砂土介质中多类型土压力盒标定试验

任连伟，肖　扬，顾红伟(．河南理工大学土木工程学院，河南焦作　454000;．河海大学土木与交通学院，江苏南京　0098)



砂土介质中多类型土压力盒标定试验

任连伟1，肖扬1，顾红伟2
(1．河南理工大学土木工程学院，河南焦作454000;2．河海大学土木与交通学院，江苏南京210098)

摘要:针对厂家给出的土压力盒标定系数K值与实际岩土工程中土压力盒K值之间存在误差的问题，进行了多类型土压力盒标定试验，并结合各类型土压力盒工作原理分析其在相同埋设环境下的差异及其产生原因。选取3类具有代表性的土压力盒(振弦式单膜土压力盒、振弦式双膜土压力盒、电阻应变式土压力盒)，采用砂标法对其进行标定试验，将试验所得K值和厂家给定的K值做对比分析，并依据试验结果提出线性拟合公式，给出砂土介质中各类土压力盒的标定系数。结果表明:振弦式土压力盒砂标K值小于厂家提供K值，差值在50%左右;电阻应变式土压力盒砂标K值大于厂家提供K值，差值在3倍左右。

关键词:土压力盒标定系数;砂标试验;线性拟合;K值对比分析

土压力盒被广泛应用于土压力的测量，但是由于厂家给定的标定系数K值采用气压标定或油压标定或水压标定，与实际工程中测试环境有很大差异［1］。为模拟土压力盒在实际工程应用时的工作状态，需要通过砂标试验对厂家给定参数进行修正，从而提高土压力盒的测试精度。

针对土压力传感器测量误差产生的原因，国内外学者进行了许多理论和试验研究。曾辉等［2］从解析理论研究出发，研究分析压力传感器匹配误差，提出匹配误差定量计算公式;汪恩清等［3］根据相关理论给出了土应力传感器动态匹配误差公式及其设计判据，并通过现场试验验证了其合理性。Wachman等［4］分析了传感器厚径比及其与土介质的模量比对匹配误差的影响。刘先珊等［5］基于细观分析方法研究了砂土的力链结构及其演变规律，对压力盒标定和获得更准确的土压力值具有重要的实践价值。张立祥等［6］基于正交设计对传感器与土介质的相互作用特性进行有限元计算，并通过标定试验验证了计算结果的合理性。Joseph［7］介绍了土压力盒实验室的标定方法。土压力盒的标定和修正对实际测量中获得准确数据具有重要意义。张立祥［8］通过将传感器置于与使用环境相近的土介质中进行标定，并采用非线性修正明显提高了硬土介质中土压力量测的准确性。韦四江等［9］研究了微型土压力盒在不同介质中的工作特性。Kinya等［10］分析了5种土介质粒径对4种类型传感器标定结果的影响。魏永权等［11］为掌握离心力场环境下微型土压力传感器与土介质相互作用引起的匹配误差特性，进行了液体标定试验和离心力场中土介质标定试验。部分国内外学者通过研制新型压力传感器提高土压力测量的灵敏度和稳定性。陈富云等［12］研制了一种双膜式光纤Bragg光栅土压力传感器，偏压试验表明，此土压力传感器可有效改善与土压力传感器接触部分土压力分布不均的问题。蒋善超等［13］结合不锈钢膜片的特性，研制出一种精度高、体积小的微型高精度光纤布拉格光栅土压力传感器。崔笃信等［14］研制出一种基于AT切石英晶体谐振器力频线性关系原理研制的土层压力传感器，实现高精度数据采集。Zhu等［15］介绍了一种微型土压力盒在实验室的应用。

目前国内工程和试验中通常采用振弦式和电阻应变式2类土压力盒，其结构形式分为双模或单膜。不同类型的土压力盒在实际测量过程中误差产生的因素各异。本文选取3类具有代表性的土压力盒(振弦单膜式、振弦双膜式、电阻应变式)，采用砂标法对其进行标定试验，通过标定曲线线性拟合求出K值。将砂标所得K值与厂家给定的K值进行对比分析，提出标定系数不同的原因及应注意的事项，为土压力盒的准确应用提供参考。

1试验准备

1.1试验装置

试验装置主体由筒体装置、加载系统、数据读取装置和待测定土压力盒等4部分组成。筒体装置为内径380mm、高300mm的钢壁圆桶，加载系统由配重块和千斤顶通过面积为0.1086m2(直径为372mm)的圆形加载板垂直传递荷载。根据土压力盒的不同量程，分为自动加载系统和手动加载系统2类加载方式。

手动加载每级可加载1kN，自动加载每级可加载10 kN，根据土压力盒量程选择使用。自动加载系统按设定程序自动加载和维荷，维荷过程中由于砂土压缩沉降等原因容易造成荷载减小的现象，自动加载系统会按照设定补偿下限自动补偿荷载;手动加载系统则需要及时手动维荷。土压力盒分为振弦式单膜土压力盒、振弦式双膜土压力盒和电阻式土压力盒3类。数据读取系统主要采用608A度数仪读取振弦式土压力盒频率值，用静态应变测试仪测读电阻式土压力盒应变值。试验装置如图1所示。

图1　试验装置示意图Fig．1Schematic diagram of testing equipment

1.2试验方案

试验共设计3组，每组有3个土压力盒，具体为:第1组试验为振弦式单膜土压力盒，量程为6MPa，编号为ZD-1、ZD-2、ZD-3;第2组试验为振弦式双膜土压力盒，量程为4MPa，编号为ZS-1、ZS-2、ZS-3;第3组试验为应变式土压力盒，量程为0.1MPa，编号为Y-1、Y-2、Y-3。

1.3试验步骤

a．装样:在筒体内壁涂抹润滑脂，减小由于砂土和筒壁间摩擦力引起的荷载损失。在筒体底部铺设15 cm厚的标准砂，传感器和周围砂土介质之间由于刚度不匹配易产生应力集中问题，为减小这种问题引起的测量误差［2］，将底部标准砂充分夯实。在钢桶中心放置土压力盒并保证压力盒底部水平，避免土压力盒倾斜影响试验结果，然后掩埋土压力盒，填满标准砂，充分夯实。砂土基本物理力学参数:密度ρ= 1.45 g/cm3，内摩擦角φ=35.9°，不均匀系数Cu=1.22，曲率系数Cc=0.97。

b．加载:用加载系统通过加载板施加预压力，预压5min后卸载。调试数据采集设备、读取初值后开始分级加载。振弦式单膜土压力盒和振弦式双膜土压力盒采用自动加载系统，每级加载20 kN;电阻应变式土压力盒采用手动加载方式，每级加载1kN，每级加载后维持到读数稳定为止。累积加载到额定值后根据加载顺序逐级卸载至零点进行下一组试验。试验加载系统可根据不同土压力盒量程分别设定每级加载值和维荷时间，能准确控制加载进程并准确读取当前加载值。

c．数据采集方面，振弦式双膜土压力盒和振弦式单膜土压力盒标定过程中可统一采用608A读数仪读取每级荷载下的频率值，在测量过程中可观测到频率值随荷载增加呈递增趋势。电阻式土压力盒标定过程中采用静态应变测试仪采集应变值，在加载过程中应变值逐渐增加。加载过程中每级荷载下应变值稳定后再读取当前荷载下的应变值。

2试验结果分析

2.1砂标K值线性分析

振弦式土压力盒频率随荷载增加的变化曲线如图2(a)(b)所示，其中fi为i级荷载状态时的频率值，f0为零荷载状态时的频率值;电阻式土压力盒应变随荷载增加的变化曲线如图2(c)所示。由图2可知，砂标测得K值和厂家提供的K值存在较大差异。由表1可知，砂标试验采用最小二乘法线性拟合的相关系数R2均大于0.99，说明在测试过程中振弦式土压力盒的频率变化和电阻应变式土压力盒的应变均与施加荷载间存在较好的线性关系。砂标试验3种类型的土压力盒都呈现出较好的线性关系，证明了在量程范围内本次试验的可靠性、正确性。

图2　土压力盒砂标线Fig．2Calibration curves for different kinds of earth pressure cells in sand soil

2.2砂标K值和厂家K值对比及线性拟合

因为砂标存在介质刚度匹配问题，从而造成土压力盒产生应力集中和应力重分布，产生拱效应［2］。而厂家提供K值为气标或水标或油标，土压力盒受力更加均匀。另外温度、边界摩擦等因素的影响造成砂标K值和厂家K值存在一定差异。通过砂标试验线性拟合的公式见表1，从表1可以看出，振弦式单膜土压力盒和振弦式双膜土压力盒的砂标K值和厂家K值差值在50%左右，厂家K值偏大;而电阻应变式土压力盒差异更大，砂标K值约为气标K值的3～4倍。因此，土压力盒用不同的介质标定得出的系数差别较大，特别是应变式土压力盒。如果条件允许，应优先选择振弦式土压力盒，尽量避免周围介质的不同导致测试数据的不准确性。

2.33类土压力盒对比

为了对工程中常用的3类典型土压力盒进行对比，要求所有土压力盒砂标试验时埋设环境、埋设深度和试验温度等试验条件相同。砂标试验中所有土压力盒均水平埋置于距装样钢桶底15 cm处。振弦式土压力盒分为单膜式和双膜式2类，单膜式利用膜片挠曲变形程度变化原理，双膜式采用2片钢膜间密封液体均匀传递压力。所以单膜式土压力盒对介质粒径更敏感。为了减小介质粒径对两类土压力盒的影响，砂土采用小粒径标准砂，使土压力盒受压有效直径大于砂土最大粒径50倍以上。2类振弦式土压力盒砂标对比曲线如图3所示。

表1　砂标试验结果Table 1Results of calibration tests in sand soil

由表1和图3可知，与ZS-3相比，ZD-3拟合的线性斜率更接近，稳定性更强，体现了振弦式单膜土压力盒变形原理的优越性，土压力盒径厚比越小所测得的应力与该点的真应力越相近。试验采用的振弦式双膜土压力盒厚径比大于振弦式单膜土压力盒，拱效应更加明显，因此ZS-1差异系数小于ZD-1。ZS-2的稳定性高于ZD-2，体现了振弦式双膜土压力盒通过钢膜间密封液体均匀传递压力这一工作原理，一定程度弥补了厚径比大的不足。电阻应变式土压力盒尺寸较小，应力集中更明显，厚径比较大，受力膜和介质接触欠佳，导致砂标K值明显大于厂家标定K值。另外，电阻式土压力盒的高灵敏度使每个土压力盒砂标后线性拟合后的K值与厂家K值差异较大。

卸载过程中由于非弹性体砂土保留上级荷载和摩擦作用，卸载曲线和加载曲线不重合，形成滞回环。卸载荷标定试验如图4所示，振弦式双膜土压力盒比振弦式单膜土压力盒厚，拱形效应较明显，摩擦作用较大，导致振弦式双膜土压力盒的卸载曲线非线性更大。

图3　振弦式单膜和振弦式双膜砂标试验结果对比Fig．3Calibration curves of single-and double-film vibrating w ire earth pressure cells in sand soil

可见，土压力盒的尺寸及周围土体介质都会影响加卸载滞回环曲线，所以为更准确标定土压力盒系数，应多次重复进行加卸载试验，取稳定后的滞回环上下点直线斜率作为标定系数。

图4　土压力盒卸载砂标线Fig．4Calibration curves of earth pressure cells obtained from unloading tests in sand soil

3结　论

a．振弦式土压力盒砂标K值小于厂家提供K值，差值在50%左右;电阻应变式土压力盒砂标K值大于厂家提供K值，差值在3倍左右。

b．与振弦式单膜土压力盒相比，双膜土压力盒的厚径比较大，稳定性应更强。但在砂标试验中双膜土压力盒测试的稳定性强的优点并未充分体现。

c．3类土压力盒砂标试验K值和厂家K值都有一定的差异。在实际工程中应综合考虑土压力盒的类型、尺寸和埋设状态等，在试验前模拟工程环境进行砂标试验，计算相应标定系数后再使用。

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Experimental study on calibration tests of earth pressure cells in sand soil

REN Lianwei1，XIAO Yang1，GU Hongwei2
(1．School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China; 2．College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China)

Abstract:Compared with the calibration coefficient K of earth pressure cells in practical application in civil engineering，K values provided by manufacturers have certain errors．To solve this problem，calibration tests were performed on different kinds of earth pressure cells，and differences between K values of different kinds of earth pressure cells obtained from calibration tests under the same embedded conditions，aswell as the reasons，were analyzed based on their operating principles．Three kinds of typical earth pressure cells(single-film vibrating wire，double-film vibrating wire，and resistance strain gauge earth pressure cells)were selected for calibration tests in sand soil．The test results were compared with the values provided bymanufacturers，and a linearly fitting formula based on test resultswas used to calculate the calibration parameter of different kinds of earth pressure cells in sand soil．Test results show that the K values are 50%smaller than those provided bymanufactures for vibratingwire earth pressure cells，however the K values are four times those provided bymanufactures for resistance strain gauge earth pressure cells．

Key words:calibration parameter of earth pressure cell;calibration test in sand soil;linear fitting;comparative analysis of K values

作者简介:任连伟(1980—)，男，河南周口人，副教授，博士，主要从事岩土工程研究。E-mail:renhpu@163．com

基金项目:河南省教育厅科技攻关项目(14A560015);河南省高校基本科研业务费专项(NSFRF140143)

收稿日期:2015-03-26

DOI:10．3876/j．issn．1000-1980．2016．02．010

中图分类号:TU4 32

文献标志码:A

文章编号:10 00-19 80(20 16)02-015 5-05