杭的平 韓云山

中北大學(xué)理學(xué)院（030051）

土壓力盒的標(biāo)定

杭的平 韓云山

中北大學(xué)理學(xué)院（030051）

鑒于實(shí)際工程的需要，這里對(duì)土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定，提出了土壓力盒標(biāo)定的幾種方法，對(duì)黃土介質(zhì)中的土壓力盒一一進(jìn)行標(biāo)定，并與廠(chǎng)家標(biāo)定的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)對(duì)比了黃土介質(zhì)和砂介質(zhì)的標(biāo)定的結(jié)果：黃土標(biāo)定曲線(xiàn)的K值和廠(chǎng)家給定的K值差別較大，而黃土介質(zhì)和砂介質(zhì)中對(duì)土壓力盒的標(biāo)定結(jié)果的K值基本上一致，最后分析了產(chǎn)生以上差異的原因。

土壓力盒；標(biāo)定；黃土標(biāo)定

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，為解決建設(shè)用地緊張問(wèn)題，開(kāi)山造地項(xiàng)目日趨增多，強(qiáng)夯作為該項(xiàng)目地基處理的主要方法，利用起重設(shè)備將重錘提升到一定高度，然后使重錘自由下落，以巨大的沖擊能量作用在地基上，達(dá)到加固的效果。研究強(qiáng)夯過(guò)程中土體動(dòng)應(yīng)力的變化及衰減規(guī)律對(duì)強(qiáng)夯的廣泛應(yīng)用與發(fā)展有著重要的作用，而強(qiáng)夯在土中產(chǎn)生的動(dòng)土壓力的測(cè)量是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。土壓力測(cè)量是土力學(xué)理論和實(shí)踐研究的重要方面，也是工程實(shí)踐的重要研究?jī)?nèi)容。在強(qiáng)夯過(guò)程中動(dòng)土壓力的變化一般采用土壓力傳感器（即土壓力盒）與動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀相連接進(jìn)行測(cè)量。土壓力盒的工作環(huán)境一般在室外的土介質(zhì)中，測(cè)量時(shí)會(huì)受到土體性質(zhì)、土壓力盒周?chē)馏w的密實(shí)度等各種因素的影響，可能使其測(cè)量中土壓力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真的情況，所以測(cè)量前應(yīng)對(duì)土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定。陳春紅等[1]在土壓力盒標(biāo)定過(guò)程中提到了標(biāo)定的各種方法，對(duì)比分析了砂標(biāo)和廠(chǎng)家氣標(biāo)的結(jié)果，表明二者存在一些差別。試驗(yàn)為了與土壓力盒的實(shí)際情況相結(jié)合，提高土壓力測(cè)量數(shù)據(jù)的可利用性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中的土壓力盒在室內(nèi)一一進(jìn)行砂標(biāo)標(biāo)定，得出了土壓力盒在土中產(chǎn)生的應(yīng)變與加載壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就土壓力盒的標(biāo)定問(wèn)題作了初步的研究分析，以應(yīng)用于實(shí)際工程中。

1 土壓力盒標(biāo)定的方法

室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)土壓力盒標(biāo)定的方法有：液壓標(biāo)定、氣壓標(biāo)定和土介質(zhì)中標(biāo)定（砂標(biāo)）[1]。

氣壓標(biāo)定是用已知壓強(qiáng)的壓縮氣體對(duì)密閉容器中的土壓力盒進(jìn)行加壓，通過(guò)頻率儀測(cè)得土壓力盒的輸出頻率,建立氣體壓強(qiáng)與頻率的相互關(guān)系,從而得到率定曲線(xiàn)，該法可以同時(shí)對(duì)多個(gè)土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定。

液壓標(biāo)定和氣壓標(biāo)定的標(biāo)定方法相似，只需把氣壓變成液壓即可。

在土介質(zhì)中標(biāo)定（砂標(biāo)）與上面兩種標(biāo)定有所不同。在標(biāo)定過(guò)程中，土壓力盒是單向受力，氣壓標(biāo)定和液壓標(biāo)定的土壓力盒處于三向受力狀態(tài)。在土介質(zhì)中對(duì)土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定比較符合土壓力盒在土體中的實(shí)際工況。土介質(zhì)中標(biāo)定土壓力盒的方法操作簡(jiǎn)單，加壓、卸壓方便，測(cè)定過(guò)程中土壓力盒的表面受力均勻，比氣壓標(biāo)定和液體標(biāo)定更能與土體中土壓力盒的實(shí)際受力狀態(tài)相吻合。因此，在強(qiáng)夯現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定動(dòng)土壓力采用的土壓力盒在土介質(zhì)中進(jìn)行標(biāo)定。

2 標(biāo)定試驗(yàn)

在陜西省延安市富縣強(qiáng)夯現(xiàn)場(chǎng)8 m高的邊坡體內(nèi)的不同高度處,將埋置46個(gè)土壓力盒測(cè)試強(qiáng)夯過(guò)程中土體不同位置處的動(dòng)土壓力。由于廠(chǎng)家給定的土壓力盒的標(biāo)定曲線(xiàn)是采用氣標(biāo)標(biāo)定的和強(qiáng)夯中土的實(shí)際情況不是很符合，因此，在埋置土壓力盒之前需進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)土壓力盒進(jìn)行砂標(biāo)標(biāo)定。這些土壓力盒采用的是電阻應(yīng)變土壓力計(jì)，測(cè)量范圍為：0～200 kPa，直徑為16 mm，厚度4 mm，即厚度與直徑之比為0.25。

1）試驗(yàn)裝置。強(qiáng)夯中所用土壓力盒的標(biāo)定裝置如圖1所示。測(cè)量?jī)x器為動(dòng)態(tài)測(cè)試儀DH5956，是內(nèi)徑10 cm、高度7.5 cm的簡(jiǎn)易筒體裝置（由3個(gè)2.5 cm的套環(huán)組成）。土壓力盒是用土體埋置在該裝置中，直接將直徑15 mm的透水石作為加載板加在土壓力盒的上覆土上，然后在加載板上逐級(jí)加載。此試驗(yàn)屬于單軸試驗(yàn)，加載板的直徑大于土壓力盒的直徑，在加載過(guò)程中，荷載基本分布在土壓力盒上和土上,但是土體的剛度與壓力盒的剛度不一樣，在加載中可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力的不均勻分布,出現(xiàn)拱效應(yīng)。張彬[2]在對(duì)土壓力盒的誤差分析中提到，為了減少因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的誤差，必須滿(mǎn)足土壓力盒變形膜的有效受壓部分直徑大于所測(cè)介質(zhì)最大顆粒粒徑的50倍以上,在用砂作為介質(zhì)進(jìn)行砂標(biāo)試驗(yàn)時(shí)選用0.25 mm粒徑的砂子進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 標(biāo)定試驗(yàn)裝置

2）試驗(yàn)的內(nèi)容是用動(dòng)態(tài)測(cè)試儀DH5956測(cè)定壓力和應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一次標(biāo)定4個(gè)壓力盒，試驗(yàn)步驟如下：

①將土壓力盒的導(dǎo)線(xiàn)連接在適調(diào)器上并與動(dòng)態(tài)測(cè)試儀相連。

②裝樣。在裝置的底部放置20～25 mm厚的土，按額定的壓力值200 kPa進(jìn)行預(yù)壓。

③將壓力盒放置在裝置底部的中間，埋上40～55 mm厚的土。

④按額定的壓力值200 kPa進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓時(shí)間為5 min，然后為正式試驗(yàn)準(zhǔn)備采樣。

⑤按12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa五級(jí)荷載逐級(jí)加載，直至達(dá)到額定的壓力值，每級(jí)壓力至少保持10 s。

⑥加載到額定壓力值后，按上面的五級(jí)荷載逐級(jí)卸載直到零點(diǎn)壓力，然后保持1 min停止采樣。

⑦按照①～⑥的試驗(yàn)步驟進(jìn)行多次試驗(yàn),直到把46個(gè)土壓力盒標(biāo)定完為止，最后分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出每個(gè)壓力盒的標(biāo)定曲線(xiàn)。

⑧從46個(gè)壓力盒中選取3個(gè)壓力盒做砂介質(zhì)中砂標(biāo)的標(biāo)定試驗(yàn)，按以上步驟操作，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 黃土標(biāo)定結(jié)果和廠(chǎng)家的對(duì)比

黃土標(biāo)定和廠(chǎng)家采用的氣標(biāo)均是在200 kPa的額定壓力值下進(jìn)行標(biāo)定的，兩種標(biāo)定方法的受力狀態(tài)有所不同，同一壓力盒得到的標(biāo)定結(jié)果不一樣，選取其中的10組壓力盒進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 不同標(biāo)定方法下K值的對(duì)比

由表1可知，砂標(biāo)和廠(chǎng)家采用氣標(biāo)的標(biāo)定結(jié)果有所不同,大部分壓力盒標(biāo)定的K值差距較大,差值都在20%以上。這是由于它們的標(biāo)定環(huán)境不一樣,土壓力盒的受力狀態(tài)不一樣，但是砂標(biāo)結(jié)果更符合土壓力盒的實(shí)際工況，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中可以得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3.2 黃土介質(zhì)和砂介質(zhì)兩種標(biāo)定結(jié)果的對(duì)比

為了更好地符合壓力盒的實(shí)際工程環(huán)境，砂標(biāo)試驗(yàn)采用的介質(zhì)是黃土，并選取3個(gè)土壓力盒與砂介質(zhì)中的砂標(biāo)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其擬合的標(biāo)定曲線(xiàn)見(jiàn)表2。

表2 土介質(zhì)和砂介質(zhì)標(biāo)定曲線(xiàn)

由表2可知，土介質(zhì)和砂介質(zhì)在相同條件下對(duì)同一壓力盒標(biāo)定的K值差別不大，差值在10%以?xún)?nèi)，因而兩種介質(zhì)的標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果均可以應(yīng)用于工程實(shí)際中。

4 標(biāo)定曲線(xiàn)的差異分析

1）兩種標(biāo)定方法的試驗(yàn)環(huán)境不同，壓力盒的受力狀態(tài)不同。

2）廠(chǎng)家給定的結(jié)果是在壓力盒初始狀態(tài)為零的情況下標(biāo)定的，本試驗(yàn)所用的壓力盒在經(jīng)過(guò)多次使用之后初始狀態(tài)有所改變。

3）由于土體是非彈性體,其彈性模量是個(gè)變量，而且土介質(zhì)和砂介質(zhì)在同一額定壓力預(yù)壓后其密實(shí)度有所差別。

5 結(jié)論

1）通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)砂標(biāo)對(duì)土壓力盒的標(biāo)定結(jié)果與廠(chǎng)家給定的標(biāo)定曲線(xiàn)的K值差別較大。這是由于采用的是兩種不同的標(biāo)定方法，在標(biāo)定中壓力盒的受力狀態(tài)不一樣，標(biāo)定時(shí)周?chē)沫h(huán)境不同等因素導(dǎo)致。

2）土介質(zhì)和砂介質(zhì)中標(biāo)定的結(jié)果基本上保持一致，在實(shí)際工程中測(cè)土壓力時(shí)兩種介質(zhì)的標(biāo)定結(jié)果均可以更好地符合壓力盒的實(shí)際工況。

[1]陳春紅,劉素錦,王釗.土壓力盒的標(biāo)定[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2007(2)：29～32.

[2]張彬.土壓力盒在工程應(yīng)用中的誤差分析[J].探礦工程, 2005：157～161.

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20130313010-3）