CN113790829A - 一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法，用于当土体试块受到竖向载荷时测试其受到的水平压力，测试装置包括：底座、套筒、薄膜压力传感器、压头、PC端；方法包括：先将套筒与底座固定，然后将土体试块置于套筒内部，使土体试样与设置在套筒内壁的薄膜压力传感器贴合接触；通过压头向土体试块施加垂向压力，使土体试块发生形变并向套筒的水平方向发生位移，直至套筒的侧壁发生形变；通过薄膜压力传感器监测土体试块受到的水平压力数据，并将压力数据传输至PC端；PC端依据水平压力数据，计算得出土体试样受到垂向压力时的水平压力系数。可广泛应用于岩土综合检测技术领域。

Description

一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法

技术领域

本发明属于岩土综合检测技术领域，特别涉及一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法。

背景技术

目前，土体在竖向荷载作用下，水平方向传递多大数值的力，通过K0系数的大小反应，不同土的水平传力比例和性质均不相同。传统固结试验及仪器中，实验土样放置于环刀中仅能测量竖向荷载，由于环刀的刚性较大，无法测量水平传力荷载数值的大小。因此，现有技术中缺乏一种试验装置能精确测量竖向荷载作用下水平传力荷载数值的大小。

可见，通过现有技术中环刀对不同土体的装填和测量，只能测试土体的竖向载荷，且在竖向荷载作用下，无法测试水平方向传递多大数值的力；

也即，对于土体在受到竖向载荷的作用下如何测试其水平载荷力，是本领域亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法，以至少解决上述部分技术问题。

为至少解决上述部分技术问题，第一方面，本发明提供了一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法及系统，用于当土体试块受到竖向载荷时测试其受到的水平压力，所述测试装置包括：底座、套筒、薄膜压力传感器、压头、PC端；所述底座上设置所述套筒；所述套筒为直筒状，所述套筒的顶部和底部均为敞口，所述套筒的底部敞口设置在所述底座上，所述薄膜压力传感器环向设置在所述套筒的内侧壁，所述压头设置在套筒的顶部，所述压头设置在套筒的顶部；所述方法包括：先将所述套筒与所述底座固定，然后将所述土体试块置于所述套筒内部，使所述土体试样与设置在所述套筒内壁的所述薄膜压力传感器贴合接触；通过所述压头向所述土体试块施加垂向压力，使所述土体试块发生形变并向所述套筒的水平方向发生位移，直至所述套筒的侧壁发生形变；通过所述薄膜压力传感器监测所述土体试块受到的水平压力数据，并将所述压力数据传输至所述PC端；所述PC端依据所述水平压力数据，计算得出所述土体试样受到垂向压力时的水平压力系数。

在第一方面中，所述方法还包括：在试验之前，通过将铝材或者马口铁材料制备成顶部和底部敞口的直筒状以作为用于容置所述土体试块的所述套筒。

在第一方面中，所述方法还包括：将所述土体试块置于所述套筒内部后，在所述套筒的顶部，位于所述压头的下部，设置一加载板，并将所述加载板的周向侧壁设置与所述套筒的内壁相贴合。

在第一方面中，所述方法还包括：在所述套筒与所述底座固定之前，先将底座上设置若干透水孔隙，以导出当土体试样被压迫时渗漏的水分。

在第一方面中，将每一所述透水孔隙的尺寸为0.3-0.8mm。

在第一方面中，所述方法还包括：在底座上设置透水孔隙后，在所述套筒的底部，位于所述透水孔隙的正上方设置一滤纸，用于当所述土体试块容置与所述套筒内并与所述滤纸接触时，将由土体试块渗出的水进行过滤。

在第一方面中，所述方法还包括：在所述土体试块置于所述套筒内部之前，将一内部容置有水的气球放置于所述套筒内部，使所述气球的外壁与所述套筒的内壁相接触，并垂直按压所述气球使所述气球的周向外壁均衡压迫所述套筒的内壁。

在第一方面中，所述方法还包括：将所述套筒与所述底座固定之前，先在所述底座上设置一凸起部，将所述凸起部的周向尺寸设置为刚好与所述套筒的内径相一致，然后所述套筒的底部套设在该所述凸起部上。

在第一方面中，所述方法还包括：将压头的输出电压设置为5-10V。

在第一方面中，所述方法还包括：在所述套筒的顶部设置加载板后，在加载板上设置一传力装置，并使所述压头压设在传力装置上，将所述传力装置设置为若干等直径的实体柱状结构。

有益效果：

本发明提供的一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法及系统，通过在套筒内侧壁设置薄膜压力传感器，以测试套筒内的土体试样在受到垂向压力时的水平压力系数，具体包括:先将套筒与底座固定，在将土体试块置于套筒内部，使土体试样与设置在套筒内壁的薄膜压力传感器贴合接触；然后通过压头向土体试块施加垂向压力，使土体试块发生形变并向套筒的水平方向发生位移，直至套筒的侧壁发生形变；最后通过薄膜压力传感器监测土体试块受到的水平压力数据，并将压力数据传输至PC端；PC端依据水平压力数据，计算得出土体试样受到垂向压力时的水平压力系数，进而达到对于当土体在受到竖向载荷的作用下如何测试其水平载荷力提供技术参照的技术目的。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例一提供的基于薄膜压力传感器的土体水平压力测试装置的结构示意图；

图2位本实施例一提供的一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法及系统的流程图；

附图标记：

1.底座；

2.滤纸；

3.土体试样；

4.加载板；

5.套筒；

6.薄膜压力传感器；

7.压头。

具体实施方式

下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。

实施例一：

请参阅图1-2，本发明的实施例一提供的基于薄膜压力传感器6的土体水平压力测试装置的测试方法，用于当土体试块受到竖向载荷时测试其受到的水平压力，所述测试装置包括：底座1、套筒5、薄膜压力传感器6、压头7、PC端；所述底座1上设置所述套筒5；所述套筒5为直筒状，所述套筒5的顶部和底部均为敞口，所述套筒5的底部敞口设置在所述底座1上，所述薄膜压力传感器6环向设置在所述套筒5的内侧壁，所述压头7设置在套筒5的顶部，所述压头7设置在套筒5的顶部；所述方法包括：先将所述套筒5与所述底座1固定，然后将所述土体试块置于所述套筒5内部，使所述土体试样3与设置在所述套筒5内壁的所述薄膜压力传感器6贴合接触；通过所述压头7向所述土体试块施加垂向压力，使所述土体试块发生形变并向所述套筒5的水平方向发生位移，直至所述套筒5的侧壁发生形变；通过所述薄膜压力传感器6监测所述土体试块受到的水平压力数据，并将所述压力数据传输至所述PC端；所述PC端依据所述水平压力数据，计算得出所述土体试样3受到垂向压力时的水平压力系数；

在上述技术方案中，本发明提供的基于薄膜压力传感器6的土体水平压力测试装置的测试方法，通过在套筒5内侧壁设置薄膜压力传感器6，以测试套筒5内的土体试样3在受到垂向压力时的水平压力系数，具体包括:先将套筒5与底座1固定，在将土体试块置于套筒5内部，使土体试样3与设置在套筒5内壁的薄膜压力传感器6贴合接触；然后通过压头7向土体试块施加垂向压力，使土体试块发生形变并向套筒5的水平方向发生位移，直至套筒5的侧壁发生形变；最后通过薄膜压力传感器6监测土体试块受到的水平压力数据，并将压力数据传输至PC端；PC端依据水平压力数据，计算得出土体试样3受到垂向压力时的水平压力系数，进而达到对于当土体在受到竖向载荷的作用下如何测试其水平载荷力提供技术参照的技术目的，请参阅图2，S1表示：先将所述套筒5与所述底座1固定，然后将所述土体试块置于所述套筒5内部，使所述土体试样3与设置在所述套筒5内壁的所述薄膜压力传感器6贴合接触；S2表示：通过所述压头7向所述土体试块施加垂向压力，使所述土体试块发生形变并向所述套筒5的水平方向发生位移，直至所述套筒5的侧壁发生形变；S3表示：通过所述薄膜压力传感器6监测所述土体试块受到的水平压力数据，并将所述压力数据传输至所述PC端；S4表示：所述PC端依据所述水平压力数据，计算得出所述土体试样3受到垂向压力时的水平压力系数。

进一步地，在计算土体试样3收到垂向压力时其水平压力系数是通过

计算的。

对于上述实施一中的套筒5而言，其可以采用如下的材料进行制备，通过将铝材或者马口铁材料制备成顶部和底部敞口的直筒状以作为用于容置土体试块的套筒5，原因是，现有技术中，通过环刀对土体试样3进行选取并测试，但由于环刀材质刚度较大，只能测试土体的竖向应力，无法在测试竖向应力，也即在土体受到竖向载荷时，无法通过环刀来测试其水平的应力，所以，需要对装载土体试样3的容器的材料进行更换，所以采用了用于制造易拉罐罐体的铝材或者马口铁材料，其材料韧性较好，能够适应对土体的承载，以及在土体受到一定压力时，对筒体的侧壁形成挤压形变，在通过薄膜压力传感器6对形变量进行检测。

对于实施例一中将所述土体试块置于所述套筒5内部的方法而言，考虑到压头7的体积远小于土体试样3的体积，如果正常施压，会形成式样图快的局部凹陷，进而无法达到通过压头7向土体试样3均衡施压的技术效果，基于此，本实施例一还提出一种解决方案，该方案具体为：在所述套筒5的顶部，位于所述压头7的下部，设置一加载板4，并将所述加载板4的周向侧壁设置与所述套筒5的内壁相贴合，这样就使得压头7压设加载板4时，通过加载板4与土体试样3顶部面积一致的特性，将压力作用在加载板4上，再由加载板4垂直作用于土体试样3上，进而达到土体试样3受力均匀的技术效果。

对于在所述套筒5与所述底座1固定步骤之前，还应当考虑到，土体试块内部的含水量，由于需要选取韧性以及土体内部具有一定松散度的，所以，在压头7对土体试样3进行压设时，会将土体试样3内部的水分给压出至套筒5内，为避免含有土体试样3的水聚积在套筒5内无法排出，进而影响其内部的正常压缩量，本实施例二提供一种技术方案，以解决上述技术问题，该技术方案包括：先将底座1上设置若干透水孔隙，以导出当土体试样3被压迫时渗漏的水分。

进一步地，将上透水孔隙的尺寸设置为0.3-0.8mm，以适应含有正常粒径的杂质的水分的过滤。

进一步地，对于导出至套筒5内部的水分而言，其是具有含有土体试样3本身的污染物的水分，为了避免含有污染物的水分内部的颗粒物堵住底座1上的透水孔隙，在底座1上设置一滤纸2，且滤纸2位于所述透水孔隙的正上方设置一滤纸2，用于当所述土体试块容置与所述套筒5内并与所述滤纸2接触时，将由土体试块渗出的水进行过滤。

同时，由于土体具有韧性和形变不确定性，所以在使用过筒体形成不规则的变形，不利于后续的试验，为了进一步对做够试验后的套筒5进行校正，本实施例一提出了一种试验方法，已解决上述技术问题，放方法包括：在所述土体试块置于所述套筒5内部之前，将一内部容置有水的气球放置于所述套筒5内部，使所述气球的外壁与所述套筒5的内壁相接触，并垂直按压所述气球使所述气球的周向外壁均衡压迫所述套筒5的内壁，以通过流体(水)的方式对套筒5侧壁进行无差别压迫，进而使得筒体恢复至均衡的圆周直径。

为了进一步地使得套筒5在受到压力时能够受力更加均匀，本实施例一提出一种方法，以解决上述技术问题，将所述套筒5与所述底座1固定之前，先在所述底座1上设置一凸起部，将所述凸起部的周向尺寸设置为刚好与所述套筒5的内径相一致，然后所述套筒5的底部套设在该所述凸起部上，这样就使得在套筒5内的土体试样3在受到压力时能够受到均衡的压力，进而使得测试更加精准。

由于土体的韧性较好，以及套筒5的侧壁刚度也较小，所以施加的压力也不必太大，如果太大会将套筒5的侧壁压设成不可逆的形变亦或压裂，所以，将压头7的输出电压设置为5-10V即可，压头7可以采用电动伸缩装置或者微型液压输出装置。

基于上述实施例一中在套筒5的顶部设置加载板4的步骤，目的是为了使的土体试样3顶部的受力面更加均衡，但是压头7与套筒5为直接的刚性配合，二者之间没有过渡装置进行配合，以提高二者之间的配合连接的韧性，本实施例一提供一种方法，以解决上述技术问题，该方法包括：在所述套筒5的顶部设置加载板4后，在加载板4上设置一传力装置，并使所述压头7压设在传力装置上，将所述传力装置设置为若干等直径的实体柱状结构，这样就使得在加载板4受力时，会通过柱状的实体结构进行传递，以增大二者之间的连接韧性，以进一步地增加土体试样3的稳定性。

综上所述，本发明涉及基于薄膜压力传感器6的土体水平压力测试装置的测试方法，该方法用组成易拉罐的材质的套筒5的柔性体替换环刀刚性体，试样土块在某竖向荷载值的加载作用下，易拉罐受到均匀的径向压力和切向张力，由于罐体的极强的抗拉强度，罐体的径向和切向应变可以忽略不计，因此土样可保持无水平变形，此状态称为无侧限变形状态，沿着易拉罐内表面中间位置粘贴一圈薄膜应力传感器，试样土块在竖向荷载作用下变形，薄膜应力传感器输出端实时记录输出电压值的大小，通过侧向压力传感器校准曲线获得水平传力荷载数值的大小，根据公式

计算试样土块水平侧压力系数，本方法具有试验简单、测量试验数据精确等优点。

实现上述技术效果包括上述实施例一中包含的方法步骤，其还包括以下准备工作：

步骤一：易拉罐套筒5制作：取一个直径为6-7cm的易拉罐，沿着同一水平高度用剪刀均匀裁掉瓶底和瓶盖，仅保留中间部位，高度大约8-10cm，在易拉罐套筒5内表面中间位置粘贴一圈薄膜压力传感器6。

步骤二：试样土块制备：试样土块为一定厚的的圆柱形，直径等于上述易拉罐套筒5的直径，厚度约为2-3cm，试样土块表面的平行度、平直度、侧面的垂直度应当符合试验要求。

所述试样土块表面的平行度：试样土块的上表面和下表面应当平行；

所述平直度：试样土块的表面应与仪器中轴线垂直；

所述垂直度：试样土块的侧表面应与仪器中轴线平行。

所述试样土块的厚度不能太薄，防止土样受力变形后土样侧壁与易拉罐侧壁无接触无法采集数据的问题。

步骤三：薄膜压力传感器6和电脑准确连接。

步骤四：侧向压力传感器校准：将易拉罐套筒5下端伸进底座12-3cm，放置一个充满水的气球于易拉罐套筒5内，上表面放置加载板4，接通外电源(直流电5V)，通过压头7施加一定数值大小的竖向荷载，球内的水在竖向荷载作用下逐渐变形，直至于易拉罐套筒5侧壁贴近，薄膜压力传感器6输出端实时记录输出电压值的大小，获得输出电压和水平侧向压力的关系图。

步骤五：试样土块K0值测量：底座1上表面铺设一层滤纸2，滤纸2上放置试样土块，用内表面中间位置粘贴一圈薄膜压力传感器6的易拉罐套筒5将加载板4、试样土块、底座1连接成一个整体，接通外电源(直流电5V)，通过压头7施加一定数值大小的竖向荷载，薄膜压力传感器6输出端实时记录输出电压值的大小，通过侧向压力传感器校准曲线获得水平传力荷载数值的大小，根据公式计算试样土块水平侧压力系数，公式为：

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法,用于当土体试块受到竖向载荷时利用测试装置测试土体试块受到的水平压力，所述测试装置包括：底座、套筒、薄膜压力传感器、压头、PC端；所述套筒为直筒状，所述套筒的顶部和底部均为敞口，所述套筒的底部敞口设置在所述底座上，所述薄膜压力传感器环向设置在所述套筒的内侧壁，所述压头设置在套筒的顶部，所述压头设置在套筒的顶部；其特征在于，所述方法包括：

先将所述套筒与所述底座固定，然后将所述土体试块置于所述套筒内部，使所述土体试样与设置在所述套筒内壁的所述薄膜压力传感器贴合接触；

通过所述压头向所述土体试块施加垂向压力，使所述土体试块发生形变并向所述套筒的水平方向发生位移，直至所述套筒的侧壁发生形变；

通过所述薄膜压力传感器监测所述土体试块受到的水平压力数据，并将所述压力数据传输至所述PC端；

所述PC端依据所述水平压力数据，计算得出所述土体试样受到垂向压力时的水平压力系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

将铝材或者马口铁材料制备成顶部和底部敞口的直筒状以作为用于容置所述土体试块的所述套筒。

3.根据权利要求1所述的一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述土体试块置于所述套筒内部后，在所述套筒的顶部，位于所述压头的下部，设置一加载板，并将所述加载板的周向侧壁设置与所述套筒的内壁相贴合。

4.根据权利要求1所述的一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述套筒与所述底座固定之前，先将底座上设置若干透水孔隙，以导出当土体试样被压迫时渗漏的水分。

5.根据权利要求4所述的一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法，其特征在于：

将每一所述透水孔隙的尺寸为0.3-0.8mm。

6.根据权利要求5所述的一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

在底座上设置透水孔隙后，在所述套筒的底部，位于所述透水孔隙的正上方设置一滤纸，用于当所述土体试块容置与所述套筒内并与所述滤纸接触时，将由土体试块渗出的水进行过滤。

7.根据权利要求1所述的一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述土体试块置于所述套筒内部之前，将一内部容置有水的气球放置于所述套筒内部，使所述气球的外壁与所述套筒的内壁相接触，并垂直按压所述气球使所述气球的周向外壁均衡压迫所述套筒的内壁。

8.根据权利要求1所述的一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述套筒与所述底座固定之前，先在所述底座上设置一凸起部，将所述凸起部的周向尺寸设置为刚好与所述套筒的内径相一致，然后所述套筒的底部套设在该所述凸起部上。

9.根据权利要求1所述的一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

将压头的输出电压设置为5-10V。

10.根据权利要求3所述的一种基于薄膜压力传感器的土体水平应力测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述套筒的顶部设置加载板后，在加载板上设置一传力装置，并使所述压头压设在传力装置上，将所述传力装置设置为若干等直径的实体柱状结构。

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