土压力盒在工程中的误差

土压力盒在工程中的误差徐其富（河海大学土木工程学院，江苏省南京市，210098） 摘要：土压力盒在工程实际运用过程中，人们往往直接使用。

其实当土压力盒埋入土介质或安装在工程结构中时，由于土压力盒与土介质或结构物的材料弹性模量、泊松比不一致，破坏原来应力场，在土压力盒附近产生应力集中或者拱效应现象，土压力盒测试出的压力并非原始应力，这时如果再用生产厂家提供的参数进行土压力计算就会导致测量值与真实值存在误差。

因此，土压力盒在使用之前必须结合工程实际对其进行研究与标定，以获得更接近实际的土压力。

关键词：土压力盒 刚度匹配 标定试验 土压力引言0.引言从1916年A.T.Golfbeck首次发明土压力盒并用于现场以来[1]，因为它能最直接反映土压力变化状况，因此在路基、挡土墙、坝体及隧道和地铁等地下结构工程测试中得到了广泛的应用，成为土压力测量的基本工具，相关的研究与发展也非常迅速。

但由于理论研究和数值计算方法尚不够完善，标定试验受工程条件等因素的影响，导致理论计算值与实际测量值往往存在很大出入，从理论分析来看，二者并不能严格地说哪一个更接近想象中真实的土压力，所以，利用土压力盒测量土压力仍然是土力学中一个难题。

为解决这一难题，国内外许多学者从土压力盒现场实测出发，对土压力测试进行研究。

在国外，1969年，H. S. H. THOMAS* and W. H. W ARD*.THE DESIGN[2]从振弦式土压力盒的设计原理、生产、液压标定、在大坝上安装、测试数据整理等几方面作了介绍；1976年，美国在Technical Report No S-76-7[3]报告中不仅从设计原理、生产、液压标定等方面作了论述，还研究了土压力盒在土介质中标定与液压标定的区别；2007年，Naoki Fujiwara对高压土压力盒进行研究，使土压力测试进入高压阶段[4]。

在国内，刘宝有在1986年出版的《钢弦式传感器及其应用》一书中简明地介绍了土压力盒设计与工作原理、生产工艺以及仪器的安装[5]；李贯军、王玉洁（2005）在《监测设计中如何选择性能优良的压力盒》一文中，介绍了选择土压力盒运用于工程实际测试的几种原则[6]。

随着人们对土压力工作性状认识不断地深入研究，出现了许许多多问题。

比如：生产厂家提供土压力盒的标定系数是在液压条件下标定得到的，与工程实际中土压力盒的工作环境不相一致；土压力盒在工程实际运用中受到环境影响产生刚度匹配误差，导致应力集中或拱效应；同时还受到温度等方面的影响。

1．标定的必要性土压力盒埋设在实际工程的土体内，由于土体为非弹性体，其变形模量随应力大小发生变化，土压力盒的刚度和土体的刚度很难匹配，土压力盒的附近要么产生应力集中，要么发生土拱效应，均会改变土体内自然形成的应力场，因此，土压力盒承压膜上所承受的实际压力并非原始应力场的真实应力。

为了能够更好地使用土压力盒现场测试土压力，许多学者在使用土压力盒之前都会对土压力盒进行标定分析。

在国内，1976年，冶金工业部建筑研究院采用室内标定试验，分别根据加载装置上施加力的面与土压力盒之间的距离、砂的硬度等方面进行标定[7]。

1981年，左元明采用室内标定罐进行土压力盒标定，分析标定条件，并与土压力盒工作原理相结合，得出室内砂标定与液压标定存在差值的结论[8]。

1986年，李泽崇在土压力盒的砂标定方法上研制出专门的标定装置，即通过滚动隔膜对埋设了土压力盒的砂土体施加柔性均布荷载，根据传感器振弦频率与均布荷载存在对应关系来确定土压力盒在砂土内的基本参数，其研究的结果表明，若将土压力盒的感应系数定义为感应输出增量与施加的标定压力增量之比，砂标定得到的参数略小于水标定的参数，二者差别不大，一般情况下可以用水标参数替代砂标参数[9]。

2000年，冷伍明[10]在应用土压力盒测量无粘结预应力筏板基础地基反力时，对所采用的土压力盒首先进行室内砂标，然后在现场按照工程的要求埋设土压力盒，模拟实际工况及荷载传递方式，采用分级堆载加压的方式进行现场模拟标定，将标定结果与砂标进行比较，发现砂标定的结果与现场得出的结果存在一定的误差。

2007年，陈春红[11]通过室内模拟标定试验认为土压力盒室内试验与生产厂家标定系数存在最大值约36.7的误差。

在国外，Theroux,B.(2001)[12]为避免现场土压力盒埋设时产生刚度匹配，就在使用之前对其进行室内标定试验，找出合理地参数运用于工程实际。

Joseph F Labuz（2005）[13]总结了土压力盒的发展历史，专门讨论了土压力盒的实验室标定问题，并设计制作出一个标定装置，可以在土压力盒与土柱接触面上施加均匀的应力，从而得到标定系数。

他在试验中采用中空感应模充填液体的振弦式土压力盒，发现在土柱下标定出来的感应系数比在液压环境下得到的系数小约20%；同时还发现土压力盒上的土体厚度对标定参数有影响。

并通过理论分析，推导出单元体受力性状的公式，说明不同类型的土压力盒，或者同类型的土压力盒在不同的边界条件下，都会产生不同的试验结果。

除了受力条件影响外，温度变化、土颗粒大小对土压力测试结果也有影响，Lyne Daigle and Jack Q. Zha o[14]等人分析环境对土压力盒影响的原因，指出除复杂的土体结构、拱效应、竖向剪应力对土压力盒的影响之外，还指出了温度对其影响。

土压力盒在使用之前一定要进行标定，通过室内及室外的实验结果，得出土压力盒传感器的输入量(压力)与输出量(频率)间的数量关系，以及与实际工作环境相似的情况下土压力盒的工作参数，并与理论分析相结合，才能够更好地指导实验结果。

2.标定试验本次试验采用的土压力盒是常州金土木工程仪器有限公司生产的JTM-V2000E土压力计，如图1示。

本仪器采用“拨振”方式进行测量，即将一个电磁线圈放在弦的中间且距弦非常近，激发弦振动的激振线圈和拾取谐振频率的拾振线圈是同1个线圈，由于张力不同的钢弦的谐振频率不同，线圈感受到钢弦切割磁感线的频率，并传输到测量仪器中，二者是分时使用。

为二次感应结构，传感器和承压膜分离，承压膜为独立的硅油囊，面积25×25cm 2，厚度5mm ，这种结构与介质刚度匹配较好。

试验仪器量程200kPa 。

根据工程需要，对结构物表面上土应力进行现场模拟标定。

标定过程依照《GB/ T13606O92 岩土工程用钢弦式压力传感器》进行标定。

标定试验如图2所示。

图1，JTM-V2000E 型土压力传感器 图2 标定试验装置 2.1标定试验结果土压力盒输出频率与受力关系为)(220i f f K P −=，得到频率系数220i f f P K −=，即土压力盒系数。

在实验的过程中，首先要记录初始频率读数0f 与每一级加荷之后稳定读数i f ，再进行数据处理。

不同现场埋设环境测试的结果不同，只有分别考虑各个环境条件下的标定情况才能更好地掌握土压力盒的工作性状。

在如图2试验装置中，钢板与土压力盒之间有10cm 砂垫层，在此种条件下，反复做10循环。

得到结果如图3所示，横坐标为频率变化的平方，纵坐标为力。

其中，生产厂家频率变化平方对应的力是液压标定情况下的土压力盒周围压力，其它10组频率变化对应钢板上施加于砂垫层上的力。

图3 土压力标定试验结果从结果分析可以看出，土压力盒工作比较稳定，具有良好地线性；但土压力盒在此种环境条件下与生产厂家在水介质条件下表达的结果不再是完全吻合，具有一定出入，生产厂家的标定系数是现场标定系数约1.36倍。

2.2理论分析根据鲍辛内斯克理论进行简单分析，在弹性介质中，随着深度的增加，附加应力逐渐减小。

()25223z 23z r z P +⋅=πσ利用理论计算砂层中附加应力大小并不能严格按照鲍辛内斯克理论，因为砂与土压力盒之间存在刚度差别，并不能达到完全理想状态，同时也受到桩体等方面分影响。

同时，砂是非完全弹性体，鲍辛内斯克是假设土体是完全弹性体的条件下提出一上公式，只有在理想条件下才能运用鲍辛内斯克理论，因此，如果直接运用以上理论公式不能求出其精确解，只能作大致分析。

根据论文分析，因为土压力盒与钢板之间有10cm 砂，所以钢板上的力传递到土压力盒上的力要变小。

如图4所示。

图4 理论分析如图4所示，在理想状态下变化相同频率平方差，砂标与水标分别对应的力应为P 1、P 2，从钢板到土压力盒过程中力减小 12p P P =−△。

P 2点为土压力盒在液压标定过程中任一点的力，所对应的频率为Hz 02，在液压标定过程中，其不受刚过匹配的影响，外部所受压力与土压力盒的输出频率能严格的称得上一一对应关系。

Hz 12是钢板上的力P 1通过砂介质作用到土压力盒上频率变化平方差。

根据以上理论分析，只有砂标定的线性在水标定的上方，即生产厂家提供的标定系数小于理论中得到的标定系数才复合要求。

3.结论根据现场模拟标定与理论分析，从而可以看出生产厂家提供的标定系数在实际工程运用中只能指导但不能直接运用。

在土压力盒标定试验中，不仅要考虑土体的拱效应还要考虑其它方面对土压力盒的影响。

现场模拟标定试验受到介质影响使土压力盒应力集中，与水标定系数相差达36%，远远大于国标要求误差控制在土压力盒满量程5%以内的标准。

土压力盒在使用之前，要根据不同的埋设位置分别使用不同的标定方法进行标定，计算出每个土压力盒的标定系数；在安装、埋设土压力盒的过程中，使埋设的环境与标定环境相一致。

这样才能保证土压力盒测试的结果与实际受力过程更接近。

参考文献参考文献：：[1] 国内外土压力盒发展概况，1978年[2] H. S. H. THOMAS* and W. H. WARD*. THE DESIGN, CONSTRUCTION AND PERFORMANCEOF AVIBRATING-WIRE EARTH PRESSURE CELL.Geotechnique.1969.NO.1:31-59.[3] The Changeable interaction between soils and pressure cells; Test and reviewsat the waterways experimentstation，Technical Report No S-76-7 . June 1976.[4] Fabrication and efficiency evaluation of a hybrid NiCrAi pressure cell up to4Gpa，American institute of Physics.2007.[5] 刘宝有.钢弦式传感器及其应用[M].北京:中国铁道出版社,1986.[6] 李贯军,王玉洁. 监测设计中如何选择性能优良的压力盒. Dam and Safety 2005·6：4-6.[7] 土压力盒采用砂土标定的试验研究. 冶金工业部建筑研究院科学技术研究报告. 1976年1月.[8] 左元明.土压力盒的标定.水利水运科学研究.1981,1：23-34.[9] 李泽崇. GJZ 型土压力计研制报告.大坝观测与土工测试，1986,3：92-104.[10]冷伍明, 魏丽敏, 华祖焜. 无粘结预应力筏板基础地基反力测试研究[J]. 岩土工程学报Vol. 22 No. 4[11]陈春红，刘素锦，王钊.土压力盒的标定.中国农村水利水电.2007，2：29-33.[12] Theroux, Brent; Labuz, Joseph F.; Dai, Shongtao. Field installation of an earth pressure cellTransportation Research Record, n 1772, 2001, p 12-19.[13] Joseph F Labuz, Brent Theroux. Laboratory calibration of earth pressure cells [J].Geotechnical Testing, 2005, 28(2):188-196.[14] L yne Daigle and Jack Q., ZhaoThe influence of temperature on earth pressure cell readings[J]. Can. Geotech. J. Vol. 41, 2004.The error of earth pressure in engineeringXuqifuDepartment of Civil Engineering, Hohai University, Nanjing, (210098)AbstractEarth pressure cells at the practical application of process engineering, it is often used directly. In fact, when the earth pressure cells embedded in soil media or installed in the project structure, because of soil and earth pressure cell or structures Materials elastic modulus, Poisson\'s ratio are inconsistent and undermine the original stress field in the earth pressure cells produce stress concentration near arching effect, earth pressure cells can’t test the original stress. If also use the parameters provided by the manufacturer will cause the measured value and the true value of error exist. Therefore, before use theearth pressure must be integrated with the project, and calibration to get closer to the actual earth pressure.Keywords：earth pressure cell Stiffness matching Calibration tests Earth pressure：徐其富，男，1983年生，硕士研究生，主要研究方向是高速公路软基性质机理作者简介：作者简介测试。