十字板剪切试验仪校准方法的研究及测量结果的数据处理

王蓁丽

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

0 引言

十字板剪切试验仪是对压入试验土层中的十字板头施加力矩，形成圆柱型的H破坏面，测定土剪切破坏时最大的扭矩，即土的抗剪强度，应用于海洋、航道工程等众多行业[1-6]。对十字板剪切试验仪应用及设备研究很多，但对校准方法的研究相对较少，本文主要研究十字板剪切试验仪校准方法以及对其扭矩参量测量结果的不确定度进行评定。

1 十字板剪切试验仪校准方法的研究[7-10]

1.1 概述

静力触探探头除有单桥和多用探头外，十字板探头也较为常见，十字板剪切试验是一种用十字板测定饱和软粘性土不排水抗剪强度和灵敏度的试验，属于土体原位测试试验的一种。它是将十字板头由钻孔压入孔底软土中，以均匀的速度转动，通过一定的测量系统，测得其转动时所需的力矩，直至土体破坏，从而计算出土的抗剪强度。

1.2 组成

十字板静力触探设备由十字板头、测量仪表、试验用探杆、贯入主机组成。

1.3 计量特性

（1）外观。静力触探仪探头外观应平整、光滑，无损伤及锈蚀，探杆应平直无弯曲，测量仪表功能正常。

（2）探头规格。尺寸和角度应符合表1中的规定。

（3）探头的计量性能：示值误差、重复性误差均应小于2.0%。

表1 十字板头规格Table.1 Cross head specifications

（4）绝缘电阻不得小于50ΜΩ。

1.4 校准条件

1.4.1 环境条件

（1）校准时环境条件应满足，10℃-30℃，相对湿度≤80%。

（2）校准时周围应无影响校准结果的振动、电磁场或其它干扰源。

1.4.2 校准用设备

选用相应等级的扭矩杠杆和力值砝码作为校准静力触探仪的校准用设备。

1.5 校准方法

通过实际观察进行检查，十字板剪切试验用探杆必须平直，探杆连接应有良好的互换性。以锥形螺纹连接的探杆，连接后不得有晃动现象；以圆形螺纹连接的探杆，拧紧后丝扣之根、肩应能密合。符合要求后，再进行其余各条校准。

用游标卡尺和万能角度尺分别测量探头的锥头和摩擦筒的直径、长度、间距、锥角等几何尺寸，测量结果应符合表1的要求。

1.5.1 十字板探头的校准方法

校准步骤如下：

（1）卸下十字板探头传感器上的套筒后，将探头的一端固定在校准架的活动支座中，另一端安装扭矩杠杆。

加载装置示意图见图1：

图1 加载装置示意图Fig.1 Loading device schematic diagram

（2）接通记录仪，并将仪表预调零。

（3）锁定活动支座，注意观察支座锁定时仪表是否产生附加漂移，出现附加漂移时，应查找原因，设法消除。

（4）零漂稳定和附加漂移消除后，复将仪表调零，再进行正式校准。

（5）用力值砝码通过扭矩杠杆对传感器逐级试加扭矩，同时记录各级扭矩时的仪表输出值。校准初始荷载量为10%FS，校准点不少于8点，推荐选择10点，各点应大致均匀分布。至额定荷载后逐级卸荷，并记录读数，完成一个加、卸荷循环过程。

（6）根据上述校准结果，根据计算公式（1）、（2）求出十字板剪切测试仪的示值误差和重复性误差。

示值相对误差：

示值重复性：

式中：

Mimax—同一检定点十字板剪切测试仪3次示值的的算术平均值，Nm；Mimax—同一检定点标准装置的标准扭矩值，Nm；Mimax、Mimin—同一检定点十字板剪切测试仪3次示值中的最大值和最小值，Nm。

1.5.2 探头绝缘电阻试验

用100V-250V的兆欧表分别接探头的电路与本体，测量二者之间的绝缘电阻，测量探头绝缘电阻应大于50ΜΩ。

1.6 校准结果处理

校准后，出具校准证书。校准证书至少应包含以下信息：（1）标题，“校准证书”。（2）实验室名称和地址。（3）证书或报告的唯一性标识（如编号），每页及总页数的标识。（4）送校单位的名称和地址。（5）被校对象的描述和明确标识。（6）进行校准的日期，如果与校准结果的有效性和应用有关时，应说明被校对象的接收日期。（7）对校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号。（8）本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明。（9）校准环境的描述；（10）校准结果及其测量不确定度。（11）校准证书签发人的签名、职务或等效标识，以及签发日期。

1.7 校准周期

由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的，因此，送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔，建议复校时间为6个月。

2 十字板剪切试验仪测量结果的不确定度评定

2.1 测量过程

用0.1级力值砝码、杠杆，对十字板剪切试验仪施加力矩，根据静力触探仪抗剪强度计算公式，计算静力触探仪十字板探头的抗剪强度。

2.2 数学模型

式中：Cu为十字板探头抗剪扭矩；M为力值砝码、杠杆施加扭矩；M为十字板探头的直径；运算系数X=0.86。

2.3 标准不确定度分量的评定

输入量M的不确定度主要是由测量的重复性和力值砝码、杠杆的准确度引起的。两者独立互不相关，前者可以A类方法进行评定，后者可以由力值砝码、杠杆的证书以B类方法评定。

（1）选取一个SQ-10Y静力触探仪为试验对象（其D=50mm），在重复性条件下对静力触探仪十字板探头施加载荷至21.91kPa，测量3次，得到M如下：

表2 扭矩测量值Table.2 Torque Measurement

则：

（2）由力值砝码、杠杆引入的不确定度，估计为均匀分布，因准确度引入的：

（3）输入量M的标准不确定度u（M）的评定：

输入量D的不确定度u（D）的评定：其不确定度主要来源于测量的重复性及游标卡尺的最大示值允许误差，前者u1（D）可由A类方法评定，后者u2（D）证书给出，可以B类方法评定，且两者彼此独立，互不相关。

（4）选取一个SQ-10Y静力触探仪为试验对象，在重复性条件下对静力触探仪十字板直径D进行3次测量，得到一测量列，如表3。

表3 直径测量值Table.3 Diameter measurement

因此：

单次试验标准差以极差法计算(系数C=1.64)：s=0.04/1.64=0.024 mm，由于在实际测量中D仅测量1次，因此，u1（D）=s=0.024mm。

（5）由游标卡尺引入的不确定度，游标卡尺的最大允许误差为±0.03mm，估计为均匀分布，其引入的标准不确定度为：

（6）输入量d的标准不确定度u（D）的评定：

2.4 合成标准不确定度评定：

2.4.1 灵敏系数

2.4.2 标准不确定度汇总表（见表4）

2.4.3 合成标准不确定度的计算由于各输入量彼此独立，互不相关，因此：

表4 标准不确定度汇总表Table.4 Summary of standard uncertainties

2.5 扩展不确定度的评定

取包含因子k=2，则Urel=k·uc=0.5%。

2.6 测量结果不确定度的报告与表示

静力触探仪十字板探头抗剪强度的扩展不确定度为Urel=0.5%；它是由合成标准不确定度uc=0.21%和包含因子k=2之乘积得到。

2.7 对静力触探仪十字板探头抗剪强度测量结果的不确定度评估

（1）该静力触探仪常规应校准10%，20%，30%，40%，50%，60%，80%，100%共8个点，其测量不确定度见表5。

表5 合成不确定度汇总表Table.5 Summary of synthetic uncertainties

（2）静力触探仪十字板探头抗剪强度的测量范围为（0-100）kPa，在不同区间对范围内静力触探仪进行校准时，不确定度分量u（M）、u（D）将发生改变。因此，对全部校准点的测量不确定度评定如表6。

表6 .十字板探头抗剪强度的CMCTable.6 CMC for shearing strength of crucible probe

2.8 校准和测量能力（CMC）：

静力触探仪十字板探头抗剪强度的CMC为：测量范围（0-100）kPa，Urel=0.5%，k=2。

3 结论

依据地质原位测试规程，对十字板剪切试验仪扭矩校准方法进行研究，设计出专用标定架和砝码，实现了对十字板剪切试验仪扭矩参数的校准。按照十字板剪切试验仪校准方法进行不确定度分析评定，得出测量结果的不确定度为Urel=0.5%（k=2）。对十字板剪切试验仪扭矩量值的校准探索出一套行之有效的方法。