十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品原理与技术 作品原理与技术 PART 02 本节概述：十字型应变式动态土压力无线实时监测系统主要包括 四个部分，分别是应变轴式土压力传感器、应变梁式土压力传感 器、无线传输系统以及实时监测系统。整套监测系统能对过高的 土压力值以及相应的侧向土压力系数作出及时的警示作用，减少 被监测工程的事故发生率
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品原理与技术 16 本节概述：十字型应变式动态土压力无线实时监测系统主要包括 四个部分，分别是应变轴式土压力传感器、应变梁式土压力传感 器、无线传输系统以及实时监测系统。整套监测系统能对过高的 土压力值以及相应的侧向土压力系数作出及时的警示作用，减少 被监测工程的事故发生率。 作品原理与技术 PART 02
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品原理与技术 2作品原理与技术 十字型应变式动态土压力无线实时监测系统主要包括四个部分，分别是应变 轴式土压力传感器、应变梁式土压力传感器、无线传输系统以及实时监测系统。 应变轴式土压力传感器能同时测试竖向以及横向的压力值，从而计算得出士 体侧向系数K:为工程技术人员区分主动以及被动土压力区提供指导。 应变梁式土压力传感器主要采用传力轴、弹性梁、应变片等主要部件的有机 组合，受土体刚性影响较小，能够准确测量柔性、刚性以及半刚性荷载下土压力 值，并且能对快速变化的动态荷载作出及时响应： 无线传输系统采用多对一模式，将多个土压力盒的模拟电信号转换成数字信 号发送到监控中心的实时监测系统。 实时监测系统将接收到的多组数字信号进行处理后以间谐波的形式进行显 示，一且土压力值超过预先设定的临界值后将会发出警报，提醒工作人员做相应 的措施，同时对整个测试系统进行控制。 应变轴式土压力传感器 应变轴式土压力传感器 无线传输系统 应变轴式… 实时监测系统 应变梁式土压力传感器 应变梁式土压力传感器 无线传输系统 应变梁式… 图2.1十字型应变式动态土压力无线实时监测系统工作原理图 17
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品原理与技术 17 2 作品原理与技术 十字型应变式动态土压力无线实时监测系统主要包括四个部分，分别是应变 轴式土压力传感器、应变梁式土压力传感器、无线传输系统以及实时监测系统。 应变轴式土压力传感器能同时测试竖向以及横向的压力值，从而计算得出土 体侧向系数 K0；为工程技术人员区分主动以及被动土压力区提供指导。 应变梁式土压力传感器主要采用传力轴、弹性梁、应变片等主要部件的有机 组合，受土体刚性影响较小，能够准确测量柔性、刚性以及半刚性荷载下土压力 值，并且能对快速变化的动态荷载作出及时响应。 无线传输系统采用多对一模式，将多个土压力盒的模拟电信号转换成数字信 号发送到监控中心的实时监测系统。 实时监测系统将接收到的多组数字信号进行处理后以间谐波的形式进行显 示，一旦土压力值超过预先设定的临界值后将会发出警报，提醒工作人员做相应 的措施，同时对整个测试系统进行控制。 应变轴式土压力传感器 应变梁式土压力传感器 应变轴式土压力传感器 无线传输系统 应变轴式…… 应变梁式土压力传感器 应变梁式…… 无线传输系统 实时监测系统 图 2.1 十字型应变式动态土压力无线实时监测系统工作原理图
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品原理与技术 2.1应变轴式土压力传感器 2.1.1现有产品 目前市场上测量土侧压力系数的产品主要分为原位测试仪以及室内测试仪 原位测试仪主要利用油压系统测量侧压力系数，而室内测试仪则主要通过纵向以 及横向的力传感器获得纵向以及横向的土压力值，进而获得侧压力系数。下面分 别举例来介绍原为测试仪遗迹室内测试仪的工作原理和缺陷。 (1)应力铲 图2.2应力铲的工作原理图 (1)钻杆(2)压力盒(3)液体介质(4)压力传感器(5)框架(6)钢板 )应力铲的工作原理 应力铲由钻杆(1)和压力盒(2)组成，压力盒(2)内装有液体介质(3)， 压力盒(2)与钻杆(1)连通，钻杆(1)内设有压力传感器(4)：压力盒 (2)的四周为框架(5)，框架(5)的两侧焊有钢板(6)，框架(5)和钢 板(6)形成压力盒(2)。该装置将侧向土压力通过压力盒内的液体转换为 液压，进而通过钻杆内的压力传感器测的液压值，换算成侧向土压力值，进 而得到横向纵向士压力的比值，即侧压力系数。 2)应力铲的主要缺陷 应力铲内部传压介质为液体（如硅油），因此受温度的影响较大，而且 般情况下，受温度的影响程度会随着产品精度的提高而提高，这样又限制了 产品的量程。所以精度和量程的取舍就成了一个较大的问题 18
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品原理与技术 18 2.1 应变轴式土压力传感器 2.1.1 现有产品 目前市场上测量土侧压力系数的产品主要分为原位测试仪以及室内测试仪。 原位测试仪主要利用油压系统测量侧压力系数，而室内测试仪则主要通过纵向以 及横向的力传感器获得纵向以及横向的土压力值，进而获得侧压力系数。下面分 别举例来介绍原为测试仪遗迹室内测试仪的工作原理和缺陷。 （1）应力铲 图 2.2 应力铲的工作原理图 （1）钻杆（2）压力盒（3）液体介质（4）压力传感器（5）框架 （6）钢板 1) 应力铲的工作原理 应力铲由钻杆（1）和压力盒（2）组成，压力盒（2）内装有液体介质（3）， 压力盒（2）与钻杆（1）连通，钻杆（1）内设有压力传感器（4）；压力盒 （2）的四周为框架（5），框架（5）的两侧焊有钢板（6），框架（5）和钢 板（6）形成压力盒（2）。该装置将侧向土压力通过压力盒内的液体转换为 液压，进而通过钻杆内的压力传感器测的液压值，换算成侧向土压力值，进 而得到横向纵向土压力的比值，即侧压力系数。 2) 应力铲的主要缺陷 应力铲内部传压介质为液体（如硅油），因此受温度的影响较大，而且一 般情况下，受温度的影响程度会随着产品精度的提高而提高，这样又限制了 产品的量程。所以精度和量程的取舍就成了一个较大的问题
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品原理与技术 (2)静止土压力系数测试仪 图2.3静止土压力系数测试装置结构图 1)静止土压力系数测试仪工作原理 该静止土压力系数测试仪，装置如上图所示，包括安装式样的底座 罩扣在式样底座上的压力室，压力室顶部中心设有与其滑动配合的活塞以 及周定在试样中间截面上的电阻应变式径向变形传感器和连接于底座上的 液压传感器，活塞断面面积和形状与压力室中具体试验的式样的断面面积 和形状相同，压力室通过嵌套若干个高度、厚度均相等的套筒实现内部体 积的调节。该仪器运用压力室内的液压传感器获得土体的纵向压力，通过 固定在试样中间截面上的电阻应变式径向变形传感器获得横向土压力，从 而获得侧压力系数。 2)静止土压力系数测试仪主要缺陷 该实验装置构造较为复杂，且只能用于室内试验。由于获取土样时难 免会造成土样扰动，因而使得室内实验所获得的数据往往会偏离实际值较 多。因此，为了获得准确值，往往要进行一些列的标定实验，故而增加了 工作量。 19
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品原理与技术 19 （2）静止土压力系数测试仪 图 2.3 静止土压力系数测试装置结构图 1) 静止土压力系数测试仪工作原理 该静止土压力系数测试仪，装置如上图所示，包括安装式样的底座， 罩扣在式样底座上的压力室，压力室顶部中心设有与其滑动配合的活塞以 及固定在试样中间截面上的电阻应变式径向变形传感器和连接于底座上的 液压传感器，活塞断面面积和形状与压力室中具体试验的式样的断面面积 和形状相同，压力室通过嵌套若干个高度、厚度均相等的套筒实现内部体 积的调节。该仪器运用压力室内的液压传感器获得土体的纵向压力，通过 固定在试样中间截面上的电阻应变式径向变形传感器获得横向土压力，从 而获得侧压力系数。 2) 静止土压力系数测试仪主要缺陷 该实验装置构造较为复杂，且只能用于室内试验。由于获取土样时难 免会造成土样扰动，因而使得室内实验所获得的数据往往会偏离实际值较 多。因此，为了获得准确值，往往要进行一些列的标定实验，故而增加了 工作量
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品原理与技术 2.1.2设计思路 土体侧向压力系数反应了土体单元竖向与水平侧向协同变形的能力。对于水， 其侧向压力系数为1，对于刚性体，其侧向压力系数为0。土体单元最为一种半 刚性弹性体，其在欠固结或正常固结状态下静止状态下的侧向压力系数通常位于 01之间。对于超固结土，土的侧向压力系数有时会大于1。这是土体在静态平 衡状态下，侧向土压力系数的取值。当土体受到扰动，即将产生破坏时，其侧向 土压力系数会产生一定幅度的改变。当侧向土压力值增大，则土体可能在背离其 重力滑动方向受力，此时的士体中的横向力可能达到被动土压力，从而发生土体 破坏。当侧向土压力系数减小，则土体可能在向着其重力滑动方向受力，此时的 士体中的横向力可能达到被动土压力，从而同样导致士体破坏。所以，用士体侧 向土压力作为指标监测土体的稳定性状态是一种良好的方式。 温度补偿片：为了消除温度改变对土压力测试的影响。在不受力的盖板上粘 贴应变片作为温度补偿片。由于因为温度改变而引起的变形对于弹性轴与盖板是 相同的，所以若将上盖板应变片与弹性轴应变片连接在惠斯通电桥相邻桥路上 便能消除温度应力的影响。 弹性轴：互相垂直的两根弹性轴均采用变截面，在距端部四分之一处设置 20mm长，直径5mm的较小截面段，弹性轴的其余部分均为直径10mm的较大截面 段。两根弹性轴在中点处相交相惯。将较小截面段作为变形测量段，粘贴电阻应 变片测量其应变以推算土压。较大截面段作为传力轴和固定装置，保证将压力稳 定传至测量段，并通过构造保证弹性轴与受力环连接的稳定性。简化计算验算弹 性轴的强度与稳定性：
十字型应变式动态土压力无线实时监测系统 作品原理与技术 20 2.1.2 设计思路 土体侧向压力系数反应了土体单元竖向与水平侧向协同变形的能力。对于水， 其侧向压力系数为 1，对于刚性体，其侧向压力系数为 0。土体单元最为一种半 刚性弹性体，其在欠固结或正常固结状态下静止状态下的侧向压力系数通常位于 0~1 之间。对于超固结土，土的侧向压力系数有时会大于 1。这是土体在静态平 衡状态下，侧向土压力系数的取值。当土体受到扰动，即将产生破坏时，其侧向 土压力系数会产生一定幅度的改变。当侧向土压力值增大，则土体可能在背离其 重力滑动方向受力，此时的土体中的横向力可能达到被动土压力，从而发生土体 破坏。当侧向土压力系数减小，则土体可能在向着其重力滑动方向受力，此时的 土体中的横向力可能达到被动土压力，从而同样导致土体破坏。所以，用土体侧 向土压力作为指标监测土体的稳定性状态是一种良好的方式。 温度补偿片：为了消除温度改变对土压力测试的影响。在不受力的盖板上粘 贴应变片作为温度补偿片。由于因为温度改变而引起的变形对于弹性轴与盖板是 相同的，所以若将上盖板应变片与弹性轴应变片连接在惠斯通电桥相邻桥路上， 便能消除温度应力的影响。 弹性轴：互相垂直的两根弹性轴均采用变截面，在距端部四分之一处设置 20mm 长，直径 5mm 的较小截面段，弹性轴的其余部分均为直径 10mm 的较大截面 段。两根弹性轴在中点处相交相惯。将较小截面段作为变形测量段，粘贴电阻应 变片测量其应变以推算土压。较大截面段作为传力轴和固定装置，保证将压力稳 定传至测量段，并通过构造保证弹性轴与受力环连接的稳定性。简化计算验算弹 性轴的强度与稳定性：