CN113790974A - 一种基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法及系统，方法应用于测试装置，装置包括：底座、套筒、第一应变片、第二应变片、压头和PC端；底座上设置套筒，套筒的顶部和底部均为敞口，套筒的底部敞口设置在底座上，套筒内容置土体试块，加载板设置在套筒顶部，位于压头与土体试块之间；方法包括：将第一应变片和第二应变片对应设置在套筒的周向外壁上，并将第一应变片和第二应变片通过双臂电桥连接；通过压头向土体试块施加垂向压力，使土体试块发生形变，直至套筒的侧壁发生形变；检测筒体受到挤压时的水平压力数据，并传输至PC端；计算得出土体试样受到垂向压力时的水平压力系数。应用于岩土工程技术领域。

Description

一种基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法及系统

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及一种基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法及系统。

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柔性固结压力室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柔性固结压力室的土体水平应力测试方法，用于测试当土体试块受到竖向载荷时测试其水平压力，所述方法应用于测试装置，所述测试装置包括：底座、套筒、第一应变片、第二应变片、压头和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，所述套筒内容置所述土体试块，所述压头设置在所述套筒顶部，位于所述压头与所述土体试块之间；所述方法包括：将所述第一应变片和所述第二应变片对应设置在所述套筒的周向外壁上，并将所述第一应变片和所述第二应变片通过双臂电桥连接；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；通过所述第一应变片和所述第二应变片检测所述筒体受到挤压时的水平压力数据，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，将所述第一应变片和所述第二应变片通过双臂电桥连接包括：将所述第一应变片和所述第二应变片通过惠斯登桥型号的双臂电桥连接。

在第一方面中，在试验之前，通过将易拉罐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，将所述第一应变片和所述第二应变片通过双臂电桥连接后，将毫伏万用表与所述双臂电桥连接，以实时记录所述双臂电桥的电压。

在第一方面中，所述通过所述压头向所述土体试块施加垂向压力包括：通过液压压头向所述土体试块施加垂向压力。

在第一方面中，所述通过所述压头向所述土体试块施加垂向压力之前还包括：在所述压头与所述加载板之间设置传力装置，所述在所述压头与所述加载板之间设置传力装置包括：在所述压头与所述加载板之间设置若干滚珠。

在第一方面中，所述在所述压头与所述加载板之间设置若干滚珠之前包括：在所述加载板上表面设置有若干凹陷，用于放置所述滚珠。

在第一方面中，将所述套筒的底部敞口设置在所述底座上之前包括，在所述底座上均匀布设有若干透水孔隙。

在第一方面中，在所述底座上均匀布设有若干透水孔隙后，在所述套筒的底部敞口处设置过滤片，用于当所述土体试块容置于所述套筒内并与所述过滤片接触时，将由所述土体试块中渗出的水进行过滤。

第二方面，本发明提供了一种测试系统，所述测试系统包括昂书任一项所述的基于土体水平力测试装置的测试方法。

有益效果：

本发明提供的一种基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法，通过套筒外侧壁上设置第一应变片和第二应变片，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，将第一应变片和第二应变片对应设置在套筒的周向外壁上，并将第一应变片和第二应变片通过双臂电桥连接；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；通过第一应变片和第二应变片检测筒体受到挤压时的水平压力数据，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应变片的土体水平力测试装置结构示意图；

图2为本实施例一提供的惠斯登桥型号电路示意图；

图3位本实施例一提供的一种基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法流程图。

附图标记：

1.底座；

2.过滤片；

3.土体试样；

4.加载板；

5.套筒；

6.第一应变片；

7.压头；

8.第二应变片。

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1-3，本发明的实施例一提供的一种基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法，用于测试当土体试块受到竖向载荷时测试其水平压力，所述测试装置包括：底座1、套筒5、第一应变片6、第二应变片8、压头7和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，所述套筒5内容置所述土体试块，所述压头7设置在所述套筒5顶部，位于所述压头7与所述土体试块之间；所述方法包括：将所述第一应变片6和所述第二应变片8对应设置在所述套筒5的周向外壁上，并将所述第一应变片6和所述第二应变片8通过双臂电桥连接；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；通过所述第一应变片6和所述第二应变片8检测所述筒体受到挤压时的水平压力数据，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。

在上述实施例一的技术方案中，通过套筒5外侧壁上设置第一应变片6和第二应变片8，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，将第一应变片6和第二应变片8对应设置在套筒5的周向外壁上，并将第一应变片6和第二应变片8通过双臂电桥连接；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；通过第一应变片6和第二应变片8检测筒体受到挤压时的水平压力数据，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。

对于上述实施例一中，将所述第一应变片6和所述第二应变片8通过双臂电桥连接的方式而言，其还可以包括如下实施方式，该方式为：将所述第一应变片6和所述第二应变片8通过惠斯登桥型号的双臂电桥连接，可以知悉，惠斯登桥型号的双臂电桥，用来精确测量未知电阻器的电阻值，其原理和原始的电位计相近。有一个不知电阻值的电阻，和已知电阻的可变电阻器、电阻和电阻。在一个电路内，将和串联，和串联，再将这两个串联的电路并联，在和之间的电线中点跟在和之间的电线中点接驳上一条电线，在这条电线上放置检流计。当时，将没有电流通过中间的电线。由于是否有电流经过是十分敏感的，惠斯登桥可以获取颇精确的测量。

进一步地，为了精确地对第一应变片6和第二应变片8所监测的电压有一个更直观的检测方式，本实施例提出了一种实施方式，该方式包括：将所述第一应变片6和所述第二应变片8通过双臂电桥连接后，将毫伏万用表与所述双臂电桥连接，以实时记录所述双臂电桥的电压。

对于上述实施例一中的套筒5而言，作为套筒5的一种实现方式，其可以是通过将易拉罐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5，易拉罐的可塑性强，且刚度比环刀的刚度弱，能够更好地适应本实施例一中通过竖向压力使得其水平向发生形变的实验方式。

对于通过所述压头7向所述土体试块施加垂向压力而言，其还可以包括通过液压压头7向所述土体试块施加垂向压力，以及通过电动伸缩装置对土体试块施加垂向压力的方式。

为了使得压头7作用于土体试块上的力传递更加稳定，本实施例一提出一种实施方式，该方式包括，在所述通过所述压头7向所述土体试块施加垂向压力之前，在所述压头7与所述加载板4之间设置传力装置，所述在所述压头7与所述加载板4之间设置传力装置包括：在所述压头7与所述加载板4之间设置若干滚珠，这样就使得，当压头7向加载板4施加压力时，加载板4会将力传递至滚珠，滚珠会与加载板4发生一定的滚动摩擦，使得传递时有一定的韧性，进而保障了压头7向加载板4作用于土体试块上的压力的具有稳定性。

进一步地，为了使得若干滚珠在加载板4上不发生较大的滚动摩擦，导致加压头7与加载板4发生过度错位或者脱离，本实施例一提出一种实施方式，以解决上述问题，该方式包括：在所述加载板4上表面设置有若干凹陷，用于放置所述滚珠，需要说明的是，凹陷的深度只是起到使滚珠在加载板4上不自由滚动，而不能起到在使用外力时仍然不能使滚珠发生滚动的地步。

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0.5-0.8mm，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上设置一过滤片2，且过滤片2位于所述透水孔隙的正上方设置一过滤片2，用于当所述土体试块容置与所述套筒5内并与所述过滤片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。

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。

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。

请继续参阅图3，S1表示：将所述第一应变片6和所述第二应变片8对应设置在所述套筒5的周向外壁上，并将所述第一应变片6和所述第二应变片8通过双臂电桥连接；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：通过所述第一应变片6和所述第二应变片8检测所述筒体受到挤压时的水平压力数据，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。

综上所述，本发明涉及基于薄膜压力传感器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。

步骤二：试样土块制备：试样土块为一定厚的圆柱形，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112-3cm，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V)，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，滤纸上放置试样土块，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V)，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：

实施例二：

本发明提供了一种测试系统，所述测试系统包括上述实施例一种任一项所述的基于土体水平力测试装置的测试方法。

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)

1.一种基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法，所述方法应用于测试装置用于测试当土体试块受到竖向载荷时测试其水平压力，所述测试装置包括：底座、套筒、第一应变片、第二应变片、压头、加载板和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，所述套筒内容置所述土体试块，所述加载板设置在所述套筒顶部，位于所述压头与所述土体试块之间；其特征在于，所述方法包括：

将所述第一应变片和所述第二应变片对应设置在所述套筒的周向外壁上，并将所述第一应变片和所述第二应变片通过双臂电桥连接；

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；

通过所述第一应变片和所述第二应变片检测所述筒体受到挤压时的水平压力数据，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所述的基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法，其特征在于：所述将所述第一应变片和所述第二应变片通过双臂电桥连接包括：

将所述第一应变片和所述第二应变片通过惠斯登桥型号的双臂电桥连接。

3.根据权利要求1所述的基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法，其特征在于：

在试验之前，通过将易拉罐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。

4.根据权利要求1所述的基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法，其特征在于：

将所述第一应变片和所述第二应变片通过双臂电桥连接后，将毫伏万用表与所述双臂电桥连接，以实时记录所述双臂电桥的电压。

5.根据权利要求1所述的基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法，其特征在于，所述通过所述压头向所述土体试块施加垂向压力包括：

通过液压压头向所述土体试块施加垂向压力。

6.根据权利要求1所述的基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法，其特征在于，所述通过所述压头向所述土体试块施加垂向压力之前还包括：

在所述压头与所述加载板之间设置传力装置，所述在所述压头与所述加载板之间设置传力装置包括：在所述压头与所述加载板之间设置若干滚珠。

7.根据权利要求1所述的基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法，其特征在于，所述在所述压头与所述加载板之间设置若干滚珠之前包括：

在所述加载板上表面设置有若干凹陷，用于放置所述滚珠。

8.根据权利要求1所述的基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法，其特征在于：

将所述套筒的底部敞口设置在所述底座上之前包括，在所述底座上均匀布设有若干透水孔隙。

9.根据权利要求1所述的基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法，其特征在于：

在所述底座上均匀布设有若干透水孔隙后，在所述套筒的底部敞口处设置过滤片，用于当所述土体试块容置于所述套筒内并与所述过滤片接触时，将由所述土体试块中渗出的水进行过滤。

10.一种系统，其特征在于:

所述测试系统包括如权利要求1-9任一项所述的基于土体水平力测试装置的测试方法。

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