應(yīng)變式微型土壓力盒標(biāo)定方法改進(jìn)

吳曙光 宋福華 彭衛(wèi) 楊波

摘 要：針對(duì)廠家提供的應(yīng)變式微型土壓力盒擬合函數(shù)不能準(zhǔn)確應(yīng)用于巖土工程試驗(yàn)中土壓力測(cè)試的問(wèn)題，在開展巖土工程試驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)工作介質(zhì)對(duì)土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定。在土壓力盒標(biāo)定試驗(yàn)整個(gè)量程范圍內(nèi)均勻選擇數(shù)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，用一個(gè)線性函數(shù)擬合整個(gè)量程范圍內(nèi)荷載與應(yīng)變的關(guān)系，所得的擬合函數(shù)存在較大截距，用該擬合函數(shù)計(jì)算小土壓力存在較大誤差。通過(guò)使用細(xì)砂和煤粉兩種標(biāo)定介質(zhì)開展試驗(yàn)，增加小壓力范圍內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)，重點(diǎn)探究了土壓力盒在小壓力作用下荷載與應(yīng)變之間的函數(shù)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，將曲線分為兩段斜率不同的線段，以拐點(diǎn)為界將標(biāo)定數(shù)據(jù)分兩段進(jìn)行線性擬合能夠有效避免擬合函數(shù)中截距過(guò)大帶來(lái)的測(cè)試誤差。

關(guān)鍵詞：標(biāo)定試驗(yàn);微型土壓力盒;小土壓力;分段線性擬合

中圖分類號(hào)：TV41;TU45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.029

引用格式：吳曙光，宋福華，彭衛(wèi)，等.應(yīng)變式微型土壓力盒標(biāo)定方法改進(jìn)[J].人民黃河，2021，43（4）：151-154.

Abstract： The fitting function of the strained miniature earth pressure cells provided by the manufacturer cant be accurately applied to the earth pressure test in the geotechnical engineering test. Before the earth pressure cell is applied in engineering test， the work medium should be calibrated. In the calibration test of the earth pressure cells， the former researchers have evenly selected several points within the entire measurement range for testing. A linear function was used to fit the relationship between strain and load over the entire range of measurements. The resulting fitting function had a large intercept. When using this fitting function to measure small earth pressures， there was a large error. This calibration test used fine sand and pulverized coal as two calibration media to increase the test data within a small pressure range， and focused on the relationship between the strain and load of the earth pressure cell under small pressure. It is found that there is an obvious inflection point in the curve of strain which increased with load， and the strain load curve is divided into two sections with different slopes. The calibration data is divided into two segments by the inflection point. The piecewise linear fitting can effectively avoid the test error which caused by too large intercept in the fitting function.

Key words： calibration test; miniature earth pressure cells; small earth pressure; piecewise linear fitting

土壓力盒在工程監(jiān)測(cè)和土工試驗(yàn)中應(yīng)用廣泛。巖土工程試驗(yàn)中大量的模型試驗(yàn)關(guān)系到土壓力測(cè)試問(wèn)題，通常將土壓力盒埋設(shè)在被測(cè)量介質(zhì)中，通過(guò)與被測(cè)量介質(zhì)的變形協(xié)調(diào)輸出應(yīng)變信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)土壓力盒標(biāo)定參數(shù)來(lái)判定測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力。土壓力盒標(biāo)定參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)測(cè)試土壓力起到關(guān)鍵作用，一般通過(guò)土壓力盒標(biāo)定試驗(yàn)得到土壓力盒參數(shù)。目前標(biāo)定方法有砂標(biāo)、氣標(biāo)、油標(biāo)，通常廠家采用油標(biāo)或者氣標(biāo)給出土壓力盒K值[1]，而實(shí)際土工測(cè)試中土壓力盒所接觸的介質(zhì)是離散的。為了能夠?qū)⑼翂毫袦?zhǔn)確應(yīng)用于工程實(shí)際及土工試驗(yàn)中，在試驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)條件對(duì)土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定。

為了準(zhǔn)確掌握土壓力盒在壓力測(cè)試過(guò)程中的性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在理論和試驗(yàn)方面進(jìn)行了很多研究。曾輝等[2]指出為了避免介質(zhì)不均勻所引起的壓力差別，傳感器敏感面的直徑應(yīng)大于土介質(zhì)最大顆粒粒徑的50倍。降低感應(yīng)區(qū)直徑和土壓力盒外膜直徑的比值d/D，有助于增大傳感器敏感部分的等效彈模，進(jìn)而減小壓力傳感器埋置于結(jié)構(gòu)表面時(shí)的誤差影響。Weiler等[3]指出，在相同的試驗(yàn)測(cè)試條件下進(jìn)行土壓力盒標(biāo)定至關(guān)重要，這其中包括試驗(yàn)介質(zhì)（砂土）的粒徑、相對(duì)密實(shí)度、加載過(guò)程的影響和環(huán)境條件（濕度、溫度等），另外還需關(guān)注應(yīng)力歷史的影響。芮瑞等[4]采用與模型試驗(yàn)相同的砂在相同的相對(duì)密度等條件下進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，獲得的標(biāo)定數(shù)據(jù)應(yīng)用于模型試驗(yàn)取得了較好的結(jié)果。劉先珊等[5]使用顆粒流數(shù)值方法從細(xì)觀力學(xué)角度研究砂土的力鏈結(jié)構(gòu)及演化規(guī)律，對(duì)土壓力盒的標(biāo)定有一定的指導(dǎo)意義。韋四江等[6]利用不同種類介質(zhì)進(jìn)行多組土壓力盒標(biāo)定試驗(yàn)，研究得出微型土壓力盒的標(biāo)定結(jié)果因標(biāo)定介質(zhì)的差異而不同，土壓力盒應(yīng)用于土壓力測(cè)試時(shí)應(yīng)根據(jù)工作介質(zhì)重新標(biāo)定。曾輝等[7]從解析理論研究出發(fā)，得到確定匹配誤差計(jì)算公式中相關(guān)參數(shù)的方法，提出不同類型土壓力盒在各種工作狀態(tài)下適用的匹配誤差計(jì)算方法。

y=0.044 0x+3.223 2

對(duì)比兩段線性擬合函數(shù)，兩段的標(biāo)定參數(shù)K值分別為0.044 0和0.063 5，相差44.3%。同時(shí)1段擬合函數(shù)中的截距遠(yuǎn)小于2段的。如果采用常規(guī)土壓力盒砂標(biāo)方法，使用標(biāo)定參數(shù)K2應(yīng)用于試驗(yàn)中較小土壓力測(cè)試，則測(cè)試土壓力與實(shí)際土壓力相差甚遠(yuǎn)。筆者認(rèn)為應(yīng)將標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)分兩段進(jìn)行擬合，土壓力盒應(yīng)用于試驗(yàn)中較小土壓力測(cè)試時(shí)使用1段線性擬合函數(shù)求土壓力，而在進(jìn)行較大土壓力測(cè)試時(shí)使用2段線性擬合函數(shù)求土壓力。此種線性擬合方法是合理可行的，能夠使應(yīng)變式微型土壓力盒更好地應(yīng)用于土工模型試驗(yàn)。

2.3 標(biāo)定介質(zhì)對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的影響

更換煤粉作為應(yīng)變式微型土壓力盒標(biāo)定介質(zhì)，探究不同標(biāo)定介質(zhì)K值的差異。兩種標(biāo)定介質(zhì)分段標(biāo)定曲線見圖4、圖5。

應(yīng)變式微型土壓力盒對(duì)煤粉及細(xì)砂兩種不同標(biāo)定介質(zhì)的1段、2段應(yīng)變均與荷載存在較好的線性關(guān)系，但是擬合函數(shù)均存在較大差異。在標(biāo)定時(shí)，土拱效應(yīng)導(dǎo)致土壓力盒出現(xiàn)應(yīng)力集中和應(yīng)力重分布現(xiàn)象[7]，進(jìn)一步說(shuō)明在使用微型土壓力盒前必須根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)對(duì)土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定。

2.4 標(biāo)定參數(shù)與廠家參數(shù)的對(duì)比

將3個(gè)土壓力盒2種介質(zhì)標(biāo)定函數(shù)與廠家提供的土壓力盒標(biāo)定函數(shù)進(jìn)行對(duì)比（見表1），可見使用細(xì)砂和煤粉進(jìn)行土壓力盒標(biāo)定試驗(yàn)所得的分段擬合函數(shù)與廠家提供的擬合函數(shù)有較大差異。廠家提供的擬合函數(shù)截距b較大，而分段擬合函數(shù)1段的截距遠(yuǎn)小于廠家提供的擬合函數(shù)的截距。3個(gè)土壓力盒用2種標(biāo)定介質(zhì)進(jìn)行分段標(biāo)定所得分段擬合函數(shù)的擬合優(yōu)度均大于0.99，說(shuō)明在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)變式微型土壓力盒的應(yīng)變均與荷載存在較好的線性關(guān)系，證實(shí)了本次試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 結(jié) 論

應(yīng)變式微型土壓力盒標(biāo)定試驗(yàn)中增加小壓力作用下的標(biāo)定數(shù)據(jù)，將標(biāo)定數(shù)據(jù)分段進(jìn)行線性擬合，得到的兩段擬合函數(shù)存在較大差異。在不同壓力階段使用不同的擬合函數(shù)進(jìn)行土壓力測(cè)試有助于提高測(cè)試精度。

分別使用不同種類介質(zhì)對(duì)微型土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定，所得到的擬合函數(shù)存在較大差異。在使用土壓力盒進(jìn)行測(cè)試前，應(yīng)該通過(guò)模擬測(cè)試介質(zhì)的實(shí)際環(huán)境對(duì)土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定。

廠家在全量程范圍內(nèi)提供的擬合函數(shù)存在較大的截距。直接使用廠家提供的擬合函數(shù)進(jìn)行小土壓力測(cè)試會(huì)產(chǎn)生較大誤差。增加在小壓力范圍內(nèi)的標(biāo)定數(shù)據(jù)，使用分段擬合的方法所得1段擬合函數(shù)截距值很小，能夠準(zhǔn)確應(yīng)用于土壓力的測(cè)試試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭淑艷.土壓力盒標(biāo)定方法的探討[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2013（1）：236-238.

[2] 曾輝，余尚江.巖土應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)和使用原則[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1994，16（1）：93-98.

[3] WEILER W A， KULHAWY F H. Factors Affecting Stress Cell Measurements in Soil[J].Journal of the Geotechnical Engineering Division， 1982， 108：1529-1548.

[4] 芮瑞，吳端正，胡港，等.模型試驗(yàn)中膜式土壓力盒標(biāo)定及其應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2016，38（5）：837-845.

[5] 劉先珊，宋碧宏，鄒利明.基于顆粒流數(shù)值模型的土壓力盒力學(xué)特性研究[C]//顆粒材料計(jì)算力學(xué)研究進(jìn)展.重慶：[出版者不詳]，2012：12-18.

[6] 韋四江，王大順，郜進(jìn)海，等.微型土壓力盒的標(biāo)定及修正[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5（5）：1003-1006.

[7] 曾輝，余尚江.巖土壓力傳感器匹配誤差的特性[J].巖土力學(xué)，2004，25（12）：99-106.

[8] 任連偉，肖楊，顧紅偉.砂土介質(zhì)中多類型土壓力盒標(biāo)定試驗(yàn)[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，44（2）：155-159.

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