一种简支梁式土压力传感器的标定方法

1.本发明属于土压力传感器标定技术领域，具体涉及一种简支梁式土压力传感器的标定方法。


背景技术：

2.土压力是表征土体力学状态的重要指标，精准量测土压力是岩土工程技术领域的关键问题。简支梁式土压力传感器是通过在简支梁式板中心区域黏贴应变片的方式制作而成，广泛应用于科技研究和工程实践。
3.现有技术中，简支梁式土压力传感器多在集中荷载作用下进行标定，即：不同跨中集中力fi作用下，获取传感器跨中下边缘的微应变εi；以fi为纵坐标，εi为横坐标进行线性拟合，获得直线斜率α；假设作用在传感器的土压力近似为均匀分布荷载，基于均布土压力p和集中力f作用下产生的跨中弯矩相同，得传感器土压力强度其中，l0为简支板净跨长度，b为简支板宽度。其存在的问题是：现有技术中，简支梁式土压力传感器标定方法假设土压力分布模式为均布形式。然而，大量研究表明，土压力传感器实际工作环境复杂，与土体刚度存在差异，传感器表面易产生明显的土拱效应，实际土压力以呈非均匀分布形式作用在传感器上，现有标定方法忽略了传感器表面的土拱效应，更未考虑土拱效应随土体强度的变化，造成土压力测试结果偏小，且偏差随土体强度增大而增大。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提出了一种简支梁式土压力传感器的标定方法。
5.本发明的技术方案是：一种简支梁式土压力传感器的标定方法包括以下步骤：
6.s1：测量简支梁式土压力传感器的简支板宽度和净跨长度；
7.s2：在简支梁式土压力传感器跨中逐级施加集中荷载，获取相应的简支梁式土压力传感器跨中下缘应变，并获取作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载与相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变的直线斜率；
8.s3：获取简支梁式土压力传感器埋设位置的砂性土内摩擦角；
9.s4：获取埋设于土体中的简支梁式土压力传感器在土压力作用下应变响应值；
10.s5：根据简支梁式土压力传感器的简支板宽度、简支梁式土压力传感器的简支板净跨长度、作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载与相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变的直线斜率、简支梁式土压力传感器埋设位置的砂性土内摩擦角以及埋设于土体中的简支梁式土压力传感器在土压力作用下应变响应值，标定简支梁式土压力传感器承受的土压力强度。
11.进一步地，步骤s2中，获取作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载与相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变直线斜率的具体方法为：以作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载为纵坐标，以相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变为横坐标，进
行线性拟合，得到作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载与相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变的直线斜率。
12.进一步地，步骤s3中，通过土工试验获取简支梁式土压力传感器埋设位置的砂性土内摩擦角。
13.进一步地，步骤s5中，简支梁式土压力传感器承受的土压力强度p计算公式为：
[0014][0015]
其中，b表示简支梁式土压力传感器的简支板宽度，l0表示简支梁式土压力传感器的净跨长度，表示简支梁式土压力传感器埋设位置的砂性土内摩擦角，ε表示埋设于土体中的简支梁式土压力传感器在土压力作用下应变响应值，α表示作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载与相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变的直线斜率。
[0016]
进一步地，标定方法适用于内摩擦角范围为的砂性土。
[0017]
本发明的有益效果是：本发明方法不仅考虑土拱效应造成的土压力非均匀分布，还根据土拱效应强弱差异，获得适用于不同土体强度的传感器土压力标定公式。按本发明方法测试的土压力与理论计算值进行验证，相对误差很小，表明本发明方法测试精度高、可靠性好，解决了现有技术中未较好考虑土拱效应影响的土压力测试技术难题，可更准确测试土压力，减小因土拱效应造成的偏差。
附图说明
[0018]
图1为简支梁式土压力传感器的标定方法流程图；
[0019]
图2为砂性土处于松散状态下对称折线形非均匀分布模式图；
[0020]
图3为砂性土处于中密状态下对称三角形非均匀分布模式图；
[0021]
图4为砂性土处于密实状态下对称抛物线非均匀分布模式图。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
[0023]
如图1所示，本发明提供了一种简支梁式土压力传感器的标定方法，包括以下步骤：
[0024]
s1：测量简支梁式土压力传感器的简支板宽度和净跨长度；
[0025]
s2：在简支梁式土压力传感器跨中逐级施加集中荷载，获取相应的简支梁式土压力传感器跨中下缘应变，并获取作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载与相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变的直线斜率；
[0026]
s3：获取简支梁式土压力传感器埋设位置的砂性土内摩擦角；
[0027]
s4：获取埋设于土体中的简支梁式土压力传感器在土压力作用下应变响应值；
[0028]
s5：根据简支梁式土压力传感器的简支板宽度、简支梁式土压力传感器的简支板净跨长度、作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载与相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变的直线斜率、简支梁式土压力传感器埋设位置的砂性土内摩擦角以及埋设于土体中的简支梁式土压力传感器在土压力作用下应变响应值，标定简支梁式土压力传感器承
受的土压力强度。
[0029]
在本发明实施例中，步骤s2中，获取作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载与相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变直线斜率的具体方法为：以作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载为纵坐标，以相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变为横坐标，进行线性拟合，得到作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载与相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变的直线斜率。
[0030]
在本发明实施例中，步骤s3中，通过土工试验获取简支梁式土压力传感器埋设位置的砂性土内摩擦角。
[0031]
在本发明实施例中，步骤s5中，简支梁式土压力传感器承受的土压力强度p计算公式为：
[0032][0033]
其中，b表示简支梁式土压力传感器的简支板宽度，l0表示简支梁式土压力传感器的净跨长度，表示简支梁式土压力传感器埋设位置的砂性土内摩擦角，ε表示埋设于土体中的简支梁式土压力传感器在土压力作用下应变响应值，α表示作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载与相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变的直线斜率。
[0034]
简支梁式土压力传感器的简支板宽度b和净跨长度l0单位为m；获取直线斜率α的过程中，作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载fi单位为n，相应简支梁式土压力传感器跨中下缘应变εi单位为10-6
；应变响应值ε单位为10-6
；砂性土内摩擦角的单位为
°
；土压力强度p的单位为pa。
[0035]
在本发明实施例中，标定方法适用于内摩擦角范围为的砂性土。
[0036]
下面对本发明方法原理进行介绍：简支梁式土压力传感器标定是通过在简支梁板跨中施加集中力实现，而实际土压力传感器承受的作用力为分布荷载，必须采用合理方法进行转换，为此基于以下原则进行标定：
[0037]
(a)简支梁式土压力传感器的受力模式为简支梁；
[0038]
(b)集中荷载和分布荷载作用下产生的传感器跨中下缘应变相同，即传感器在集中荷载作用下产生的跨中弯矩mf和分布荷载作用下的跨中弯矩mq相等，mf＝mq；
[0039]
(c)考虑土拱效应，作用于传感器上的土压力呈非均布形式，具体分布形式随砂性土强度不同而变化。
[0040]
一、砂性土处于松散状态下作用于传感器的土压力非均匀分布模式及等效均布强度p
[0041]
采用的松散状态砂性土进行标定试验，作用于传感器上土压力近似呈如图2所示的对称折线形非均匀分布模式，跨中土压力约为两侧土压力q的一半。
[0042]
(1)基于原则(a)，集中荷载f作用于跨中的弯矩对称折线形非均匀分布荷载作用下跨中弯矩
[0043]
(2)由原则(b)，mf＝mq，得
[0044]
(3)作用于传感器的等效均布土压力强度p的合力与对称折线形非均匀分布荷载的合力相等，即由简支梁式土压力传感器测试的土压力强度
[0045]
二、砂性土处于中密状态下作用于传感器的土压力非均匀分布模式及等效均布强度p
[0046]
采用的中密状态砂性土进行标定试验，作用于传感器上土压力近似呈如图3所示的对称三角形非均匀分布模式，跨中土压力为0。
[0047]
(1)基于原则(a)，集中荷载f作用于跨中的弯矩对称三角形非均匀分布荷载作用下跨中弯矩
[0048]
(2)由原则(b)，mf＝mq，得
[0049]
(3)作用于传感器的等效均布土压力强度p的合力与对称三角形非均匀分布荷载的合力相等，即由简支梁式土压力传感器测试的土压力强度
[0050]
三、砂性土处于密实状态下作用于传感器的土压力非均匀分布模式及等效均布强度p
[0051]
采用的密实状态砂性土进行标定试验，作用于传感器上土压力近似呈如图4所示的对称抛物线非均匀分布模式，跨中土压力为0，若以跨中为原点建立坐标系，抛物线方程为
[0052]
(1)基于原则(a)，集中荷载f作用于跨中的弯矩对称抛物线非均匀分布荷载作用下跨中弯矩
[0053]
(2)由原则(b)，mf＝mq，得
[0054]
(3)作用于传感器的等效均布土压力强度p的合力与对称抛物线非均匀分布荷载的合力相等，即由简支梁式土压力传感器测试的土压力强度
[0055]
综上可知，对于不同强度砂性土而言，土压力强度p可由公式计算，土拱效应的强弱决定系数β大小。时，β＝2.25；时，β＝3；时，β＝4。
以β为因变量，为自变量进行线性拟合，得两者关系式确定系数r2＝0.995，β与呈线性关系。因此，简支梁式土压力传感器可采用式进行标定。
[0056]
通过分析和试验发现，由于土拱效应，传感器承受的土压力呈非均匀分布模式，且土拱效应随土体强度增大而增强。然而，现有技术中，简支梁式土压力传感器标定方法均将土压力按均匀分布模式考虑，忽略了传感器与土体相互作用的土拱效应。下面给出采用本发明方法标定砂性土墙背土压力的试验结果。
[0057]
通过室内土工试验，获得简支梁式土压力传感器简支板宽度b和净跨长度l0、作用在简支梁式土压力传感器跨中的集中荷载fi与相应跨中下缘应变εi的直线斜率α、土压力传感器埋设位置的砂性土内摩擦角以及简支梁式土压力传感器在土压力作用下应变响应值ε。本发明方法标定的土压力强度p、按现有技术标定的土压力强度p
′
与理论计算值p
″
差异，见表1。
[0058]
表1
[0059]
[0060][0061]
综上可知，按本发明方法标定的m1～m3土压力强度p与理论计算值p
″
偏差仅分别为4.77％、-3.52％及1.82％，平均3.37％。而按现有技术标定方法确定的m1～m3土压力强度p
′
与理论值p
″
偏差分别为-6.87％、-35.68％及-49.09％，平均偏小30.55％。说明本发明方法测试精度高、可靠性好，解决了现有技术中未较好考虑土拱效应影响的土压力测试技术难题。
[0062]
本发明的有益效果为：本发明方法不仅考虑土拱效应造成的土压力非均匀分布，还根据土拱效应强弱差异，获得适用于不同土体强度的传感器土压力标定公式。按本发明方法测试的土压力与理论计算值进行验证，相对误差很小，表明本发明方法测试精度高、可靠性好，解决了现有技术中未较好考虑土拱效应影响的土压力测试技术难题，可更准确测试土压力，减小因土拱效应造成的偏差。
[0063]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。