基于電阻應變式土壓力盒測試誤差的室內試驗

陶亞萍，吳艷麗

（1黃河交通學院 交通工程學院，河南焦作 454950；2交通與環(huán)境巖土工程研究所，河南焦作 454950）

0 引言

近幾年隨著土建、礦山等領域的不斷發(fā)展，土壓力的測量變得尤為重要。土方填筑過程當中所得到實際土壓力與理論土壓力有較大的出入，高填方路堤失穩(wěn)容易產生滑坡，不僅會增加工程造價，同時還可能威脅到人民群眾生產財產。從工程實例看，土壓力傳感器的測試誤差較多是受溫度、季節(jié)、土壓力盒的幾何特征等因素的影響，所以測量土壓力傳感器的實際誤差與理論誤差就顯得尤為重要[1-3]。目前，由于在理論上和數值計算方法還不夠完善，試驗受多種因素的影響，導致理論計算值與實際測量值存在很大出入，僅從理論上來看，二者并不能嚴格地說哪一個更接近真實的土壓力值，因此有必要對土壓力測試進行進一步的研究。

張勝利[4]分析土壓力傳感器和土介質之間的相互關系，對量測土體壓力所產生的匹配誤差進行了有限元計算和室內試驗研究。陳春紅[5]通過一系列的室內模擬標定試驗，發(fā)現土壓力傳感器在室內試驗所得的標定系數與生產廠家給定的標定系數存在很大的誤差?；陔娮钁兪酵翂毫鞲衅鬟M行室內標定試驗，并與廠家給出的油標結果進行對比，發(fā)現油標法與砂標法存在一定的誤差[6-7]。

為研究土壓力盒的實際測量值與理論計算值之間關系，以大連市某高填方邊坡工程為例，采用室內模擬試驗的方法對其進行研究，為該類工程的模擬試驗提供借鑒。

1 工程概況

本文依托大連市某高填方邊坡工程進行土壓力測試誤差分析研究。該工程處于沿海地帶，總長度為180m，地貌特征屬于低山丘陵區(qū)，地形總體走向是南高北低、西高東低，如圖1所示。如若建成將導致居民建筑的品位下降。

圖1 工程現場圖

為了提高工程的品位以及滿足居民的采光和觀賞等條件，需要改變工程所處的地勢，即走勢改變成西北高東南低。那么就需要對工程進行回填，在回填之前應先清除坡面植被、坡積物、全風化和強風化層至中風化巖體。回填采用級配良好且粒徑不大于150mm的開山石，并分層壓實?；靥钪蟮穆访嫒鐖D2所示。為了了解和測量這塊回填土的土壓力分布情況，在土體中埋入土壓力盒測量土體壓力，故進行了本次室內試驗來驗證工程中所測得的壓力分布情況。

圖2 工程剖面圖

2 試驗介紹

通過室內試驗對目前應用較廣的電阻應變式土壓力傳感器進行誤差分析，采用配重砝碼直接堆載的方式進行了土壓力傳感器與介質相互作用的室內模擬試驗，研究土壓力盒誤差的特點及其規(guī)律，以及產生這種誤差的原因。

2.1 試驗設備

電阻式傳感器是將非電量的變化量，轉化成與之有一定關系的電阻值的變化量，通過對電阻值的測量達到非電量測量的目的。

該型傳感器是單膜片電阻應變式傳感器，由于傳感器與介質相互作用主要是通過上部荷載產生，內部的感應元件不與介質直接發(fā)生作用，感應板主要是在壓力作用下產生相應的變形得到輸出測量值。根據要求先找到所要測試的方向，使壓力傳感器受力面（光面）與受力方向垂直安裝好。

采用TST3826靜態(tài)應變測試分析系統，讀取在不同荷載作用下的傳感器輸出值。試驗采用位移計，通過位移計讀出每級荷載作用下的介質壓縮量。試驗采用直徑為219mm，高度為250mm的鋼管，1套配重砝碼。試驗所用的百分表為北京天銳達工貿有限公司所產，型號為MFX系列。外形尺寸，主要目的是用來測量被測介質的壓縮量。試驗中采用的設備見圖3。

2.2 試驗技術路線

針對本文所要研究的內容，采用的技術路線如圖4所示。

3 試驗誤差因素分析

3.1 厚徑比對誤差影響分析

圖3 試驗加載設備圖

圖4 總體技術路線

試驗過程中，將室內模擬裝置劃分成兩個區(qū)域，即傳感器所在的中間區(qū)域和其余砂介質部分。室內模擬試驗裝置的總高度為H，傳感器的厚度用h表示。試驗時，在上部施加一個集中荷載，模擬材料被壓縮密實，所得的壓縮量用△H，此時得到的傳感器所在區(qū)域的應變值ε1=△H/(H-h)，其余砂介質區(qū)域的應變值ε2=△H/H。 若E1=E2，則σ1>σ2。

由此可以看出，土壓力盒所測得的應力值與傳感器的幾何特征有關，即厚度越小，所測得的實際誤差與理論計算誤差越小。

3.2 彈性模量和內摩擦角對誤差影響分析

由于室內模擬材料為非彈性體，其彈性膜量并非定值，從而導致土壓力盒的剛度與室內模擬材料的剛度很難達到一致，那么在施加荷載的情況下容易產生拱效應，即傳感器所測得的應力與原始應力相差較大，如圖5所示。

砂類土的內摩擦角是由多方面原因引起的，如顆粒間的滑動作用、咬合狀態(tài)及其破壞；顆粒形狀、粒徑級配及礦物成分；顆粒之間的重新排列作用等。內摩擦角作為砂介質的一個重要物理指標，試驗過程中對機制砂進行了直接剪切試驗。試驗盒分為上、下盒兩部分，土樣夾在上、下兩塊透水石之間，上盒和下盒的界面處在2cm厚土樣高度的中間，即固定的剪切破壞面。施加豎向壓力之后，在儀器的一端施加直接的剪力，如果土樣的抗剪強度為零，則施加很小的力之后會沿著上下盒間的界面錯開，達到很大的錯位變形；如果土樣的抗剪強度是無窮大，則施加很大力后上下盒也會一起動，共同位移，土樣受剪，此時只能迫使鋼環(huán)儀發(fā)生徑向變形，由鋼環(huán)常數和鋼環(huán)的徑向變形計算出土樣的抗剪強度。

圖5 拱效應

圖6 直接剪切試驗

圖7 玻璃箱

圖8 施加荷載后玻璃箱

實際上，土的抗剪強度既不是零，也不是無窮大，而是有限值，所以在施加直剪力后，既有上下盒之間的錯動，又有上下盒的共同變形，可由此算得出土樣的抗剪強度。在不斷施加直剪力過程中，上下盒之間的錯位和鋼環(huán)儀的徑向變形不斷增加，當達到某一數值時，如果繼續(xù)施加作用力，鋼環(huán)儀表指針會出現倒退現象，即破壞開始。試驗儀器見圖6。

運用公式τi=Cδ計算抗剪強度。C為測微表讀數（單位：0.01mm），δ取1.861kPa/0.01mm。 分別在施加50kPa、100kPa、200kPa、300kPa垂直應力下進行試驗。 利用τi=σitanφ可以解出φ值。試驗數據見表1。

表1 四種不同粒徑河砂內摩擦角讀數

3.3 誤差影響因素論證

為論證土壓力盒測試誤差的影響因素，采用透明的玻璃箱觀測每層土體的變化，用一段與玻璃箱寬度一樣尺寸的長方體木條來模擬土壓力盒，玻璃箱的底部放置10cm厚的密實土體，然后開始填筑試驗模擬材料，每填筑5cm厚的試驗材料加一層石灰，如圖7所示。將木塊放置在玻璃箱的中間，在木塊上覆土，直到填滿整個玻璃箱。之后每隔30min施加一次荷載，觀察玻璃箱內木塊附近土體的變化，如圖8所示。從圖8可以看出，由于木塊的剛度與周圍介質剛度不同，木塊周圍的土體出現類似于拱形的變形。

4 結論

本文采用電阻應變式傳感器，通過直接堆載的方式進行室內模擬試驗，探討了影響土壓力傳感器的實測誤差與理論計算誤差的因素，并對影響因素進行論證。

土壓力傳感器的實測值與計算值的誤差與其傳感器的厚度有關，厚度越薄其測試誤差就越小。由于傳感器的剛度與室內模擬材料的剛度差異較大，使得應力分布不均勻而產生拱效應。采用木塊模擬土壓力盒，通過玻璃箱來觀測木塊周圍土體的變化，所得結論與理論分析一致。