一种改进的土体静止侧压力系数测定仪

摘要

本发明提供了一种改进的土体静止侧压力系数测定仪，在现有的测定仪基础上增加四个压重传感器、称重接线盒和称重显示控制器，其中，四个称重传感器放置在土体静止侧压力系数测定仪的底座上部、试样筒底部处，以取代支撑垫支撑试样筒，并测定试样与试样筒侧壁摩擦力；压重传感器分别与称重接线盒相连，称重接线盒与称重显示控制器相连；称重接线盒将四个称重传感器的受力信号进行汇总并调整角差，最后将汇总受力信号传输到称重显示控制器；称重显示控制器接收到称重接线盒输入的汇总受力信号，并将四个压重传感器受到的压力和显示出来；称重显示控制器显示的四个压重传感器受到的压力和，即侧壁摩擦力大小。本发明使用方便，测定结果准确。

说明书

技术领域

本发明属于土体参数测量设备领域，特别涉及一种改进的土体静止侧压力系数测定仪。

背景技术

静止侧压力系数是指土体在无侧向变形条件下压缩后的水平向主应力和竖向主应力之比，即原始应力状态下的水平向主应力和竖向主应力之比，是岩土工程中一个非常重要的参数，实际应用范围愈来愈广，如确定水平场地中的应力状态、计算静止土压力、土坝施工期的孔隙水压力、桩侧向摩擦力等需要准确地测定静止侧压力系数。

现有的土体静止侧压力系数测定仪测定原理为：测定仪轴向加载装置施加垂直荷载，荷载由荷重传感器测量；垂直荷载施加后，试样有侧向变形趋势，通过连接试样筒的拉压力传感器限制试样侧向变形，测得此时的试样侧向膨胀力，即侧向力由两对拉压力传感器测量；竖向应力和侧向应力根据测量的竖向力和侧向力换算得出；静止侧压力系数由侧向应力与竖向应力之比求得。然而，由于试样筒侧壁摩擦力的影响，荷载传感器测得竖向荷载大于土体实际受到的竖向力，导致换算得到的竖向应力比实际值大，进而使得最后计算得到的静止侧压力系数偏小。

本发明是基于专利201210473962.X的一种改进。

发明内容

发明目的：为解决土体静止侧压力系数测定仪中存在的问题，本发明提供了一种土体静止侧压力系数测定仪改进设计，消除土体与试验筒侧壁摩擦力对仪器测定结果的影响。

本发明还要解决的一个技术问题在于提供一种求土体与刚体侧壁摩擦力系数的方法。

技术方案：本发明提供的一种改进的土体静止侧压力系数测定仪，为对现有的土体静止侧压力系数测定仪的改进设计，所述现有的土体静止侧压力系数测定仪包括压力室、加载装置、测量控制装置；所述加载装置与压力室连接；所述压力室包括底座(101)、设于底座上的底板和支承垫、设于支承垫上的试样筒、与试样筒顶部开口配合的上压板、自下而上依次设于上压板上的加压盖板和荷重传感器；所述底板为两片半径相同的半圆形金属板组成的圆形底板；所述底板底部设有第一滚珠腔组，所述第一滚珠腔组内设有滚珠；所述支承垫顶部设有第二滚珠腔组，所述第二滚珠腔组内设有滚珠；所述试样筒为由两个半径相同的半圆筒组成并在外侧壁上通过至少二对拉压力传感器连接的圆筒；所述上压板为两片半径相同的半圆形金属板组成的圆形上压板；所述加压盖板下底面设有第三滚珠腔组，所述第三滚珠腔组内设有滚珠；所述测量控制装置的信号接口分别与加载装置、荷重传感器以及拉压力传感器连接；所述测量控制装置输出信号至加载装置，所述荷重传感器和拉压力传感器输出信号至测量控制装置；

其中，在上述土体静止侧压力系数测定仪的基础上增加四个压重传感器、称重接线盒和称重显示控制器，

其中，所述的四个称重传感器放置在土体静止侧压力系数测定仪的底座上部、试样筒底部处，以取代支撑垫支撑试样筒，并测定试样与试样筒侧壁摩擦力；所述压重传感器分别与所述称重接线盒相连，所述称重接线盒与所述称重显示控制器相连；所述称重接线盒将四个称重传感器的受力信号进行汇总并调整角差，最后将汇总受力信号传输到称重显示控制器；所述称重显示控制器接收到称重接线盒输入的汇总受力信号，并将四个压重传感器受到的压力和显示出来；称重显示控制器显示的四个压重传感器受到的压力和，即侧壁摩擦力大小。

该土体静止侧压力系数测定仪包括由两个半圆筒组成并由拉压力传感器连接的试样筒，从而可以通过拉压力传感器直接测得侧向膨胀力换算得试样侧向应力；试样筒底部底板及顶部的上压板为传力板，均分别包括两个半圆板，底部半圆板与底座之间、顶部半圆板与加压盖板之间设置滚珠以减小摩擦力，从而使测定结果更准确。

作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的一种改进，所述由两个半圆形金属板组成的底板、由两个半圆形金属板组成的上压板及由两个半圆筒组成的试样筒的直径断口位于同一平面内；从而使受力后，底板、上压板以及试样筒运动方向一致，保证了测量结果的准确。

作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述底座顶部中间设有凸起的定位销，所述底板底部设有与底座顶部定位销配合的凹槽；通过凸起定位销和凹槽的互相配合，从而使底板定位并牢固的固定于底座上，避免底板未放置于中心导致压力不均匀使设备产生位移，从而保证了测定结果的准确。

作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述支承垫为固定在底座边缘顶部的相对设置的长方体垫块，数量为2至4对。

作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述拉压力传感器的数量为2至4对，相对均匀设置于试样筒外侧壁上。

作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述第一滚珠腔组均匀分布于底板底部，滚珠腔内布置滚珠，滚珠可在底座顶面自由滚动。

作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述第二滚珠腔组均匀分布于支承垫顶部，滚珠腔内布置滚珠。

作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述第三滚珠腔组均匀分布于加压盖板底部，滚珠腔内布置滚珠。

作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述加载装置包括加压油缸和顶边可活动的加压框，所述加压油缸和压力室自下而上依次设于加压框内；通过加压油缸对压力室底座施压，由加压框顶边提供反力，从而实现对压力室中试样的加压。

有益效果：本发明提供的土体静止侧压力系数测定仪结构简单、使用方便，测定结果准确，适用范围广，可用于测定包括粗粒土及一般粘土、砂土在内的各种土体的静止侧压力系数。

附图说明

图1土体静止侧压力系数测定仪原始设计(剖视图)；

图2土体静止侧压力系数测定仪改进设计(剖视图)；

图3改进设计部位图(俯视图)；

图4砂土试样的K0-σ1关系图；

其中，附图标记分别为：1为压力室，2为加载装置，3为测量控制装置，101为底座，102为底板，，103为支撑垫，104为试样筒，105为上压板，106为加压盖板，107为荷载传感器，108为拉压力传感器，109为定位销，110为凹槽，111压重传感器，112为称重接线盒，113为称重显示控制器，201为加压油缸，202为加压框。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的改进的土体静止侧压力系数测定仪做出进一步说明。

下面结合附图详细的说明本发明的内容。

图1是土体静止侧压力系数测定仪原始设计的剖视图，其结构组成及使用方法披露于专利201210473962.X中，具体地，其包括压力室1、加载装置2、测量控制装置3。其中，压力室1包括底座101、设于底座101上的底板102和支承垫103、设于支承垫103上的试样筒104、与试样筒104顶部开口配合的上压板105、自下而上依次设于上压板105上的加压盖板106和荷重传感器107。底座101顶部中间还设有凸起的定位销109，底板102底部设有与底座101顶部定位销109配合的凹槽110；底板102为两片半径相同的半圆形金属板组成的圆形底板，其底部均匀设置有第一滚珠腔组，第一滚珠腔组内设有滚珠。支承垫103为固定在底座101边缘顶部相对设置的垫块，可选地，支承垫103为2至4对相对设置的长方体垫块；支承垫103顶部均匀设置有第二滚珠腔组，第二滚珠腔组内设有滚珠。试样筒104为由两个半径相同的半圆筒组成并在外侧壁上通过2对拉压力传感器108连接的圆筒，可选地，拉压力传感器108的数量也可以根据需要设置为二对以上任意合理的数量，相对均匀设置于试样筒104外侧壁上，优选地为2至4对；上压板105为两片半径相同的半圆形金属板组成的圆形上压板；加压盖板106下底面均匀设置有第三滚珠腔组，第三滚珠腔组内设有滚珠。由两个半圆形金属板组成的底板102、由两个半圆形金属板组成的上压板105及由两个半圆筒组成的试样筒104的直径断口位于同一平面内。

加载装置2包括加压油缸201和顶边可活动的加压框202，所述加压油缸201和压力室1自下而上依次设于加压框202内。

测量控制装置3的信号接口分别与加载装置2、荷重传感器107以及拉压力传感器108连接，测量控制装置3输出信号至加载装置2，荷重传感器107和拉压力传感器108输出信号至测量控制装置3。

图2、图3分别是是土体静止侧压力系数测定仪改进设计的剖视图与俯视图。对比图1与图2可知：该改进设计包括四个称重传感器111、称重接线盒112、称重显示控制器113(见图3)。其中，将四个称重传感器111放置在试样筒104的底部，测定仪的底101上部，以称重传感器(111)取代支撑垫103支撑试样筒，四个压重传感器111的受力信号在称重接线盒112进行汇集并通过称重显示控制器113显示出来，这样就能得到实验过程中的摩擦力，进而得到试样与侧壁的摩擦力系数，并在计算静止侧压力系数规避摩擦力影响。

测定方法、条件：将待测土体置于试样筒104内，通过加压油缸201加压，从而通过加压框202顶边提供反力，并将力分别通过荷重传感器107、加压盖板106、第三滚珠组及上压板105传递到试样顶部，并通过荷重传感器107测定竖向竖向荷载，通过四个称重传感器111测量侧壁摩擦力，将荷载减去侧壁摩擦力既得试样实际竖向力；通过拉压力传感器108测定侧向膨胀力；竖向应力和侧向应力根据测量的实际竖向力和侧向力换算得出；静止侧压力系数由侧向应力与竖向应力之比求得。

测定结果：荷载传感器107得到的试样竖向力、拉伸传感器108得到的侧向力、压重传感器111得到的侧壁摩擦力示于表1。从而，可计算得到对应竖向应力和侧向应力时的静止侧压力系数K₀，并绘出竖向应力与静止侧压力系数关系曲线，如图4所示。所测定静止侧压力系数符合一般认识。

表1砂土试样测试数据