专利名称：一种用于自由场应力测试的土压力传感器标定方法
技术领域：
本发明涉及一种土压力传感器的标定方法，尤其涉及一种在土介质中标定土压力传感器的方法。
背景技术：
土介质中应力的测量是岩土工程问题研究的基础，常用的方法是把土压力传感器埋设在土介质中，通过土压力传感器所感应的应力，以确定真实应力。由于土压力传感器与周围土介质的力学性质迥异，势必改变土介质的原存应力场，引起应力重分布现象，导致测试值并不能反映土介质中的真实应力，由此产生测试误差。通常将土压力传感器在与测试环境较为一致的土介质中进行标定，得出施加荷载与土压力传感器输出值的关系，通过数学回归得到土压力传感器的标定系数。该标定系数反映了土压力传感器与土介质相互作用影响，利用其换算土中应力，从而提高了测试精度。现有的标定技术主要采用圆筒标定箱或环圈仪对土压力传感器进行标定。一、对于圆筒标定箱，由于其整体式侧壁是固定的，土介质在与侧壁的接触面受到一致向上的摩擦力作用，土介质中的应力沿深度发生衰减，侧壁摩擦对试验结果影响较大。 一般需采用较大直径的圆筒来减小侧壁摩擦的影响，直径通常都在50 100cm，即使如此， 侧壁的摩擦影响仍不可忽略。国内某单位曾采用直径370cm,高400cm的标定箱进行标定来消除标定设备边界的影响；显然，这种大尺寸标定设备在标定过程中不仅标定工作量巨大，而且标定过程中对土介质状态可控性差，加载设备的要求高，不适用于大量的土压力传感器标定。二、对于环圈仪，由于环圈仪的上、下环圈之间留有间隙，荷载作用下土介质被压缩过程中允许环圈一起移动，从而改变的土介质与侧壁的摩擦作用模式，从结构上实现了减小侧壁摩擦对圈内土介质应力分布的影响。但环圈仪标定试验中环圈侧壁、加载板等边界对土介质应力分布仍有影响，若其影响与土压力传感器引起的应力重分布范围叠加，则不能构造与使用环境一致的应力场环境，不能保证标定试验结果的可靠性。而不同厂家、不同型号的土压力传感器在几何尺寸、力学性质上差异较大，与土介质的相互作用特性也呈现出明显的差异，现有技术对环圈仪的直径和高度没有较为切实可行的方法可以参考，导致标定试验中环圈仪直径和高度的确定随意性较大，若环圈直径和高度过小，势必影响标定的试验结果的可靠性，若环圈直径和高度过大，标定试验工作量无谓增加，降低试验可操作性和工作效率。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于自由场应力测试的土压力传感器标定方法，该方法在确保试验结果可靠的前提下达到提高试验效率的目的。本发明实现其发明目的所采用的技术方案是一种用于自由场应力测试的土压力传感器标定方法，包括以下步骤
a)测试变形模量测出土压力传感器的变形模量(Eg)及土压力传感器拟使用环境中的土介质的变形模量(Es)；b)确定环圈仪的直径按下式计算出环圈仪的直径D ；式中，d-土压力传感器的直径；Lh-土压力传感器引起的土介质应力场改变范围在径向的影响宽度；Eg_ 土压力传感器的变形模量，Es-拟使用环境中的土介质的变形模量；c)确定单个环圈的高度环圈仪中单个环圈的高度!T , Hi =(0.1 0.2)D;d)确定环圈仪的高度按下式计算出环圈仪的高度H ；H = h+2 (Lv+Ls)式中，h-土压力传感器的厚度；LV_土压力传感器引起的土介质应力场改变范围在垂向的影响高度，Ls-刚性加载板与土介质表面不均匀接触引起土介质应力场改变范围在垂向的影响深度；e)确定环圈数量按下式试算出试算环圈数量n'，对试算环圈数量n'向上取整得环圈数量η ；n' =H/(H' +r)式中，H-环圈仪的高度；H'-单个环圈的高度；r_环圈与底座、相邻环圈之间的间隙，取O. 05 O. I倍单个环圈的高度H'。f)环圈仪的制备及标定试验制备直径等于环圈仪的直径D、高度等于单个环圈的高度H'的环圈；环圈仪使用的环圈的数量等于环圈数量η;用该环圈仪对用于自由场应力测试的土压力传感器进行标定试验，得出荷载(P。)与土压力传感器输出值( )的关系P。 =k0q0, k0即土压力传感器的标定系数。本发明方法的原理是土压力传感器本身以及环圈仪侧壁、加载板等边界条件引起的土介质应力场改变范围如附图I所示。图I中d-土压力传感器的直径；h-土压力传感器的厚度；Lh-土压力传感器引起的土介质应力场改变范围在径向的影响宽度；LV-土压力传感器引起的土介质应力场改变范围在垂向的影响高度，Ls-刚性加载板与土介质表面不均匀接触引起土介质应力场改变范围在垂向的影响深度；Lb-环圈仪侧壁与土介质之间相互作用引起的土介质应力场改变的影响宽度；H-环圈仪的高度；D-环圈仪的直径。通过计算分析，土压力传感器本身引起的土介质应力场改变范围在水平向的影响宽度(Lh)和垂向的影响高度(Lv)由土压力传感器的直径(d)和土压力传感器与土介质的模量比决定，满足以下关系当O. Eg/Es < I 时Lh = O. 4(1-Eg/Es)dLv = I. 3(1-Eg/Es)d当I 彡 Eg/Es 彡 100 时 D=L 25d+2. 5Lh，其中，七
0.4(l-Eg/Es)d0.\<Eg/Es<\
0.22[\-/(Eg/Esf]d \< Eg/Es <100
0.\<Eg/Es<\
\<Eg/Es<\00
Lh = O. 22 [1-1/ (Eg/Es)3] dLv = O. 67 [1-1/ (Eg/Es)3] d环圈仪侧壁与土介质之间相互作用引起的土介质应力场改变的影响宽度(Lb)约为O. 5倍单个环圈的高度(H')。另外，从环圈构造方面考虑，单个环圈的高度(H')取
O.I O. 2倍环圈的直径(D)较为适宜，所以，Lb与D满足的关系可用下式表示。Lb = (O. 05 O. I) D在刚性加载板与土介质表面设置柔性垫层的情况下，刚性加载板与土介质表面不均匀接触引起土介质应力场改变范围在垂向的影响深度(Ls)不超过O. 25D。基于环圈仪侧壁和加载板等边界条件与土压力传感器本身引起的土介质应力场改变范围互不叠加原则，可得到环圈仪的直径(D)和环圈仪的高度(H)的计算公式。D = d+2 (Lh+Lb)取Lb = O. ID,上式可表示为D=L 25d+2. 5LhH = h+2 (Lv+Ls)按上式计算出的环圈仪的直径(D)和环圈仪的高度(H)为确保土压力传感器精确标定的最佳值，若标定试验中采用更大的环圈仪直径和高度，不会对标定试验结果有明显影响，但会增加试验工作量。与现有技术相比，本发明的有益效果是针对不同几何尺寸、不同力学特性的土压力传感器，考虑了其与土介质的相互作用以及环圈仪标定试验设备边界等因素的影响，基于环圈仪侧壁和加载板等边界条件与土压力传感器本身引起的土介质应力场改变范围互不叠加原则确定了合理的环圈仪直径和高度等关键参数的最小值，消除了标定设备边界影响，从而构造了与土压力传感器使用环境一致的土介质应力状态，在保证工作量尽可能少的情况下，实现土压力传感器的精确标定。该方法解决了现有技术中由于对环圈仪直径和高度等关键参数确定的盲目性而导致的标定试验结果的可靠性和试验效率不能有机统一的矛盾。下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。
图I是土压力传感器本身以及环圈仪侧壁、加载板等边界条件引起的应力场改变范围示意图。
具体实施例方式实施例本发明的一种具体实施方式
为一种用于自由场应力测试的土压力传感器标定方法，包括以下步骤a)测试变形模量测出土压力传感器的变形模量(Eg)及土压力传感器拟使用环境中的土介质的变形模量(Es)；b)确定环圈仪的直径按下式计算出环圈仪的直径D ；
权利要求
1.一种用于自由场应力测试的土压力传感器标定方法，包括以下步骤a)测试变形模量测出土压力传感器的变形模量(Eg)及土压力传感器拟使用环境中的土介质的变形模量(Es)；b)确定环圈仪的直径按下式计算出环圈仪的直径D;
全文摘要
一种用于自由场应力测试的土压力传感器标定方法，该方法从构造与土压力传感器使用环境一致的土介质应力状态出发，考虑了土压力传感器自身几何尺寸、与土介质的相互作用以及环圈仪标定试验设备边界等因素的影响，基于环圈仪侧壁和加载板等边界条件与土压力传感器本身引起的土介质应力场改变范围互不叠加原则确定环圈仪直径和高度等关键参数，在此基础之上制备环圈仪进行标定试验，实现了土压力传感器在土介质中精确标定的同时兼顾了试验的工作效率。
文档编号G01L25/00GK102589800SQ20121000678
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者刘钢, 吴兵, 张立祥, 张胜利, 张良, 王冠, 罗强, 郑鑫, 陈坚, 陈虎 申请人:西南交通大学