土壓力盒的標定

杭的平 韓云山

中北大學理學院（030051）

土壓力盒的標定

杭的平 韓云山

中北大學理學院（030051）

鑒于實際工程的需要，這里對土壓力盒進行標定，提出了土壓力盒標定的幾種方法，對黃土介質中的土壓力盒一一進行標定，并與廠家標定的結果進行對比。同時對比了黃土介質和砂介質的標定的結果：黃土標定曲線的K值和廠家給定的K值差別較大，而黃土介質和砂介質中對土壓力盒的標定結果的K值基本上一致，最后分析了產生以上差異的原因。

土壓力盒；標定；黃土標定

0 引言

隨著經濟建設的發展，為解決建設用地緊張問題，開山造地項目日趨增多，強夯作為該項目地基處理的主要方法，利用起重設備將重錘提升到一定高度，然后使重錘自由下落，以巨大的沖擊能量作用在地基上，達到加固的效果。研究強夯過程中土體動應力的變化及衰減規律對強夯的廣泛應用與發展有著重要的作用，而強夯在土中產生的動土壓力的測量是一項艱巨的任務。土壓力測量是土力學理論和實踐研究的重要方面，也是工程實踐的重要研究內容。在強夯過程中動土壓力的變化一般采用土壓力傳感器（即土壓力盒）與動態應變測試儀相連接進行測量。土壓力盒的工作環境一般在室外的土介質中，測量時會受到土體性質、土壓力盒周圍土體的密實度等各種因素的影響，可能使其測量中土壓力的實測數據出現失真的情況，所以測量前應對土壓力盒進行標定。陳春紅等[1]在土壓力盒標定過程中提到了標定的各種方法，對比分析了砂標和廠家氣標的結果，表明二者存在一些差別。試驗為了與土壓力盒的實際情況相結合，提高土壓力測量數據的可利用性，對現場測量中的土壓力盒在室內一一進行砂標標定，得出了土壓力盒在土中產生的應變與加載壓力的對應關系，就土壓力盒的標定問題作了初步的研究分析，以應用于實際工程中。

1 土壓力盒標定的方法

室內試驗對土壓力盒標定的方法有：液壓標定、氣壓標定和土介質中標定（砂標）[1]。

氣壓標定是用已知壓強的壓縮氣體對密閉容器中的土壓力盒進行加壓，通過頻率儀測得土壓力盒的輸出頻率,建立氣體壓強與頻率的相互關系,從而得到率定曲線，該法可以同時對多個土壓力盒進行標定。

液壓標定和氣壓標定的標定方法相似，只需把氣壓變成液壓即可。

在土介質中標定（砂標）與上面兩種標定有所不同。在標定過程中，土壓力盒是單向受力，氣壓標定和液壓標定的土壓力盒處于三向受力狀態。在土介質中對土壓力盒進行標定比較符合土壓力盒在土體中的實際工況。土介質中標定土壓力盒的方法操作簡單，加壓、卸壓方便，測定過程中土壓力盒的表面受力均勻，比氣壓標定和液體標定更能與土體中土壓力盒的實際受力狀態相吻合。因此，在強夯現場測定動土壓力采用的土壓力盒在土介質中進行標定。

2 標定試驗

在陜西省延安市富縣強夯現場8 m高的邊坡體內的不同高度處,將埋置46個土壓力盒測試強夯過程中土體不同位置處的動土壓力。由于廠家給定的土壓力盒的標定曲線是采用氣標標定的和強夯中土的實際情況不是很符合，因此，在埋置土壓力盒之前需進行室內試驗，對每個土壓力盒進行砂標標定。這些土壓力盒采用的是電阻應變土壓力計，測量范圍為：0～200 kPa，直徑為16 mm，厚度4 mm，即厚度與直徑之比為0.25。

1）試驗裝置。強夯中所用土壓力盒的標定裝置如圖1所示。測量儀器為動態測試儀DH5956，是內徑10 cm、高度7.5 cm的簡易筒體裝置（由3個2.5 cm的套環組成）。土壓力盒是用土體埋置在該裝置中，直接將直徑15 mm的透水石作為加載板加在土壓力盒的上覆土上，然后在加載板上逐級加載。此試驗屬于單軸試驗，加載板的直徑大于土壓力盒的直徑，在加載過程中，荷載基本分布在土壓力盒上和土上,但是土體的剛度與壓力盒的剛度不一樣，在加載中可能會產生應力的不均勻分布,出現拱效應。張彬[2]在對土壓力盒的誤差分析中提到，為了減少因應力集中而產生的誤差，必須滿足土壓力盒變形膜的有效受壓部分直徑大于所測介質最大顆粒粒徑的50倍以上,在用砂作為介質進行砂標試驗時選用0.25 mm粒徑的砂子進行試驗。

圖1 標定試驗裝置

2）試驗的內容是用動態測試儀DH5956測定壓力和應變的對應關系，一次標定4個壓力盒，試驗步驟如下：

①將土壓力盒的導線連接在適調器上并與動態測試儀相連。

②裝樣。在裝置的底部放置20～25 mm厚的土，按額定的壓力值200 kPa進行預壓。

③將壓力盒放置在裝置底部的中間，埋上40～55 mm厚的土。

④按額定的壓力值200 kPa進行預壓，預壓時間為5 min，然后為正式試驗準備采樣。

⑤按12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa五級荷載逐級加載，直至達到額定的壓力值，每級壓力至少保持10 s。

⑥加載到額定壓力值后，按上面的五級荷載逐級卸載直到零點壓力，然后保持1 min停止采樣。

⑦按照①～⑥的試驗步驟進行多次試驗,直到把46個土壓力盒標定完為止，最后分析試驗數據擬合出每個壓力盒的標定曲線。

⑧從46個壓力盒中選取3個壓力盒做砂介質中砂標的標定試驗，按以上步驟操作，分析試驗數據。

3 試驗數據及分析

3.1 黃土標定結果和廠家的對比

黃土標定和廠家采用的氣標均是在200 kPa的額定壓力值下進行標定的，兩種標定方法的受力狀態有所不同，同一壓力盒得到的標定結果不一樣，選取其中的10組壓力盒進行對比，見表1。

表1 不同標定方法下K值的對比

由表1可知，砂標和廠家采用氣標的標定結果有所不同,大部分壓力盒標定的K值差距較大,差值都在20%以上。這是由于它們的標定環境不一樣,土壓力盒的受力狀態不一樣，但是砂標結果更符合土壓力盒的實際工況，在現場試驗中可以得到較為準確的數據。

3.2 黃土介質和砂介質兩種標定結果的對比

為了更好地符合壓力盒的實際工程環境，砂標試驗采用的介質是黃土，并選取3個土壓力盒與砂介質中的砂標結果進行對比，其擬合的標定曲線見表2。

表2 土介質和砂介質標定曲線

由表2可知，土介質和砂介質在相同條件下對同一壓力盒標定的K值差別不大，差值在10%以內，因而兩種介質的標定試驗結果均可以應用于工程實際中。

4 標定曲線的差異分析

1）兩種標定方法的試驗環境不同，壓力盒的受力狀態不同。

2）廠家給定的結果是在壓力盒初始狀態為零的情況下標定的，本試驗所用的壓力盒在經過多次使用之后初始狀態有所改變。

3）由于土體是非彈性體,其彈性模量是個變量，而且土介質和砂介質在同一額定壓力預壓后其密實度有所差別。

5 結論

1）通過室內試驗砂標對土壓力盒的標定結果與廠家給定的標定曲線的K值差別較大。這是由于采用的是兩種不同的標定方法，在標定中壓力盒的受力狀態不一樣，標定時周圍的環境不同等因素導致。

2）土介質和砂介質中標定的結果基本上保持一致，在實際工程中測土壓力時兩種介質的標定結果均可以更好地符合壓力盒的實際工況。

[1]陳春紅,劉素錦,王釗.土壓力盒的標定[J].中國農村水利水電,2007(2)：29～32.

[2]張彬.土壓力盒在工程應用中的誤差分析[J].探礦工程, 2005：157～161.

山西省科技攻關項目（20130313010-3）