原位貫入裝置標定罐模型試驗研究與發(fā)展

儲 亞 ，劉松玉 ，蔡國軍

（1. 東南大學 巖土工程研究所，江蘇 南京 210096；2. 東南大學 江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室，江蘇 南京 210096）

1 引 言

由于巖土工程參數(shù)與復雜多變的自然條件密切聯(lián)系，確定巖土工程參數(shù)與合理設計成為工程建設的難點，亦是保證工程質量、縮短工程周期、降低工程造價、提高工程經(jīng)濟效益和社會效益的關鍵技術之一。鉆孔取樣、室內試驗會造成土樣擾動，試驗結果難以反映出地基巖土的真實狀況[1]，原位測試技術是在天然位置對巖土工程性能進行測試的一種技術，勿需取樣，簡便快捷，是準確獲得土性參數(shù)的有效方法。因此，研究基于高精度現(xiàn)場原位測試理論與技術[2]，建立基于原位測試的土木工程設計計算理論，是當前我國工程領域迫切需要解決的重要課題。這些參數(shù)必須積累到大量的數(shù)據(jù)，并通過相應的理論推導和反算公式以求得最后的土壤參數(shù)，相關的現(xiàn)場原位試驗相對于室內試驗周期較長，并不能確定單一土壤參數(shù)的變化。為了解決這些相關的問題使用標定罐試驗以來積累相關的數(shù)據(jù)，并可以控制相應的條件，推導出具體的經(jīng)驗公式，是最直接有效簡單的方式[3]。

標定罐試驗最初的建立是確定圓錐靜力觸探的相應地質參數(shù)，而經(jīng)過多年的發(fā)展現(xiàn)如今已延伸到其他的原位試驗方法中，如旁壓儀、膨脹儀、大型壓密儀。本文旨在對國內外原位測試標定罐試驗在土體原位狀態(tài)的基本土壤參數(shù)確定與推導領域中的應用及其研究成果系統(tǒng)地進行介紹，以促進中國相關技術的發(fā)展。

2 標定罐設備儀器的發(fā)展

標定罐發(fā)展到現(xiàn)今已經(jīng)有了近 50年的歷史，為了達到相應的測試標定要求形成了各種不同的標定罐體系，如CRB標定罐體系、柔性單壁式體系、黏性土標定罐體系等。通過查閱資料[4]，對現(xiàn)今標定罐系統(tǒng)進行了詳細的統(tǒng)計，見表1[4-20]。

最早的標定試驗由 Tcheng等[21]使用剛性壁試驗坑進行的室內標定試驗（ragid-wall test pit），先在地上挖出一個試驗要求尺寸的空洞，然后置入相應試樣，進行CPT貫入試驗。由于受到試驗坑邊界效應的影響，試驗結果不甚理想。

表1 現(xiàn)今標定罐系統(tǒng)統(tǒng)計Table 1 Statistics of the nowadays calibration chamber

柔性壁標定罐的概念起源于澳洲，目的是通過標定罐對原位標準貫入試驗進行標定性研究。Holden與墨爾本維多利亞公路局材料研究所（CRB）進行了合作，提出了CRB標定系統(tǒng)（柔性雙壁式）的概念[5]，并于1969年設計并建造了柔性壁罐體標定槽，如圖1所示。其標定罐系統(tǒng)設計理念十分的先進，后期有許多機構進行的了不同方面的改進，故這一系列統(tǒng)稱為CRB標定罐。

圖1 CRB式標定罐具體示意圖[5]Fig.1 Specific sketch of calibration chamber of CRB[5]

由于 CRB標定罐柔性雙壁式體系的自身的局限，操作的復雜以及制樣的困難，使得一種新的柔性單壁式體系應運而生。Villet等[10]設計的這種新型標定罐由于其設計新穎，設備簡單，操作方便被眾多學者所采用并進行改進。2010年的澳大利亞新南威爾士大學設計了一款用于非飽和土的柔性單壁式標定罐裝置[20]，如圖2所示。創(chuàng)造性將單壁內部的土樣箍板連接在了外側鋼壁上，使得制樣和不同邊界條件的實施更為方便。

圖2 新南威爾斯大學標定罐設計圖及設備示意圖[20]Fig.2 Sketches design and equipment of calibration chamber in the University of New South Wales[20]

后期許多學者通過各自的試驗需求，對標定罐體系進行不同方面的改進與加強，研究貫入狀態(tài)下柔性壁邊界影響效應對罐體和土樣體積進行加大處理[6]6－8]；研究非飽和土樣貫入試驗，對飽和系統(tǒng)與壓力控制系統(tǒng)的改進[9]，適用于黏性土體的標定罐體系的反壓系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的改進[15]以及荷載施加方式的改進[17]通過上部施加荷載進行不同邊界條件的試驗過程。

國內方面相關的標定罐試驗還在起步階段，只有少數(shù)幾個科研機構和學校進行了相關的模型槽試驗。標定罐試驗只有西南交通大學配合國家鐵路局設計了一臺柔性雙壁式標定罐體系[22]，尺寸為600 mm×1 000 mm，圍壓由水壓控制，軸壓采用液壓千斤頂進行施壓，長沙鐵道學院、孟高頭、中國地質大學、同濟大學、蔣明鏡等都采用剛性邊界條件的模型槽試驗體系進行相關原位測試技術研究。

3 標定罐試驗理論及影響因素研究

3.1 邊界狀態(tài)控制

標定試驗的水平與垂直邊界都可單獨控制，分為應力控制和應變控制。Holden[23]定義了4種不同的邊界狀態(tài)，如圖3和表2所示。

圖3 標定罐試驗4種不同邊界條件[23]Fig.3 Four kinds of different boundary conditions of calibration chamber test[23]

圖3中，4種狀態(tài)分別對應為水平垂直受力的BC1狀態(tài)、水平垂直應變?yōu)?的BC2狀態(tài)、垂直受力的BC3狀態(tài)和水平受力的BC4狀態(tài)。圖3（e）為使用柔性雙壁標定罐中空壁體內施加水壓，使其壓力等于土樣的橫向壓力時所產(chǎn)生的特殊狀態(tài)。

表2 標定罐試驗4種邊界條件Table 2 Four kinds of boundary conditions of calibration chamber test

王安斌[16]研發(fā)出了一套能夠有效模擬原狀現(xiàn)場的標定罐系統(tǒng)，并定義了一種新型的邊界狀態(tài)，定義為BC5狀態(tài)。邊界狀態(tài)示意圖和標定罐裝置圖如圖4所示。圖中，vσ為軸向應力；σh1～σhn為橫向應力，代表橫向不同受力程度可控。

圖4 標定罐試驗第5種邊界條件Fig.4 Fifth boundary condition of calibration chamber test

3.2 影響因素

標定罐圓錐貫入試驗是條件許可下在室內進行的現(xiàn)場原位的模擬，由于受到土樣大小和應力狀態(tài)的限制，無法達到完全的現(xiàn)場狀態(tài)，數(shù)據(jù)與原位試驗有一定的區(qū)別。研究表明，影響室內標定罐試驗的因素有很多，其主要的影響因素有邊界條件、尺寸效應、土樣性質。關于這些影響因素的研究已有相當多的經(jīng)驗[24]。

（1）邊界效應

Parkin等[25]針對在BC1、BC3邊界狀態(tài)的下的標定罐試驗的邊界效應進行了討論，通過兩種不同尺寸的貫入探頭進行了相應的標定罐試驗，研究不同邊界條件下和不同直徑比條件下對所測得錐尖阻力的影響。使用的探頭不同有兩種直徑比，分別為21.4和48.3。圖5為邊界條件和尺寸效應對錐尖阻力的影響。

Salgado[12]根據(jù)貫入阻力理論，并通過控制相應的邊界條件，土樣密度和應力狀態(tài)進行直徑比的研究。研究顯示在BC1、BC4的邊界條件下，所測得錐尖阻力小于原位實測值。這是由于相較于原位邊界狀態(tài)BC1、BC4兩種邊界條件對圍壓的收益有一定的減弱性。

圖5 CPT標定罐試驗在BC1、BC3兩種邊界條件下的邊界效應影響[25]Fig.5 CPT calibration chamber test in BC1, BC3 under condition of two kinds of boundary effect[25]

（2）尺寸效應

通過系統(tǒng)地研究和許多研究者進行的關于直徑比影響的標定罐試驗[12]得出了系統(tǒng)的關于砂性土的直徑比影響效應。Schnaid等[13]使用 3種不同尺寸的圓錐旁壓儀進行標定罐試驗（對應的直徑比分別為38、27和22），研究土體性質對錐尖阻力的影響。研究結果表明，密砂和中密砂隨著直徑比的增加其所測得的規(guī)格化極限應力有顯著的增加，對于松散砂土，標定罐的尺寸沒有明顯的影響。對于標定罐試驗的尺寸效應的原因的理論分析主要集中在兩種說法上。第一種：Salgado等[25]采用孔壁擴張理論分析并解釋了標定罐試驗的尺寸效應。研究表明隨著貫入壓力的逐漸增加，承受的等向壓力也在逐漸增加，孔穴周圍出現(xiàn)塑性區(qū)，外圍是非線性彈性區(qū)和線彈性區(qū)，如圖6所示。第二種，Wesley[26]提出在圓錐貫入試驗時，隨著探頭的貫入引起的垂直應力的變化可能會導致錐尖阻力隨著標定罐的尺寸減小而減小。

（3）土樣性質效應

對于土樣性質的研究集中在控制變量上，通過對相應的土樣參數(shù)的控制研究尺寸效應對標定罐試驗的影響。Jamiolkowski等[27]提出了一個關于相對密度 Dr和平均有效正應力σ∞′對錐尖阻力的公式。Huang等[16]又根據(jù) BC5邊界條件重新修正。Jamiolkowski于 2003年[28]又基于標定罐和現(xiàn)場原位測試的相關試驗提出了一個關于相對密度的標定罐錐尖阻力經(jīng)驗公式。

圖6 空腔擴張理論的區(qū)域圖[25]Fig.6 Regions of the cavity expansion theory[25]

通過以上文獻總結分析可知，目前對于標定罐的影響試驗研究主要集中在砂土，主要包括邊界條件、直徑比、砂土的密實狀態(tài)和應力狀態(tài)。關于黏性土的研究很少。由于大型的標定罐試驗的制樣，固結，飽和等問題無法很好地解決，主要還是小型的試驗居多。標定罐試驗中黏性土的影響試驗研究工作有待完善。

4 標定罐試驗測試成果研究

目前學者們主要針對砂性土進行了大量的研究。Salgado等[12]1997年通過分析建立了標定罐試驗中錐尖阻力的影響方程，認為影響標定罐中錐尖阻力的因素包括土體相對密度、應力狀態(tài)、直徑比和邊界條件，方程為

式中：DR為土體相對密度；σ為應力狀態(tài)；Dc/dc為直徑比；BC為邊界條件。

式（1）基本總結了錐尖阻力的各種影響因素，后期許多學者基本采用這個公式設定。

Schnaid等[13]、Kuru等[29]和Lech Ba?achowski[18]都通過不同設定及條件進行了相應的圓錐靜力觸探相關測試數(shù)據(jù)的計算公式的推導和驗證。

另還有部分學者進行了一些其他相應的標定罐模型試驗研究，韓國的Yoon[30]通過BC2條件的模型試驗，提出了垃圾滲濾液污染下的土體濕密度md與電阻率之間的關系，如圖7所示。

具體的研究內容與公式見表 3。表中，qc為標定罐試驗錐尖阻力；qc∞，為阻力；Rd為直徑比；Dr為相對密度；qc，cc為標定罐測定錐尖阻力；qc，field為原位同等條件下錐尖阻力；Dr為相對密度。pa為參考壓力（1 kPa）；σ∞′為平均有效應力；Dr為相對密度。a、b為直徑比Rd的系數(shù)；Dr為相對密度。σv0為原位垂直有效應力；σh0原位水平有效應力；ID密度指數(shù)。Ww為孔隙水重度；Vt為土樣體積；Ws為干土重度；dγ為土樣干重度；ω為土樣含水率。

圖7 電阻率隨濕密度的變化[30]Fig.7 Resistivity along with the change of wet density resistivity[30]

表3 標定罐應用研究Table 3 Application research of calibration chamber

通過總結以上文獻總結分析可以得出，對標定罐模型試驗主要為對原位靜力觸探試驗進行標定，其他的原位試驗也有涉及，但研究較少。主要的研究土樣為砂質土，涉及到不同密實度，不同直徑比以及不同應力狀態(tài)條件下的貫入試驗研究。對于黏性土以及特殊性土所進行的研究不是太多。

5 結 論

（1）目前標定罐的應用還不多，主要集中在標定罐性質方面，需要進一步加強對其他原位測試設備的研究，實現(xiàn)標定罐在多功能原位測試儀器中的應用如扁鏟、旁壓、十字板等試驗。

（2）缺乏對系列經(jīng)驗公式除錐尖阻力qc之外的其他參數(shù)應用，如孔隙水壓力、摩阻力、地震波和電阻率等相關研究還在起步當中。

（3）試驗基本采用單一的砂質土進行，對于較為廣泛的黏性土和一些其他性質的特殊性土類，如濕陷性黃土、污染土、凍土等的研究還較為缺乏需要進一步的加強該類研究。

（4）對于現(xiàn)有的標定罐試驗裝置還需要進一步的改進，由于其體積較大，各種相關的測試元件還需要更加的精密，加載制樣等措施需要進一步簡化。

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