十字板剪切試驗儀校準方法的研究及測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理

王蓁麗

（福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

0 引言

十字板剪切試驗儀是對壓入試驗土層中的十字板頭施加力矩，形成圓柱型的H破壞面，測定土剪切破壞時最大的扭矩，即土的抗剪強度，應(yīng)用于海洋、航道工程等眾多行業(yè)[1-6]。對十字板剪切試驗儀應(yīng)用及設(shè)備研究很多，但對校準方法的研究相對較少，本文主要研究十字板剪切試驗儀校準方法以及對其扭矩參量測量結(jié)果的不確定度進行評定。

1 十字板剪切試驗儀校準方法的研究[7-10]

1.1 概述

靜力觸探探頭除有單橋和多用探頭外，十字板探頭也較為常見，十字板剪切試驗是一種用十字板測定飽和軟粘性土不排水抗剪強度和靈敏度的試驗，屬于土體原位測試試驗的一種。它是將十字板頭由鉆孔壓入孔底軟土中，以均勻的速度轉(zhuǎn)動，通過一定的測量系統(tǒng)，測得其轉(zhuǎn)動時所需的力矩，直至土體破壞，從而計算出土的抗剪強度。

1.2 組成

十字板靜力觸探設(shè)備由十字板頭、測量儀表、試驗用探桿、貫入主機組成。

1.3 計量特性

（1）外觀。靜力觸探儀探頭外觀應(yīng)平整、光滑，無損傷及銹蝕，探桿應(yīng)平直無彎曲，測量儀表功能正常。

（2）探頭規(guī)格。尺寸和角度應(yīng)符合表1中的規(guī)定。

（3）探頭的計量性能：示值誤差、重復(fù)性誤差均應(yīng)小于2.0%。

表1 十字板頭規(guī)格Table.1 Cross head specifications

（4）絕緣電阻不得小于50ΜΩ。

1.4 校準條件

1.4.1 環(huán)境條件

（1）校準時環(huán)境條件應(yīng)滿足，10℃-30℃，相對濕度≤80%。

（2）校準時周圍應(yīng)無影響校準結(jié)果的振動、電磁場或其它干擾源。

1.4.2 校準用設(shè)備

選用相應(yīng)等級的扭矩杠桿和力值砝碼作為校準靜力觸探儀的校準用設(shè)備。

1.5 校準方法

通過實際觀察進行檢查，十字板剪切試驗用探桿必須平直，探桿連接應(yīng)有良好的互換性。以錐形螺紋連接的探桿，連接后不得有晃動現(xiàn)象；以圓形螺紋連接的探桿，擰緊后絲扣之根、肩應(yīng)能密合。符合要求后，再進行其余各條校準。

用游標卡尺和萬能角度尺分別測量探頭的錐頭和摩擦筒的直徑、長度、間距、錐角等幾何尺寸，測量結(jié)果應(yīng)符合表1的要求。

1.5.1 十字板探頭的校準方法

校準步驟如下：

（1）卸下十字板探頭傳感器上的套筒后，將探頭的一端固定在校準架的活動支座中，另一端安裝扭矩杠桿。

加載裝置示意圖見圖1：

圖1 加載裝置示意圖Fig.1 Loading device schematic diagram

（2）接通記錄儀，并將儀表預(yù)調(diào)零。

（3）鎖定活動支座，注意觀察支座鎖定時儀表是否產(chǎn)生附加漂移，出現(xiàn)附加漂移時，應(yīng)查找原因，設(shè)法消除。

（4）零漂穩(wěn)定和附加漂移消除后，復(fù)將儀表調(diào)零，再進行正式校準。

（5）用力值砝碼通過扭矩杠桿對傳感器逐級試加扭矩，同時記錄各級扭矩時的儀表輸出值。校準初始荷載量為10%FS，校準點不少于8點，推薦選擇10點，各點應(yīng)大致均勻分布。至額定荷載后逐級卸荷，并記錄讀數(shù)，完成一個加、卸荷循環(huán)過程。

（6）根據(jù)上述校準結(jié)果，根據(jù)計算公式（1）、（2）求出十字板剪切測試儀的示值誤差和重復(fù)性誤差。

示值相對誤差：

示值重復(fù)性：

式中：

Mimax—同一檢定點十字板剪切測試儀3次示值的的算術(shù)平均值，Nm；Mimax—同一檢定點標準裝置的標準扭矩值，Nm；Mimax、Mimin—同一檢定點十字板剪切測試儀3次示值中的最大值和最小值，Nm。

1.5.2 探頭絕緣電阻試驗

用100V-250V的兆歐表分別接探頭的電路與本體，測量二者之間的絕緣電阻，測量探頭絕緣電阻應(yīng)大于50ΜΩ。

1.6 校準結(jié)果處理

校準后，出具校準證書。校準證書至少應(yīng)包含以下信息：（1）標題，“校準證書”。（2）實驗室名稱和地址。（3）證書或報告的唯一性標識（如編號），每頁及總頁數(shù)的標識。（4）送校單位的名稱和地址。（5）被校對象的描述和明確標識。（6）進行校準的日期，如果與校準結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)說明被校對象的接收日期。（7）對校準所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標識，包括名稱及代號。（8）本次校準所用測量標準的溯源性及有效性說明。（9）校準環(huán)境的描述；（10）校準結(jié)果及其測量不確定度。（11）校準證書簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標識，以及簽發(fā)日期。

1.7 校準周期

由于復(fù)校時間間隔的長短是由儀器的使用情況、使用者、儀器本身質(zhì)量等諸因素所決定的，因此，送校單位可根據(jù)實際使用情況自主決定復(fù)校時間間隔，建議復(fù)校時間為6個月。

2 十字板剪切試驗儀測量結(jié)果的不確定度評定

2.1 測量過程

用0.1級力值砝碼、杠桿，對十字板剪切試驗儀施加力矩，根據(jù)靜力觸探儀抗剪強度計算公式，計算靜力觸探儀十字板探頭的抗剪強度。

2.2 數(shù)學模型

式中：Cu為十字板探頭抗剪扭矩；M為力值砝碼、杠桿施加扭矩；M為十字板探頭的直徑；運算系數(shù)X=0.86。

2.3 標準不確定度分量的評定

輸入量M的不確定度主要是由測量的重復(fù)性和力值砝碼、杠桿的準確度引起的。兩者獨立互不相關(guān)，前者可以A類方法進行評定，后者可以由力值砝碼、杠桿的證書以B類方法評定。

（1）選取一個SQ-10Y靜力觸探儀為試驗對象（其D=50mm），在重復(fù)性條件下對靜力觸探儀十字板探頭施加載荷至21.91kPa，測量3次，得到M如下：

表2 扭矩測量值Table.2 Torque Measurement

則：

（2）由力值砝碼、杠桿引入的不確定度，估計為均勻分布，因準確度引入的：

（3）輸入量M的標準不確定度u（M）的評定：

輸入量D的不確定度u（D）的評定：其不確定度主要來源于測量的重復(fù)性及游標卡尺的最大示值允許誤差，前者u1（D）可由A類方法評定，后者u2（D）證書給出，可以B類方法評定，且兩者彼此獨立，互不相關(guān)。

（4）選取一個SQ-10Y靜力觸探儀為試驗對象，在重復(fù)性條件下對靜力觸探儀十字板直徑D進行3次測量，得到一測量列，如表3。

表3 直徑測量值Table.3 Diameter measurement

因此：

單次試驗標準差以極差法計算(系數(shù)C=1.64)：s=0.04/1.64=0.024 mm，由于在實際測量中D僅測量1次，因此，u1（D）=s=0.024mm。

（5）由游標卡尺引入的不確定度，游標卡尺的最大允許誤差為±0.03mm，估計為均勻分布，其引入的標準不確定度為：

（6）輸入量d的標準不確定度u（D）的評定：

2.4 合成標準不確定度評定：

2.4.1 靈敏系數(shù)

2.4.2 標準不確定度匯總表（見表4）

2.4.3 合成標準不確定度的計算由于各輸入量彼此獨立，互不相關(guān)，因此：

表4 標準不確定度匯總表Table.4 Summary of standard uncertainties

2.5 擴展不確定度的評定

取包含因子k=2，則Urel=k·uc=0.5%。

2.6 測量結(jié)果不確定度的報告與表示

靜力觸探儀十字板探頭抗剪強度的擴展不確定度為Urel=0.5%；它是由合成標準不確定度uc=0.21%和包含因子k=2之乘積得到。

2.7 對靜力觸探儀十字板探頭抗剪強度測量結(jié)果的不確定度評估

（1）該靜力觸探儀常規(guī)應(yīng)校準10%，20%，30%，40%，50%，60%，80%，100%共8個點，其測量不確定度見表5。

表5 合成不確定度匯總表Table.5 Summary of synthetic uncertainties

（2）靜力觸探儀十字板探頭抗剪強度的測量范圍為（0-100）kPa，在不同區(qū)間對范圍內(nèi)靜力觸探儀進行校準時，不確定度分量u（M）、u（D）將發(fā)生改變。因此，對全部校準點的測量不確定度評定如表6。

表6 .十字板探頭抗剪強度的CMCTable.6 CMC for shearing strength of crucible probe

2.8 校準和測量能力（CMC）：

靜力觸探儀十字板探頭抗剪強度的CMC為：測量范圍（0-100）kPa，Urel=0.5%，k=2。

3 結(jié)論

依據(jù)地質(zhì)原位測試規(guī)程，對十字板剪切試驗儀扭矩校準方法進行研究，設(shè)計出專用標定架和砝碼，實現(xiàn)了對十字板剪切試驗儀扭矩參數(shù)的校準。按照十字板剪切試驗儀校準方法進行不確定度分析評定，得出測量結(jié)果的不確定度為Urel=0.5%（k=2）。對十字板剪切試驗儀扭矩量值的校準探索出一套行之有效的方法。