CN103308394B - 静止侧压力系数测定装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静止侧压力系数的测定装置及方法，其中测定装置，包括底座以及设置在底座上的护环，在所述的底座上设置有一排水孔，在所述的排水孔上连接有第一压力传感器；在所述护环的侧面沿圆周方向均布三个测压孔，在所述的每个测压孔内连接一个第二压力传感器；在所述的护环上连接一个可拆分的顶盖，在所述顶盖上设置有一出水口，在该出水口上连接有一标准加载控制器；在所述的护环内还设置有一加压上盖。本发明方法通过对密闭式刚性容器侧壁和底部开孔，连接压力感应器，由电路板接入电脑，加压过程中直接读取水平与竖直方向应力和孔隙压力，可以避免传统K₀测试中的缺点，同时获得孔压消散过程中K₀系数的变化。

Description

静止侧压力系数测定装置与方法

技术领域

本发明是一种静止侧压力系数K₀测定新型装置与方法，属于岩土工程测试技术领域。

背景技术

近年来，随着我国基础建设的快速发展，特别是地铁和城市地下空间的发展，出现了大量的深基坑，深基坑的开挖和支护等问题一直是岩土工程研究的重要的方面。如果支护的强度或安全系数不够就会造成较大的水平位移，引起周围建筑物的倾斜和开裂，对周围环境产生较大的影响。如果安全系数设置的较大，虽然支护偏于安全，可是工程造价大，特别是对于临时支护体系，造成不必要的浪费。

静止侧压力系数K₀(K₀是土体无侧向变形条件下，侧向有效应力和轴向有效应力之比(σ'_h＝K₀σ'_v)，能够反映出地基中水平向应力的变化，由此直接推算出作用在挡土结构物上的压力分布及工程安全系数，是计算静止土压力的基础。因此探索一种比较适合、简便、快捷的静止土压力系数K₀的测定方法是完全有必要的。

静止侧压力系数K₀测试方法分为室内试验与原位测试，室内土工试验测定K₀系数的方法有固结仪法和三轴仪法。本发明是对传统固结仪法测定静止侧压力的改进。Komoronik和Zeitlen(1965年)把单向固结仪中的盛土环沿着环的直径劈开，并用两块薄的钢片联接起来，再在钢片贴电阻应变丝片，分别测得土在无侧胀压缩时的轴向压力和侧向压力，然后根据σ_h-σ_v关系，利用式σ_h＝K₀σ_v计算K₀。Brooker和Ireland(1965年)在Komoronik的基础上再配备了液体压力设备，以便在盛土环的外壁施加液体压力，当试样的侧压力促使电阻应变丝发生应变时，在环的外壁施加液体压力，使电阻应变读数恢复到起始值，这时候的液体压力就等于试样作用在环壁的侧压力。Abdelhamid和Krizek(1976年)设计出由不锈钢圆筒、顶盖、底板和加压活塞组成的可以测定K₀值的固结仪。

以上方案中存在三个缺点，即(1)用总应力比作为K₀值；(2)人工读数产生误差的缺点；(3)未考虑误差标定系统。

发明内容

技术问题：本发明旨在提供一种集仪器标定和试验测试为一体的简单、准确、快捷的测试土中存在孔隙水压力时静止土压力系数的装置与方法，该方法通过对密闭式刚性容器侧壁和底部开孔，连接压力感应器，加压过程中直接读取水平和竖直方向的总应力、孔隙压力，更能真实反映土体中存在孔隙压力时的侧压力系数值。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种静止侧压力系数的测定装置，其特征在于：包括底座以及设置在底座上的护环，在所述的底座上设置有一排水孔，在所述的排水孔上连接有一第一压力传感器；在所述护环的侧面沿圆周方向均布有三个测压孔，在所述的每个测压孔内连接一个第二压力传感器；在所述的护环上还连接有一可拆分的顶盖，在所述顶盖上设置有一出水口，在该出水口上连接有一标准加载控制器；在所述的护环内还设置有一加压上盖；在加压上盖上连接有一电子位移计，可电脑读取数据，其中，在系统标定阶段，对护环和底座组成的密闭受压室内注满水，在护环顶部加可拆卸顶盖，顶端出水口连接标准加载控制器，逐级加载，并进行系统标定；在试验阶段，在密闭受压室内试件上部的透水板上部放置加压上盖并分级加荷，进行试验测量。

所述的第一压力传感器为压阻式孔压传感器；所述的第二压力传感器为拉压式应力传感器。

一种测定静止侧压力系数的方法，其特征在于，步骤如下：

第一步、系统标定：

对护环和底座组成的密闭受压室内注满水，在护环顶部加可拆卸顶盖，顶盖出水口连接标准加载控制器，逐级加载，σ_v为施加的竖向应力，σ_h为第二压力传感器的读数，第一压力传感器读数绘制σ_h-σ_v与的关系曲线，曲线的斜率为标定系数α，完成测试系统标定，其中，σ_h-σ_v关系曲线的斜率为第二压力传感器的标定系数α_σ，关系曲线的斜率为第一压力传感器的标定系数α_μ；

第二步、试样加载：

2.1)、用环刀切割试样；

2.2)、将试样推入密闭受压室，并在试样上部覆盖滤纸和透水板；

2.3)、在透水板上部放置加压上盖并分级加荷，通过密闭受压室周围均布的三个方向的第二压力传感器记录出各级固结稳定时三个第二压力传感器读数σ_h1、σ_h2、σ_h3、通过排水孔上连接的第一压力传感器记录在不同的竖向应力状态下稳定时的孔隙水压力读数

2.4)、三个第二压力传感器读数σ_h1、σ_h2、σ_h3，第一压力传感器读数由电脑实时记录数据，则：

竖向有效应力： ${\mathrm{\σ}}_v^{\′}={\mathrm{\σ}}_v-\frac{2}{3}{\mathrm{\μ}}_b$

水平有效应力： ${\mathrm{\σ}}_h^{\′}={\mathrm{\σ}}_h-\frac{2}{3}{\mathrm{\μ}}_b$

根据有效应力的比值计算静止侧压力系数：

其中σ_v为竖向加载应力 ${\mathrm{\σ}}_h=\frac{({\mathrm{\σ}}_{h1}+{\mathrm{\σ}}_{h2}+{\mathrm{\σ}}_{h3})}{3{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\σ}}},$ ${\mathrm{\μ}}_b=\frac{{\mathrm{\μ}}_h^{,}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\μ}}}.$

本装置还可以通过加压上盖连接的位移计自动读取竖向位移值Δh(根据公式计算孔隙比用以确定土在固结过程中的除K₀外的其他参数，其中e₀和h₀为初始孔隙比和试样初始高度)；

有益效果：护环侧壁通孔，直接连接压力传感器，提供了一种新的量测K₀的装置；在此基础上，加上密封的顶盖也能完成试验系统的标定；底部开孔连接压阻式传感器，直接读取孔隙水压力，作为计算有效应力的重要参数；所有感应器和位移计均接入电路板，并连接电脑，实现自动化连续数据采集，减少了人工读数的不连续性；同时每次记录水平方向上三个压力，减少了试验过程中的操作误差；仪器成本低，操作简单方便；能同时进行固结试验，测定试样其他固结参数。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是系统标定线。

图2是系统标定时压力室平面图。

图3是静止侧压力系数K₀测定改进装置侧视图。

图4是静止侧压力系数K₀测定改进装置平面图。

图中1.拉压式应力传感器，2.压阻式孔压传感器，3.注水阀门，4.排水孔，5.测压孔，6.数据线，7.传感器支架，8.透水板，9.试样，10.顶盖，11.橡胶止水圈，12.位移计，13加压上盖，14.底座，15.护环。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

如图1、图2、图3及图4所示，本发明测试装置的密闭受压室用刚性金属材料做成，由刚性底座14(底部具有连接量测孔隙水压力装置的排水孔4)和护环15(侧壁0°、120°、240°三个方向具有连接拉压力传感器的测压孔5)组成，在护环15内设置有透水板8和加压上盖13。密闭受压室外部连接自动记录功能的位移计12、拉压式应力传感器1、压阻式孔压传感器2；密闭受压室顶部设可拆卸密封顶盖10；其中压阻式孔压传感器2为连接在排水孔4上的第一压力传感器，拉压式应力传感器1为连接在测压孔5上的第二压力传感器，拉压式应力传感器1通过传感器支架7固定在护环15上。在加压上盖与护环15之间采用密封圈橡胶止水圈11密封。

本发明测试装置的测试方法如下：

(1)安装密封舱顶盖10，向对护环和底座组成的密闭受压室内注满水，通过顶盖10的出水口连接标准加载控制器，逐级加载，读数稳定后再加另一级荷载，σ_v为施加的竖向力，σ_h为第二传感器的读数，第一压力传感器读数绘制σ_h-σ_v与的关系曲线，斜率为标定系数α，完成系统标定，拆卸密封舱顶盖，其中，σ_h-σ_v关系曲线的斜率为第二压力传感器的标定系数α_σ，关系曲线的斜率为第一压力传感器的标定系数α_μ；

(2)用切土环刀切取土试样：试样直径61.8mm，高度40mm，采用不锈钢环刀(一端有刀刃，应具有一定刚度，内壁应保持较高的光洁度，宜涂一层薄硅脂或聚四氟乙烯)制备。试样上部透水板直径宜小于环刀内径0.2～0.5mm，厚度10mm；

(3)在试样9的两端贴上与试样直径一样大小的滤纸；

(4)打开注水阀门3，充满液体，排出排水孔4内空气；

(5)刀口向上将环刀置于密闭受压室内；

(6)用传压活塞将试样从环刀中推入密闭受压室内；

(7)对试样施加1kPa的预应力，使仪器上下各部件接触，调整压阻式孔压传感器2和拉压式应力传感器1至零位或初始读数；

(8)分级加荷：轴向加压设备可采用分级加荷的应力控制法。分级加荷的应力控制法采用WG型单杠杆固结仪，可以进行12.5kPa，25kPa，50kPa，100kPa，200kPa，400kPa，800kPa和1600kPa不同压力的加荷,通过密闭受压室周围0°、120°、240°三个方向的拉压力传感器1记录出各级固结稳定时相应的侧向压力σ_h1、σ_h2、σ_h3，通过压力传感器2记录各级固结稳定时相应的孔隙水压力试验进行过程中，与加压上盖连接的位移计自动读取竖向位移值，用于计算土的固结过程中的除K₀以外的其他参数。

(9)三个第二压力传感器1读数σ_h1、σ_h2、σ_h3，第一压力传感器2读数μ′_b由电脑实时记录数据，按照《土木试验方法标准GB/T50123-1999》公式14.2.7计算：

竖向有效应力： ${\mathrm{\σ}}_v^{\′}={\mathrm{\σ}}_v-\frac{2}{3}{\mathrm{\μ}}_b$

水平有效应力 ${\mathrm{\σ}}_h^{\′}={\mathrm{\σ}}_h-\frac{2}{3}{\mathrm{\μ}}_b$

根据有效应力的比值计算

其中σ_v为竖向加载应力， ${\mathrm{\σ}}_h=\frac{({\mathrm{\σ}}_{h1}+{\mathrm{\σ}}_{h2}+{\mathrm{\σ}}_{h3})}{3{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\σ}}},$ ${\mathrm{\μ}}_b=\frac{{\mathrm{\μ}}_h^{,}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\μ}}}.$

(10)当竖向应力达到预设竖向应力时，停止试验。

Claims (3)

1.一种静止侧压力系数的测定装置，其特征在于：包括底座以及设置在底座上的护环，在所述的底座上设置有一排水孔，在所述的排水孔上连接有一第一压力传感器；在所述护环的侧面沿圆周方向均布有三个测压孔，在所述的每个测压孔内连接一个第二压力传感器；在所述的护环上还连接有一可拆分的顶盖，在所述顶盖上设置有一出水口，在该出水口上连接有一标准加载控制器；在所述的护环内还设置有一加压上盖；在加压上盖上连接有一电子位移计，可电脑读取数据，其中，在系统标定阶段，对护环和底座组成的密闭受压室内注满水，在护环顶部加可拆卸顶盖，顶端出水口连接标准加载控制器，逐级加载，并进行系统标定；在试验阶段，拆卸可拆卸顶盖，在密闭受压室内试件上部的透水板上部放置加压上盖并分级加荷，进行试验测量。

2.根据权利要求1所述的静止侧压力系数的测定装置，其特征在于：所述的第一压力传感器为压阻式孔压传感器；所述的第二压力传感器为拉压式应力传感器。

3.一种采用权利要求1所述测定装置测定静止侧压力系数的方法，其特征在于，步骤如下：

第一步、系统标定：

对护环和底座组成的密闭受压室内注满水，在护环顶部加可拆卸顶盖，顶盖出水口连接标准加载控制器，逐级加载，σ_v为施加的竖向应力，σ_h为第二压力传感器的读数，第一压力传感器读数μ′_b，绘制σ_h-σ_v与μ′_b-σ_v的关系曲线，曲线的斜率为标定系数α，完成测试系统标定，其中，σ_h-σ_v关系曲线的斜率为第二压力传感器的标定系数α_σ，μ′_b-σ_v关系曲线的斜率为第一压力传感器的标定系数α_μ；

第二步、试样加载：

2.1)、用环刀切割试样；

2.2)、将试样推入密闭受压室，并在试样上部覆盖滤纸和透水板；

2.3)、在透水板上部放置加压上盖并分级加荷，通过密闭受压室周围均布的三个方向的第二压力传感器记录出各级固结稳定时三个第二压力传感器读数σ_h1、σ_h2、σ_h3、通过排水孔上连接的第一压力传感器记录在不同的竖向应力状态下稳定时的孔隙水压力读数μ′_b；

2.4)、三个第二压力传感器读数σ_h1、σ_h2、σ_h3，第一压力传感器读数μ′_b由电脑实时记录数据，则：

竖向有效应力： ${\mathrm{\σ}}_v^{\′}={\mathrm{\σ}}_v-\frac{2}{3}{\mathrm{\μ}}_b$

水平有效应力： ${\mathrm{\σ}}_h^{\′}={\mathrm{\σ}}_h-\frac{2}{3}{\mathrm{\μ}}_b$

根据有效应力的比值计算静止侧压力系数：

其中σ_v为竖向加载应力， $\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_h=\frac{({\mathrm{\σ}}_{h1}+{\mathrm{\σ}}_{h2}+{\mathrm{\σ}}_{h3})}{3{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\σ}}},& {\mathrm{\μ}}_b=\frac{{\mathrm{\μ}}_h^{,}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\μ}}}\end{array}.$