土压力盒的标定

杭的平 韩云山

中北大学理学院（030051）

土压力盒的标定

杭的平 韩云山

中北大学理学院（030051）

鉴于实际工程的需要，这里对土压力盒进行标定，提出了土压力盒标定的几种方法，对黄土介质中的土压力盒一一进行标定，并与厂家标定的结果进行对比。同时对比了黄土介质和砂介质的标定的结果：黄土标定曲线的K值和厂家给定的K值差别较大，而黄土介质和砂介质中对土压力盒的标定结果的K值基本上一致，最后分析了产生以上差异的原因。

土压力盒；标定；黄土标定

0 引言

随着经济建设的发展，为解决建设用地紧张问题，开山造地项目日趋增多，强夯作为该项目地基处理的主要方法，利用起重设备将重锤提升到一定高度，然后使重锤自由下落，以巨大的冲击能量作用在地基上，达到加固的效果。研究强夯过程中土体动应力的变化及衰减规律对强夯的广泛应用与发展有着重要的作用，而强夯在土中产生的动土压力的测量是一项艰巨的任务。土压力测量是土力学理论和实践研究的重要方面，也是工程实践的重要研究内容。在强夯过程中动土压力的变化一般采用土压力传感器（即土压力盒）与动态应变测试仪相连接进行测量。土压力盒的工作环境一般在室外的土介质中，测量时会受到土体性质、土压力盒周围土体的密实度等各种因素的影响，可能使其测量中土压力的实测数据出现失真的情况，所以测量前应对土压力盒进行标定。陈春红等[1]在土压力盒标定过程中提到了标定的各种方法，对比分析了砂标和厂家气标的结果，表明二者存在一些差别。试验为了与土压力盒的实际情况相结合，提高土压力测量数据的可利用性，对现场测量中的土压力盒在室内一一进行砂标标定，得出了土压力盒在土中产生的应变与加载压力的对应关系，就土压力盒的标定问题作了初步的研究分析，以应用于实际工程中。

1 土压力盒标定的方法

室内试验对土压力盒标定的方法有：液压标定、气压标定和土介质中标定（砂标）[1]。

气压标定是用已知压强的压缩气体对密闭容器中的土压力盒进行加压，通过频率仪测得土压力盒的输出频率,建立气体压强与频率的相互关系,从而得到率定曲线，该法可以同时对多个土压力盒进行标定。

液压标定和气压标定的标定方法相似，只需把气压变成液压即可。

在土介质中标定（砂标）与上面两种标定有所不同。在标定过程中，土压力盒是单向受力，气压标定和液压标定的土压力盒处于三向受力状态。在土介质中对土压力盒进行标定比较符合土压力盒在土体中的实际工况。土介质中标定土压力盒的方法操作简单，加压、卸压方便，测定过程中土压力盒的表面受力均匀，比气压标定和液体标定更能与土体中土压力盒的实际受力状态相吻合。因此，在强夯现场测定动土压力采用的土压力盒在土介质中进行标定。

2 标定试验

在陕西省延安市富县强夯现场8 m高的边坡体内的不同高度处,将埋置46个土压力盒测试强夯过程中土体不同位置处的动土压力。由于厂家给定的土压力盒的标定曲线是采用气标标定的和强夯中土的实际情况不是很符合，因此，在埋置土压力盒之前需进行室内试验，对每个土压力盒进行砂标标定。这些土压力盒采用的是电阻应变土压力计，测量范围为：0～200 kPa，直径为16 mm，厚度4 mm，即厚度与直径之比为0.25。

1）试验装置。强夯中所用土压力盒的标定装置如图1所示。测量仪器为动态测试仪DH5956，是内径10 cm、高度7.5 cm的简易筒体装置（由3个2.5 cm的套环组成）。土压力盒是用土体埋置在该装置中，直接将直径15 mm的透水石作为加载板加在土压力盒的上覆土上，然后在加载板上逐级加载。此试验属于单轴试验，加载板的直径大于土压力盒的直径，在加载过程中，荷载基本分布在土压力盒上和土上,但是土体的刚度与压力盒的刚度不一样，在加载中可能会产生应力的不均匀分布,出现拱效应。张彬[2]在对土压力盒的误差分析中提到，为了减少因应力集中而产生的误差，必须满足土压力盒变形膜的有效受压部分直径大于所测介质最大颗粒粒径的50倍以上,在用砂作为介质进行砂标试验时选用0.25 mm粒径的砂子进行试验。

图1 标定试验装置

2）试验的内容是用动态测试仪DH5956测定压力和应变的对应关系，一次标定4个压力盒，试验步骤如下：

①将土压力盒的导线连接在适调器上并与动态测试仪相连。

②装样。在装置的底部放置20～25 mm厚的土，按额定的压力值200 kPa进行预压。

③将压力盒放置在装置底部的中间，埋上40～55 mm厚的土。

④按额定的压力值200 kPa进行预压，预压时间为5 min，然后为正式试验准备采样。

⑤按12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa五级荷载逐级加载，直至达到额定的压力值，每级压力至少保持10 s。

⑥加载到额定压力值后，按上面的五级荷载逐级卸载直到零点压力，然后保持1 min停止采样。

⑦按照①～⑥的试验步骤进行多次试验,直到把46个土压力盒标定完为止，最后分析试验数据拟合出每个压力盒的标定曲线。

⑧从46个压力盒中选取3个压力盒做砂介质中砂标的标定试验，按以上步骤操作，分析试验数据。

3 试验数据及分析

3.1 黄土标定结果和厂家的对比

黄土标定和厂家采用的气标均是在200 kPa的额定压力值下进行标定的，两种标定方法的受力状态有所不同，同一压力盒得到的标定结果不一样，选取其中的10组压力盒进行对比，见表1。

表1 不同标定方法下K值的对比

由表1可知，砂标和厂家采用气标的标定结果有所不同,大部分压力盒标定的K值差距较大,差值都在20%以上。这是由于它们的标定环境不一样,土压力盒的受力状态不一样，但是砂标结果更符合土压力盒的实际工况，在现场试验中可以得到较为准确的数据。

3.2 黄土介质和砂介质两种标定结果的对比

为了更好地符合压力盒的实际工程环境，砂标试验采用的介质是黄土，并选取3个土压力盒与砂介质中的砂标结果进行对比，其拟合的标定曲线见表2。

表2 土介质和砂介质标定曲线

由表2可知，土介质和砂介质在相同条件下对同一压力盒标定的K值差别不大，差值在10%以内，因而两种介质的标定试验结果均可以应用于工程实际中。

4 标定曲线的差异分析

1）两种标定方法的试验环境不同，压力盒的受力状态不同。

2）厂家给定的结果是在压力盒初始状态为零的情况下标定的，本试验所用的压力盒在经过多次使用之后初始状态有所改变。

3）由于土体是非弹性体,其弹性模量是个变量，而且土介质和砂介质在同一额定压力预压后其密实度有所差别。

5 结论

1）通过室内试验砂标对土压力盒的标定结果与厂家给定的标定曲线的K值差别较大。这是由于采用的是两种不同的标定方法，在标定中压力盒的受力状态不一样，标定时周围的环境不同等因素导致。

2）土介质和砂介质中标定的结果基本上保持一致，在实际工程中测土压力时两种介质的标定结果均可以更好地符合压力盒的实际工况。

[1]陈春红,刘素锦,王钊.土压力盒的标定[J].中国农村水利水电,2007(2)：29～32.

[2]张彬.土压力盒在工程应用中的误差分析[J].探矿工程, 2005：157～161.

山西省科技攻关项目（20130313010-3）