一种土压力测试装置及使用方法与流程

1.本发明涉及岩土力学与工程技术领域，具体涉及土木工程建筑物的接触压力和土介质中的应力测试，更具体是一种土压力测试装置及使用方法。


背景技术：

2.在岩土力学与工程领域，土压力荷载的大小与分布是需重点研究的问题。土压力是作用在支护结构上的主要荷载之一，确定土压力的大小与分布形状对支护结构的安全以及优化设计等具有重要意义。经典的库仑或朗肯土压力计算理论，因计算简单和力学概念明确，一直为工程采用；但由于岩土工程问题的复杂性，都不易得到令人满意的结果。模型试验及现场测试仍是该领域不可或缺的主要研究方法。
3.目前，关于土压力大小及分布的试验研究中，多是通过多点布列土压力传感器的方法进行测量。
4.随着对土压力工作性状的不断认识和深入研究，上述测试方式出现了许多不可避免的问题：土压力盒会对原先的应力场尤其土压力盒周围土体中的应力场产生影响，改变了原有分布，或者土压力传感器的标定不准确，均影响了土压力的测量精度。
5.因此，有必要提出一种避免在测量过程中土压力盒影响土体应力场，使得测量更精确的技术方案。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了客服上述现有技术的不足，提供一种新型的土压力测试方式，以提高测量的精确度。
7.本发明首先提出一种土压力测试装置，所述装置包括：
8.土压力测试盒，包括测试盒本体和引出导线，被配置为检测周围所处环境的压力；
9.水囊，全包围结构设于所述土压力测试盒外，包括囊本体和导管，导管连通所述囊本体的内腔，所述引出导线通过所述导管被引出；
10.所述水囊以所述土压力测试盒为圆心的直径与所述土压力测试盒的厚度之比大于等于10。
11.根据本发明的一种实施方式，所述水囊的形状为球形或扁球形。
12.根据本发明的一种实施方式，所述土压力测试盒的形状为扁球形。
13.根据本发明的一种实施方式，所述土压力测试盒位于所述水囊的中心。
14.根据本发明的一种实施方式，所述水囊以所述土压力测试盒为圆心的直径与所述土压力测试盒的厚度之比小于等于20。
15.根据本发明的一种实施方式，所述水囊以所述土压力测试盒为圆心的直径与所述土压力测试盒的最大直径之比为3-4。
16.根据本发明的一种实施方式，所述土压力测试盒为电阻应变片式土压力盒。
17.根据本发明的一种实施方式，所述水囊的囊本体的材质为tpu。
18.本发明还提出一种根据所述的土压力测试装置的使用方法，所述方法包括：
19.将所述土压力测试盒置于所述水囊中，通过所述导管向所述水囊注入液体，之后密封所述导管，并将所述装置置于土体中进行安装测试。
20.根据本发明的一种实施方式，所述方法还包括：通过所述引出导线读取的数值计算测试的土压力值。
21.本发明显著减弱嵌入效应：嵌入效应是影响土压力盒测试精度的主要原因，测试仪器径厚比小于3时，测量误差能达到30％。在厚度变化不大的情况，本方案将测试元件的直径扩大3-4倍，径厚比超过10，嵌入效应相比径厚比小于3的误差减少95％以上。
22.本发明的装置安装使用方便，直接注水密封后即可使用，无需二次注水排气。
23.本发明的装置流体中的压力处处相等，置于水囊中的土压力盒膜片受均布力作用，减小了土拱效应的影响。
24.生产厂家所提供的土压力传感器的标定系数通常都是在液压条件下标定得到的，与本发明中土压力盒工作环境相同，减小了应用误差。
附图说明
25.图1为本发明一实施例构示意图；
26.图2为本发明图1一实施例a-a剖面结构示意图；
27.附图标号：
28.10土压力测试盒，101测试盒本体，102引出导线，
29.20水囊，201囊本体，202导管。
具体实施方式
30.以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
31.本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
32.研究发现，影响土压力测量精度的因素具体有以下方面：
33.(1)嵌入效应：天然地基或土工结构物中的应力场原先都有一个分布，将土压力盒放置其中后，会对原先的应力场尤其土压力盒周围土体中的应力场产生影响，改变原有分布。
34.(2)土拱效应：由于砂颗粒介质中存在的土拱效应，使得原始应力状态遭到破坏，造成应力的重分布。土压力盒膜片上两侧应力大，中间小，造成测量值偏小。
35.(3)盒与土相互作用影响：大部分土压力盒都是通过对变形挠曲的测量实现对土
压力的测量；然而受这种膜面的变形挠曲影响，压力盒周围的应力场会出现重分布，影响土压力测量的精度。
36.(4)由于岩土介质或相似模拟材料为非弹性体，其变形模量是非定值，其受载历史对压力盒的力学性质影响较大，其刚度与被测材料的刚度很难一致，故生产厂家所提供的土压力传感器的标定系数通常都是在液压条件下标定得到的，与土压力传感器在实际工程中所处的周围工作环境不同。
37.(5)土压力盒的工作也与温度的变化有关。标定时温度和实际测点的温度不一致也会影响土压力盒的测试。
38.因此，本发明着力从上述方面作为提高测量精度的研究方向，本发明采用下述技术方案：
39.本发明首先提出一种土压力测试装置，如图1、2所示，所述装置包括：
40.土压力测试盒10，包括测试盒本体101和引出导线102，被配置为检测周围所处环境的压力；
41.水囊20，全包围结构设于所述土压力测试盒外，包括囊本体201和导管202，导管202连通所述囊本体201的内腔，所述引出导线102通过所述导管202被引出；
42.所述水囊以所述土压力测试盒为圆心的直径与所述土压力测试盒的厚度之比大于等于10。
43.发明人经反复试验发现，土压力盒的嵌入效应与其厚径比密切相关。对于测量土体内部应力的整体土压力传感器来说，它的厚径比必须较小。也就是说水囊直径(图1中外圆的直径)为压力盒厚度(图2中矩形的宽度)的适宜倍数的情况下，才能较大程度避免嵌入效应的发生，这对测量的影响极大。而经过对比试验等多种手段的验证，本发明提出了上述的径厚比，从而能够提高测量的精度。
44.根据本发明的一种实施方式，所述水囊的形状为球形或扁球形。
45.根据本发明的一种实施方式，所述土压力测试盒的形状为扁球形。
46.根据本发明的一种实施方式，所述土压力测试盒位于所述水囊的中心。
47.优选地，所述水囊以所述土压力测试盒为圆心的直径与所述土压力测试盒的厚度(图2中矩形的宽度)之比小于等于20。
48.根据本发明的一种实施方式，所述水囊以所述土压力测试盒为圆心的直径与所述土压力测试盒的最大直径之比为3-4。
49.根据本发明的一种实施方式，所述土压力测试盒为电阻应变片式土压力盒。当然也可采用可替换的其他结构形式。
50.根据本发明的一种实施方式，所述水囊20的囊本体201的材质为tpu。当然也可是其他适于该种应力的囊体材质。
51.本发明还提出一种根据所述的土压力测试装置的使用方法，所述方法主要包括：
52.将所述土压力测试盒10置于所述水囊20中，通过所述导管202向所述水囊注入液体，之后密封所述导管202，并将所述装置置于土体中进行安装测试。
53.可通过所述引出导线102读取的数值计算测试的土压力值。
54.与传统的土压力盒测试方案相比，本发明提供的测试方式，其优点在于：
55.(1)显著减弱嵌入效应：嵌入效应是影响土压力盒测试精度的主要原因，测试仪器
径厚比小于3时，测量误差能达到30％。在厚度变化不大的情况，本方案将测试元件的直径扩大3-4倍，径厚比超过10，嵌入效应相比径厚比小于3的误差减少95％以上。
56.(2)安装使用方便，直接注水密封后即可使用，无需二次注水排气。
57.(3)流体中的压力处处相等，置于水囊中的土压力盒膜片受均布力作用，减小了土拱效应的影响。
58.(4)生产厂家所提供的土压力传感器的标定系数通常都是在液压条件下标定得到的，与本方案中土压力盒工作环境相同，减小了应用误差。
59.实施例1
60.为了解决传统测试方式存在的嵌入效应、土拱效应和盒与土相互作用影响的问题，具体实施方案如下：
61.一种新型土压力测试方式，根据测试所需量程定制一种电阻应变片式土压力盒；采用电阻应变片式土压力盒(本方案以直径28mm、厚度10mm的压力盒为例)；
62.进一步地，水囊直径为压力盒直径的3-4倍(本方案以水囊直径100mm为例)，也就是水囊与土压力盒的径厚比为10。
63.将压力盒置于tpu材料所制的水囊中；水囊预留导管，用作后期注水及测试导线通过。
64.使用时水囊注水，导管用密封胶处理，做好密封措施。
65.进一步地，进行安装测试。
66.如图2所示，测试时，土压力盒被水囊中的水所包围。
67.经过对干燥砂土一米深度处竖向土压力测试，该块土体的压力为1.54kpa。
68.经理论分析和数值模拟验证，试验干砂一米深度处竖向土压力值应为1.56kpa，误差为1.28％
69.实施例2
70.本实施例与实施例1相比，除了水囊的直径与土压力测试盒的厚度之比及装置大小不同外，所测土体及其他实施方式类似，所述装置水囊与土压力测试盒径厚比为15。
71.经过与实施例1中相同的砂土材料测试，干燥砂土一米深度处竖向土压力为1.55kpa。
72.经理论分析和数值模拟验证，试验干砂一米深度处竖向土压力值应为1.56kpa，误差为0.64％
73.实施例3
74.本实施例与实施例1相比，不使用水囊，直接采用实施例1和2中使用的竖向土压力测试盒。
75.经过与实施例1中相同的砂土材料测试，干燥砂土一米深度处竖向土压力值为1.51kpa。
76.经理论分析和数值模拟验证，试验干砂一米深度处竖向土压力值应为1.42kpa，误差为8.97％。
77.经过上述试验对比不难看出，本发明提出的一种土压力测试装置能够显著提高测试精度，此外，水囊与土压力测试盒径厚比越大，测试结果越精确。
78.需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
79.此外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
80.上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，各实施方式都可根据需要进行组合或删减，附图中并非所有部件都是必要设置，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。