基于电阻应变式土压力盒测试误差的室内试验

陶亚萍，吴艳丽

（1黄河交通学院 交通工程学院，河南焦作 454950；2交通与环境岩土工程研究所，河南焦作 454950）

0 引言

近几年随着土建、矿山等领域的不断发展，土压力的测量变得尤为重要。土方填筑过程当中所得到实际土压力与理论土压力有较大的出入，高填方路堤失稳容易产生滑坡，不仅会增加工程造价，同时还可能威胁到人民群众生产财产。从工程实例看，土压力传感器的测试误差较多是受温度、季节、土压力盒的几何特征等因素的影响，所以测量土压力传感器的实际误差与理论误差就显得尤为重要[1-3]。目前，由于在理论上和数值计算方法还不够完善，试验受多种因素的影响，导致理论计算值与实际测量值存在很大出入，仅从理论上来看，二者并不能严格地说哪一个更接近真实的土压力值，因此有必要对土压力测试进行进一步的研究。

张胜利[4]分析土压力传感器和土介质之间的相互关系，对量测土体压力所产生的匹配误差进行了有限元计算和室内试验研究。陈春红[5]通过一系列的室内模拟标定试验，发现土压力传感器在室内试验所得的标定系数与生产厂家给定的标定系数存在很大的误差。基于电阻应变式土压力传感器进行室内标定试验，并与厂家给出的油标结果进行对比，发现油标法与砂标法存在一定的误差[6-7]。

为研究土压力盒的实际测量值与理论计算值之间关系，以大连市某高填方边坡工程为例，采用室内模拟试验的方法对其进行研究，为该类工程的模拟试验提供借鉴。

1 工程概况

本文依托大连市某高填方边坡工程进行土压力测试误差分析研究。该工程处于沿海地带，总长度为180m，地貌特征属于低山丘陵区，地形总体走向是南高北低、西高东低，如图1所示。如若建成将导致居民建筑的品位下降。

图1 工程现场图

为了提高工程的品位以及满足居民的采光和观赏等条件，需要改变工程所处的地势，即走势改变成西北高东南低。那么就需要对工程进行回填，在回填之前应先清除坡面植被、坡积物、全风化和强风化层至中风化岩体。回填采用级配良好且粒径不大于150mm的开山石，并分层压实。回填之后的路面如图2所示。为了了解和测量这块回填土的土压力分布情况，在土体中埋入土压力盒测量土体压力，故进行了本次室内试验来验证工程中所测得的压力分布情况。

图2 工程剖面图

2 试验介绍

通过室内试验对目前应用较广的电阻应变式土压力传感器进行误差分析，采用配重砝码直接堆载的方式进行了土压力传感器与介质相互作用的室内模拟试验，研究土压力盒误差的特点及其规律，以及产生这种误差的原因。

2.1 试验设备

电阻式传感器是将非电量的变化量，转化成与之有一定关系的电阻值的变化量，通过对电阻值的测量达到非电量测量的目的。

该型传感器是单膜片电阻应变式传感器，由于传感器与介质相互作用主要是通过上部荷载产生，内部的感应元件不与介质直接发生作用，感应板主要是在压力作用下产生相应的变形得到输出测量值。根据要求先找到所要测试的方向，使压力传感器受力面（光面）与受力方向垂直安装好。

采用TST3826静态应变测试分析系统，读取在不同荷载作用下的传感器输出值。试验采用位移计，通过位移计读出每级荷载作用下的介质压缩量。试验采用直径为219mm，高度为250mm的钢管，1套配重砝码。试验所用的百分表为北京天锐达工贸有限公司所产，型号为MFX系列。外形尺寸，主要目的是用来测量被测介质的压缩量。试验中采用的设备见图3。

2.2 试验技术路线

针对本文所要研究的内容，采用的技术路线如图4所示。

3 试验误差因素分析

3.1 厚径比对误差影响分析

图3 试验加载设备图

图4 总体技术路线

试验过程中，将室内模拟装置划分成两个区域，即传感器所在的中间区域和其余砂介质部分。室内模拟试验装置的总高度为H，传感器的厚度用h表示。试验时，在上部施加一个集中荷载，模拟材料被压缩密实，所得的压缩量用△H，此时得到的传感器所在区域的应变值ε1=△H/(H-h)，其余砂介质区域的应变值ε2=△H/H。 若E1=E2，则σ1>σ2。

由此可以看出，土压力盒所测得的应力值与传感器的几何特征有关，即厚度越小，所测得的实际误差与理论计算误差越小。

3.2 弹性模量和内摩擦角对误差影响分析

由于室内模拟材料为非弹性体，其弹性膜量并非定值，从而导致土压力盒的刚度与室内模拟材料的刚度很难达到一致，那么在施加荷载的情况下容易产生拱效应，即传感器所测得的应力与原始应力相差较大，如图5所示。

砂类土的内摩擦角是由多方面原因引起的，如颗粒间的滑动作用、咬合状态及其破坏；颗粒形状、粒径级配及矿物成分；颗粒之间的重新排列作用等。内摩擦角作为砂介质的一个重要物理指标，试验过程中对机制砂进行了直接剪切试验。试验盒分为上、下盒两部分，土样夹在上、下两块透水石之间，上盒和下盒的界面处在2cm厚土样高度的中间，即固定的剪切破坏面。施加竖向压力之后，在仪器的一端施加直接的剪力，如果土样的抗剪强度为零，则施加很小的力之后会沿着上下盒间的界面错开，达到很大的错位变形；如果土样的抗剪强度是无穷大，则施加很大力后上下盒也会一起动，共同位移，土样受剪，此时只能迫使钢环仪发生径向变形，由钢环常数和钢环的径向变形计算出土样的抗剪强度。

图5 拱效应

图6 直接剪切试验

图7 玻璃箱

图8 施加荷载后玻璃箱

实际上，土的抗剪强度既不是零，也不是无穷大，而是有限值，所以在施加直剪力后，既有上下盒之间的错动，又有上下盒的共同变形，可由此算得出土样的抗剪强度。在不断施加直剪力过程中，上下盒之间的错位和钢环仪的径向变形不断增加，当达到某一数值时，如果继续施加作用力，钢环仪表指针会出现倒退现象，即破坏开始。试验仪器见图6。

运用公式τi=Cδ计算抗剪强度。C为测微表读数（单位：0.01mm），δ取1.861kPa/0.01mm。 分别在施加50kPa、100kPa、200kPa、300kPa垂直应力下进行试验。 利用τi=σitanφ可以解出φ值。试验数据见表1。

表1 四种不同粒径河砂内摩擦角读数

3.3 误差影响因素论证

为论证土压力盒测试误差的影响因素，采用透明的玻璃箱观测每层土体的变化，用一段与玻璃箱宽度一样尺寸的长方体木条来模拟土压力盒，玻璃箱的底部放置10cm厚的密实土体，然后开始填筑试验模拟材料，每填筑5cm厚的试验材料加一层石灰，如图7所示。将木块放置在玻璃箱的中间，在木块上覆土，直到填满整个玻璃箱。之后每隔30min施加一次荷载，观察玻璃箱内木块附近土体的变化，如图8所示。从图8可以看出，由于木块的刚度与周围介质刚度不同，木块周围的土体出现类似于拱形的变形。

4 结论

本文采用电阻应变式传感器，通过直接堆载的方式进行室内模拟试验，探讨了影响土压力传感器的实测误差与理论计算误差的因素，并对影响因素进行论证。

土压力传感器的实测值与计算值的误差与其传感器的厚度有关，厚度越薄其测试误差就越小。由于传感器的刚度与室内模拟材料的刚度差异较大，使得应力分布不均匀而产生拱效应。采用木块模拟土压力盒，通过玻璃箱来观测木块周围土体的变化，所得结论与理论分析一致。