CN104792615A - 一种土压力测试装置及土压力测试修正计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力测试技术领域，公开了一种土压力测试装置，其包括受压面板、压力传感器和弹性挡板，所述受压面板通过所述压力传感器与待测结构物连接，所述受压面板呈与待测结构物的表面相适应的形状，所述受压面板与所述待测结构物的四周通过所述弹性挡板密封连接，形成密闭的测试空间；本发明还公开了一种土压力测试修正计算方法。本发明结构简单、性能可靠、测试精度高，测试数据能更准确地反映待测结构物的受力状态。

Description

一种土压力测试装置及土压力测试修正计算方法

技术领域

本发明涉及岩土工程中土压力测试技术领域，特别是涉及一种土压力测试装置及土压力测试修正计算方法。

背景技术

土压力量测是研究各类岩土工程问题力学机理的重要内容之一，在各种室内试验中广泛采用土压力盒测量土压力；然而，现有土压力盒多基于钢弦式振动原理进行测试，因钢弦弹性模量较大致使其对土压力细微变化的监测能力较弱，表现为测量精度不够，输出灵敏度不高；同时，在测量曲面挡土结构物(如模型桩、隧道模拟支护结构等)受到的土压力时，由于现有土压力盒形状均为小直径圆柱体，盒表面为刚度较大的平面，被测面积与挡土结构物面积的比值较小，且无法调整测试表面，导致测试数据失真。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种结构简单、性能可靠、测试精度高的土压力测试装置及使测试数据能更准确反映待测结构物的受力状态的土压力测试修正计算方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种土压力测试装置，其特征在于，包括受压面板、压力传感器和弹性挡板，所述受压面板通过所述压力传感器与待测结构物连接，所述受压面板呈与待测结构物的表面相适应的形状，所述受压面板与所述待测结构物的四周通过所述弹性挡板密封连接，形成密闭的测试空间。

其中，所述压力传感器包括应变梁，所述应变梁的上下表面分别贴有电阻应变片，所述应变梁的一端与所述待测结构物连接，所述应变梁的另一端与所述受压面板连接，所述电阻应变片通过导线连接到外部土压力测试仪。

其中，所述应变梁的一端通过锚固螺母与所述待测结构物连接，所述应变梁的另一端通过传力螺母与所述受压面板连接。

其中，所述弹性挡板优选为橡胶挡板，所述橡胶挡板可拆卸地设置在所述受压面板与所述待测结构物之间。

其中，当包括多个所述土压力测试装置时，多个所述土压力测试装置之间通过橡胶搭接板连接在一起。

其中，所述受压面板为刚性面板，所述受压面板可拆卸地与所述压力传感器连接。

本发明还提供一种利用上述土压力测试装置进行土压力测试的修正计算方法，其包括如下步骤：

S1、根据弹性位移公式可知，在受压面板曲面面积αRl范围内的土压力作用下，应变梁的变形挠度计算公式为：

${\mathrm{\ω}}_0=\mathrm{\Σ}\∫\frac{\stackrel{\‾}{M}{M}_p}{\mathrm{EI}}\mathrm{ds}=\frac{P_1{l}^3}{3\mathrm{EI}}={\mathrm{KP}}_0;$

式中，ω₀为应变梁上产生的变形挠度；P₀为受压面板曲面面积αRl范围内的土压力；α为受压面板的曲边弧度；R为受压面板的曲面半径；l为受压面板的直边长度；K为压力传感器的材料系数，对于特定压力传感器，K为常量；E为应变梁的变形模量；I为应变梁的惯性矩；M_p为应变梁受到压力所引起的弯矩值；为单位力作用下应变梁受到的弯矩值；ds为应变梁的某一微段；P₁为应变梁与传力螺母连接的一端受到的压力，且P₁＝P₀；

S2、根据压力传感器上各点轴向应变ε₀与变形挠度ω₀的关系计算出轴向应变ε₀，计算公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_0=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{k},$

式中，k为压力传感器的尺寸系数，k＝a²/h；a为压力传感器的长度；h为压力传感器的高度；对于确定的某一压力传感器，k为常量；

S3、根据上述两个公式，并通过土压力测试仪输出的变形量，可得到受压面板曲面面积αRl范围内作用的土压力测量值为：

$P_0=\frac{k}{K}{\mathrm{\ϵ}}_0$

S4、根据土压力测量值修正计算公式

$P=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{k}_i\·P_0$

可计算出经过修正后的待测结构物对应的曲面面积αrl范围内的土压力值；

式中，k_i(i＝1，2，3…)为各项影响因素所引起的测量误差的修正系数；

其中，垂直于土压力作用方向的压力传感器与待测结构物曲面的修正系数k₁为：

k₁＝r/R

式中，R为受压面板的曲面半径；r为待测结构物的曲面半径；

引入摩阻力修正系数k₂

$k_2=\frac{\mathrm{\α}-\mathrm{\π}}{3}+0.1\cos \mathrm{\α}+1.68$

式中，α为受压面板的曲边弧度，当α<1时，k₂取1；

引入尺寸效应修正系数k₃

$k_3=1+\frac{d}{\sqrt{2\mathrm{Rl}\sin (\mathrm{\&alpha;}/2)}}$

式中，l为受压面板的直边长度；α为受压面板的曲边弧度；d为土压力测试装置的厚度；

引入材料变形影响系数k₄，其值与受压面板、弹性挡板的材料性质有关，通过材料制造商提供的相关资料确定，或通过实际试验测定。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种土压力测试装置，采用的受压面板可根据不同待测结构物外表特征调节受压面板的大小尺寸或形状，以适应不同的测试环境，使输出灵敏度提高，测量结果更加准确；

通过锚固螺母将压力传感器固定于待测结构物上，可有效解决现有压力传感器随土体扰动而发生位移，并导致试验数据失真的问题；

本发明提供的土压力测试修正计算方法，可通过修正计算对测量结果进一步修正，以得到更能反映实际情况的精确土压力值。

附图说明

图1为本发明土压力测试装置的一种安装结构示意图；

图2为本发明土压力测试装置的另一种安装结构示意图；

图3为多个本发明的土压力测试装置连接在一起的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为本发明土压力测试装置的安装模型整体结构示意图；

图6为采用土压力测试装置以及利用修正计算公式修正的土压力值与理论值对比曲线图；

图7为本发明的工作流程图。

图中：1：受压面板；2：弹性挡板；3：橡胶搭接板；4：应变梁；5：电阻应变片；6：传力螺母；7：锚固螺母；8：导线；9：穿线孔；10：待测结构物；11：土压力测试装置；12：模型桩；13：模拟边坡；14：坡顶竖向荷载。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

如图1和图2所示，为本发明提供的一种土压力测试装置11，其包括受压面板1、压力传感器和弹性挡板2，所述受压面板1通过所述压力传感器与待测结构物10连接，所述受压面板1为刚性面板，所述受压面板1的外形与待测结构物的表面呈相适应的形状，例如曲面形、圆弧形等，以便于两者更好地匹配，从而使得测量结果更加接近于真实值；受压面板1可根据不同待测结构物10的表观特征，调节大小、形状以适应不同测试环境，使输出灵敏度提高，测量结果更加准确；所述受压面板1与所述压力传感器可拆卸连接，从而保证能够根据不同的待测结构物10的表面形状更换与其相匹配的所述受压面板1；具体地，所述压力传感器包括应变梁4和分别贴于所述应变梁4的上下表面的阻值相同的电阻应变片5，所述应变梁4的一端与所述待测结构物10固定连接，所述应变梁4的另一端与所述受压面板1连接，所述受压面板1与所述待测结构物10的四周通过所述弹性挡板2密封连接，形成密闭的测试空间；所述电阻应变片5通过导线8连接到外部土压力测试仪如压力数显仪，以显示测量的压力值；测试精度高，性能可靠。

具体地，所述应变梁4的一端通过锚固螺母7与所述待测结构物10连接，通过锚固螺母7将土压力测试装置11固定于模型桩上，可有效解决现有土压力测试装置11随土体扰动而发生位移，导致试验数据的失真的问题；所述应变梁4的另一端通过传力螺母6与所述受压面板1连接，通过传力螺母6将土压力传递给应变梁4，使应变梁4产生微小挠度，引起电阻应变片5阻值变化，从而将土压力变化转化为电信号得以输出。

为了便于测出压力，所述应变梁4通过所述传力螺母6与所述受压面板1的中心连接。

优选地，所述弹性挡板2为橡胶挡板，所述橡胶挡板可拆卸地设置在所述受压面板1与所述待测结构物10之间，给压力传感器提供良好的密闭测试空间。

另外，为了便于导线8的布置，所述弹性挡板2上设有用于穿过所述电阻应变片5的导线8的穿线孔9。

如图3和图4所示，当需要进行大面积土压力测试，而需要用到多个所述土压力测试装置11时，多个所述土压力测试装置11之间通过橡胶搭接板3连接在一起，具体地，多个所述土压力测试装置11上的受压面板1之间通过所述橡胶搭接板3连接在一起，组装成大面积的受力面板，以形成多点土压力测试矩阵；多个所述土压力测试装置11的外围通过所述弹性挡板2连接成密封空间；得到大范围不同位置的受力数据。

采用上述技术方案的土压力测试装置11的工作原理：作用在受压面板1上的土压力，通过传力螺母6将土压力传递给应变梁4，使应变梁4产生微小挠度，引起应变片阻值变化，从而将土压力变化转化为电信号得以输出；采用受压面板1，可更真实测量出室内试验等土压力值较小环境下，曲面挡土结构物如模型桩、隧道模拟支护结构等受到的土压力值。

本发明还提供了一种利用上述土压力测试装置11进行土压力测试的修正计算方法，其包括如下步骤：

S1、受压面板1曲面面积范围内的土压力通过传力螺母6传递给应变梁4一端，由此应变梁4上产生变形挠度，引起电阻应变片5阻值变化，电阻应变片5输出由此引起的弹性应变量；根据弹性位移公式可知，在受压面板1曲面面积αRl范围内的土压力作用下，应变梁4的变形挠度关系式为：

${\mathrm{\&omega;}}_0=\mathrm{\&Sigma;}\&Integral;\frac{\stackrel{\&OverBar;}{M}{M}_p}{\mathrm{EI}}\mathrm{ds}=\frac{P_1{l}^3}{3\mathrm{EI}}={\mathrm{KP}}_0---\left(1\right);$

式中，ω₀为应变梁4产生的变形挠度；P₀为受压面板1曲面面积αRl范围内的土压力；α为受压面板1的曲边弧度；R为受压面板1的曲面半径；l为受压面板1的直边长度；K为压力传感器的材料系数，对特定压力传感器时，K为常量；E为应变梁4的变形模量；I为应变梁4的惯性矩；M_p为应变梁4受到压力所引起的弯矩值；为单位力作用下应变梁4受到的弯矩值；ds为应变梁4的某一微段；P₁为应变梁4与传力螺母连接的那端所受到的压力，这里P₁＝P₀；

S2、根据压力传感器上各点轴向应变ε₀与变形挠度ω₀的关系计算出轴向应变ε₀，计算公式为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_0=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0}{k}---\left(2\right);$

式中，k为压力传感器的尺寸系数，k＝a²/h；a为压力传感器的长度；h为压力传感器的高度；对于确定的某一压力传感器，k为常量；

S3、根据(1)、(2)两个公式以及通过土压力测试仪输出的变形量，可得到受压面板1曲面面积αRl范围内作用的土压力测量值为：

$P_0=\frac{k}{K}{\mathrm{\&epsiv;}}_0---\left(3\right)$

上述测得的土压力值为受压面板1所受土压力值，不同试验需要不同形状尺寸、不同材料的受压面板1，此时不可避免会存在测量误差；此外，受压面板1的曲面面积与待测结构物10需测试的曲面面积不相等，为获得待测结构物所受土压力值，需通过修正计算公式对其测量值进行修正以得到精确值；

S4、根据土压力测量值修正计算公式

$P=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{k}_i\&CenterDot;P_0---\left(4\right)$

可计算出经过修正后的待测结构物对应的曲面面积αrl范围内的土压力值；

式中，k_i(i＝1，2，3…)为各项影响因素所引起的测量误差的修正系数；

土压力直接作用于受压面板1上，并通过垂直于土压力作用方向的土压力测试装置11测得，而待测结构物10的表面与受压面板1呈外观相似曲面，因而所测土压力与待测结构物10所受土压力的比值和受压面板1与待测结构物10的曲面半径比相似，由此可通过计算得到待测结构物10表面的土压力修正系数k₁为：

k₁＝r/R     (5)

式中，R为受压面板1的曲面半径；r为待测结构物10的曲面半径；

由于受压面板1存在曲面效应，受压面板1的弧形区所受摩阻力对土压力测试结果的影响不可忽视，其影响值与受压面板1的弧度大小有关，由此引入摩阻力修正系数k₂：

$k_2=\frac{\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&pi;}}{3}+0.1\cos \mathrm{\&alpha;}+1.68---\left(6\right)$

式中，α为受压面板1的曲边弧度，当α<1时，k₂取1；

测量土压力时需将土压力测试装置11固定于挡土结构物表面，由此会对原有应力场产生一定扰动，不可避免会改变其周围原有应力场，引起应力集中和应力重分布现象，而土压力测试装置11的几何尺寸是影响其周围原有应力场的主要因素之一，因此，引入尺寸效应修正系数k₃：

$k_3=1+\frac{d}{\sqrt{2\mathrm{Rl}\sin (\mathrm{\&alpha;}/2)}}---\left(7\right)$

式中，l为受压面板1的直边长度；α为受压面板1的曲边弧度；d为土压力测试装置11的厚度。

受压面板1与周围土介质刚度不同使之在测量时存在变形协调过程，弹性挡板2、橡胶搭接板3对受压面板1变位也存在一定影响，由此引入材料变形影响系数k₄，其值与受压面板1、弹性挡板2材料本身有关，可通过材料制造商提供的相关资料确定，或通过实际试验测定。

为了更好地理解本发明的土压力测试修正计算方法的思想，本发明提供了一个具体实施例来说明本发明：

具体实施例：某次桩基承载特性研究试验，为研究滑坡推力对桩基内力位移的影响，需对模型桩桩周所受土压力进行准确测量。试验装置模型如图5所示，试验模型桩12桩长1m，桩径0.1m，桩身弹性模量E＝2.8GPa；模拟边坡13坡度为45°，岩土体材料为天然级配砂。采用本发明土压力测试装置11对桩后各处土压力值进行测量，装置受压面板1采用刚度较大的高分子材料，其弧面与待测模型桩表面呈外观相似，曲边弧度α＝π/3，曲面半径R＝6cm，直边长度h＝8cm。试验时，逐级施加坡顶竖向荷载14，待其荷载稳定后，记录数显仪显示结果。试验记录结果如表一：

通过公式(3)进行换算得到测得模型桩桩周土压力值如表二：

利用本发明所述修正计算公式对测量值进行修正。由以上材料参数以及公式(5)的计算公式可得曲面修正系数k₁＝5/6＝0.833，摩阻力修正系数k₂＝1，尺寸效应修正系数材料变形影响系数k₄＝1.1，将各修正系数代入公式(4)中的则修正后的土压力值为

采用土压力测试装置11以及利用修正计算公式修正的土压力值结果与理论值对比曲线如图6。通过本发明中所述的土压力测试装置11直接反映的荷载实测值与荷载理论值之间存在一定的测量误差，而进行了测量误差修正计算后的荷载修正值与荷载理论值间有更好的一致性。

如图7所示，为本发明的工作流程图，首先将土压力测试装置11安装好，依次进行室内测试，记录读数，土压力值换算，测量值修正，最终完成土压力测量。

由以上实施例可以看出，本发明结构简单、制造方便、性能可靠，测量测灵敏度高，使测试数据更能准确反映待测结构物的受力状态，有利于各类工程问题研究发展。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种土压力测试装置，其特征在于，包括受压面板、压力传感器和弹性挡板，所述受压面板通过所述压力传感器与待测结构物连接，所述受压面板呈与待测结构物的表面相适应的形状，所述受压面板与所述待测结构物的四周通过所述弹性挡板密封连接，形成密闭的测试空间。

2.如权利要求1所述的土压力测试装置，其特征在于，所述压力传感器包括应变梁，所述应变梁的上下表面分别贴有电阻应变片，所述应变梁的一端与所述待测结构物连接，所述应变梁的另一端与所述受压面板连接，所述电阻应变片通过导线连接到外部土压力测试仪。

3.如权利要求2所述的土压力测试装置，其特征在于，所述应变梁的一端通过锚固螺母与所述待测结构物连接，所述应变梁的另一端通过传力螺母与所述受压面板连接。

4.如权利要求1所述的土压力测试装置，其特征在于，所述弹性挡板为橡胶挡板，所述橡胶挡板可拆卸地设置在所述受压面板与所述待测结构物之间。

5.如权利要求1所述的土压力测试装置，其特征在于，当包括多个所述土压力测试装置时，多个所述土压力测试装置之间通过橡胶搭接板连接在一起。

6.如权利要求1所述的土压力测试装置，其特征在于，所述受压面板为刚性面板，所述受压面板可拆卸地与所述压力传感器连接。

7.一种土压力测试的修正计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据弹性位移公式可知，在受压面板曲面面积αRl范围内的土压力作用下，应变梁的变形挠度计算公式为：

${\mathrm{\&omega;}}_0=\mathrm{\&Sigma;}\&Integral;\frac{\stackrel{\&OverBar;}{M}{M}_p}{\mathrm{EI}}\mathrm{ds}=\frac{P_1{l}^3}{3\mathrm{EI}}={\mathrm{KP}}_0;$

式中，ω₀为应变梁产生的变形挠度；P₀为受压面板曲面面积αRl范围内的土压力；α为受压面板的曲边弧度；R为受压面板的曲面半径；l为受压面板的直边长度；K为压力传感器的材料系数，对特定压力传感器，K为常量；E为应变梁的变形模量；I为应变梁的惯性矩；M_p为应变梁受到压力而引起的弯矩值；为单位力作用下应变梁受到的弯矩值；ds为应变梁的某一微段；P₁为应变梁与传力螺母连接的一端受到的压力，且P₁＝P₀；

S2、根据压力传感器上各点轴向应变ε₀与变形挠度ω₀的关系计算出轴向应变ε₀，计算公式为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_0=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0}{k};$

式中，k为压力传感器的尺寸系数，k＝a²/h；a为压力传感器的长度；h为压力传感器的高度；对于确定的某一压力传感器，k为常量；

S3、根据S1、S2中两个公式，并通过土压力测试仪输出的变形量，得到受压面板曲面面积αRl范围内作用的土压力测量值为：

$P_0=\frac{k}{K}{\mathrm{\&epsiv;}}_0$

S4、根据土压力测量值修正计算公式

$P=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{k}_i\&CenterDot;P_0$

计算出经过修正后的待测结构物对应的曲面面积αrl范围内的土压力值；

式中，k_i(i＝1，2，3…)为各项影响因素所引起的测量误差的修正系数；

其中，垂直于土压力作用方向的压力传感器与待测结构物曲面的修正系数k₁为：

k₁＝r/R

式中，R为受压面板的曲面半径；r为待测结构物的曲面半径；

引入摩阻力修正系数k₂

$k_2=\frac{\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&pi;}}{3}+0.1\cos \mathrm{\&alpha;}+1.68$

式中，α为受压面板的曲边弧度，当α<1时，k₂取1；

引入尺寸效应修正系数k₃

$k_3=1+\frac{d}{\sqrt{2\mathrm{Rl}\sin (\mathrm{\&alpha;}/2)}}$

式中，l为受压面板的直边长度；α为受压面板的曲边弧度；d为土压力测试装置的厚度；

引入材料变形影响系数k₄，其值与受压面板、弹性挡板的材料性质有关，通过材料制造商提供的相关资料确定，或通过实际试验测定。