CN102721507A - 一种用于硬土介质中的土压力传感器标定方法 - Google Patents

Abstract

一种用于硬土介质中的土压力传感器标定方法。该方法针对模量普遍偏小的双膜平动式土压力传感器，用于高速铁路路基土工结构的级配碎石等高模量硬土介质中的土压力测试时，因匹配误差对土介质变形模量变化比较敏感，致使土压力传感器在硬土介质中的标定曲线呈现出显著非线性特征的情况，采用非线性函数

进行拟合，更真实地反映了测试值受荷载变化的影响，可明显提高低模量土压力传感器用于高模量土介质中土压力测试的准确性。

Description

一种用于硬土介质中的土压力传感器标定方法

技术领域

本发明涉及一种土压力的测试技术，尤其涉及一种低模量土压力传感器用于高模量硬土介质中的土压力测试方法。

背景技术

土压力的测量是岩土工程问题研究的基础，准确掌握土工构筑物的土压力不论是对土工结构的稳定分析还是土力学理论的研究都显得异常重要。由于土压力传感器与周围土介质的力学性质迥异，传感器置入土介质中测试土压力时势必改变土介质的原存应力场，引起应力重分布，导致传感器量测的土压力p_t与未扰动时该点的原存土压力p并不相同，两者之间的误差β＝(p_t-p)/p称之为匹配误差。土压力传感器标定中通常将传感器置于与测试环境较为一致的土介质中进行标定，得出土介质的施加荷载p(测试中排除了土及加载设备自重的影响，施加荷载即土介质中原存应力)与土压力传感器输出信号v(应变或频率)的关系。在土压力传感器单体标定试验中，其传感器表面实际所受荷载与输出信号关系为v＝K_tp_t，对于单体标定试验，由于没有土压力传感器与土介质的匹配问题，其系数K_t反映的是传感器自身信号转换的关系，故其值基本不变。但由匹配误差关系可知，p_t＝(1+β)p，从而有v＝K_t(1+β)p。现有的土压力传感器测试技术通常采用线性回归的处理方法来反映土压力传感器输出信号v与原存应力p的关系，这在土压力传感器的综合变形模量E_g远大于土介质的变形模量E_s，一般取E_g/E_s≥5，匹配误差β基本不变，土压力传感器在土介质中标定曲线的线性度较高时是适合的。常用的双膜土压力传感器综合变形模量多在10MPa左右，用于模量较低的软黏土介质中土压力测试时，其与土介质变形模量的比值基本满足匹配误差稳定的要求。

然而，随着工程建设标准的提高，近年来土工构筑物的土体变形模量有大幅提高。如高速铁路路基基床所用级配碎石等粗颗粒填料在压密状态下的变形模量已达180MPa以上，常用的双膜土压力传感器用于级配碎石等硬土介质中的土压力测量时，E_g/E_s远小于1。此时，匹配误差对模量比的变化非常敏感，土介质变形模量随加载历程的微小变化也会引起匹配误差的较大改变，从而导致土压力传感器在硬土介质中的标定曲线呈现出显著的非线性特征，在这种情况下，仍采用线性回归方法来表征土压力传感器的感应输出与硬土介质中原存压力的关系，进而得到的土压力测试值将会产生明显的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于硬土介质中的土压力传感器标定方法，该方法可明显提高在硬土介质中的土压力测试准确性，为岩土工程的设计与施工提供更加准确、可靠的试验数据。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种用于硬土介质中的土压力传感器标定方法，适用于土压力传感器综合变形模量与现场实体土工结构工作状态下的土介质变形模量之比小于5的情形，包括以下步骤：

a)土压力传感器标定试验：在环圈仪或圆筒标定箱等标定设备中充填与现场含水率和密实度一致的硬土介质，并将土压力传感器置于其中，进行标定试验，测得多个设定的施加荷载p与土压力传感器输出量q的对应关系；

b)建立p-q的函数关系式：以输出量q为横坐标，施加荷载p为纵坐标，绘制p-q关系的散点图，采用非线性函数

对试验数据进行拟合，得出参数a、b、t的值(e为自然对数的底数)；

c)获得原存土压力：根据现场实体土工结构中的土压力传感器实测输出量q，代入非线性函数

即可得到硬土介质中的原存土压力p。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

针对低模量土压力传感器用于高模量硬土介质中土压力测试因匹配误差不稳定，导致标定曲线呈现的显著非线性特征，进而导致测量误差大的问题。本发明采用

这一非线性函数，较好地反映了土介质的原存应力与传感器输出量的对应关系，可有效地减小现有技术中对标定试验数据采用线性回归拟合所带来的测试误差，明显提高硬土介质中的土压力传感器测试准确性。从而为岩土工程的设计与施工提供更加准确、可靠的试验数据。

附图说明

图1为采用非线性曲线拟合与线性回归两种处理方式得到的原存土压力测试值与测试介质中原存土压力的误差曲线。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式为，一种用于硬土介质中的土压力传感器标定方法，适用于土压力传感器综合变形模量与现场实体土工结构工作状态下的土介质变形模量之比小于5的情形，包括以下步骤：

a)土压力传感器标定试验：在环圈仪中充填与现场含水率和密实度一致的硬土介质，并将土压力传感器置于其中，进行标定试验，测得多个设定的施加荷载p与土压力传感器输出应变q的对应关系；

b)建立p-q的函数关系式：以输出应变q为横坐标，施加荷载p为纵坐标，绘制p-q关系的散点图，采用非线性函数

对试验数据进行拟合，得出参数a、b、t的值(e为自然对数的底数)。

c)获得原存土压力：根据现场实体土工结构中的土压力传感器实测输出应变q，代入非线性函数即可得到硬土介质中的原存土压力p。

试验验证

对目前我国不同生产商的4个常用双膜平动电阻式土压力传感器进行了级配碎石介质中的标定试验，传感器直径均为180mm，厚度分别为22mm和26mm。通过筛分试验得到级配碎石的最大粒径未超过40mm，20～40mm的颗粒含量为17.8％，大于2mm的颗粒含量为73.5％，小于0.075mm的颗粒含量为6.8％，不均匀系数为68，曲率系数为4.6；通过《铁路工程土工试验规程》重型击实试验测得其最大干密度为2.4g/cm³，最佳含水率为5％；标定试验中级配碎石的压实状态按压实系数为0.91～0.93控制，通过环圈仪的压缩试验测得该状态下级配碎石的平均压缩模量E_s约为58MPa。通过土压力传感器直接加载试验测得该批次土压力传感器综合变形模量E_g在6.0～12.5MPa之间，平均值为11.3MPa，土压力传感器的综合变形模量E_g与级配碎石的变形模量E_s之比为0.19。由测试结果可知，本次试验的4个土压力传感器与级配碎石介质的模量比远小于1，其匹配误差随模量比的变化将会非常明显，标定曲线的非线性特征也将十分显著。

按以上实施例方法，可以得出标定试验中施加于土介质的荷载p(原存土压力)与土压力传感器输出应变q的关系。将标定试验数据分别采用直线p_l(q)＝k_q和本发明的曲线

进行拟合，得出参数k、a、b、t的值(e为自然对数的底数)。然后以每级荷载p下实测的输出应变q为自变量，分别通过拟合的直线方程p_l(q)＝k_q与本发明的非线性函数

进行换算，得到输出应变为q时土介质中的原存土压力p的测试值p_l与p_c。

线性回归得到的原存土压力测试值p_l和本发明的非线性拟合得到的原存土压力测试值p_c与原存土压力p的相对误差分别为和

如图1所示。图1中，横坐标为原存土压力值p，纵坐标为原存土压力测试值p_c、p_l与原存土压力p的相对误差ζ、η；其中，由空心符号串起的4条曲线为四个传感器(编号分别为1240、1245、1377、1399)用线性回归方法进行测试的误差曲线，由实心符号串起的4条曲线为该四个传感器用本发明的非线性拟合方法进行测试的误差曲线。

由图1可以看出，对硬土介质中的4个常用双膜平动电阻式土压力传感器标定试验数据，采用现有的线性回归处理得到的实测值p_l与原存土压力p的相对误差范围在-13.6％～49.7％之间变化，平均值为9.6％。而采用本发明的非线性拟合得到的实测值p_c与原存土压力p的相对误差范围仅在-7.6％～2.3％之间小幅波动，平均值仅有-0.3％。可见，在硬土介质中进行土压力测试，对标定试验数据采用本发明的方法进行处理，可有效减小试验误差，明显提高测试准确性。从而为岩土工程的设计与施工提供更加准确、可靠的试验数据。

Claims (1)

1.一种用于硬土介质中的土压力传感器标定方法，适用于土压力传感器综合变形模量与现场实体土工结构工作状态下的土介质变形模量之比小于5的情形，包括以下步骤：

a)土压力传感器标定试验：在环圈仪或圆筒标定箱等标定设备中充填与现场含水率和密实度一致的硬土介质，并将土压力传感器置于其中，进行标定试验，测得多个设定的施加荷载p与土压力传感器输出量q的对应关系；

b)建立p-q的函数关系式：以输出量q为横坐标，施加荷载p为纵坐标，绘制p-q关系的散点图，采用非线性函数对试验数据进行拟合，得出参数a、b、t的值(e为自然对数的底数)；

c)获得原存土压力：根据现场实体土工结构中的土压力传感器实测输出量q，代入非线性函数

即可得到硬土介质中的原存土压力p。

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