智能應力應變控制K0試驗儀應用

摘  要：智能應力應變控制K₀試驗儀融入了現代化的控制與制造，主要解決工程中K₀系數的測定，我們可以采用應力應變不同工作模式進行試驗，實現K₀系數，回彈系數，以及基床系數的測定。

0  引言

K₀系數是與巖土固結試驗密切相關的基礎的參數之一，采用該參數可用以計算地下建筑物、構筑物、檔土墻的靜止側壓力。隨著地下空間的開發，地下工程迅猛發展，大量的高層建筑地下室、地下隧道、地鐵工程、大中小水電站勘察設計，以及邊坡等土壓力的計算都需要提供靜止側壓力系數K₀值。K₀試驗越來越被工程界所重視。

過去我們采用杠桿加載方式，人工采集，計算的傳統方法進行K₀系數測試，效率低下，費時費工。近幾年來由于科技的發展，自動化，智能化得到相當廣泛的應用，人們不斷創新和發展，一些人工智能的儀器也漸漸的被推廣開來。

本文根據*理論和大量反響良好的實驗經驗，同時結合我國土工試驗的現實技術及運用國情，設計研制成功了一種智能等應變控制雙聯K₀儀。該儀器的研制是利用現代化的測試手段，多用途多方法的創新思路，積極服務于我國各個行業廣泛的巖土工程建設與土工試驗的需求。該儀器可以實現應力式試驗、和應變式試驗兩種方式，還可以測定孔隙水壓力，進行固結消散試驗。

1  基本原理：

靜止側壓力系數K₀，是指單元土體在無側向應變(ε_x=ε_y=0)條件下，有效側向壓力σ₃（或稱小主應力）與有效豎向壓力σ₁（或稱大主應力）的比值。計算公式為K₀＝σ₃/σ₁或K₀＝⊿σ₃/⊿σ₁,同時，根據K₀值可換算土的泊桑比µ值，即µ=K₀/1+K₀ ，本智能等應變控制雙聯K₀儀（以下簡稱儀器）就是這樣一種可高效實現全自動跟蹤檢測并實時記錄K₀變化曲線的新型巖土工程試驗儀器，同時可兼容單聯應力控制K₀試驗。

圖1 智能等應變控制雙聯K₀儀

 圖2 智能應力應變單聯K₀儀

2  儀器的改進

 目前土工試驗室普遍使用的傳統K₀結構如圖3所示，主要包括：K₀容器，杠桿加載機構，反力架組成。

智能等應變控制雙聯K₀儀采用步進電機加載裝置替代原有的杠桿加荷裝置，實現了豎向的自動控制，使用精密的力傳感器測量系統替代加砝碼的繁瑣計算，用數字化采集數據替代人工記錄數據，實現了數字記錄的自動化；對K₀容器進行了一系列創新和改進，有效的保證了試驗數據的準確性；智能等應變控制雙聯K₀儀配有自動化采集、控制、處理系統，實現了試驗的自動化。智能等應變控制雙聯K₀儀加載和測量機構（圖4）和新型K₀容器結構（圖5）如下： 

       圖4加載和測量機構   

         圖5 K₀容器

3  儀器的主要參數及相關標定手段和標定曲線

3.1.1技術指標

土樣：直徑61.8mm高4cm 面積30cm²

豎向加載荷重：0-10KN

加載速度：0-4mm/min

加載行程程：0-20mm

加載方式：分級應力加載，恒速等應變加載

軸壓傳感器：0~3000N

分辨率：1N

線性誤差：＜0.3%

綜合誤差：≤0.5%

側向壓力傳感器：0~1000kPa

分辨率：1kPa

線性誤差：＜0.3%

綜合誤差：≤0.5%

3.1.2相關標定手段

1）傳感器標定

用測量機構檢測的標準荷重傳感器（圖6）和標準壓力傳感器（圖7）分別來標定K₀是豎向荷重傳感器和側向壓力傳感器，其標定界面如圖8，豎向為其標準值，軸向是被標定傳感器的實際值，得出的曲線為其標定曲線。

圖6 荷重傳感器                 圖7壓力傳感器

         圖8標定界面

儀器選擇：選擇要標定傳感器的儀器。

通道選擇：選擇需要標定的傳感器的通道。一號通道-軸向荷重傳感器，二號通道-側壓壓力傳感器，三號通道-孔壓壓力傳感器。

量程：需要標定的傳感器的總量程

自動分段：點擊對總量程進行等量分段，默認分五個點進行標定。

上傳參數：從采集板上傳當前傳感器的標定參數。

下載參數：將標定好的參數寫入采集板。

2）標定參數

               荷重傳感器標定參數

               壓力傳感器標定參數

4  試驗操作步驟

1、試驗前準備

①打開電腦預熱10min進入顯示界面。

②將乳膠膜兩端從液壓腔的內部向外翻起翻起，并使乳膠膜繃緊拉直，蓋上兩端壓環（密封環），并且四個螺栓用力均勻，使之形成液體密封腔。

③通過液壓腔的兩通閥門用注射器裝滿無氣泡水數次注入腔體，并同時將腔體內空氣吸出，反復注水、排出氣泡，確保腔內無氣泡，關閉兩通閥。

④在裝土之前先將乳膠膜水由兩通閥和注射器

抽取部分的水，使乳膠膜產生內凹，這樣裝土時土與乳膠膜減少摩擦，以免擾動土樣。

⑤在土樣兩端貼上濾紙，將環刀刀口向上，對準K₀容器中心定位槽，用傳壓活塞將土樣推入K₀容器。

⑥將K₀容器置于加荷平臺上面，對準力傳感器的中心。

⑦連接檢測儀的液壓傳感器、拉壓力傳感器各電纜線。

⑧在試驗前先使土樣周圍乳膠膜和液體水貼緊，通過兩通閥和注射器將無氣泡水稍稍注入液壓腔使σ3在5kPa左右，同時將加荷系統提升適當的位置使荷重傳感器產生初應力為5kPa左右即可。

2、試驗

①根據土性不同設定加荷速度驅動加荷開關進入試驗。

②按兩端排水的試驗要求，加荷速度原則上應參照土工試驗規程的三軸試驗方法選擇。但也可根據有關單位的實踐經驗：對于砂性土或者粉性土加荷速度可按0.2~0.1mm/min選擇。對于粉質粘土按0.1~0.05mm/min左右選擇，對于粘土或者淤泥質粘土可按0.05~0.01mm/min左右選擇。（僅供參考）當然希望使用單位根據土的性質做些比較試驗而定。

③試驗過程中可在數顯檢測儀上看出σ₃、σ₁等物理量變化關系，也可在電腦上實時觀察相關物理量的變化曲線。

④根據試驗要求按一定格式填入表格模板中，其中工程名稱、工程編號、土樣編號、取土深度、土的名稱以及試驗人員日期和K₀值打印出來。

⑤等試驗結束，使電動機倒轉，卸載的速度可按1.5mm/min左右選擇，待土樣容器可以外移時，將注射器通過兩通閥輸入較大的無氣泡的液體壓力，使土樣直徑變小，這樣可容易取出土樣。

⑥取出土樣后用清水洗刷液壓腔內壁的殘留顆粒。

5  試驗結果和相應曲線

  本試驗根據標準砂，飽和砂，飽和擾動粘性土土樣的不同應變速率進行K₀試驗，其試驗結果如下：

                  標準干砂1號土樣曲線

                  標準干砂2號土樣曲線

      飽和砂1號土樣曲線

      飽和砂2號土樣曲線

                  飽和擾動粘性土1號土樣曲線

                  飽和擾動粘性土2號土樣曲線

6  結束語

1.智能等應變控制雙聯K₀儀和智能應力應變單聯K₀儀適合于砂土，粉土，粘土類，人工填土，環境土等試驗。

2.實踐表明等應變控制雙聯K₀儀和智能應力應變單聯K₀儀結構簡單，操作方便，數據可靠，可大大提高工作效率，滿足工程需要。

3、經實踐表明在卸荷條件下提供建立超固結比與K₀值關系，同時在K₀條件下研究土的回彈模量，基床系數，也可以在等應變條件下研究測定壓縮系數和壓縮模量。