一种土压力盒标定装置及其使用方法与流程

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种土压力盒标定装置及其使用方法。

背景技术：

土压力测量是土压力学理论和试验研究的一个重要方面，是工程测量的重要内容。土压力一般用土压力盒直接测定，所以土压力盒的准确标定显得尤为重要。目前土压力盒的标定方法有如下几种：气压标定、液压标定、土介质标定、现场模拟标定。土介质标定时，将土压力盒掩埋于土体中，土压力盒处于与真实使用情形相近的环境中，故较其他几种标定方式显示出独特的优越性。

公开号为cn205506291u的专利涉及一种土压力盒标定罐，标定时，将土压力盒掩埋于土体中，通过空压机充气，由橡胶气囊加压，来标定土压力盒。cn206177510u的专利则涉及一种用于微型土压力盒的多功能标定装置，标定时，将土压力盒掩埋于土体中，通过液压装置给土体中的土压力盒加压，来标定土压力盒。

以上两种均采用了土介质标定方法，但却存在不足之处，一方面普通空压机受到自身性能的限制，有最高压强限制（约0.8mpa），对于高于该最高压强的土压力盒标定，使用空压机无能为力；另一方面，在低于0.8mpa下标定时，需要精确测量，发生较小的偏差对实验的影响较大，而传统千斤顶加力很难保持稳定，难以达到精度上的要求，导致测量不准确。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供了一种适于不同压强下标定的土压力盒标定装置及其使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种土压力盒标定装置，其特征在于，包括基座100、支架200、升降标定系统、放样盒400、限位导向块件500、压力测量系统、气压标定系统、应变测量系统，其中：

所述支架200固定设置在基座100上，支架200上固定设置有横梁210；

所述升降标定系统设置在基座100上且位于所述横梁210的正下方，其包括可升降的竖直升降柱310和设置在升降柱310顶端的水平的承载台320；

所述放样盒400置于承载台320上，其包括上盒410和下盒420，所述上盒410和下盒420可拆装地相扣合且相固定，上盒410与下盒420之间有盒体密封垫圈440，所述上盒410的顶壁中央开口且上盒410上设有进气孔411和排气孔412，排气孔412上设有排气阀413；所述下盒420上开设有导线通孔421，下盒420内有水平的加载板430，所述加载板430的侧壁设有密封环431并与下盒420的内壁接触连接；

所述限位导向块件500设置在所述上盒410的顶壁中央开口处并封闭该开口，限位导向块件500上设有通向放样盒400腔体内的竖直的导向通孔，所述导向通孔上设有导向密封垫圈530；

所述压力测量系统包括压力传感器610和传力杆620，所述压力传感器610固定设置在所述横梁210下侧，压力传感器610下方连接竖直的传力杆620，所述传力杆620穿过所述导向通孔和导向密封垫圈530伸入放样盒400腔体内并对准加载板430的中央，传力杆620与导向密封垫圈530紧密接触；

所述气压标定系统包括空压机710、调压阀720、压力表730和进气管道740，空压机710通过所述进气管道740连接至所述进气孔411，所述调压阀720和压力表730设置在进气管道740上；

所述应变测量系统包括位于放样盒400外的应变测量仪810。

进一步，所述应变测量仪为静态电阻应变仪。

进一步，所述应变测量系统还包括测量导线820，所述测量导线820一端连接所述应变测量仪810、另一端穿过所述导线通孔421伸入所述放样盒400腔体内。一般土压力盒是自带导线的，测量时用该自带导线即可，测量导线820的设置可在土压力盒的自带导线缺失时使用。测量导线820使用时，其伸入放样盒400腔体内的一端连接土压力盒。

进一步，所述加载板430的上表面固定设置有吊环。吊环的设置方便在安装或拆卸时提起加载板430。

进一步，所述横梁210可拆装固定设置在所述支架200上。

再进一步，所述支架200为竖直的支柱，所述横梁210可拆装固定设置在所述支架200上的方式为：所述支架200上设有外螺纹并自上而下螺纹连接有紧固螺母220和定位螺母230，所述横梁210两端设有固定通孔，所述支架200穿过该固定通孔，横梁210由所述紧固螺母220和定位螺母230夹持固定。支架200为竖直的支柱，紧固螺母220和定位螺母230螺纹连接在支架200上，通过拧动调节紧固螺母220和定位螺母230的位置，可调节横梁210的高度。

进一步，所述限位导向块件500与所述上盒410一体成型。

进一步，所述限位导向块件500螺纹连接在所述上盒410的顶壁中央开口处。

进一步，所述限位导向块件500包括上块体510和下块体520，所述下块体520设置在所述上盒410的顶壁中央开口处并封闭该开口，下块体520的中央设有沉入孔，所述沉入孔的底壁开设有下通孔，沉入孔的侧壁设有内螺纹；所述上块体510的外壁设有外螺纹并螺纹连接在所述沉入孔内，上块体510中央设有与所述下通孔对应的上通孔，所述导向通孔即由所述上通孔和下通孔组成；所述导向密封垫圈530在所述沉入孔底部，并由上块体510和下块体520压紧。沉入孔和下通孔构成台阶孔，其中沉入孔的直径大于下通孔，上块体510螺纹连接在沉入孔内并压紧设置在沉入孔底部的导向密封垫圈530，密封住上块体510与下块体之间的缝隙。

再进一步，所述下块体510螺纹连接在所述上盒410的顶壁中央开口处。

再进一步，所述下块体520与所述上盒410一体成型。限位导向块件500的下块体520可以与放样盒400的上盒410一体成型，一方面有益气密性，另一方面减少了零件数量。

进一步，所述导线通孔421上设有导线密封圈。导线密封圈与导线紧密接触，防止标定时土体从导线通孔421压出。

再进一步，所述导线密封圈由橡胶或塑料制成。

进一步，还包括液压装置900和控制器910，所述升降柱310为伸缩杆，所述液压装置900与升降柱310连接，所述控制器910与所述液压装置900线路连接。控制器910通过调节液压装置900来升降升降柱310。

进一步，所述上盒410与下盒420扣合后，通过螺栓和螺母相固定。

进一步，所述加载板430的中央设有球面凹坑，所述传力杆620的下端呈与该球面凹坑相匹配的球面凸起的形状。传力杆620与加载板430采用球面接触，一方面使力分布更为均匀，另一方面使传力杆620下端更易滑入球面凹坑内，使传力杆620保持竖直，避免受力发生偏差。

进一步，所述承载台320上设有凹坑，所述放样盒400恰陷入该凹坑内。承载台320上的凹坑可陷住放样盒400，防止放样盒400在承载台320上滑动，或者安置时发生偏移。

进一步，所述传力杆620外侧和下盒420内壁涂抹有润滑剂。润滑剂及可减小传力杆620与导向密封垫圈530间的摩擦，可减小加载板430或密封环431与下盒420内壁间的摩擦。

进一步，所述盒体密封垫圈440、导向密封垫圈530和密封环431由橡胶或塑料制成。

一种所述的土压力盒标定装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

s1、装填放样盒：拆开放样盒的上盒410与下盒420，取出加载板430，将待标定的土压力盒999的导线由内而外穿过导线通孔421并连接在应变测量仪810上，往下盒420内填入土体，装填至下盒（420）的一半深度时，放入该待标定的土压力盒999并调整好方位，继续填入土体至土体掩盖该土压力盒999顶部2-3cm，平整下盒420内土体表面，放回加载板430，放样盒400的上盒410与下盒420扣合并将两者相固定好后，将放样盒400置于承载台320上；

s2、调整放样盒高度：通过升降升降柱310调整放样盒400的高度，使传力杆620的下端恰悬置于加载板430上，且压力传感器610示数为零；

s3、采集标定值：土压力盒999的标定值由测得的土压力盒999的应变值ε和土压力盒999所受压强值p组成，即（ε，p）；

当标定压强＜0.8mpa时，关闭排气阀413，开启空压机710往放样盒400腔体内充气，通过调压阀720调节放样盒400腔体内的气压大小，调整到一压强值后，保持2-10min后，由压力表730读取压强值p11，通过应变测量仪810读取此时土压力盒999的应变值ε11，采集土压力盒999的一组标定值（ε11，p11）；依此方法，继续调节调压阀720至其他压强值，采集土压力盒（999）的n-1组标定值（ε12，p12）、（ε13，p13）、……、（ε1n，p1n），其中n≥4；

当标定压强≥0.8mpa时，测得加载板430的底面面积为s，关闭空压机710，打开排气阀413，升高升降柱310，放样盒向上运动，至传力杆620下端抵持加载板430，继续升高升降柱310，至压力传感器610显示的压力值/s≥0.8mpa，继续升高，通过升降柱310的上升高度调节压力传感器610显示的压力值大小，调整到一压力值后，保持2-10min后，由压力传感器610显示压力值q21，由应变测量仪810显示此时土压力盒999的应变值ε21，采集土压力盒999的一组标定值（ε21，q21/s）；依此方法，继续调节升降柱310的高度，采集土压力盒（999）的m-1组标定值（ε22，q22/s）、（ε23，q23/s）、……、（ε2m，q2m/s），其中m≥4；

s4：以应变值为横坐标，压强值为纵坐标，建立坐标系，通过步骤s3中采集的标定值，拟合得到压强值p和应变值ε的直线关系，该直线的斜率即为土压力盒999的应变系数。

标定时，采用n≥4，m≥4，采集足够的标定值，增强拟合直线的可信度。

本发明结合了两种测试方法，可取得的技术效果有：

1.低压强标定时（低于0.8mpa），采用空压机充气测量，充分利用了在低压下，空压机的高精度，实现了低压标定的准确性。

2.高压标定时（高于0.8mpa），采用升降柱标定，克服了空压机压强不足的缺点。

3.本发明适合于不同量程土压力盒的准确标定。

附图说明

图1是一种土压力盒标定装置的示意图；

图2是图1中放样盒和限位导向块件部分的放大示意图；

图3是加载板和传力杆的一种实施方式示意图。

附图标记：100-基座；200-支架；210-横梁；310-升降柱；320-承载台；400-放样盒；410-上盒；411-进气孔；412排气孔；413-排气阀；420-下盒；421-导线通孔；430-加载板；431-密封环；440-盒体密封垫圈；500-限位导向块件；510-上块体；520-下块体；530-导向密封垫圈；610-压力传感器；620-传力杆；710-空压机；720-调压阀；730-压力表；740-进气管道；810-应变测量仪；900-液压装置；910-控制器；999-土压力盒。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的实施方式。

如图1、图2所示，一种土压力盒标定装置，其特征在于，包括基座100、支架200、升降标定系统、放样盒400、限位导向块件500、压力测量系统、气压标定系统、应变测量系统，其中：

所述支架200固定设置在基座100上，支架200上可拆装固定设置有横梁210；

所述升降标定系统设置在基座100上且位于所述横梁210的正下方，其包括可升降的竖直升降柱310和设置在升降柱310顶端的水平的承载台320；

所述放样盒400置于承载台320上，其包括上盒410和下盒420，所述上盒410和下盒420可拆装地相扣合且相固定，上盒410与下盒420之间有盒体密封垫圈440，所述上盒410的顶壁中央开口且上盒410上设有进气孔411和排气孔412，排气孔412上设有排气阀413；所述下盒420上开设有导线通孔421，下盒420内有水平的加载板430，所述加载板430的侧壁设有密封环431并与下盒420的内壁接触连接；

所述限位导向块件500设置在所述上盒410的顶壁中央开口处并封闭该开口，限位导向块件500上设有通向放样盒400腔体内的竖直的导向通孔，所述导向通孔上设有导向密封垫圈530；

所述压力测量系统包括压力传感器610和传力杆620，所述压力传感器610固定设置在所述横梁210下侧，压力传感器610下方连接竖直的传力杆620，所述传力杆620穿过所述导向通孔和导向密封垫圈530伸入放样盒400腔体内并对准加载板430的中央，传力杆620与导向密封垫圈530紧密接触；

所述气压标定系统包括空压机710、调压阀720、压力表730和进气管道740，空压机710通过所述进气管道740连接至所述进气孔411，所述调压阀720和压力表730设置在进气管道740上；

所述应变测量系统包括位于放样盒400外的应变测量仪810。

所述上盒410与下盒420扣合后，通过螺栓和螺母相固定。

同时，图1也示意了横梁210可拆装固定设置在支架200上的方式，所述支架200为竖直的支柱，所述支架200上设有外螺纹并自上而下螺纹连接有紧固螺母220和定位螺母230，所述横梁210两端设有固定通孔，所述支架200穿过该固定通孔，横梁210由所述紧固螺母220和定位螺母230夹持固定。采用螺纹连接固定横梁210的连接方式，方便调整横梁210的位置高度。

图2示意了放样盒和限位导向块件部分的示意图，所述限位导向块件500包括上块体510和下块体520，所述下块体520设置在所述上盒410的顶壁中央开口处并封闭该开口，下块体520的中央设有沉入孔，所述沉入孔的底壁开设有下通孔，沉入孔的侧壁设有内螺纹；所述上块体510的外壁设有外螺纹并螺纹连接在所述沉入孔内，上块体510中央设有与所述下通孔对应的上通孔，所述导向通孔即由所述上通孔和下通孔组成；所述导向密封垫圈530在所述沉入孔底部，并由上块体510和下块体520压紧。这种方式可以很好地固定块体密封垫圈530，保障块体密封垫圈530处的密封性。

加载板430的上表面也可固定设置有吊环。吊环的设置方便在安装或拆卸时提起加载板430。

导线通孔421上设有导线密封圈。导线密封圈与导线紧密接触，防止土体从导线通孔421压出。

图1中，标定装置还包括液压装置900和控制器910，所述升降柱310为伸缩杆，所述液压装置900与升降柱310连接，所述控制器910与所述液压装置900线路连接。利用控制器910控制液压装置900来升降升降柱310，方便快捷。

图3是加载板和传力杆的一种实施方式示意图。所述加载板430的中央设有球面凹坑，所述传力杆620的下端呈与该球面凹坑相匹配的球面凸起的形状。传力杆620与加载板430采用球面接触，一方面使力分布更为均匀，另一方面使传力杆620下端更易滑入球面凹坑内，使传力杆620保持竖直，避免受力发生偏差。

下面说明一下本发明的使用方式。

s1、装填放样盒：拆开放样盒的上盒410与下盒420，取出加载板430，将待标定的土压力盒999的导线由内而外穿过导线通孔421并连接在应变测量仪810上，往下盒420内填入土体，装填至下盒420的一半深度时，放入该待标定的土压力盒999并调整好方位，继续填入土体至土体掩盖该土压力盒999顶部2-3cm，平整下盒420内土体表面，放回加载板430，放样盒400的上盒410与下盒420扣合并将两者相固定好后，将放样盒400置于承载台320上；

s2、调整放样盒高度：通过升降升降柱310调整放样盒400的高度，使传力杆620的下端恰悬置于加载板430上，且压力传感器610示数为零；

s3、采集标定值：土压力盒999的标定值由测得的土压力盒999的应变值ε和土压力盒999所受压强值p组成，即（ε，p）；

当标定压强＜0.8mpa时，关闭排气阀413，开启空压机710往放样盒400腔体内充气，通过调压阀720调节放样盒400腔体内的气压大小，调整到一压强值后，保持2-10min后，由压力表730读取压强值p11，通过应变测量仪810读取此时土压力盒999的应变值ε11，采集土压力盒999的一组标定值（ε11，p11）；依此方法，继续调节调压阀720至其他压强值，采集土压力盒（999）的n-1组标定值（ε12，p12）、（ε13，p13）、……、（ε1n，p1n），其中n≥4；

当标定压强≥0.8mpa时，测得加载板430的底面面积为s，关闭空压机710，打开排气阀413，升高升降柱310，放样盒向上运动，至传力杆620下端抵持加载板430，继续升高升降柱310，至压力传感器610显示的压力值/s≥0.8mpa，继续升高，通过升降柱310的上升高度调节压力传感器610显示的压力值大小，调整到一压力值后，保持2-10min后，由压力传感器610显示压力值q21，由应变测量仪810显示此时土压力盒999的应变值ε21，采集土压力盒999的一组标定值（ε21，q21/s）；依此方法，继续调节升降柱310的高度，采集土压力盒999的m-1组标定值（ε22，q22/s）、（ε23，q23/s）、……、（ε2m，q2m/s），其中m≥4；

s4：以应变值为横坐标，压强值为纵坐标，建立坐标系，通过步骤s3中采集的标定值，拟合得到压强值p和应变值ε的直线关系，该直线的斜率即为土压力盒999的应变系数。

本发明在采集一组标定值的过程中，调整到一压强或压力之后，有保持2-10min的保持过程，该保持过程也是一般标定方法中常有的过程。由于传力杆620轴向运动时与导向密封垫圈530存在摩擦，加载板430在放样盒内也与下盒420内壁有摩擦，通过该压强或压力保持过程，均可得到尽可能的减小，使测量数据趋于准确。在传力杆620表面、下盒420内壁涂抹润滑剂则可进一步减小摩擦，从而减小测量偏差。

本发明使用时，采用土压力盒999所受压强值p与土压力盒999的应变值ε标定土压力盒的应变系数，通过拟合压强值p与应变值ε的直线关系，得到p=kε，斜率k即为标定的土压力盒应变系数。土压力盒999在标定过程，除土压力盒999正上方的那部分土体承受压力作用外，其周围的土体也承受压力作用，这样土压力盒999所受压力与加载板给土体施加的压力是不相等的（因为土压力盒的上表面积并不等于加载板的下表面积）。这样压力传感器610所测得的压力值q（即加载板给土体的压力）并不等于土压力盒999所受压力，但通过p=q/s将压力值q转变为与受力面积无关的压强值s，建立压强值p与应变值ε的直线关系，则消除了这个影响。

以上所述为本发明的最佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍落入本发明的保护范围内。