智能应力应变控制K0试验仪应用

摘  要：智能应力应变控制K₀试验仪融入了现代化的控制与制造，主要解决工程中K₀系数的测定，我们可以采用应力应变不同工作模式进行试验，实现K₀系数，回弹系数，以及基床系数的测定。

0  引言

K₀系数是与岩土固结试验密切相关的基础的参数之一，采用该参数可用以计算地下建筑物、构筑物、档土墙的静止侧压力。随着地下空间的开发，地下工程迅猛发展，大量的高层建筑地下室、地下隧道、地铁工程、大中小水电站勘察设计，以及边坡等土压力的计算都需要提供静止侧压力系数K₀值。K₀试验越来越被工程界所重视。

过去我们采用杠杆加载方式，人工采集，计算的传统方法进行K₀系数测试，效率低下，费时费工。近几年来由于科技的发展，自动化，智能化得到相当广泛的应用，人们不断创新和发展，一些人工智能的仪器也渐渐的被推广开来。

本文根据*理论和大量反响良好的实验经验，同时结合我国土工试验的现实技术及运用国情，设计研制成功了一种智能等应变控制双联K₀仪。该仪器的研制是利用现代化的测试手段，多用途多方法的创新思路，积极服务于我国各个行业广泛的岩土工程建设与土工试验的需求。该仪器可以实现应力式试验、和应变式试验两种方式，还可以测定孔隙水压力，进行固结消散试验。

1  基本原理：

静止侧压力系数K₀，是指单元土体在无侧向应变(ε_x=ε_y=0)条件下，有效侧向压力σ₃（或称小主应力）与有效竖向压力σ₁（或称大主应力）的比值。计算公式为K₀＝σ₃/σ₁或K₀＝⊿σ₃/⊿σ₁,同时，根据K₀值可换算土的泊桑比µ值，即µ=K₀/1+K₀ ，本智能等应变控制双联K₀仪（以下简称仪器）就是这样一种可高效实现全自动跟踪检测并实时记录K₀变化曲线的新型岩土工程试验仪器，同时可兼容单联应力控制K₀试验。

图1 智能等应变控制双联K₀仪

 图2 智能应力应变单联K₀仪

2  仪器的改进

 目前土工试验室普遍使用的传统K₀结构如图3所示，主要包括：K₀容器，杠杆加载机构，反力架组成。

智能等应变控制双联K₀仪采用步进电机加载装置替代原有的杠杆加荷装置，实现了竖向的自动控制，使用精密的力传感器测量系统替代加砝码的繁琐计算，用数字化采集数据替代人工记录数据，实现了数字记录的自动化；对K₀容器进行了一系列创新和改进，有效的保证了试验数据的准确性；智能等应变控制双联K₀仪配有自动化采集、控制、处理系统，实现了试验的自动化。智能等应变控制双联K₀仪加载和测量机构（图4）和新型K₀容器结构（图5）如下： 

       图4加载和测量机构   

         图5 K₀容器

3  仪器的主要参数及相关标定手段和标定曲线

3.1.1技术指标

土样：直径61.8mm高4cm 面积30cm²

竖向加载荷重：0-10KN

加载速度：0-4mm/min

加载行程程：0-20mm

加载方式：分级应力加载，恒速等应变加载

轴压传感器：0~3000N

分辨率：1N

线性误差：＜0.3%

综合误差：≤0.5%

侧向压力传感器：0~1000kPa

分辨率：1kPa

线性误差：＜0.3%

综合误差：≤0.5%

3.1.2相关标定手段

1）传感器标定

用测量机构检测的标准荷重传感器（图6）和标准压力传感器（图7）分别来标定K₀是竖向荷重传感器和侧向压力传感器，其标定界面如图8，竖向为其标准值，轴向是被标定传感器的实际值，得出的曲线为其标定曲线。

图6 荷重传感器                 图7压力传感器

         图8标定界面

仪器选择：选择要标定传感器的仪器。

通道选择：选择需要标定的传感器的通道。一号通道-轴向荷重传感器，二号通道-侧压压力传感器，三号通道-孔压压力传感器。

量程：需要标定的传感器的总量程

自动分段：点击对总量程进行等量分段，默认分五个点进行标定。

上传参数：从采集板上传当前传感器的标定参数。

下载参数：将标定好的参数写入采集板。

2）标定参数

               荷重传感器标定参数

               压力传感器标定参数

4  试验操作步骤

1、试验前准备

①打开电脑预热10min进入显示界面。

②将乳胶膜两端从液压腔的内部向外翻起翻起，并使乳胶膜绷紧拉直，盖上两端压环（密封环），并且四个螺栓用力均匀，使之形成液体密封腔。

③通过液压腔的两通阀门用注射器装满无气泡水数次注入腔体，并同时将腔体内空气吸出，反复注水、排出气泡，确保腔内无气泡，关闭两通阀。

④在装土之前先将乳胶膜水由两通阀和注射器

抽取部分的水，使乳胶膜产生内凹，这样装土时土与乳胶膜减少摩擦，以免扰动土样。

⑤在土样两端贴上滤纸，将环刀刀口向上，对准K₀容器中心定位槽，用传压活塞将土样推入K₀容器。

⑥将K₀容器置于加荷平台上面，对准力传感器的中心。

⑦连接检测仪的液压传感器、拉压力传感器各电缆线。

⑧在试验前先使土样周围乳胶膜和液体水贴紧，通过两通阀和注射器将无气泡水稍稍注入液压腔使σ3在5kPa左右，同时将加荷系统提升适当的位置使荷重传感器产生初应力为5kPa左右即可。

2、试验

①根据土性不同设定加荷速度驱动加荷开关进入试验。

②按两端排水的试验要求，加荷速度原则上应参照土工试验规程的三轴试验方法选择。但也可根据有关单位的实践经验：对于砂性土或者粉性土加荷速度可按0.2~0.1mm/min选择。对于粉质粘土按0.1~0.05mm/min左右选择，对于粘土或者淤泥质粘土可按0.05~0.01mm/min左右选择。（仅供参考）当然希望使用单位根据土的性质做些比较试验而定。

③试验过程中可在数显检测仪上看出σ₃、σ₁等物理量变化关系，也可在电脑上实时观察相关物理量的变化曲线。

④根据试验要求按一定格式填入表格模板中，其中工程名称、工程编号、土样编号、取土深度、土的名称以及试验人员日期和K₀值打印出来。

⑤等试验结束，使电动机倒转，卸载的速度可按1.5mm/min左右选择，待土样容器可以外移时，将注射器通过两通阀输入较大的无气泡的液体压力，使土样直径变小，这样可容易取出土样。

⑥取出土样后用清水洗刷液压腔内壁的残留颗粒。

5  试验结果和相应曲线

  本试验根据标准砂，饱和砂，饱和扰动粘性土土样的不同应变速率进行K₀试验，其试验结果如下：

                  标准干砂1号土样曲线

                  标准干砂2号土样曲线

      饱和砂1号土样曲线

      饱和砂2号土样曲线

                  饱和扰动粘性土1号土样曲线

                  饱和扰动粘性土2号土样曲线

6  结束语

1.智能等应变控制双联K₀仪和智能应力应变单联K₀仪适合于砂土，粉土，粘土类，人工填土，环境土等试验。

2.实践表明等应变控制双联K₀仪和智能应力应变单联K₀仪结构简单，操作方便，数据可靠，可大大提高工作效率，满足工程需要。

3、经实践表明在卸荷条件下提供建立超固结比与K₀值关系，同时在K₀条件下研究土的回弹模量，基床系数，也可以在等应变条件下研究测定压缩系数和压缩模量。