陳立航，李順群

(天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津市西青區(qū)津靜公路26號 300384)

土壓力測量是土力學(xué)理論和實驗研究的一個重要方面，是工程測試中的重要內(nèi)容，一般采用土壓力傳感器即土壓力盒直接測量[1]。在測定土體壓力時，常將土壓力盒埋置在介質(zhì)里，由輸出的電信號來確定介質(zhì)的真實壓力[2]，操作的簡便性使其在巖土工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。土壓力盒一般工作在室外的土介質(zhì)中，測量時會受到土體性質(zhì)、土壓力盒周圍土體的密實度等各種因素的影響，可能使土壓力實測數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真,所以測量前應(yīng)對土壓力盒進行標(biāo)定以確保實驗數(shù)據(jù)的有效性[4]。目前針對土壓力盒標(biāo)定方面的研究都處于試驗儀器完備、科研條件優(yōu)越的實驗室內(nèi)。Joseph研究了土壓力盒在實驗室中的標(biāo)定方法，使得土壓力盒的標(biāo)定和修正對實際測量中獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)具有重要的意義[5]；任連偉等對比了3種不同工作原理的土壓力盒在砂土標(biāo)定試驗中的表現(xiàn)[6]；韋四江等研究了微型土壓力盒在散體、粉體和相似材料3種介質(zhì)中的標(biāo)定及修正[7]；張立祥通過將傳感器置于與使用環(huán)境相近的土介質(zhì)中進行標(biāo)定，并采用非線性修正，明顯提高了硬土介質(zhì)中土壓力量測的準(zhǔn)確性[8]。

然而在土壓力盒廣泛應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，荷載歷史對土壓力盒的力學(xué)性質(zhì)和量測靈敏度有較大的影響；此外土壓力盒的量測讀數(shù)與所處環(huán)境溫度也有很大關(guān)聯(lián)，荷載越大，量程越小，溫度的影響就越大，所以埋深較淺的壓力盒受溫度影響更大[9-10]。同時由于土壓力盒的埋設(shè)地點一般在環(huán)境復(fù)雜的室外，各種不確定因素造成土壓力盒檢測數(shù)據(jù)失真成為一個普遍存在的問題[11]，所以每次使用前用戶對土壓力盒的自檢和日常標(biāo)定就顯得尤為重要。

文中首先提出一種用戶在科研條件簡單環(huán)境下對土壓力盒標(biāo)定系數(shù)的自檢和每次使用后的日常標(biāo)定方法。利用水壓力加壓的標(biāo)定方法，通過檢測電信號的輸出得到水壓力和應(yīng)變之間的關(guān)系，對土壓力盒進行標(biāo)定，有效挑選出可以正常工作的壓力盒，為工程測試中土壓力測量提供保障。本方法旨在使應(yīng)變式微型土壓力盒標(biāo)定不再受到專業(yè)儀器設(shè)備和科研條件的限制，使土壓力盒用戶能夠進行自檢和日常標(biāo)定。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置

試驗裝置包括1臺東華測試DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試儀，2根PVC水管(長4 m，外徑46 mm)，6個型號LY-350的應(yīng)變式微型土壓力盒(土壓力盒厚10 mm，半徑為28 mm，應(yīng)變片厚0.05 mm，半徑為10 mm)。土壓力盒形狀為扁平圓形金屬結(jié)構(gòu)，量程分別為100 kPa和200 kPa，外殼采用鋼質(zhì)，并且結(jié)構(gòu)完全封閉。兩種量程的壓力盒受力后受力面的變形如圖1所示。

圖1 土壓力盒受力圖Fig.1 Earth pressure box force diagram

1.2 試驗原理

本試驗主要研究在科研環(huán)境簡單條件下用戶對土壓力盒的自檢和日常標(biāo)定方法。試驗中所用傳感器為應(yīng)變式微型土壓力盒，壓力盒受力面受到水壓力作用后引起應(yīng)變片電阻值的變化。上表面受水壓時應(yīng)變片電阻增大，對應(yīng)的輸出值隨之增大；下表面受壓時電阻值沒有變化。在施加已知強度的應(yīng)力時，通過應(yīng)變采集系統(tǒng)輸出的電信號獲取已知壓強與土壓力盒微應(yīng)變之間的關(guān)系，從而獲得標(biāo)定曲線，得出土壓力盒的標(biāo)定系數(shù)。試驗裝置示意圖見圖2。

1—PVC管；2—應(yīng)變式微型土壓力盒；3—土壓力盒導(dǎo)線；4—應(yīng)變采集儀；5—計算機圖2 土壓力盒標(biāo)定示意圖Fig 2 Earth pressure box calibration diagram

試驗中所施加的最大荷載為傳感器總量程的80%，具體步驟如下：

(1)將壓力盒固定在PVC管一端，受力面朝向管內(nèi)方向，將PVC管豎立放置，固定著土壓力盒的一端在下端，這樣豎向放置的PVC管可調(diào)節(jié)水位的高低以提供可控水壓力；

(2)將壓力盒信號線從PVC管底部引出后用水泥漿密封PVC管下端和混凝土地面間的縫隙；

(3)將壓力盒的導(dǎo)線與靜態(tài)應(yīng)變采集儀連接，按額定水壓80 kPa預(yù)加壓3次，每次預(yù)壓間隔5 min，然后準(zhǔn)備為正式試驗采樣；

(4)開始采集數(shù)據(jù)后，先向PVC管中注水施加水壓力，分別按10 kPa，20 kPa，30 kPa，40 kPa，50 kPa，60 kPa，70 kPa，80 kPa共8級荷載逐級加載，直至達到額定的壓力值，且加載過程中每級壓力至少保持10 min，穩(wěn)定后再繼續(xù)加載，加載到額定壓力值后再逐級卸載至零點壓力，然后保持1 min后停止采樣；

(5)按照上述步驟對6個壓力盒進行多次試驗，最后收集并分析試驗數(shù)據(jù)，擬合出每個壓力盒的標(biāo)定曲線，試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 標(biāo)定過程現(xiàn)場圖Fig.3 Calibration process site map

1.3 加載過程中注意事項

在壓力盒用戶使用前的自檢和日常標(biāo)定過程中要注意以下幾點：

(1)查壓力盒及信號傳輸線的密封性，排除密封性不好的壓力盒，以免因進水導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失真；

(2)向PVC管內(nèi)注水加壓過程要始終保持水柱沿PVC管內(nèi)壁下落，而不是直接從管中間自由降落，以避免水柱自由降落到管底沖擊土壓力盒，導(dǎo)致所采集數(shù)據(jù)上下浮動較大；

(3)PVC管底部要完全密封，消除水壓過大造成的PVC管底部漏水現(xiàn)象出現(xiàn)。

當(dāng)加載到7%rad(89.11 mm)循環(huán)期間時，柱上內(nèi)側(cè)螺栓松動，造成上角鋼被拉起與柱的接觸面出現(xiàn)空隙。當(dāng)加載到8%rad(101.84 mm)循環(huán)期間時，當(dāng)位移歸零時，角鋼翼緣變形已經(jīng)無法恢復(fù)，與柱之間產(chǎn)生間隙，同時梁腹板受擠壓變形，以及上角鋼加勁肋的焊縫出現(xiàn)裂縫。

2 試驗數(shù)據(jù)記錄與分析

2.1 數(shù)據(jù)記錄

記錄不同高度的水柱所施加荷載值和對應(yīng)壓力盒輸出的電信號，用壓力盒應(yīng)變值整除對應(yīng)荷載值，得到6個壓力盒在不同荷載作用下的水壓標(biāo)定系數(shù)，換算式：

P=ε×K

式中：P為施加荷載對應(yīng)的壓強，kPa；ε為土壓力盒應(yīng)變；K為標(biāo)定系數(shù)，kPa。

6個壓力盒在水柱高度分別達到1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，6 m，7 m，8 m時的標(biāo)定系數(shù)如表1所示。

表1 不同高度土壓力盒的標(biāo)定系數(shù)值

對比測試數(shù)據(jù)和所施加的荷載值，兩者存在統(tǒng)計意義上的比例關(guān)系，6個壓力盒應(yīng)變變化趨勢和所施加荷載變化一致，整個加載過程中壓力盒對水壓荷載作用的變化有很好的反饋。良好的加載特性說明水壓荷載作用下壓力盒的標(biāo)定過程有較為理想的結(jié)果。

2.2 數(shù)據(jù)分析

加載過程中壓力盒始終處于三向受力狀態(tài)，讀數(shù)穩(wěn)定。根據(jù)用水柱施加荷載～輸出應(yīng)變數(shù)據(jù)進行直線擬合，結(jié)果如圖4所示。從擬合曲線可以看出該壓力盒輸出的線性關(guān)系較好，每組試驗的加載曲線基本為線性，表明標(biāo)定系數(shù)K值不會隨著荷載以及加載次數(shù)的變化而變化，是一個較為穩(wěn)定的常量。

試驗中6組加載曲線呈現(xiàn)明顯的線性特征，直線擬合系數(shù)均大于0.99，試驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)良好的加載特性和變化趨勢，說明試驗過程有較好的重復(fù)性。將不同高度水壓作用下的標(biāo)定系數(shù)求平均值，得到土壓力盒的實測標(biāo)定系數(shù)值，如表2所示。

圖4 荷載～輸出應(yīng)變曲線Fig.4 Load-output strain curve

表2 壓力盒標(biāo)定系數(shù)K

試驗所得標(biāo)定系數(shù)K與廠家所提供的參數(shù)進行對比分析后可知，試驗所得標(biāo)定系數(shù)K均微大于廠家油標(biāo)法得到的參數(shù)，二者標(biāo)定系數(shù)K的最大偏差達4.3%。其中量程200 kPa的壓力盒實測標(biāo)定系數(shù)和廠家標(biāo)定系數(shù)之間的偏差在1.0%左右，相對比較穩(wěn)定。由于受限于此次實驗過程中PVC管長度(8 m)，此次加載過程的最大荷載為80 kPa，并沒有達到這3個土壓力盒量程的80%，所以這3個土壓力盒的標(biāo)定系數(shù)偏差較小。

以上分析均可以說明水壓標(biāo)定方法可以使壓力盒標(biāo)定不再受到測量儀表等高精度專業(yè)設(shè)備的限制，試驗所用裝置造價低廉且容易獲得，試驗過程操作簡便，具有較強的可復(fù)制性，可以在工程中廣泛應(yīng)用。

2.3 誤差分析

(1)將實測標(biāo)定系數(shù)與廠家提供的標(biāo)定系數(shù)K值進行比較發(fā)現(xiàn)實測值要微大于廠家的標(biāo)定系數(shù)，即相應(yīng)應(yīng)力作用下，水壓標(biāo)定下輸出頻率略小，測量值略低。這主要是由于廠家進行的油標(biāo)與水壓標(biāo)定之間的加載介質(zhì)之間存在差別。

(2)廠家給定的結(jié)果是在壓力盒初始狀態(tài)為零的情況下標(biāo)定的，本試驗所用的壓力盒在經(jīng)過多次使用之后初始狀態(tài)有所改變，也會造成測量值之間的偏差和標(biāo)定系數(shù)的不同。

3 結(jié)論

利用水壓標(biāo)定土壓力盒的方法是為了滿足科研環(huán)境簡單條件下用戶對土壓力盒的自檢和日常標(biāo)定，以便在使用前能夠有效篩選出正常工作的土壓力盒，為工程測試中土壓力測量提供保障。通過本試驗得到2點結(jié)論。

(1)利用水壓標(biāo)定壓力盒結(jié)果與廠家采用油標(biāo)法所給的K值偏差不大，因此水壓標(biāo)定方法得到的結(jié)果可以滿足科研環(huán)境簡單條件下用戶的自檢和日常標(biāo)定。

(2)對6個微型土壓力盒進行水壓標(biāo)定，相同壓力下，水壓標(biāo)定法得到的標(biāo)定系數(shù)微大于油標(biāo)法，二者標(biāo)定系數(shù)K的最大偏差達到4.3%，表明水壓標(biāo)定土壓力盒是一種可靠的方法且試驗過程具有可復(fù)制性。