仪系统

河南工业大学 HCA 2009

河海大学 HCA空心圆柱扭剪仪 2013

GDS空心圆柱论文参考目录：

1、K_0固结海洋粘土的三轴仪与空心扭剪仪试验及各向异性粘弹塑性数值模拟（周成 殷建华 郑俊文）

2、复杂应力条件下饱和南京细砂门槛剪应变特性（潘华，陈国兴）

3、含主应力轴旋转的土体本构关系研究进展（刘元雪 郑颖人）

4、含主应力轴旋转的土体平面应变问题弹塑性数值模拟（刘元雪, 郑颖人）

5、考虑中主应力系数影响的主应力轴旋转下原状软黏土变形研究（周建，郑鸿馁，温晓贵，管林波，邓以亮）

6、考虑主应力方向变化的原状黏土强度及超静孔压特性研究（沈扬 周建 张金良 龚晓南）

7、考虑主应力方向变化的原状软粘土试验研究

8、考虑主应力轴旋转土体的应力增量分析（李海波,梁立孚,陈德民)

9、空心圆柱试样试验仪主应力轴旋转加载原理及试样形变检测技术的研究(颜国正 许广庚 张德骏)

10、空心圆柱土壤试样试验仪及应力路径自校正预报控制技术的研究(颜国正 许广庚 张德骏 潘国栋）

11、空心圆柱仪（HCA）性能指标分析及同类产品比较（沈扬 周建）

12、空心圆柱仪_HCA_模拟恒定围压下主应力轴循环旋转应力路径能力分析（沈扬，周建，龚晓南）

13、空心圆柱仪主应力轴旋转试验副效应研究及对策（沈扬, 周建, 郑伟）

14、新型空心圆柱仪的研制与应用（沈扬 周建 张金良 张泉芳 龚晓南）

15、原状软黏土空心圆柱试样制备研究（周建，张金良，沈扬，张泉芳)

16、浙江大学5Hz空心圆柱仪调试研究

17、主应力轴持续旋转条件下饱和松砂的振动孔隙水压力特性(郭莹1,2,栾茂田1,2,3,何杨2,许成顺2,李木国1,2）

18、主应力轴旋转对剪切带形成的影响分析（张启辉, 赵锡宏）

19、主应力轴旋转对土体性状影响的试验进展研究（沈扬 周建 龚晓南）

20、主应力轴循环旋转下原状软黏土临界性状研究(沈扬 周建 张金良 龚晓南)

GDS空心圆柱扭剪仪是一套非常优秀的高级土工试验仪器，目前已广泛用于国内室内岩土试验室。SS-HCA空心扭剪三轴仪精度高、品质卓越，欧美大地公司提供完善的售后服务和技术支持，欢迎垂询。