不同粒径的河砂和机制砂对土压力盒的影响

陶亚萍

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)



不同粒径的河砂和机制砂对土压力盒的影响

陶亚萍

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

土压力盒是测量土压力最常见的传感器，埋置在固体介质中，可以测得大量的试验数据用于研究，因此测量数据的准确性就显得特别重要。以不同粒径的河砂和机制砂为研究对象，探讨不同粒径和不同介质的砂土体对土压力盒的影响。研究结果表明：相同粒径条件下，外界给予相同的荷载，实际所测得的检测值机制砂的应变值大于河砂的应变值；外界给予不同荷载时，随着荷载的增加土压力盒测得的应变值差距出现先增加后减小的趋势。

土压力盒；河砂；机制砂；粒径

土压力的测量是土力学理论和实验研究的一个重要方面,是工程测试中的重要内容，土压力一般采用土压力盒直接测定。在土木、建筑、水利等科学领域都需要测量岩土体等一类固体介质中的压力或是应力。土压力盒是测量土压力最常见的传感器，它被广泛应用于路基、挡土墙、坝体及隧道等实际工程中，具有较高灵活度、结构简单、体积小的优点，更适合于室内模拟实验或者较小比例的模型试验，可以测得大量的试验数据用于科学研究，因此测量压力的精度就显得十分重要[1-3]。

土压力盒作为测量压力的基本工具，相关的研究与发展也非常迅速。曾辉[4-6]等提出两次压陷等假定条件，推导出在3种使用场合时的匹配误差计算公式、匹配误差计算公式中有关参数的确定方法或具体量值；给出了实用的匹配误差定量计算公式；介绍了岩土压力传感器静匹配方面的研究进展，导出了匹配误差的近似解析理论公式和统一的定量计算公式；给出了最佳压陷位移系数的量值；建立了 2 个匹配条件之间的定量关系；给出了传感器承压面和周围介质中应力场的分布规律；论述了匹配误差的稳定性、等效性、真实性和实用性以及各特性之间的相关性，为保证传感器的测试精度提供了理论依据。王雷[7]等人探讨了不同厚度、不同粒径煤粉对土压力盒的影响；张彬[8]等在两个不同工程中应用土压力盒进行土压力的测试，分析了产生误差的原因，并且探讨了土压力盒标定、埋设和维护等方面的注意事项。Lyne Daigleand Jack Q. Zhao[9]等分析环境对土压力盒影响的原因，指出除复杂的土体结构、拱效应、竖向剪应力对土压力盒的影响之外，还指出了温度对其影响。杭的平[10]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，分析了产生差异的原因。张胜利[11]为分析传感器和土介质的相互作用机理,针对传感器在量测时的匹配误差进行了有限元计算和室内试验研究。但到目前为止，分析不同粒径的机制砂和河砂对土压力传感器规律的影响研究较少，本文以不同粒径的机制砂和河砂对土压力盒的影响为研究对象探讨其规律。

1 土压力盒试验

1.1 试验材料制作

试验所用的砂土体为河砂和机制砂。将不同介质的砂放入振动筛分别筛出粗砂(0.63 mm)，中砂(0.315 mm),细砂(0.16 mm),粉砂(<0.16 mm)等不同粒径的砂，以备试验用。

1.2 试验装置

本试验所用的主要试验装置有电阻应变式土压力盒、加载装置和TST3826静态应变测试分析系统。

土压力盒采用的是长沙翔昊电子科技厂生产的电阻应变式土压力计，型号规格为XHZ-401。该压力盒灵敏度高，体积小，精度高，稳定性高，其量程为0.1 MPa，直径为30 mm，厚度为13 mm，即厚度与直径之比为0.43(见图1)。

图1 微型土压力盒

图2 试验装置

1.3 试验步骤

土压力盒实验装置如图2所示。下面为一个内径20.7 cm，高度25 cm的铁管，在6 cm处钻孔，其直径与压力盒导线的直径相同，在铁管里填入试验制备的材料。土压力盒埋置于铁管中央，通过砝码对砂施加不同的力，试验时所施加的最大荷载是0.1 MPa，为其量程的80%，在铁桶外侧架设4个位移计测试在每一级加载作用下砂土体的压缩模量。试验步骤为：

(1)将土压力盒导线从钻孔中穿出，其导线接在静态应变测试仪上。

(2)装样。将试验所用材料填至钻孔高度，将土压力盒放置在铁管中间，然后再填上标准砂。

(3)将直径为200 mm的加载板加在土压力盒的上覆砂上，按每级荷载25 kg逐级加载，直至达到额定的压力值。

(4)按10级加载，每30 s读一次数据，每级荷载至少保持30 min。

2 试验数据及分析

通过加载装置和XHZ-401电阻应变式土压力计探讨了不同粒径的机制砂和河砂对土压力计规律的影响。

2.1 在机制砂条件下土压力计的特性

图3是不同粒径的机制砂在不同压力情况下土压力盒的变化曲线。可以看出：

(1)在同一应力条件下，土压力计检测到的应变值随着粒径的增加而减小，开始加载时，四种粒径的检测应变值之间的差距并不大，随着荷载的增加，四种不同粒径的检测应变值之间的差距越来越明显，之所以出现这种现象，是因为土压力盒与介质直接接触的弹性模量不同，导致应力分布不均匀，即产生了拱效应，拱效应随着粒径的增大会越明显。

(2)在中砂和细砂的条件下，土压力盒检测到的应变值比较接近；而粉砂检测到的应变值最大，其原因在于粉砂颗粒较细且非常软，在施加荷载的过程中粉砂的变形加大，存在一定程度的压实不均匀，从而导致土压力盒变形较大。

(3)土压力盒在机制砂条件下的拟合曲线如表1所示。从表1中可以得到：在相同荷载作用下，利用最小二乘法对检测应变值和施加压力所形成的曲线进行直线拟合，拟合度较高，每组试验的加载曲线基本为线性，说明微型土压力盒具有良好的加载特性，同时斜率随着粒径的增大而增大，斜率表示直线的倾斜程度，即粒径越大，所测得的应变值越小。其关系式可以用y=ax+b表示，a、b是不同介质的具体参数。

图3 不同粒径的机制砂的应力-应变曲线比较

表1 土压力盒在机制砂条件下的拟合曲线

2.2 在河砂条件下土压力计的特性

土压力盒在河砂条件下的拟合曲线如表2所示。从表2中可以得到：在相同荷载作用下，利用最小二乘法对检测应变值和施加压力所形成的曲线进行直线拟合，拟合度较高，每组试验的加载曲线基本为线性，说明微型土压力盒具有良好的加载特性。图4是不同粒径的河砂在不同压力情况下，土压力盒的变化曲线。

表2 土压力盒在河砂条件下的拟合曲线

图4 不同粒径的河砂的应力-应变曲线比较

(1)在同一荷载作用下，土压力盒检测到的应变值随着粒径的增大而增加，但是粉砂，土压力盒检测到的应变值波动较大，之所以出现这种现象，是因为粒径大的介质颗粒抗压强度小于粒径小的抗压强度，所以粉砂在受到压力时变形大；土压力盒与介质直接接触时的弹性模量不同，导致应力分布不均匀，即产生了拱效应，拱效应随着粒径的减小会越明显；

(2)细砂、中砂、粗砂所形成的加载曲线差距较小，这主要是因为试验在压实过程中存在一定程度上的压实不均匀，介质内部发生变化，从而产生拱效应弱化了作用在土压力盒上的力。

3 结语

本文以土压力盒为研究对象，利用堆载施加装置对不同粒径的机制砂和河砂施加不同的荷载，利用应变仪记录应变值，对土压力盒的相应规律开展研究，主要结论为：

(1)在机制砂中，在同一应力条件下，土压力传感器检测到的输出应变值随着粒径的增加而减小，输出应变值和施加的荷载所形成的曲线进行直线拟合，拟合值在0.99左右，即输出曲线的斜率随粒径的增大而增大，即粒径越大，所测得的应变值越小，说明土压力传感器在机制砂条件下有良好的加载特性。随着荷载的增加，四种不同粒径的检测应变值之间的差距越来越明显，导致应力分布不均匀，即产生了拱效应，拱效应随着粒径的增大越来越明显，出现这种原因主要是由于内摩擦角和弹性模量不同引起的。

(2)对于河砂而言，在同一应力条件下，粗砂、中砂和细砂进行比较，土压力盒检测到的应变值随着粒径的增大而增加，而粉砂所检测到的应变值波动较大，这主要是因为粒径大的介质颗粒抗压强度小于粒径小的抗压强度，所以粉砂在受到荷载时变形较大。

[1]韦四江,王大顺,郜进海,等.微型土压力盒的标定及修正[J].地下空间与工程报,2009, 5(5): 1003-1006.

[2]杨钰.浅谈土压力盒的埋置方法[J].山西建筑, 2008，34(31): 103-104.

[3]Theroux B.Calibration of earth pressure cells[C]//Proceedings of 48th Annual Geotechnical Engineering Conference Minnesota, 2000: 121-134.

[4]曾辉,余尚江.岩土压力传感器匹配误差的计算[J].岩土力学, 2001, 22(1): 99-105.

[5]曾辉,余尚江.岩土压力传感器静匹配问题的研究进展[J] .岩土力学, 2005, 26(7): 1173-1176.

[6]曾辉,余尚江.岩土压力传感器匹配误差的特性[J] .岩土力学, 2004, 25(12): 2003-2006.

[7]王雷,聂闻,陈冬梅.不同粒径和埋厚的煤粉对土压力计的影响[J].中国地质灾害与防治学报, 2012, 23(3)91-98.

[8]张彬,王钊,杨俊峰,等.土压力盒在工程应用中的误差分析[J].探矿工程:岩土钻探工程, 2005(S)：157-161.

[9]Lyne Daigle J Q Z. The influence of temperature on earth pressure cell readings[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2004, 41(3):551-559.

[10]杭的平,韩云山.土压力盒的标定[J].河南建材，2014(1)：110-112.

[11]张胜利.土压力传感器与土介质相互作用特性分析[D].成都:西南交通大学, 2010.

Effect of river sand and machine-made sand with different size on earth pressure cell

TAO Ya-ping

(DepartmentofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Earth-pressure cell is the most common measurement of earth pressure sensor, embedded in solid medium, data can be measured in a number of tests used in the study to measure the accuracy of the data is especially important. Measurement of earth pressure cell value is affected by the environment, nature and earth pressure cells influence of geometric characteristics. In this paper, different size for the study of river sand and sand, the sands of different size and different mediums impacts are explored on earth pressure cells. Study results showed that under the condition of equal size, the outside world and given the same loading, the actual measured values of machine-made sand strain value greater than river sand; from outside sources when different loads, as the load increased earth pressure cells of strain measured values gap emerged first increase and then decrease trend.

earth pressure cells; river sand; machine-made sand; size

2015-08-24

陶亚萍(1990-)，女，河南焦作人，硕士研究生。

1674-7046(2015)06-0051-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.06.011

TU43

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