沪通铁路土压力盒标定工装设计及试验研究 沪通铁路土压力盒标定工装设计及试验研究
尹紫红1,杨邦强1,杨建中2,邵寅旭2
(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.沪宁城际铁路股份有限公司,南京 210024)
摘 要：为获取精确的测试数据,提出土压力盒标定需求,通过ANSYS建模分析,设计适用于试验室土压力盒的标定工装：承压板直径取32 cm,标定桶高15 cm,内径33 cm,承压板板厚2 cm,标定桶壁厚0.5 cm。并进行了试验研究,试验表明：采用最小二乘法线性拟合获得的相关系数R2均大于0.99,线性较好,且同一量程下的2个土压力盒的砂标K1与厂标K2的比值相近,数据重复性较好,工装合理适用；砂标K1大于厂标K2,工程应用之前,结合工程实际进行标定是必要的；量程选取时,使用范围不宜超过土压力盒最大量程的2/3。
关键词：土压力盒；ANSYS；标定工装；砂标法；最小二乘法；量程选择
土压力盒(EPC)是一种测试土压力的力学传感器,具有可以直接测量埋设点土压力变化的优点,已被广泛用于铁路、公路、市政、矿业、地下空间等工程领域。尽管土压力盒传感器能够直接反应土压力的变化情况,但是土压力盒往往利用厚壁的金属材料加工而成,刚度较大,与被测点往往存在模量差异,此时若采用厂家提供的液标参数处理试验数据,将造成不精确的测试成果。为了提高测试精度,优化研究成果,任连伟[1]指出应模拟土压力盒的实际工作状态,采取土介质中标定(砂标)的试验方法重新标定土压力盒,获取相应参数。然而,土压力盒按感应方式可分为振弦式和电阻应变式[2]；按结构形式可分为单膜式和双膜式；另外其形状大小及量程也有区别,致使不同学者对土压力盒进行标定试验时,所采用的标定工装是不同的。J.F.Labuz[3]采用直径5.08 cm、高2.54 cm的塑料管对感应面积为10.22 cm2、承压面面积23.31 cm2、量程为0.6895 MPa的土压力盒进行了标定；李彦坤[4]采用内径为9.0 cm、高为6.0 cm的密封铁罐作为标定罐,对直径3.0 cm、厚1.3 cm、量程为0.2 MPa的单膜土压力盒进行了标定；邱亚兵[5]在高为80.0 cm、内径60.0 cm的桶中对直径为23.0 cm、量程为0.2 MPa的土压力传感器进行了标定；Shelley A.Huntley[6]采用64.8 cm×64.8 cm×54.5 cm(长×宽×高)的装置对直径为22.8 cm、厚度为7.6 cm、量程为1.0 MPa的土压力盒进行了标定等。
为了标定量程为1.0、2.0 MPa,直径为11.8 cm的土压力盒,首先利用有限元软件ANSYS建立模型,随后研究了承压板、标定桶的尺寸与土压力盒表面竖向应力的相互作用,接着确定了标定工装的各项参数及尺寸,制作了工装并运用该工装对土压力盒进行了标定试验研究,最后得到了各量程的标定K值,为土压力盒的标定工装研制提供了一种新的思路,为类似的标定试验研究提供参考。
1 标定工装设计
沪通铁路位于冲、海积平原区,地形平坦开阔,多为水田、苗圃、居民等；沟渠纵横,零星有水塘分布,路基多为软土路基。为了研究沪通铁路特殊路基修建过程中的应力变化,埋设量程为1.0、2.0 MPa的土压力盒。基于工程实际,从试验数据的准确性出发,对标定工装进行设计。
1.1 基础资料
通过相关文献的阅读,土压力盒标定工装部分影响因素得以确定。张彬[7]指出圆筒状为常见的土压力盒标定容器形状,因此圆筒状为本次设计标定容器的基本形状；任连伟[1]、陶亚萍[8]、韦四江[9]等采用圆形的承压板,因此本次标定工装的承压板形状定为圆形；陶亚萍[1]、韦四江[9]、刘宝友[10]等均采用标准砂作为标定介质,试验介质选为厦门艾斯欧标准砂；综合学者杨钰[11]、刘宝友[12]的研究,土压力盒上覆标准砂厚度选为5 cm；任连伟[1]指出要对底部砂充分夯实,本次设计土压力盒下垫层标准砂厚度取5 cm。待标定的土压力盒共计4个,每个量程选取2个土压力盒,详见表1。
表1 土压力盒参数
土压力盒编号Ⅰ、ⅡⅢ、Ⅳ量程/MPa1.02.0压力盒外径/mm118118油囊外径/mm105105压力盒厚度/mm32.733.5
1.2 承压板直径的选择范围
采用ANSYS有限元仿真软件模拟承压板加载过程。选用构造三维固体的八节点solid45单元,建立直径为100 cm,高度为14 cm的圆柱体标定介质仿真模型以及厚度为2 cm的承压板仿真模型,如图1所示。规定承压板模型上表面为承压面,通过表面效应单元施加与承压板仿真模型承压面重合的圆形均布荷载,以标定介质仿真模型底面形心为坐标原点；横向上,坐标原点以左为x轴正方向；纵向上,坐标原点朝纸面里为y轴正方向；垂向上,坐标原点竖直向上为z轴正方向；约束模型底面、侧面的横向、纵向、垂向3个方向位移。依据土压力盒埋设位置,指定应力提取的路径：z=9 cm圆形截面(土压力盒上表面)上的z向应力。模型物理力学参数见表2。
图1 标准砂仿真模型
表2 模型物理力学参数
部件密度/(kg/m3)弹性模量/MPa波松比黏聚力/kPa摩擦角/(°)标准砂19501600.3340标定桶78002×1050.2——
根据土压力盒标定需要,仿真过程依据其量程大小分为2种工况进行。在每一种工况下,分级增加承压板直径,研究荷载在标准砂中的传递规律。工况及承压板直径设计见表3。
表3 承压板直径及工况 cm
工况量程/MPa直径1直径2直径3直径4直径5直径6直径7直径8直径9直径10直径1111.[***********]8303222.[***********]83032
在每一种工况下,通过改变作用在标准砂仿真模型上的承压板板径,研究土压力盒承压面直径12 cm范围内受力特性。根据仿真计算所得到的应力云图,依据数据的对称性,提取指定圆形截面任意半径方向(设为X轴)上12 cm的Z向应力,如图2所示。由图2可得如下结论。(1)图2(a)、(b)中的每条Z向应力曲线可以划分为2个阶段：第一阶段,随着X值的增大,Z向应力衰减相对较为平缓；第二阶段,随着X值的增大,Z向应力衰减迅速。(2)相同工况下,第一阶段：随着承压板板径的增大,Z向应力曲线的应力值逐渐接近工况荷载值；随着承压板板径的增加,应力曲线衰减趋势变缓、变平,应力曲线衰减转折点处的X坐标逐渐增大。第二阶段：随着X值的增大,Z向应力衰减迅速。
为了提高土压力盒的标定精度,关键问题是土压力盒表面受到的Z向应力与名义应力(工况荷载值)是否一致,故重点分析第一阶段的竖向应力变化规律。
由图2可知：第一阶段是一个缓慢衰减的过程,该段曲线由径向长度X值、Z向应力两个要素组成。
对于工况1可得如下结论。(1)从土压力盒承压面受力覆盖面积角度出发,分析土压力盒半径值与径向长度X值之间的关系。随着承压板直径从12～26 cm变化时,X值逐渐增大,变化范围为3.04～5.98 cm,且小于土压力盒半径6 cm；承压板直径从28～32 cm变化时,X值逐渐增大,变化范围为6.02～6.91 cm,且大于土压力盒半径6 cm。(2)从土压力盒承压面受力大小来看,随着承压板直径的增大,应力值变大,衰减趋势平缓。承压板直径为12～26 cm时,曲线Z向应力变化范围为0.61～0.95 MPa,小于1.0 MPa；承压板直径为28～32 cm时,曲线Z向变化范围为0.97～1.0 MPa,应力接近1.0 MPa。在满足X值大于6 cm、曲线Z向应力接近1.0 MPa且误差较小的前提下,承压板直径可在28～32 cm内选择。同理,由图2可知：工况2中承压板直径亦可在28～32 cm内选择。
图2 各工况下Z=9 cm处截面任意径向距离X与Z向应力关系
1.3 承压板直径、标定桶直径的确定
标定桶直径与承压板直径之间的合理配置是准确标定土压力盒不可或缺的关键一环。陈春红[13]采用的标定装置中承压板直径为129 mm,标定铁罐内径190 mm；韦四江[9]自行设计的标定装置中,圆柱形钢桶内径为115 mm,承压板直径为110 mm；张胜利[14]的标定装置采用内径为350 mm的环圈仪、直径为340 mm的承压板；陶亚萍[8]的标定试验中,铁管内径207 mm、承压板直径为200 mm；任连伟[1]的试验装置中标定桶内径380 mm,承压板板径为372 mm。因此本次试验选定的标定桶内径比承压板直径大1 cm。
根据以上论述,通过建模研究承压板与标定桶之间的作用关系。选取的承压板直径分别为28、30、32 cm,标定桶内径比承压板直径大1 cm,依据承压板直径或标定桶内径由小到大的循序,分为组合一、组合二、组合三。根据3种组合,建立高度均为14 cm的模型。二者均采用八节点solid45单元,标定容器与标准砂之间设置面面接触。施加对应承压板直径大小的圆形均布荷载,均布荷载取值分别为1.0、2.0 MPa。依据施加的荷载值(量程)分为2种工况,提取每一工况下Z=9 cm圆形截面(土压力盒上表面)上的Z向应力,见图3。
由图3可得如下结论。(1)图3(a)、(b)中的每一条Z向应力曲线可以划分为两个阶段：第一阶段,随着X值的增大,Z向应力衰减相对较为平缓；第二阶段,随着X值的增大,Z向应力衰减迅速。(2)相同工况下,第一阶段：随着承压板板径的增大,Z向应力曲线的应力值逐渐减小,并接近工况荷载值；随着承压板板径的增加,应力曲线衰减趋势变缓、变平,应力曲线衰减转折点处的X坐标逐渐增大。第二阶段：随着X值的增大,Z向应力衰减迅速。
兼顾第一阶段X值大于6 cm,Z向应力值接近名义应力的原则。工况1时,X值依据承压板板径从小到大的顺序分别为5.95、7.0、9.0 cm；对Z向应力值的影响,依据承压板板径从小到大的循序分别为1.01、1.008、1.0 Pa。工况2时,X值依据承压板板径从小到大的循序分别为5.95、7.0、9.0 cm；对Z向应力值的影响,依据承压板板径从小到大的循序分别为2.02、2.01、2.0 MPa。综合上述分析,兼顾通用性,本次选择承压板直径为32 cm,标定桶内径33 cm。
图3 2种工况下的Z=9 cm处截面任意径向距离X与Z向应力关系
2 多量程土压力盒标定试验
2.1 试验装置(图4)
图4 土压力盒标定设备
土压力盒标定过程中采用的试验装置主体由4部分组成：数据采集设备、加载设备、标定环境设备、待测定土压力盒。数据采集设备选择电阻应变仪；加载装置采用液压式千斤顶；标定环境附属设备包括标定桶、承压板、标准砂、量力环、垫板、聚酯膜。根据建模分析结果,承压板直径取32 cm,标定桶高15 cm,内径33 cm。根据强度要求,承压板板厚取2 cm,标定桶壁厚为0.5 cm。标定设备如图4所示。
2.2 试验方案
试验按工况分2组进行,每组2个土压力盒。第一组为量程1.0 MPa的土压力盒,编号Ⅰ、Ⅱ；第二组为量程2.0 MPa的土压力盒,编号Ⅲ、Ⅳ。为消除误差,采用的加载方式为：每一次标定试验加载完成后,重新装填标准砂,多次重复试验。
2.3 试验步骤
第一步,将标定桶置于反力架承载台上,在标定桶侧壁贴壁放置2层聚酯膜,聚酯膜之间涂抹均匀滑石粉,以减少标准砂与侧壁的摩擦。
第二步,标定桶底部覆5 cm左右的标准砂,预加额定压力至本次试验所采用的土压力盒量程值,且保持5 min。
第三步,放置土压力盒,回填标准砂至土压力盒承压面以上5 cm,再次预压至该土压力盒量程值,保持5 min。
第四步,通过液压式千斤顶分级加载,标定土压力盒。
第五步,根据加载方案,取出标准砂、土压力盒,重复进行第二步、第三部、第四步；试验中共采用4个土压力盒,每个土压力盒均按照上述步骤进行试验研究。
3 试验数据分析
3.1 数据可靠性分析
通过上述试验,为消除偶然误差,取多次平行试验数据均值,采用最小二乘法进行线性拟合。数据经分析列表如表4所示。
表4 土压力盒标定参数
量程/MPa编号相关系数R2拟合函数砂标K1厂标K2K1/K21.0Ⅰ0.99479y=(5.69558×10-4)·x+0.02855.69558×10-45.60×1041.02Ⅱ0.99708y=(5.40759×10-4)·x+0.018145.40759×10-45.35×1041.012.0Ⅲ0.99989y=(1.34000×10-3)·x+0.015401.34000×10-39.85×1041.36Ⅳ0.99778y=(1.53000×10-3)·x+0.045841.53000×10-31.12×1031.37
由表4可知,采用经仿真计算制定的标定工装,依据砂标法进行标定试验,试验数据的相关系数R2均大于0.99,土压力盒所承受的应力与其所产生的应变具有较好的线性关系[15],同一个量程下的两个土压力盒,采用砂标法获得的参数与厂家标定参数的比值相近,本次实验数据正确、可靠[1]。
3.2 砂标K1值和厂家K2值对比分析
根据试验数据,将试验成果绘图如图5所示。由图6可以看出,砂标参数K1均大于厂标参数K2。结合表4进行分析,当量程为1.0 MPa时,Ⅰ、Ⅱ的砂标参数K1分别是厂标参数K2的1.01倍、1.02倍；当量程为2.0 MPa时,Ⅲ、Ⅳ的砂标参数K1分别是厂标参数K2的1.36倍、1.37倍。这是由于标定介质的差异造成的,厂家标定采用液标的方法,标定过程中,土压力盒受力均匀；而砂标时,土压力盒与标准砂刚度存在差异,标定过程中,土压力盒承压面上会产生集中应力和应力重分布,从而形成拱效应。同时,标定环境的温度、摩擦等因素也是造成砂标K1和厂标K2不同的原因。
图5 砂标与厂标对比
为了获取更为精确的标定参数,结合工程实际综合考虑土压力的形状、尺寸、量程、埋设条件等,试验前,采用砂标法模拟工程现场条件进行标定试验,是必要可行的。
3.3 2种量程土压力盒K值对比分析
本次试验采用2种量程的土压力盒,分别为1.0、2.0 MPa,每个量程均采用2个土压力盒,量程为1.0 MPa的2个土压力盒编号分别为Ⅰ、Ⅱ,量程为2.0 MPa的2个土压力盒编号分别为Ⅲ、Ⅳ。采用最小二乘法线性拟合,将试验数据列表如表5所示。
表5 两种量程土压力盒K值对比
量程/MPa编号y=a+K·xaKR21.02.0Ⅰ0.02855.69558×10-40.99479Ⅱ0.018145.40759×10-40.99708Ⅲ0.01541.34000×10-30.99989Ⅳ0.045841.53000×10-30.99778
当量程为1.0 MPa时,Ⅰ号、Ⅱ号土压力盒的K值分别为5.695 58×10-4、5.407 59×10-4；当量程为2.0 MPa时,Ⅲ号、Ⅳ号土压力盒的K值分别为1.340 00×10-3、1.530 00×10-3。由此可以看出,同一量程下,不同土压力盒的K值相差不大；不同量程时,量程越大,K值越大,灵敏度越小。所以Ⅲ号、Ⅳ号土压力盒的灵敏度小于Ⅰ号、Ⅱ号土压力盒的灵敏度。因此在土压力盒选取时,在既满足测试量程,又满足测试精度的前提下,建议使用范围不宜超过土压力盒最大量程的2/3。
4 结语
(1)通过ANSYS数值模拟分析,确定了直径为120 mm、厚度为34 mm的电阻应变式土压力盒标定工装关键参数：承压板直径取32 cm,标定桶高15 cm,内径33 cm,承压板板厚2 cm,标定桶壁厚0.5 cm。
(2)经最小二乘法线性拟合数据相关系数R2均大于0.99,线性较好,且同一量程下的2个土压力盒的砂标K1与厂标K2的比值相近,数据重复性较好,本次试验设计工装合理适用。
(3)Ⅰ～Ⅳ土压力盒的砂标K1与厂标K2的比值分别为1.01、1.02、1.36、1.37,砂标K1大于厂标K2,为获得合理的标定参数,工程应用之前,结合工程实际进行标定是必要的。
(4)在既满足测试量程,又满足测试精度的前提下,使用范围不宜超过土压力盒最大量程的2/3,不宜选择过大量程的土压力盒。
参考文献：
[1] 任连伟,肖扬,顾红伟.砂土介质中多类型土压力盒标定试验[J].河海大学学报(自然科学版),2016,44(2):155-159.
[2] 芮瑞,吴端正,胡港,徐路畅,夏元友.模型试验中膜式土压力盒标定及其应用[J].岩土工程学报,2016,38(5):837-845.
[3] Joseph F. Labuz, Brent Theroux. Laboratory Laboratory Calibration Of Earth Pressure Cells[J]. Geotechnical Testing Journal, 2005,28(2):188-196
[4] 李彦坤,王珂,郝岳伟.不同埋设状态下土压力盒砂标试验研究[J].岩土工程界,2008,11(11):67-69.
[5] 邱亚兵,朱晟,徐晨.基于缩尺级配的土压力盒标定[J].水力发电,2015,41(6):118-121.
[6] Shelley A. Huntley, Arun J. Valsangkar.Laboratory thermal calibra-tion of contactpressurecellsinstalled on integral bridge abutments[J].Can. Geotech. J, 2016,53(6):1013-1025
[7] 张彬,王钊,杨俊峰,覃祖淼.土压力盒在工程应用中的误差分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2005(S):157-161.
[8] 陶亚萍.不同粒径的河砂和机制砂对土压力盒的影响[J].河南城建学院学报,2015,24(6):51-54.
[9] 韦四江,王大顺,郜进海,苏承东.微型土压力盒的标定及修正[J].地下空间与工程学报,2009,5(5):1003-1006.
[10]刘宝有.电阻应变式土压力传感器土中标定的试验研究[J].传感器技术,1987(4):7-13，6.
[11]杨钰.浅谈土压力盒的埋置方法[J].山西建筑,2008,34(31):103-104.
[12]刘宝友.钢弦式传感器及其应用[M].北京:中国铁道出版社,1986.
[13]陈春红,刘素锦,王钊.土压力盒的标定[J].中国农村水利水电,2007(2):29-32.
[14]张胜利.土压力传感器与土介质相互作用特性分析[D].成都：西南交通大学,2010.
[15]周少辉,蔡良才,许巍,岑国平.拼装式铝道面板下土基变形预测模型[J].西南交通大学学报,2016,51(4):684-689.
Design and Experimental Research of Calibration Device of Earth Pressure Cell Based on Hu-Tong Railway
YIN Zi-hong1, YANG Bang-qiang1, YANG Jian-zhong2, SHAO Yin-xu2
(1.School of Civil Engineering Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.Shanghai-Nanjing Inter-City Railway Co., Ltd., Nanjing 210024, China)
Abstract：In order to obtain accurate test data, the requirement of the soil pressure cell calibration is proposed. Through the modeling analysis of ANSYS, calibration device suitable for the soil pressure cell in laboratory is designed. The bearing plate is 32 cm in diameter and 2 cm in thickness, and the calibration barrel is 15 cm in height, 33 cm in inner diameter and 0.5 cm in thickness. The results of the experimental study show that the correlation coefficients ofR2 obtained by the least square method are all more than 0.99 and the linearity is relatively strong; the values of K1 and K2 are very close when two earth pressure cells are in the same measuring range; the data have good repeatability and the device is applicable; the K1 value of calibration test for sand soil is more than the K2 value of factory calibration. It is necessary to conduct calibration test based on engineering practices prior to engineering application and the selected measurement range should not exceed 2/3 of the maximum range of the soil pressure cell.
Key words：Earth pressure cell; ANSYS; Calibration device; Calibration test in sand soil; The least square method; Selection measurement range.
文章编号：1004-2954(2017)06-0044-05
收稿日期：2016-09-27；
修回日期：2016-10-17
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378441);国家留学基金管理委员会资助项目([1**********]3)
作者简介：尹紫红(1971—),男,副教授,博士,硕士生导师,研究方向为道路与铁道工程,E-mail：[email protected]。
中图分类号：TU432
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.06.010
沪通铁路土压力盒标定工装设计及试验研究 沪通铁路土压力盒标定工装设计及试验研究
尹紫红1,杨邦强1,杨建中2,邵寅旭2
(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.沪宁城际铁路股份有限公司,南京 210024)
摘 要：为获取精确的测试数据,提出土压力盒标定需求,通过ANSYS建模分析,设计适用于试验室土压力盒的标定工装：承压板直径取32 cm,标定桶高15 cm,内径33 cm,承压板板厚2 cm,标定桶壁厚0.5 cm。并进行了试验研究,试验表明：采用最小二乘法线性拟合获得的相关系数R2均大于0.99,线性较好,且同一量程下的2个土压力盒的砂标K1与厂标K2的比值相近,数据重复性较好,工装合理适用；砂标K1大于厂标K2,工程应用之前,结合工程实际进行标定是必要的；量程选取时,使用范围不宜超过土压力盒最大量程的2/3。
关键词：土压力盒；ANSYS；标定工装；砂标法；最小二乘法；量程选择
土压力盒(EPC)是一种测试土压力的力学传感器,具有可以直接测量埋设点土压力变化的优点,已被广泛用于铁路、公路、市政、矿业、地下空间等工程领域。尽管土压力盒传感器能够直接反应土压力的变化情况,但是土压力盒往往利用厚壁的金属材料加工而成,刚度较大,与被测点往往存在模量差异,此时若采用厂家提供的液标参数处理试验数据,将造成不精确的测试成果。为了提高测试精度,优化研究成果,任连伟[1]指出应模拟土压力盒的实际工作状态,采取土介质中标定(砂标)的试验方法重新标定土压力盒,获取相应参数。然而,土压力盒按感应方式可分为振弦式和电阻应变式[2]；按结构形式可分为单膜式和双膜式；另外其形状大小及量程也有区别,致使不同学者对土压力盒进行标定试验时,所采用的标定工装是不同的。J.F.Labuz[3]采用直径5.08 cm、高2.54 cm的塑料管对感应面积为10.22 cm2、承压面面积23.31 cm2、量程为0.6895 MPa的土压力盒进行了标定；李彦坤[4]采用内径为9.0 cm、高为6.0 cm的密封铁罐作为标定罐,对直径3.0 cm、厚1.3 cm、量程为0.2 MPa的单膜土压力盒进行了标定；邱亚兵[5]在高为80.0 cm、内径60.0 cm的桶中对直径为23.0 cm、量程为0.2 MPa的土压力传感器进行了标定；Shelley A.Huntley[6]采用64.8 cm×64.8 cm×54.5 cm(长×宽×高)的装置对直径为22.8 cm、厚度为7.6 cm、量程为1.0 MPa的土压力盒进行了标定等。
为了标定量程为1.0、2.0 MPa,直径为11.8 cm的土压力盒,首先利用有限元软件ANSYS建立模型,随后研究了承压板、标定桶的尺寸与土压力盒表面竖向应力的相互作用,接着确定了标定工装的各项参数及尺寸,制作了工装并运用该工装对土压力盒进行了标定试验研究,最后得到了各量程的标定K值,为土压力盒的标定工装研制提供了一种新的思路,为类似的标定试验研究提供参考。
1 标定工装设计
沪通铁路位于冲、海积平原区,地形平坦开阔,多为水田、苗圃、居民等；沟渠纵横,零星有水塘分布,路基多为软土路基。为了研究沪通铁路特殊路基修建过程中的应力变化,埋设量程为1.0、2.0 MPa的土压力盒。基于工程实际,从试验数据的准确性出发,对标定工装进行设计。
1.1 基础资料
通过相关文献的阅读,土压力盒标定工装部分影响因素得以确定。张彬[7]指出圆筒状为常见的土压力盒标定容器形状,因此圆筒状为本次设计标定容器的基本形状；任连伟[1]、陶亚萍[8]、韦四江[9]等采用圆形的承压板,因此本次标定工装的承压板形状定为圆形；陶亚萍[1]、韦四江[9]、刘宝友[10]等均采用标准砂作为标定介质,试验介质选为厦门艾斯欧标准砂；综合学者杨钰[11]、刘宝友[12]的研究,土压力盒上覆标准砂厚度选为5 cm；任连伟[1]指出要对底部砂充分夯实,本次设计土压力盒下垫层标准砂厚度取5 cm。待标定的土压力盒共计4个,每个量程选取2个土压力盒,详见表1。
表1 土压力盒参数
土压力盒编号Ⅰ、ⅡⅢ、Ⅳ量程/MPa1.02.0压力盒外径/mm118118油囊外径/mm105105压力盒厚度/mm32.733.5
1.2 承压板直径的选择范围
采用ANSYS有限元仿真软件模拟承压板加载过程。选用构造三维固体的八节点solid45单元,建立直径为100 cm,高度为14 cm的圆柱体标定介质仿真模型以及厚度为2 cm的承压板仿真模型,如图1所示。规定承压板模型上表面为承压面,通过表面效应单元施加与承压板仿真模型承压面重合的圆形均布荷载,以标定介质仿真模型底面形心为坐标原点；横向上,坐标原点以左为x轴正方向；纵向上,坐标原点朝纸面里为y轴正方向；垂向上,坐标原点竖直向上为z轴正方向；约束模型底面、侧面的横向、纵向、垂向3个方向位移。依据土压力盒埋设位置,指定应力提取的路径：z=9 cm圆形截面(土压力盒上表面)上的z向应力。模型物理力学参数见表2。
图1 标准砂仿真模型
表2 模型物理力学参数
部件密度/(kg/m3)弹性模量/MPa波松比黏聚力/kPa摩擦角/(°)标准砂19501600.3340标定桶78002×1050.2——
根据土压力盒标定需要,仿真过程依据其量程大小分为2种工况进行。在每一种工况下,分级增加承压板直径,研究荷载在标准砂中的传递规律。工况及承压板直径设计见表3。
表3 承压板直径及工况 cm
工况量程/MPa直径1直径2直径3直径4直径5直径6直径7直径8直径9直径10直径1111.[***********]8303222.[***********]83032
在每一种工况下,通过改变作用在标准砂仿真模型上的承压板板径,研究土压力盒承压面直径12 cm范围内受力特性。根据仿真计算所得到的应力云图,依据数据的对称性,提取指定圆形截面任意半径方向(设为X轴)上12 cm的Z向应力,如图2所示。由图2可得如下结论。(1)图2(a)、(b)中的每条Z向应力曲线可以划分为2个阶段：第一阶段,随着X值的增大,Z向应力衰减相对较为平缓；第二阶段,随着X值的增大,Z向应力衰减迅速。(2)相同工况下,第一阶段：随着承压板板径的增大,Z向应力曲线的应力值逐渐接近工况荷载值；随着承压板板径的增加,应力曲线衰减趋势变缓、变平,应力曲线衰减转折点处的X坐标逐渐增大。第二阶段：随着X值的增大,Z向应力衰减迅速。
为了提高土压力盒的标定精度,关键问题是土压力盒表面受到的Z向应力与名义应力(工况荷载值)是否一致,故重点分析第一阶段的竖向应力变化规律。
由图2可知：第一阶段是一个缓慢衰减的过程,该段曲线由径向长度X值、Z向应力两个要素组成。
对于工况1可得如下结论。(1)从土压力盒承压面受力覆盖面积角度出发,分析土压力盒半径值与径向长度X值之间的关系。随着承压板直径从12～26 cm变化时,X值逐渐增大,变化范围为3.04～5.98 cm,且小于土压力盒半径6 cm；承压板直径从28～32 cm变化时,X值逐渐增大,变化范围为6.02～6.91 cm,且大于土压力盒半径6 cm。(2)从土压力盒承压面受力大小来看,随着承压板直径的增大,应力值变大,衰减趋势平缓。承压板直径为12～26 cm时,曲线Z向应力变化范围为0.61～0.95 MPa,小于1.0 MPa；承压板直径为28～32 cm时,曲线Z向变化范围为0.97～1.0 MPa,应力接近1.0 MPa。在满足X值大于6 cm、曲线Z向应力接近1.0 MPa且误差较小的前提下,承压板直径可在28～32 cm内选择。同理,由图2可知：工况2中承压板直径亦可在28～32 cm内选择。
图2 各工况下Z=9 cm处截面任意径向距离X与Z向应力关系
1.3 承压板直径、标定桶直径的确定
标定桶直径与承压板直径之间的合理配置是准确标定土压力盒不可或缺的关键一环。陈春红[13]采用的标定装置中承压板直径为129 mm,标定铁罐内径190 mm；韦四江[9]自行设计的标定装置中,圆柱形钢桶内径为115 mm,承压板直径为110 mm；张胜利[14]的标定装置采用内径为350 mm的环圈仪、直径为340 mm的承压板；陶亚萍[8]的标定试验中,铁管内径207 mm、承压板直径为200 mm；任连伟[1]的试验装置中标定桶内径380 mm,承压板板径为372 mm。因此本次试验选定的标定桶内径比承压板直径大1 cm。
根据以上论述,通过建模研究承压板与标定桶之间的作用关系。选取的承压板直径分别为28、30、32 cm,标定桶内径比承压板直径大1 cm,依据承压板直径或标定桶内径由小到大的循序,分为组合一、组合二、组合三。根据3种组合,建立高度均为14 cm的模型。二者均采用八节点solid45单元,标定容器与标准砂之间设置面面接触。施加对应承压板直径大小的圆形均布荷载,均布荷载取值分别为1.0、2.0 MPa。依据施加的荷载值(量程)分为2种工况,提取每一工况下Z=9 cm圆形截面(土压力盒上表面)上的Z向应力,见图3。
由图3可得如下结论。(1)图3(a)、(b)中的每一条Z向应力曲线可以划分为两个阶段：第一阶段,随着X值的增大,Z向应力衰减相对较为平缓；第二阶段,随着X值的增大,Z向应力衰减迅速。(2)相同工况下,第一阶段：随着承压板板径的增大,Z向应力曲线的应力值逐渐减小,并接近工况荷载值；随着承压板板径的增加,应力曲线衰减趋势变缓、变平,应力曲线衰减转折点处的X坐标逐渐增大。第二阶段：随着X值的增大,Z向应力衰减迅速。
兼顾第一阶段X值大于6 cm,Z向应力值接近名义应力的原则。工况1时,X值依据承压板板径从小到大的顺序分别为5.95、7.0、9.0 cm；对Z向应力值的影响,依据承压板板径从小到大的循序分别为1.01、1.008、1.0 Pa。工况2时,X值依据承压板板径从小到大的循序分别为5.95、7.0、9.0 cm；对Z向应力值的影响,依据承压板板径从小到大的循序分别为2.02、2.01、2.0 MPa。综合上述分析,兼顾通用性,本次选择承压板直径为32 cm,标定桶内径33 cm。
图3 2种工况下的Z=9 cm处截面任意径向距离X与Z向应力关系
2 多量程土压力盒标定试验
2.1 试验装置(图4)
图4 土压力盒标定设备
土压力盒标定过程中采用的试验装置主体由4部分组成：数据采集设备、加载设备、标定环境设备、待测定土压力盒。数据采集设备选择电阻应变仪；加载装置采用液压式千斤顶；标定环境附属设备包括标定桶、承压板、标准砂、量力环、垫板、聚酯膜。根据建模分析结果,承压板直径取32 cm,标定桶高15 cm,内径33 cm。根据强度要求,承压板板厚取2 cm,标定桶壁厚为0.5 cm。标定设备如图4所示。
2.2 试验方案
试验按工况分2组进行,每组2个土压力盒。第一组为量程1.0 MPa的土压力盒,编号Ⅰ、Ⅱ；第二组为量程2.0 MPa的土压力盒,编号Ⅲ、Ⅳ。为消除误差,采用的加载方式为：每一次标定试验加载完成后,重新装填标准砂,多次重复试验。
2.3 试验步骤
第一步,将标定桶置于反力架承载台上,在标定桶侧壁贴壁放置2层聚酯膜,聚酯膜之间涂抹均匀滑石粉,以减少标准砂与侧壁的摩擦。
第二步,标定桶底部覆5 cm左右的标准砂,预加额定压力至本次试验所采用的土压力盒量程值,且保持5 min。
第三步,放置土压力盒,回填标准砂至土压力盒承压面以上5 cm,再次预压至该土压力盒量程值,保持5 min。
第四步,通过液压式千斤顶分级加载,标定土压力盒。
第五步,根据加载方案,取出标准砂、土压力盒,重复进行第二步、第三部、第四步；试验中共采用4个土压力盒,每个土压力盒均按照上述步骤进行试验研究。
3 试验数据分析
3.1 数据可靠性分析
通过上述试验,为消除偶然误差,取多次平行试验数据均值,采用最小二乘法进行线性拟合。数据经分析列表如表4所示。
表4 土压力盒标定参数
量程/MPa编号相关系数R2拟合函数砂标K1厂标K2K1/K21.0Ⅰ0.99479y=(5.69558×10-4)·x+0.02855.69558×10-45.60×1041.02Ⅱ0.99708y=(5.40759×10-4)·x+0.018145.40759×10-45.35×1041.012.0Ⅲ0.99989y=(1.34000×10-3)·x+0.015401.34000×10-39.85×1041.36Ⅳ0.99778y=(1.53000×10-3)·x+0.045841.53000×10-31.12×1031.37
由表4可知,采用经仿真计算制定的标定工装,依据砂标法进行标定试验,试验数据的相关系数R2均大于0.99,土压力盒所承受的应力与其所产生的应变具有较好的线性关系[15],同一个量程下的两个土压力盒,采用砂标法获得的参数与厂家标定参数的比值相近,本次实验数据正确、可靠[1]。
3.2 砂标K1值和厂家K2值对比分析
根据试验数据,将试验成果绘图如图5所示。由图6可以看出,砂标参数K1均大于厂标参数K2。结合表4进行分析,当量程为1.0 MPa时,Ⅰ、Ⅱ的砂标参数K1分别是厂标参数K2的1.01倍、1.02倍；当量程为2.0 MPa时,Ⅲ、Ⅳ的砂标参数K1分别是厂标参数K2的1.36倍、1.37倍。这是由于标定介质的差异造成的,厂家标定采用液标的方法,标定过程中,土压力盒受力均匀；而砂标时,土压力盒与标准砂刚度存在差异,标定过程中,土压力盒承压面上会产生集中应力和应力重分布,从而形成拱效应。同时,标定环境的温度、摩擦等因素也是造成砂标K1和厂标K2不同的原因。
图5 砂标与厂标对比
为了获取更为精确的标定参数,结合工程实际综合考虑土压力的形状、尺寸、量程、埋设条件等,试验前,采用砂标法模拟工程现场条件进行标定试验,是必要可行的。
3.3 2种量程土压力盒K值对比分析
本次试验采用2种量程的土压力盒,分别为1.0、2.0 MPa,每个量程均采用2个土压力盒,量程为1.0 MPa的2个土压力盒编号分别为Ⅰ、Ⅱ,量程为2.0 MPa的2个土压力盒编号分别为Ⅲ、Ⅳ。采用最小二乘法线性拟合,将试验数据列表如表5所示。
表5 两种量程土压力盒K值对比
量程/MPa编号y=a+K·xaKR21.02.0Ⅰ0.02855.69558×10-40.99479Ⅱ0.018145.40759×10-40.99708Ⅲ0.01541.34000×10-30.99989Ⅳ0.045841.53000×10-30.99778
当量程为1.0 MPa时,Ⅰ号、Ⅱ号土压力盒的K值分别为5.695 58×10-4、5.407 59×10-4；当量程为2.0 MPa时,Ⅲ号、Ⅳ号土压力盒的K值分别为1.340 00×10-3、1.530 00×10-3。由此可以看出,同一量程下,不同土压力盒的K值相差不大；不同量程时,量程越大,K值越大,灵敏度越小。所以Ⅲ号、Ⅳ号土压力盒的灵敏度小于Ⅰ号、Ⅱ号土压力盒的灵敏度。因此在土压力盒选取时,在既满足测试量程,又满足测试精度的前提下,建议使用范围不宜超过土压力盒最大量程的2/3。
4 结语
(1)通过ANSYS数值模拟分析,确定了直径为120 mm、厚度为34 mm的电阻应变式土压力盒标定工装关键参数：承压板直径取32 cm,标定桶高15 cm,内径33 cm,承压板板厚2 cm,标定桶壁厚0.5 cm。
(2)经最小二乘法线性拟合数据相关系数R2均大于0.99,线性较好,且同一量程下的2个土压力盒的砂标K1与厂标K2的比值相近,数据重复性较好,本次试验设计工装合理适用。
(3)Ⅰ～Ⅳ土压力盒的砂标K1与厂标K2的比值分别为1.01、1.02、1.36、1.37,砂标K1大于厂标K2,为获得合理的标定参数,工程应用之前,结合工程实际进行标定是必要的。
(4)在既满足测试量程,又满足测试精度的前提下,使用范围不宜超过土压力盒最大量程的2/3,不宜选择过大量程的土压力盒。
参考文献：
[1] 任连伟,肖扬,顾红伟.砂土介质中多类型土压力盒标定试验[J].河海大学学报(自然科学版),2016,44(2):155-159.
[2] 芮瑞,吴端正,胡港,徐路畅,夏元友.模型试验中膜式土压力盒标定及其应用[J].岩土工程学报,2016,38(5):837-845.
[3] Joseph F. Labuz, Brent Theroux. Laboratory Laboratory Calibration Of Earth Pressure Cells[J]. Geotechnical Testing Journal, 2005,28(2):188-196
[4] 李彦坤,王珂,郝岳伟.不同埋设状态下土压力盒砂标试验研究[J].岩土工程界,2008,11(11):67-69.
[5] 邱亚兵,朱晟,徐晨.基于缩尺级配的土压力盒标定[J].水力发电,2015,41(6):118-121.
[6] Shelley A. Huntley, Arun J. Valsangkar.Laboratory thermal calibra-tion of contactpressurecellsinstalled on integral bridge abutments[J].Can. Geotech. J, 2016,53(6):1013-1025
[7] 张彬,王钊,杨俊峰,覃祖淼.土压力盒在工程应用中的误差分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2005(S):157-161.
[8] 陶亚萍.不同粒径的河砂和机制砂对土压力盒的影响[J].河南城建学院学报,2015,24(6):51-54.
[9] 韦四江,王大顺,郜进海,苏承东.微型土压力盒的标定及修正[J].地下空间与工程学报,2009,5(5):1003-1006.
[10]刘宝有.电阻应变式土压力传感器土中标定的试验研究[J].传感器技术,1987(4):7-13，6.
[11]杨钰.浅谈土压力盒的埋置方法[J].山西建筑,2008,34(31):103-104.
[12]刘宝友.钢弦式传感器及其应用[M].北京:中国铁道出版社,1986.
[13]陈春红,刘素锦,王钊.土压力盒的标定[J].中国农村水利水电,2007(2):29-32.
[14]张胜利.土压力传感器与土介质相互作用特性分析[D].成都：西南交通大学,2010.
[15]周少辉,蔡良才,许巍,岑国平.拼装式铝道面板下土基变形预测模型[J].西南交通大学学报,2016,51(4):684-689.
Design and Experimental Research of Calibration Device of Earth Pressure Cell Based on Hu-Tong Railway
YIN Zi-hong1, YANG Bang-qiang1, YANG Jian-zhong2, SHAO Yin-xu2
(1.School of Civil Engineering Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.Shanghai-Nanjing Inter-City Railway Co., Ltd., Nanjing 210024, China)
Abstract：In order to obtain accurate test data, the requirement of the soil pressure cell calibration is proposed. Through the modeling analysis of ANSYS, calibration device suitable for the soil pressure cell in laboratory is designed. The bearing plate is 32 cm in diameter and 2 cm in thickness, and the calibration barrel is 15 cm in height, 33 cm in inner diameter and 0.5 cm in thickness. The results of the experimental study show that the correlation coefficients ofR2 obtained by the least square method are all more than 0.99 and the linearity is relatively strong; the values of K1 and K2 are very close when two earth pressure cells are in the same measuring range; the data have good repeatability and the device is applicable; the K1 value of calibration test for sand soil is more than the K2 value of factory calibration. It is necessary to conduct calibration test based on engineering practices prior to engineering application and the selected measurement range should not exceed 2/3 of the maximum range of the soil pressure cell.
Key words：Earth pressure cell; ANSYS; Calibration device; Calibration test in sand soil; The least square method; Selection measurement range.
文章编号：1004-2954(2017)06-0044-05
收稿日期：2016-09-27；
修回日期：2016-10-17
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378441);国家留学基金管理委员会资助项目([1**********]3)
作者简介：尹紫红(1971—),男,副教授,博士,硕士生导师,研究方向为道路与铁道工程,E-mail：[email protected]。
中图分类号：TU432
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.06.010