周振杰 李紹輝 朱懷東 李 妍

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456）

0 引言

十字板剪切儀是一種在施工現(xiàn)場用于測定飽和軟黏性土天然抗剪強(qiáng)度的儀器設(shè)備［1-2］，在交通領(lǐng)域中的公路綜合、水運(yùn)地基（結(jié)構(gòu)）等實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)用廣泛，市場保有量巨大，是交通工程檢測領(lǐng)域重要的檢測儀器設(shè)備，已被列入《水運(yùn)工程試驗(yàn)檢測儀器設(shè)備計(jì)量管理目錄》（交辦科技﹝2016﹞56 號）。目前，交通行業(yè)并未發(fā)布十字板剪切儀相關(guān)的檢定規(guī)程，無法對十字板剪切儀的全部性能參數(shù)進(jìn)行有效檢定工作。為了應(yīng)對資質(zhì)審查，檢測機(jī)構(gòu)不得不委托計(jì)量機(jī)構(gòu)按照標(biāo)準(zhǔn)出具校準(zhǔn)證書，但由于缺乏統(tǒng)一的計(jì)量技術(shù)規(guī)范，各個(gè)計(jì)量機(jī)構(gòu)對十字板剪切儀的校準(zhǔn)參數(shù)并不一致，甚至有的計(jì)量機(jī)構(gòu)只對常規(guī)尺寸量進(jìn)行校準(zhǔn)，造成有些十字板剪切儀未經(jīng)過準(zhǔn)確計(jì)量便用于工程檢測中，給工程檢測造成了極大的安全隱患。為滿足行業(yè)內(nèi)十字板剪切儀量值溯源的需求，有必要開展十字板剪切儀計(jì)量檢定規(guī)程制定的研究工作，規(guī)范十字板剪切儀的生產(chǎn)、使用及后期檢定∕校準(zhǔn)等過程的管理，促進(jìn)交通工程建設(shè)［3-4］。為此，本研究通過梳理十字板剪切儀使用現(xiàn)狀，編寫了《十字板剪切儀計(jì)量檢定規(guī)程制訂方案》，并得以發(fā)布實(shí)施。編制過程中選用樣機(jī)對十字板剪切儀的指示表誤差、尺寸誤差及扭矩線性度等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，分析結(jié)果表明，檢定規(guī)程中所提出計(jì)量性能要求及檢定方法符合預(yù)期要求。

1 確定規(guī)程主要內(nèi)容

按照檢定規(guī)程的編寫要求，《十字板剪切儀計(jì)量檢定規(guī)程》共有范圍、概述、計(jì)量性能要求、通用技術(shù)要求及計(jì)量器具控制五部分內(nèi)容。

1.1 范圍

該規(guī)程為交通運(yùn)輸部部門計(jì)量檢定規(guī)程，規(guī)定的適用范圍為“本規(guī)程適用于十字板剪切儀的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢查”。

1.2 概述

檢定規(guī)程概述中，規(guī)定了十字板剪切儀的用途、結(jié)構(gòu)和原理，具體為“十字板剪切儀主要用于測定飽和軟黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度和靈敏度”。根據(jù)工作原理的不同，十字板剪切儀按扭力測量設(shè)備可分為機(jī)械式和電測式兩種［5］。機(jī)械式十字板剪切儀主要由開口鋼環(huán)、旋轉(zhuǎn)手柄、鉆桿、十字板頭、導(dǎo)輪和指示表等組成。電測式十字板剪切儀主要由壓力主機(jī)、扭力測量設(shè)備、扭力裝置和十字板頭等組成。十字板剪切儀通過對土體施加一定扭矩，將土體剪壞，測定土體因抗剪對試驗(yàn)儀產(chǎn)生的最大扭矩，從而計(jì)算出土的抗剪強(qiáng)度［6］。

1.3 計(jì)量性能要求

規(guī)程中要求十字板剪切儀的尺寸最大允許誤差為±1%、扭力測量線性度為±2%F·S、重復(fù)性≤0.8%F·S、回程誤差≤1%F·S。指示表示值誤差按照指示表的分辨力的不同示值誤差分別為±0.02 mm、±0.012 mm、±0.009 mm。

1.4 通用技術(shù)要求

查詢十字板剪切儀相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，梳理相關(guān)技術(shù)要求，“規(guī)程”規(guī)定了十字板剪切儀的通用技術(shù)。從外觀和銘牌方面，要求不應(yīng)有明顯的凹痕、裂縫和污染等，金屬部件不應(yīng)有銹蝕及其他機(jī)械損傷，后續(xù)檢定和使用中檢查的儀器允許有不影響計(jì)量特性的上述缺陷，還應(yīng)標(biāo)有產(chǎn)品名稱、型號、生產(chǎn)廠家、出廠編號及出廠日期等。

1.5 計(jì)量器具控制

根據(jù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具和被檢十字板剪切儀在檢定過程中都能保持相對穩(wěn)定的性質(zhì)和狀態(tài)，經(jīng)調(diào)研及專家咨詢后可知，溫度為室溫（23 ℃±5 ℃），相對濕度不大于85%。

檢定設(shè)備包括指示表檢定儀、游標(biāo)卡尺和十字板扭矩專用標(biāo)定儀。對于檢定設(shè)備要求如下：指示表檢定儀的測量范圍為0～25 mm，最大允許誤差為±4 μm；游標(biāo)卡尺的測量范圍為0～200 mm，最大允許誤差為±0.03 mm；十字板扭矩專用標(biāo)定儀測量范圍為0.05～80.00 N·m，最大允許誤差為±0.3%。

檢定結(jié)果若滿足檢定規(guī)程條件要求的，可確定為符合設(shè)備性能的規(guī)定，出具檢定證書；若不能滿足檢定規(guī)程要求的，出具檢定結(jié)果通知書，并注明不合格項(xiàng)。十字板剪切儀的檢定周期一般不超過1 a。

2 檢定方法

2.1 十字板板寬尺寸誤差

用游標(biāo)卡尺測量十字板板寬，每塊板的上中下3個(gè)位置分別測量板寬1次，分別取板寬標(biāo)稱值與6次測量值之差，取最大值作為十字板板寬尺寸誤差檢定結(jié)果。

2.2 十字板板高尺寸誤差

用游標(biāo)卡尺測量十字板板高，每半片板測量1次，分別取板高標(biāo)稱值與4 次測量值之差，取最大值作為十字板板高尺寸誤差檢定結(jié)果。

2.3 鉆桿直徑誤差

用游標(biāo)卡尺測量鉆桿直徑，鉆桿的上中下3 個(gè)位置分別測量直徑1 次，分別取鉆桿直徑標(biāo)稱值與3 次測量值之差，取最大值作為鉆桿直徑誤差檢定結(jié)果。

2.4 指示表示值誤差

當(dāng)十字板剪切儀為機(jī)械式時(shí)，要對指示表示值誤差進(jìn)行檢定，步驟如下。

①使用夾具將指示表安裝在在指示表檢定儀上，使指示表的測桿部分處于水平或垂直向下的狀態(tài)。

②對于指針式指示表，壓縮測桿部分使指示表對“零”，對于數(shù)顯式指示表，壓縮測桿約0.1 mm 至0.2 mm，將指示表檢定儀和指示表置“零”。

③根據(jù)指示表量程均勻選取不少于5 個(gè)檢定點(diǎn)，在測桿正行程方向上，逐個(gè)對每個(gè)檢定點(diǎn)進(jìn)行檢定，待指示表檢定儀和指示表示值穩(wěn)定后，分別記錄指示表檢定儀和指示表的示值。

④先計(jì)算出示值誤差，再取示值誤差中絕對值最大的值作為指示類示值誤差的檢定結(jié)果。示值誤差計(jì)算見式（1）。

式中：DLi為指示表第i個(gè)檢定點(diǎn)的示值誤差（i=1，2，3），mm；Li為指示表第i個(gè)檢定點(diǎn)的示值，mm；L'i為指示表檢定儀第i個(gè)檢定點(diǎn)的進(jìn)程，mm。

2.5 扭力測量設(shè)備示值線性度

當(dāng)十字板剪切儀為電測式時(shí)，要對扭力測量設(shè)備示值線性度進(jìn)行檢定，步驟如下。

①使用十字板扭矩專用校準(zhǔn)儀夾具將十字板剪切儀扭力測量設(shè)備加緊，調(diào)整夾具方向使扭力測量設(shè)備軸向與水平面垂直。

②十字板剪切儀開機(jī)施加預(yù)負(fù)荷1 次，額定負(fù)荷的保持時(shí)間至少30 s，卸除預(yù)負(fù)荷等待回零至少30 s，檢查扭力測量設(shè)備的回零情況，當(dāng)零點(diǎn)偏移量超過滿量程的0.3%時(shí)重新調(diào)整零點(diǎn)。

③在扭矩測量設(shè)備額定扭矩的全量程范圍內(nèi)均勻選取不少于5個(gè)檢定點(diǎn)。

④按選定的檢定點(diǎn)以遞增順序逐級平穩(wěn)正向施加扭矩，直至扭矩測量設(shè)備示值達(dá)到滿量程；然后以遞減順序逐級平穩(wěn)反向減少扭矩，直至扭矩測量設(shè)備示值為零；最后分別讀取并記錄各個(gè)檢定點(diǎn)十字板扭矩專用校準(zhǔn)儀和扭力測量設(shè)備的示值。

⑤按照步驟③和④重復(fù)測量3 次，對各檢定點(diǎn)十字板扭矩專用校準(zhǔn)儀Ei和正反三個(gè)循環(huán)的扭力測量設(shè)備示值平均值進(jìn)行最小二乘法線性擬合，見式（2）。

式中：E'i為第i個(gè)檢定點(diǎn)的擬合扭力示值（i=1,2,3），N·m；k為靈敏度系數(shù)（或率定系數(shù)）；Ei為各檢定點(diǎn)十字板扭矩專用校準(zhǔn)儀示值，N·m；C為截距，N·m。

⑥按式（3）計(jì)算出十字板剪切儀各檢定點(diǎn)的線性度γi，取γi中的絕對值最大值為線性度的測量結(jié)果，見式（3）。

2.6 扭力測量設(shè)備示值重復(fù)性

各檢定點(diǎn)的重復(fù)性ri計(jì)算見式（4），取ri中絕對值最大值作為重復(fù)性檢定結(jié)果。

式中：Δi為十字板剪切儀在第i個(gè)檢定點(diǎn)3個(gè)循環(huán)同向行程中輸出扭矩最大差值，N·m。

2.7 扭力測量設(shè)備示值回程誤差

各檢定點(diǎn)的回程誤差hi計(jì)算見式（5），取hi中最大值作為回程誤差檢定結(jié)果。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證測量

為驗(yàn)證《十字板剪切儀計(jì)量檢定規(guī)程》的科學(xué)性、合理性和可行性，實(shí)際選取交通工程領(lǐng)域市場占有率較大、具有代表性的磐索地勘科技（廣州）有限公司生產(chǎn)的PS-VST-P 便攜式十字板剪切儀，根據(jù)制定的檢定規(guī)程進(jìn)行逐項(xiàng)試驗(yàn)，結(jié)果顯示在0～3.9 N·m 范圍內(nèi)的線性度為1.24%F·S、重復(fù)性為0.56%F·S、0.39%F·S。尺寸誤差、指示表誤差試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，扭矩驗(yàn)證試驗(yàn)曲線如圖1所示。

圖1 扭矩驗(yàn)證試驗(yàn)曲線

表1 尺寸誤差和指示表示值誤差試驗(yàn)數(shù)據(jù)單位：mm

由校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果可知，該規(guī)程所規(guī)定的計(jì)量性能要求及檢定方法滿足十字板剪切儀的檢定要求，各項(xiàng)要求充分、合理，檢定方法嚴(yán)謹(jǐn)、可行，規(guī)程具備科學(xué)性、合理性和可行性。根據(jù)規(guī)程對十字板剪切儀進(jìn)行檢定，能保證十字板剪切儀計(jì)量性能的準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)語

通過對十字板剪切儀計(jì)量檢定方法的研究，形成了包含范圍、概述、計(jì)量性能要求、通用技術(shù)要求及計(jì)量技術(shù)器具五部分的交通運(yùn)輸部門需要的計(jì)量檢定規(guī)程。通過選取樣機(jī)對指示表誤差、尺寸誤差及扭矩線性度等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，校準(zhǔn)結(jié)果滿足規(guī)程指標(biāo)要求，驗(yàn)證所制定規(guī)程的合理性、可行性?！妒职寮羟袃x計(jì)量檢定規(guī)程》的發(fā)布實(shí)施將為交通行業(yè)內(nèi)十字板剪切儀的量值溯源和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核提供法定依據(jù)，對完善交通計(jì)量技術(shù)體系具有重要意義。