CN109781310A - 土压力测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土压力测试装置及测试方法，其中的装置包括测试板、U形槽框、V形夹和直管，测试板包括滑板和盖板，盖板包括将滑板夹在中间的两块分盖板，在U形槽框内开设有供盖板插入的凹槽；V形夹的底端与各U形槽框的顶端分别通过螺栓连接，V形夹的顶端与直管焊接，在V形夹内固定有隔板，在隔板上对应于各U形槽框的位置分别固定有电感线圈，在各电感线圈内分别放置有拉力弹簧，各拉力弹簧的底端分别通过钢丝绳与对应的滑板连接，各拉力弹簧的顶端分别连接有从直管上部伸出的绳子，各电感线圈分别通过导线与电感表连接。本发明可以从土体表面直接插入土体深部，无需预埋，不仅可用于测试填土内土压力，更适用于测试原状土内的土压力。

Description

土压力测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于土压力测试技术领域，更为具体地，涉及一种土压力测试装置及测试方法。

背景技术

在边坡支护、滑坡治理、基坑支挡设计中，最关键的是合理确定出不同深度处的土压力的大小，虽然经典土力学理论提供了根据土体力学参数计算土压力的公式，但由于力学理论的适用性和土体力学参数的不均性、随机性，计算出的土压力往往与实际有一定的出入，再考虑到土体力学参数本身测试的繁琐性，岩土工程师们更倾向于采用试验现场测试出土压力的数值。

目前，现场测试土压力主要采用埋设土压力盒的方法，目前应用的土压力盒为电阻应变式土压力盒和钢弦式土压力盒，土压力盒测试土压力需要预先埋设，无法测试出原状土内的土压力，主要用于测试填土内土压力。土压力盒的厚度与测试面积正相关，测试面积越大，盒的厚度越大，如直径13mm的电阻式微型压力盒厚度为8mm，直径88mm的钢弦式压力盒厚度为23mm。由于土压力盒与土体变形不协调，盒的厚度越大测试结果误差越大，同时由于土体压力大小的不均性，测试面积越小，测试结果越不可靠(对工程设计的指导意义越差)，从这方面讲，采用传统的土压力盒测试土压力有很大的局限性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种土压力测试装置及测试方法，以解决现有的土压力盒不适合测量原状土内土压力的问题。

本发明提供的土压力测试装置，包括：至少三块测试板、与测试板数量相同的U形槽框、V形夹和直管；其中，每块测试板分别包括滑板和盖板，各滑板之间的立面尺寸相等、厚度不同，各盖板分别包括两块分盖板，各滑板分别夹在对应的两块分盖板之间；各U形槽框之间的立面尺寸相等、厚度不同，在各U形槽框内分别开设有凹槽，各凹槽的槽深相同、槽宽不同，两块分盖板插入在对应的凹槽内；V形夹的底端与各U形槽框的顶端分别通过螺栓连接，V形夹的顶端与直管焊接，在V形夹内固定有隔板，在隔板上对应于各U形槽框的位置分别固定有电感线圈，在各电感线圈内分别放置有拉力弹簧，各拉力弹簧的底端分别通过钢丝绳与对应的滑板连接，各拉力弹簧的顶端分别连接有从直管上部伸出的绳子，各电感线圈分别连接有从直管上部伸出与电感表连接的导线。

此外，优选的结构是，在各U形槽框的凹槽内均固定有阻止盖板向上滑动的阻滑键。

另外，优选的结构是，在各滑板的外表面与各盖板的内表面分别喷涂有聚四氟乙烯涂层。

利用上述本发明提供的土压力测试装置测试土压力的方法，包括如下步骤：

步骤S1：预先将拉力弹簧放在电感线圈内，并将电感线圈通过导线与电感表连接，以标定出不同弹簧拉力下所对应的电感量；

步骤S2：将土压力测试装置压入土体内部的预定深度处，将电感表通过导线与各电感线圈连接，依次向上拉动各滑板上部的绳子，通过电感表自动记录各滑板被拉动时电感量的最小读数，该最小读数为对应测试板受到的摩擦力；

步骤S3：根据各测试板受到的摩擦力在直角坐标系下采用二元一次方程拟合获得拟合方程，根据拟合方程推导出厚度接近于零的测试板受到的摩擦力；

步骤S4：将推导出的厚度接近于零的测试板受到的摩擦力除以预先标定的该测试板的摩擦系数计算出该测试板两面受到的土压力，该土压力除以二得到该测试板单面受到的土压力。

与现有技术相比，本发明提供的土压力测试装置及测试方法，能够取得以下技术效果：

1、本土压力测试装置可以从土体表面直接插入土体深部，无需预埋，不仅可用于测试填土内土压力，更适用于测试原状土内的土压力；

2、本土压力测试装置在保证足够薄的基础上又保证土压力测试面积的足够大；

3、在本土压力测试装置插入土体的过程中，对原状土有一定的挤压作用本发明可根据不同厚度的测试板测出的土压力值推导出零厚度测试板对应的土压力值。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的土压力测试装置的结构图；

图2为图1从中间处纵向剖开的剖面图；

图3为图1从两侧处纵向剖开的剖面图；

图4为图1从下端横向剖开的剖面图；

图5为根据本发明实施例的测试板摩擦力的拟合数据图。

其中的附图标记包括：第一滑板1-1、第二滑板1-2、第三滑板1-3、第一盖板2-1、第二盖板2-2、第三盖板2-3、第一U形槽框3-1、第二U形槽框3-2、第三U形槽框3-3、V形夹4、螺栓5、直管6、隔板7、电感线圈8、拉力弹簧9、钢丝绳10、绳子11、导线12、阻滑键13。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

如图1-图4共同所示，本发明实施例提供的土压力测试装置，包括：至少三块测试板、与测试板数量相同的U形槽框、V形夹4和直管6，每块测试板分别包括滑板和盖板，图1中示出了三块测试板，下面以三块测试板为例进行说明，三块测试板分别为第一测试板、第二测试板和第三测试板，第一测试板包括第一滑板1-1和第一盖板2-1，第二测试板包括第二滑板1-2和第二盖板2-2，第三测试板包括第三滑板1-3和第三盖板2-3，第一滑板1-1、第二滑板1-2和第三滑板1-3的厚度不同，分别为1mm、3mm和2mm，但第一滑板1-1、第二滑板1-2和第三滑板1-3的立面尺寸相等，第一盖板2-1、第二盖板2-2和第三盖板2-3分别包括两块分盖板，且两块分盖板的厚度之和为1mm，即，第一盖板2-1、第二盖板2-2和第三盖板2-3的厚度均为1mm，第一盖板2-1、第二盖板2-2和第三盖板2-3的长度均为76mm、宽度均为50mm，第一滑板1-1夹在第一盖板2-1的两块分盖板之间，第二滑板1-2夹在第二盖板2-2的两块分盖板之间，第三滑板1-3夹在第三盖板2-3的两块分盖板之间，将盖板厚度与滑板厚度之和称为测试板厚度，则第一测试板厚度、第二测试板厚度、第三测试板厚度分别为3mm、5mm、4mm，而测试板的测试面积为盖板与土体的接触面积，由于第一盖板2-1、第二盖板2-2、第三盖板2-3的立面尺寸均相等，因此，三块测试板的测试面积相等均为0.0038m²。

本发明既可以保证土压力测试装置足够薄，又可以保证土压力测试面积足够大。

U形槽框的数量为三个，分别为第一U形槽框3-1、第二U形槽框3-2、第三U形槽框3-3，第一U形槽框3-1、第二U形槽框3-2、第三U形槽框3-3的立面尺寸相等、厚度不同，在第一U形槽框3-1、第二U形槽框3-2与第三U形槽框3-3内分别开设有凹槽，三个凹槽的槽深相同、槽宽不同，第一盖板2-1插入在第一U形槽框3-1的凹槽内，第二盖板2-2插入在第二U形槽框3-2的凹槽内，第三盖板2-3插入在第三U形槽框3-3的凹槽内。

需要说明的是，测试板需要插入到土体中，所以U形槽框为尖底结构。

V形夹4的底端与第一U形槽框3-1、第二U形槽框3-2、第三U形槽框3-3的顶端分别通过螺栓5连接，在V形夹4内固定有隔板7，在隔板7上对应于第一U形槽框3-1、第二U形槽框3-2、第三U形槽框3-3的位置分别固定有电感线圈8，在三个电感线圈8内分别放置有拉力弹簧9，三根拉力弹簧9的底端分别通过钢丝绳10与第一滑板1-1、第二滑板1-2、第三滑板1-3连接，三根拉力弹簧9的顶端分别连接有绳子11，三条绳子11分别从直管6的上部伸出，三个电感线圈8分别连接有导线12，三根导线12分别直管6的上部伸出与电感表连接。

当向上拉动绳子11时，向拉力弹簧9施加向上的拉力，当拉力足够大时，拉力弹簧9拉动滑板向上滑动，此时，电感表会自动记录电感量的最小读数，该最小读数所对应的弹簧拉力即为滑板所受到的摩擦力。

为了阻止盖板向上滑动，在U形槽框的槽内固定有阻滑键13。

为了减少滑板与盖板之间的摩擦系数，从而减小拉动滑板所需的力，在滑板的两面及盖板的内表面喷涂有聚四氟乙烯层。

上述内容详细描述了本发明实施例提供的土压力测试装置的结构，该土压力测试装置用于测试土体内的土压力，测试土压力实际上是指测试土压力的强度，但土木工程学术界将其简称为土压力。

利用土压力测试装置进行土压力测试的方法，包括如下步骤：

步骤S1：预先将拉力弹簧放在电感线圈内，并将电感线圈通过导线与电感表连接，以标定出不同弹簧拉力下所对应的电感量。

在后续测试过程中，读出电感表的电感量即可获得拉力弹簧当前的拉力，该拉力为测试板受到的摩擦力。

步骤S2：将土压力测试装置压入土体内部的预定深度处，将电感表通过导线与三个电感线圈连接，依次向上拉动第一滑板、第二滑板与第三滑板上部的绳子，通过电感表分别记录第一滑板、第二滑板与第三滑板被拉动时，电感表中电感量的最小读数。

当第一滑板被拉动时，通过电感表自动记录电感量的最小读数，获得第一滑板受到的摩擦力F(1)，同理获得第二滑板受到的摩擦力F(2)与第三滑板受到的摩擦力F(3)。

步骤S3：根据摩擦力F(1)、F(2)、F(3)在直角坐标系下采用二元一次方程拟合获得拟合方程，根据拟合方程推导出厚度接近于零的测试板受到的摩擦力F(0)。

由于土压力测试装置在插入土体的过程中，对原状土有一定的挤压作用，只有厚度接近于零的测试板测出的土压力才代表真实的土压力值，因此，本发明通过第一滑板、第二滑板与第三滑板受到的摩擦力推导出厚度接近于零的测试板所受到的摩擦力，再通过摩擦力计算公式，计算得到厚度接近于零的测试板所受到的土压力，该土压力代表土体内未受到挤压的土压力值。

如图5所示，在对第一测试板厚度为3mm、第二测试板厚度为5mm、第三测试板厚度为4mm时所获得的摩擦力F(1)、F(2)、F(3)进行拟合得到的拟合方程为：y＝-0.5x²+21.5x+110；其中，x表示测试板厚度，y表示测试板受到的摩擦力。当x＝0mm时，y＝F(0)＝110N。

步骤S4：将推导出的厚度接近于零的测试板受到的摩擦力F(0)除以预先标定的该测试板的摩擦系数μ计算出该测试板两面受到的土压力P，该土压力P除以2得到该测试板单面受到的土压力P`。

该步骤采用的是摩擦力计算公式，公式为：F(0)＝μ×P；其中，μ为滑板与盖板之间的摩擦系数，F(0)为滑板受到的摩擦力，P为盖板两面受到的土压力，则盖板单面受到的土压力P`＝P/2。

例如：F(0)＝110N，摩擦系数μ＝0.1，测试板的测试面积为0.0038m²，则P＝110/0.1＝1100N，P`＝1100/2＝550N，根据压强公式，作用于测试板单面的土压力强度p＝550/0.0038＝144736Pa＝144.736kPa。

步骤S5：在完成该深度的土压力测试后，将土压力测试装置向上提起约90mm，由于上部土体被V形夹充分挤压，作用在盖板上的土压力被完全解除，滑板在重力作用下落到初始位置。

步骤S6：将本装置继续压入土体更深处，重新开展该深度处的土压力测试。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种土压力测试装置，其特征在于，包括：至少三块测试板、与所述测试板数量相同的U形槽框、V形夹和直管；其中，

每块测试板分别包括滑板和盖板，各滑板之间的立面尺寸相等、厚度不同，各盖板分别包括两块分盖板，各滑板分别夹在对应的两块分盖板之间；

各U形槽框之间的立面尺寸相等、厚度不同，在各U形槽框内分别开设有凹槽，各凹槽的槽深相同、槽宽不同，两块分盖板插入在对应的凹槽内；

所述V形夹的底端与各U形槽框的顶端分别通过螺栓连接，所述V形夹的顶端与所述直管焊接，在所述V形夹内固定有隔板，在所述隔板上对应于各U形槽框的位置分别固定有电感线圈，在各电感线圈内分别放置有拉力弹簧，各拉力弹簧的底端分别通过钢丝绳与对应的滑板连接，各拉力弹簧的顶端分别连接有从所述直管上部伸出的绳子，各电感线圈分别连接有从所述直管上部伸出与电感表连接的导线。

2.如权利要求1所述的土压力测试装置及测试方法，其特征在于，在各U形槽框的凹槽内均固定有阻止盖板向上滑动的阻滑键。

3.如权利要求1所述的土压力测试装置及测试方法，其特征在于，在各滑板的外表面与各盖板的内表面分别喷涂有聚四氟乙烯涂层。

4.利用权利要求1所述的土压力测试装置测试土压力的方法，包括如下步骤：

步骤S1：预先将拉力弹簧放在电感线圈内，并将所述电感线圈通过导线与电感表连接，以标定出不同弹簧拉力下所对应的电感量；

步骤S2：将土压力测试装置压入土体内部的预定深度处，将电感表通过导线与各电感线圈连接，依次向上拉动各滑板上部的绳子，通过所述电感表自动记录各滑板被拉动时电感量的最小读数，该最小读数为对应测试板受到的摩擦力；

步骤S3：根据各测试板受到的摩擦力在直角坐标系下采用二元一次方程拟合获得拟合方程，根据所述拟合方程推导出厚度接近于零的测试板受到的摩擦力；

步骤S4：将推导出的厚度接近于零的测试板受到的摩擦力除以预先标定的该测试板的摩擦系数计算出该测试板两面受到的土压力，将该土压力除以二得到该测试板单面受到的土压力。