CN112326073A - 用于模型试验的土压力测量装置及其标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于模型试验的土压力测量装置及其标定方法，涉及隧道工程研究技术领域，其包括设置有储水腔的水箱和与储水腔连通的液柱管，储水腔的顶部设置有挡水板，挡水板上固定有活塞，活塞滑动设置于端部敞开的活塞套筒内，水箱密封设置于隔离箱中，隔离箱包括刚性外壳和填充于刚性外壳内侧的缓冲球。解决了现有技术中模拟试验中所使用的土压力测量装置无法屏蔽横向力影响的问题。

Description

用于模型试验的土压力测量装置及其标定方法
技术领域
本发明涉及隧道工程研究技术领域，特别是涉及一种用于模型试验的土压力测量装置及其标定方法。
背景技术
土压力传感器适用于在测量边坡、基坑、隧道、堤坝等结构物的内部土压力，是土压力测试中常用的重要仪器，现有技术中常用的测量土压力的传感器为弦振式土压力盒，将弦振式土压力盒埋设在指定位置，当被测结构物内土应力发生变化时，感应板将会产生变形，变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激励振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构的压应力值。
由于传统土压力传感器测量的有效数据是垂直土压力传感器感应板表面的均布压力，而不均匀力和侧向力均会对传统土压力传感器的测量数据造成影响，使其测量结果产生较大的误差，同时弦振式土压力盒感应板刚度大，只能应用于实际工程中去测量较大的土压力，而对于在实验室中进行的模拟试验，由于受试验设备的限制导致模拟土压力无法模拟得太大，导致测量精度低，使用不方便。目前模拟试验中，通常是采用一个柔性的水袋测量土压力，柔性水袋的弊端是无法屏蔽横向力的影响，导致测得的土压力不准确。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种用于模型试验的土压力测量装置及其标定方法，解决了现有技术中模拟试验中所使用的土压力测量装置无法屏蔽横向力影响的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种用于模型试验的土压力测量装置，其包括设置有储水腔的水箱和与储水腔连通的液柱管，储水腔的顶部设置有挡水板，挡水板上固定有活塞，活塞滑动设置于端部敞开的活塞套筒内，水箱密封设置于隔离箱中，隔离箱包括刚性外壳和填充于刚性外壳内侧的缓冲球。
上述用于模型试验的土压力测量装置的标定方法包括：
将土压力测量装置竖直埋于试验土中，使液柱管位于试验土外并与大气接触，给试验土施加多组压力P1，对应记录液柱管中液面的高度变化值h1，将h1代入下式计算得到P1与h1的对应关系，
P1-P2＝ρgh1(1+d2/D2)
其中，P2为大气压力，ρ为储水腔中所装液体的密度，g为重力加速度，d为液柱管的孔径，D为储水腔的内径；
除去覆盖在土压力测量装置上的试验土，观察回位反馈机构中是否有电路接通信号，
若有电路接通信号，则活塞回位正常；
若无电路接通信号，则将反冲装置连接于液柱管上，向储水腔中通入液体或气体直至有电路接通信号。
本发明的有益效果为：活塞的顶端受到压力后下移将压力传递给储水腔中的液体使液柱管中的液面上升，且液面上升高度与受到的压力成正相关，通过液面上升高度即可得到施加在活塞上的正压力。
隔离箱的设置能够防止侧压力和不均匀压力作用于水箱上对轴向压力测量精度的影响，提高作用于活塞上的轴向力的精度。刚性外壳能够降低侧向静压力对隔离箱的挤压，缓冲球能够将刚性外壳传递的压力缓冲掉。
通过本方案中的土压力测量装置能够高效且简便的测出模拟试验中各结构物内部的单向土压力，且结构简单、成本低廉，测量精度高，非常适应于模拟试验中小压力测量。
附图说明
图1为用于模型试验的土压力测量装置的轴剖图。
图2为图1中A处的放大图。
图3为图1中B处的放大图。
图4为图3中电闸开关所连接的电路图。
其中，1、水箱；11、储水腔；2、液柱管；3、挡水板；4、活塞；5、活塞套筒；6、隔离箱；61、刚性外壳；62、缓冲球；7、柔性密封件；71、第一环形凸台；72、第二环形凸台；73、柔性防护布；74、环形套；8、回位反馈机构；81、拨杆；811、电闸开关；82、挡台；83、金属片；9、反冲装置。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1～图3所示，该用于模型试验的土压力测量装置包括设置有储水腔11的水箱1和与储水腔11连通的液柱管2，储水腔11的顶部设置有挡水板3，挡水板3上固定有活塞4，活塞4滑动设置于端部敞开的活塞套筒5内，水箱1密封设置于隔离箱6中，隔离箱6包括刚性外壳61和填充于刚性外壳61内侧的缓冲球62。
挡水板3的形状与储水腔11的形状对应，在挡水板3的外圈上套接有密封圈用于密封挡水板3与储水腔11之间的间隙，防止液体受到挤压往水箱1的上方走。活塞套筒5的厚度至少是水箱1厚度的2倍，活塞套筒5与水箱1采用焊接或粘接等方式固定为一体，活塞4的顶面为受力面，活塞4与活塞套筒5间隙配合，使得活塞4能够顺畅地沿着活塞套筒5轴向滑动。
隔离箱6的顶板合围于活塞套筒5外并通过焊接等方式固定连接，隔离箱6内设置有夹层腔，缓冲球62填充于夹层腔中，刚性外壳61采用刚性大的棒材制成，通过刚性外壳61抵挡侧压力。隔离箱6的侧壁与水箱1的侧壁间隔设置。
活塞4远离水箱1的一端与活塞套筒5通过柔性密封件7连接。通过柔性密封件7能够遮挡活塞4与活塞套筒5之间的间隙，防止沙土进入使活塞无法顺畅滑动，同时其柔性的特性使得其不会在活塞4的移动过程中产生牵拉，影响活塞4的受力，使得活塞4能够将顶端受到的全部压力传递给储水腔11中的液体。
柔性密封件7包括分别设置于活塞套筒5顶端和活塞4顶端的第一环形凸台71和第二环形凸台72，第一环形凸台71一体成型于活塞套筒5顶面的内侧且第一环形凸台71的顶面与活塞套筒5的顶面齐平，第二环形凸台72一体成型于活塞4顶面的外侧且第二环形凸台72的顶面与活塞4的顶面齐平。
柔性防护布73的两端分别固定有与第一环形凸台71和第二环形凸台72固定的环形套74，环形套74上设置有底面开口且截面为矩形的环形槽，使得环形套74可以骑跨于第一环形凸台71或第二环形凸台72上并粘接，粘接面有三面，以便于柔性防护布72与活塞4或活塞套筒5固定牢固。
柔性防护布73的长度不小于活塞4的滑动量程，使得在活塞4的整个上下滑动过程中，都不会受到柔性防护布73的牵拉。柔性防护布73可以是具有防水涂层的布料，也可以是塑料布以及其他柔性的且能够阻止泥沙和水透过的材质。
液柱管2为透明管，液柱管2从储水腔11的底部沿水平方向密封穿过水箱1后垂直弯折并沿着竖直方向向上延伸，竖直的液柱管2的下部分位于隔离箱6中，活塞4在最高位置时，液柱管2中最低液面高度需位于隔离箱6外，以保证在测量土压力过程中，液柱管2中的液面始终处于可观察范围内。液柱管2上固定有液面高度刻度尺，液面高度刻度尺可以是直接标注于液柱管2上的刻度线，也可以是固定于液柱管2外侧的刻度尺。液面高度刻度尺便于直观地读取液柱管2中液面的高度变化。
活塞套筒5的顶部设置有检测活塞4是否回位的回位反馈机构8。当活塞4顶端的压力消失后会回到初始位置，回位反馈机构8能够检测活塞4是否回到初始位置，以便于知道设置在活塞套筒5内部不可见的活塞是否遇到故障，以保证本土压力测量装置的有效性。
回位反馈机构8包括拨杆81，拨杆81的中部枢轴连接于活塞套筒5上，拨杆81的一端横向延伸至活塞4的上方，拨杆81的另一端作为电闸开关811连接于电路上，使得活塞4上移过程中会推动拨杆81绕着枢轴向上转动，使得拨杆81的电闸开关811端能够闭合电路，点亮电路上的LED指示灯，通过指示灯点亮可以判断到活塞4已经回位。电路的电路图如图4所示，为常见的给LED灯供电的电路，拨杆81在电闸开关811端为导电的金属材质，其他部分为树脂或者橡胶等非导电材质，电闸开关811与导线连接，活塞4推动拨杆81向上转动，如图3中虚线所示，电闸开关811端向下转动与固定于活塞套筒5对应位置处的金属片83接触将电路导通点亮LED灯。
活塞套筒5上设置有防止拨杆81向下转动的挡台82。在实际加工过程中，可以从活塞套筒5的顶面向下开设一个向内侧贯穿的矩形槽，拨杆81的枢轴转动安装于矩形槽的侧面上，矩形槽邻近活塞4端的底面成为挡台82，矩形槽远离活塞4的一端设置有更深的小矩形槽以便于电闸开关811有向下转动的空间，金属片82安装于小矩形槽的侧面上。
液柱管2的顶端可拆卸连接有反冲装置9。优选将反冲装置9通过管道与液柱管2连接，只在回位反馈机构8未检测到活塞4回位的情况下连接使用，未回位的情况可能是泥沙进入卡住了活塞导致不能复位，反冲装置9可以是充气泵或者水泵，用于向储水腔11中注水或者气体来增加水压，将活塞4顶回原位。
上述用于模型试验的土压力测量装置的标定方法包括：
将土压力测量装置竖直埋于试验土中，使液柱管2位于试验土外并与大气接触，给试验土施加多组压力P1，对应记录液柱管2中液面的高度变化值h1，将h1代入下式计算得到P1与h1的对应关系，
P1-P2＝ρgh1(1+d2/D2)
其中，P2为大气压力，ρ为储水腔中所装液体的密度，g为重力加速度，d为液柱管的孔径，D为储水腔的内径，上式中，活塞4下降的高度h2相对于h1可以忽略不计。
除去覆盖在土压力测量装置上的试验土，观察回位反馈机构8中是否有电路接通信号，
若有电路接通信号，则活塞4回位正常；
若无电路接通信号，则将反冲装置9连接于液柱管2上，向储水腔11中通入液体或气体直至有电路接通信号。

Claims (9)

1.一种用于模型试验的土压力测量装置，其特征在于，包括设置有储水腔(11)的水箱(1)和与所述储水腔(11)连通的液柱管(2)，所述储水腔(11)的顶部设置有挡水板(3)，所述挡水板(3)上固定有活塞(4)，所述活塞(4)滑动设置于端部敞开的活塞套筒(5)内，所述水箱(1)密封设置于隔离箱(6)中，所述隔离箱(6)包括刚性外壳(61)和填充于刚性外壳(61)内侧的缓冲球(62)。
2.根据权利要求1所述的用于模型试验的土压力测量装置，其特征在于，所述活塞(4)远离所述水箱(1)的一端与所述活塞套筒(5)通过柔性密封件(7)连接。
3.根据权利要求2所述的用于模型试验的土压力测量装置，其特征在于，所述柔性密封件(7)包括分别设置于所述活塞套筒(5)顶端和所述活塞(4)顶端的第一环形凸台(71)和第二环形凸台(72)，柔性防护布(73)的两端分别固定有与所述第一环形凸台(71)和所述第二环形凸台(72)固定的环形套(74)，所述柔性防护布(73)的长度不小于所述活塞(4)的滑动量程。
4.根据权利要求1所述的用于模型试验的土压力测量装置，其特征在于，所述液柱管(2)的一端通入所述储水腔(11)的底部，所述液柱管(2)的另一端沿着竖直方向向上延伸，所述液柱管(2)上固定有液面高度刻度尺。
5.根据权利要求1所述的用于模型试验的土压力测量装置，其特征在于，所述活塞套筒(5)的顶部设置有检测所述活塞(4)是否回位的回位反馈机构(8)。
6.根据权利要求5所述的用于模型试验的土压力测量装置，其特征在于，所述回位反馈机构(8)包括拨杆(81)，所述拨杆(81)的中部枢轴连接于所述活塞套筒(5)上，所述拨杆(81)的一端横向延伸至所述活塞(4)的上方，所述拨杆(81)的另一端作为电闸开关(811)连接于电路上，所述活塞套筒(5)上设置有防止所述拨杆(81)向下转动的挡台(82)。
7.根据权利要求1所述的用于模型试验的土压力测量装置，其特征在于，所述液柱管(2)的顶端可拆卸连接有反冲装置(9)。
8.根据权利要求1所述的用于模型试验的土压力测量装置，其特征在于，所述隔离箱(6)的顶端合围于所述活塞套筒(5)外，所述隔离箱(6)内设置有夹层腔，所述缓冲球(62)填充于所述夹层腔中，所述隔离箱(6)的侧壁与所述水箱(1)的侧壁间隔设置。
9.一种权利要求1～8中任一所述的用于模型试验的土压力测量装置的标定方法包括：
将土压力测量装置竖直埋于试验土中，使液柱管(2)位于试验土外并与大气接触，给试验土施加多组压力P1，对应记录液柱管(2)中液面的高度变化值h1，将h1代入下式计算得到P1与h1的对应关系，
P1-P2＝ρgh1(1+d2/D2)
其中，P2为大气压力，ρ为储水腔中所装液体的密度，g为重力加速度，d为液柱管的孔径，D为储水腔的内径；
除去覆盖在土压力测量装置上的试验土，观察回位反馈机构(8)中是否有电路接通信号，
若有电路接通信号，则活塞(4)回位正常；
若无电路接通信号，则将反冲装置(9)连接于液柱管(2)上，向储水腔(11)中通入液体或气体直至有电路接通信号。
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