用水压标定应变式微型土压力盒的过程与分析

陈立航，李顺群

(天津城建大学土木工程学院，天津市西青区津静公路26号 300384)

土压力测量是土力学理论和实验研究的一个重要方面，是工程测试中的重要内容，一般采用土压力传感器即土压力盒直接测量[1]。在测定土体压力时，常将土压力盒埋置在介质里，由输出的电信号来确定介质的真实压力[2]，操作的简便性使其在岩土工程领域得到广泛应用[3]。土压力盒一般工作在室外的土介质中，测量时会受到土体性质、土压力盒周围土体的密实度等各种因素的影响，可能使土压力实测数据出现失真,所以测量前应对土压力盒进行标定以确保实验数据的有效性[4]。目前针对土压力盒标定方面的研究都处于试验仪器完备、科研条件优越的实验室内。Joseph研究了土压力盒在实验室中的标定方法，使得土压力盒的标定和修正对实际测量中获得准确数据具有重要的意义[5]；任连伟等对比了3种不同工作原理的土压力盒在砂土标定试验中的表现[6]；韦四江等研究了微型土压力盒在散体、粉体和相似材料3种介质中的标定及修正[7]；张立祥通过将传感器置于与使用环境相近的土介质中进行标定，并采用非线性修正，明显提高了硬土介质中土压力量测的准确性[8]。

然而在土压力盒广泛应用过程中发现，荷载历史对土压力盒的力学性质和量测灵敏度有较大的影响；此外土压力盒的量测读数与所处环境温度也有很大关联，荷载越大，量程越小，温度的影响就越大，所以埋深较浅的压力盒受温度影响更大[9-10]。同时由于土压力盒的埋设地点一般在环境复杂的室外，各种不确定因素造成土压力盒检测数据失真成为一个普遍存在的问题[11]，所以每次使用前用户对土压力盒的自检和日常标定就显得尤为重要。

文中首先提出一种用户在科研条件简单环境下对土压力盒标定系数的自检和每次使用后的日常标定方法。利用水压力加压的标定方法，通过检测电信号的输出得到水压力和应变之间的关系，对土压力盒进行标定，有效挑选出可以正常工作的压力盒，为工程测试中土压力测量提供保障。本方法旨在使应变式微型土压力盒标定不再受到专业仪器设备和科研条件的限制，使土压力盒用户能够进行自检和日常标定。

1 试验概况

1.1 试验装置

试验装置包括1台东华测试DH3816静态应变测试仪，2根PVC水管(长4 m，外径46 mm)，6个型号LY-350的应变式微型土压力盒(土压力盒厚10 mm，半径为28 mm，应变片厚0.05 mm，半径为10 mm)。土压力盒形状为扁平圆形金属结构，量程分别为100 kPa和200 kPa，外壳采用钢质，并且结构完全封闭。两种量程的压力盒受力后受力面的变形如图1所示。

图1 土压力盒受力图Fig.1 Earth pressure box force diagram

1.2 试验原理

本试验主要研究在科研环境简单条件下用户对土压力盒的自检和日常标定方法。试验中所用传感器为应变式微型土压力盒，压力盒受力面受到水压力作用后引起应变片电阻值的变化。上表面受水压时应变片电阻增大，对应的输出值随之增大；下表面受压时电阻值没有变化。在施加已知强度的应力时，通过应变采集系统输出的电信号获取已知压强与土压力盒微应变之间的关系，从而获得标定曲线，得出土压力盒的标定系数。试验装置示意图见图2。

1—PVC管；2—应变式微型土压力盒；3—土压力盒导线；4—应变采集仪；5—计算机图2 土压力盒标定示意图Fig 2 Earth pressure box calibration diagram

试验中所施加的最大荷载为传感器总量程的80%，具体步骤如下：

(1)将压力盒固定在PVC管一端，受力面朝向管内方向，将PVC管竖立放置，固定着土压力盒的一端在下端，这样竖向放置的PVC管可调节水位的高低以提供可控水压力；

(2)将压力盒信号线从PVC管底部引出后用水泥浆密封PVC管下端和混凝土地面间的缝隙；

(3)将压力盒的导线与静态应变采集仪连接，按额定水压80 kPa预加压3次，每次预压间隔5 min，然后准备为正式试验采样；

(4)开始采集数据后，先向PVC管中注水施加水压力，分别按10 kPa，20 kPa，30 kPa，40 kPa，50 kPa，60 kPa，70 kPa，80 kPa共8级荷载逐级加载，直至达到额定的压力值，且加载过程中每级压力至少保持10 min，稳定后再继续加载，加载到额定压力值后再逐级卸载至零点压力，然后保持1 min后停止采样；

(5)按照上述步骤对6个压力盒进行多次试验，最后收集并分析试验数据，拟合出每个压力盒的标定曲线，试验现场如图3所示。

图3 标定过程现场图Fig.3 Calibration process site map

1.3 加载过程中注意事项

在压力盒用户使用前的自检和日常标定过程中要注意以下几点：

(1)查压力盒及信号传输线的密封性，排除密封性不好的压力盒，以免因进水导致的数据失真；

(2)向PVC管内注水加压过程要始终保持水柱沿PVC管内壁下落，而不是直接从管中间自由降落，以避免水柱自由降落到管底冲击土压力盒，导致所采集数据上下浮动较大；

(3)PVC管底部要完全密封，消除水压过大造成的PVC管底部漏水现象出现。

当加载到7%rad(89.11 mm)循环期间时，柱上内侧螺栓松动，造成上角钢被拉起与柱的接触面出现空隙。当加载到8%rad(101.84 mm)循环期间时，当位移归零时，角钢翼缘变形已经无法恢复，与柱之间产生间隙，同时梁腹板受挤压变形，以及上角钢加劲肋的焊缝出现裂缝。

2 试验数据记录与分析

2.1 数据记录

记录不同高度的水柱所施加荷载值和对应压力盒输出的电信号，用压力盒应变值整除对应荷载值，得到6个压力盒在不同荷载作用下的水压标定系数，换算式：

P=ε×K

式中：P为施加荷载对应的压强，kPa；ε为土压力盒应变；K为标定系数，kPa。

6个压力盒在水柱高度分别达到1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，6 m，7 m，8 m时的标定系数如表1所示。

表1 不同高度土压力盒的标定系数值

对比测试数据和所施加的荷载值，两者存在统计意义上的比例关系，6个压力盒应变变化趋势和所施加荷载变化一致，整个加载过程中压力盒对水压荷载作用的变化有很好的反馈。良好的加载特性说明水压荷载作用下压力盒的标定过程有较为理想的结果。

2.2 数据分析

加载过程中压力盒始终处于三向受力状态，读数稳定。根据用水柱施加荷载～输出应变数据进行直线拟合，结果如图4所示。从拟合曲线可以看出该压力盒输出的线性关系较好，每组试验的加载曲线基本为线性，表明标定系数K值不会随着荷载以及加载次数的变化而变化，是一个较为稳定的常量。

试验中6组加载曲线呈现明显的线性特征，直线拟合系数均大于0.99，试验数据呈现良好的加载特性和变化趋势，说明试验过程有较好的重复性。将不同高度水压作用下的标定系数求平均值，得到土压力盒的实测标定系数值，如表2所示。

图4 荷载～输出应变曲线Fig.4 Load-output strain curve

表2 压力盒标定系数K

试验所得标定系数K与厂家所提供的参数进行对比分析后可知，试验所得标定系数K均微大于厂家油标法得到的参数，二者标定系数K的最大偏差达4.3%。其中量程200 kPa的压力盒实测标定系数和厂家标定系数之间的偏差在1.0%左右，相对比较稳定。由于受限于此次实验过程中PVC管长度(8 m)，此次加载过程的最大荷载为80 kPa，并没有达到这3个土压力盒量程的80%，所以这3个土压力盒的标定系数偏差较小。

以上分析均可以说明水压标定方法可以使压力盒标定不再受到测量仪表等高精度专业设备的限制，试验所用装置造价低廉且容易获得，试验过程操作简便，具有较强的可复制性，可以在工程中广泛应用。

2.3 误差分析

(1)将实测标定系数与厂家提供的标定系数K值进行比较发现实测值要微大于厂家的标定系数，即相应应力作用下，水压标定下输出频率略小，测量值略低。这主要是由于厂家进行的油标与水压标定之间的加载介质之间存在差别。

(2)厂家给定的结果是在压力盒初始状态为零的情况下标定的，本试验所用的压力盒在经过多次使用之后初始状态有所改变，也会造成测量值之间的偏差和标定系数的不同。

3 结论

利用水压标定土压力盒的方法是为了满足科研环境简单条件下用户对土压力盒的自检和日常标定，以便在使用前能够有效筛选出正常工作的土压力盒，为工程测试中土压力测量提供保障。通过本试验得到2点结论。

(1)利用水压标定压力盒结果与厂家采用油标法所给的K值偏差不大，因此水压标定方法得到的结果可以满足科研环境简单条件下用户的自检和日常标定。

(2)对6个微型土压力盒进行水压标定，相同压力下，水压标定法得到的标定系数微大于油标法，二者标定系数K的最大偏差达到4.3%，表明水压标定土压力盒是一种可靠的方法且试验过程具有可复制性。