結(jié)構(gòu)界面單膜電阻式微型土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定方法研究

趙世永

（1.中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200070； 2.中鐵十五局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，河南洛陽 471000）

土壓力的測(cè)定問題是巖土工程研究中常見的問題之一，目前國內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行土壓力相關(guān)的室內(nèi)模型試驗(yàn)時(shí)多采用單膜電阻式微型土壓力盒直接測(cè)定.而采用單膜電阻式微型土壓力盒直接進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)會(huì)受到環(huán)境溫度［1-2］、周圍土體類別［3］、土體密度［4-5］、土體壓縮模量［6-7］、應(yīng)力歷史［8-9］等因素的影響，導(dǎo)致測(cè)得的土壓力會(huì)有較大的誤差.現(xiàn)有研究［10-12］表明，在使用土壓力盒進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)前，先采用匹配模型試驗(yàn)的土壓力盒進(jìn)行室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)，可以對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，進(jìn)而能夠有效提高模型試驗(yàn)精度.在此基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者開展了關(guān)于土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定方法的試驗(yàn)研究以及土壓力盒量測(cè)誤差的理論研究.有的學(xué)者［13-14］對(duì)土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定過程中的加載板剛度問題進(jìn)行了研究，他們認(rèn)為采用偏柔性的加載板能夠使土壓力盒的受力更均勻，從而可以減少標(biāo)定結(jié)果的離散性.有的學(xué)者［15-16］通過研究提出了改善試驗(yàn)過程中側(cè)摩阻力影響的方法.有的學(xué)者［17-18］引入了用于定量分析土壓力量測(cè)誤差的匹配系數(shù)和匹配誤差，并建立了匹配系數(shù)和匹配誤差的理論計(jì)算公式.

但是，現(xiàn)有的土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定方法還缺乏統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)裝置、步驟及標(biāo)準(zhǔn)都還不統(tǒng)一.已有研究［19］表明，影響土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定結(jié)果的因素有很多，如側(cè)摩阻力、應(yīng)力分布的均勻性等.因此，研究標(biāo)定環(huán)境對(duì)土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定結(jié)果的影響有助于制定相對(duì)統(tǒng)一的土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定方法.本研究探討了土壓力盒的埋設(shè)方式、上部填砂厚度、標(biāo)定桶尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)界面單膜電阻式微型土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的影響，可為土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供一定的參考.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)組設(shè)計(jì)

為了研究土壓力盒的埋設(shè)方式、上部填砂厚度、標(biāo)定桶尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)界面單膜電阻式微型土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的影響，分別設(shè)計(jì)9 個(gè)試驗(yàn)組，如表1所示.試驗(yàn)組1和試驗(yàn)組4用于研究土壓力盒的埋設(shè)方式對(duì)土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的影響；試驗(yàn)組2～6用于研究上部填砂厚度對(duì)土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的影響；試驗(yàn)組4、7、8、9 用于研究標(biāo)定桶尺寸對(duì)土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的影響.所有試驗(yàn)組采用的單膜電阻式微型土壓力盒的厚度均為7 mm，直徑均為35 mm，量程均為0.1 MPa.每個(gè)試驗(yàn)組中均使用3個(gè)不同編號(hào)的土壓力盒，且每個(gè)土壓力盒均進(jìn)行5 組平行試驗(yàn)，然后取5 組平行試驗(yàn)的平均值用于數(shù)據(jù)分析.

表1 試驗(yàn)組設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental group design

1.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本研究采用的室內(nèi)多功能微型土壓力盒砂土標(biāo)定設(shè)備如圖1 所示，該設(shè)備由反力架、多功能底板、工字型墊塊、加載裝置組成.為了方便研究標(biāo)定桶尺寸對(duì)土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的影響，在多功能底板上配套設(shè)置了不同直徑的標(biāo)定桶及定位槽封堵板.

圖1 室內(nèi)多功能微型土壓力盒砂土標(biāo)定設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of laboratory multifunctional sand calibration equipment for miniature earth pressure cell

1.3 試驗(yàn)過程控制

1.3.1 土體參數(shù) 本研究所用砂土為鄭州地區(qū)的河砂，其顆粒級(jí)配曲線如圖2 所示.此砂土的平均粒徑為0.12 mm，粒徑大于0.075 mm 的土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于85%，粒徑大于0.25 mm 的土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50%，根據(jù)規(guī)范［20］中的標(biāo)準(zhǔn)可知，此砂土屬于細(xì)砂.

圖2 標(biāo)定試驗(yàn)中所用河砂的顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curve of river sand used in calibration test

1.3.2 側(cè)壁減摩措施 標(biāo)定桶的側(cè)壁摩擦力會(huì)增加試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)定誤差，試驗(yàn)前需要對(duì)標(biāo)定桶的內(nèi)表面進(jìn)行減摩處理.本研究采用“兩膜一墨”的處理方法對(duì)標(biāo)定桶的內(nèi)表面進(jìn)行減摩處理，具體步驟如下：首先，在標(biāo)定桶內(nèi)壁用膠帶粘貼1 mm 厚的四氟龍膜；然后，在四氟龍膜表面刷一層石墨以增加光滑度；最后，在石墨層外部再鋪設(shè)一層1 mm 厚的四氟龍膜，該層膜不用膠帶固定，以保證試驗(yàn)時(shí)兩層膜之間能夠正常滑動(dòng).采用室內(nèi)界面直剪試驗(yàn)進(jìn)行減摩效果驗(yàn)證，具體如下：首先在鋁合金底板上按照上述“兩膜一墨”的處理方法對(duì)鋁合金底板進(jìn)行減摩處理，然后在進(jìn)行減摩處理后的鋁合金底板上部鋪設(shè)試驗(yàn)用砂，進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果如圖3 所示.由圖3 可以看出，設(shè)置有減摩措施的鋁合金底板與試驗(yàn)用砂的摩擦角為10.2°，小于試驗(yàn)用砂的內(nèi)摩擦角，說明該減摩處理措施能夠有效減小摩擦效應(yīng).

圖3 標(biāo)定桶內(nèi)壁減摩措施直剪試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Direct shear test results of anti-friction measures at the interface of the calibration bucket

1.3.3 試驗(yàn)過程控制要點(diǎn) 在土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)開展的過程中，需控制以下幾個(gè)要點(diǎn)：

1）現(xiàn)有研究［21］表明，土壓力盒傾斜放置會(huì)影響標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果，降低加載的線性效果.因此，放置土壓力盒時(shí)需用水平尺調(diào)整其平整度，以保證土壓力盒表面平整，受壓面與荷載施加方向垂直.

2）填埋砂土?xí)r，先過2 mm篩子，然后根據(jù)填砂密度及高度計(jì)算填砂的質(zhì)量并分量分層壓實(shí)填埋，最后用水平尺找平填砂表面，以保證填砂均勻平整，密度相同.

3）為了降低試驗(yàn)結(jié)果的離散性，正式加卸載試驗(yàn)前需進(jìn)行三次分級(jí)預(yù)壓.

1.3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析方法 采用匹配系數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析，其表達(dá)式如公式（1）所示，其中室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)的上部加載量定義為實(shí)際壓力值，同時(shí)采用廠家給定的油標(biāo)系數(shù)與測(cè)試數(shù)據(jù)換算后的值定義為監(jiān)測(cè)壓力值.匹配系數(shù)越接近1，說明監(jiān)測(cè)壓力值與實(shí)際壓力值越接近，試驗(yàn)的標(biāo)定誤差越小，則某組試驗(yàn)布置狀態(tài)中各因素對(duì)土壓力盒的受力影響就越弱.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 土壓力盒的埋設(shè)方式對(duì)土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定結(jié)果的影響

2.1.1 標(biāo)定結(jié)果分析 目前進(jìn)行結(jié)構(gòu)界面單膜電阻式微型土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定時(shí)，土壓力盒的埋設(shè)方式主要有放置于界面上和嵌入底板內(nèi)這兩種.本試驗(yàn)分別研究了這兩種土壓力盒的埋設(shè)方式對(duì)結(jié)構(gòu)界面單膜電阻式微型土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的影響.不同土壓力盒埋設(shè)方式下每個(gè)土壓力盒的標(biāo)定曲線如圖4所示.油標(biāo)曲線代表其理論加載量下的理想測(cè)試值，相同的加載量下，土壓力盒的微應(yīng)變量越接近油標(biāo)曲線上的理想測(cè)試值，說明試驗(yàn)的標(biāo)定誤差越小.從圖4可以明顯看出，土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)加卸載過程的標(biāo)定曲線呈滯回環(huán)，明顯不同于油標(biāo)曲線，相同荷載條件下，嵌入底板內(nèi)的土壓力盒的微應(yīng)變量比放置界面上的土壓力盒的微應(yīng)變量大.加載過程的標(biāo)定曲線呈線性，且嵌入底板內(nèi)的土壓力盒的微應(yīng)變量更接近油標(biāo)曲線上的理想測(cè)試值，而卸載過程的標(biāo)定曲線呈非線性，與油標(biāo)曲線存在交叉.綜上可知，嵌入底板內(nèi)的土壓力盒埋設(shè)方式能夠有效降低試驗(yàn)的標(biāo)定誤差.

圖4 不同土壓力盒埋設(shè)方式下每個(gè)土壓力盒的標(biāo)定曲線Fig.4 Calibration curves of earth pressure cells under different embedding methods

2.1.2 匹配系數(shù)分析 根據(jù)匹配系數(shù)的計(jì)算公式和圖4的標(biāo)定曲線計(jì)算加載過程中不同土壓力盒埋設(shè)方式下每個(gè)土壓力盒的匹配系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表2.

從表2可以看出，加載過程中，嵌入底板內(nèi)的土壓力盒的匹配系數(shù)均比放置于界面上的土壓力盒的匹配系數(shù)大，且嵌入底板內(nèi)的土壓力盒的匹配系數(shù)更接近1，這表明采用嵌入底板內(nèi)的土壓力盒埋設(shè)方式能減小結(jié)構(gòu)界面單膜電阻式微型土壓力盒的量測(cè)誤差.另外，在進(jìn)行土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，選擇與模型試驗(yàn)相一致的土壓力盒埋設(shè)方式才能保證模型試驗(yàn)結(jié)果的量測(cè)精度.

表2 不同土壓力盒埋設(shè)方式下每個(gè)土壓力盒的匹配系數(shù)Tab.2 Matching coefficients of each miniature earth pressure cell under different embedding methods

2.2 上部填砂厚度對(duì)土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定結(jié)果的影響

2.2.1 標(biāo)定結(jié)果分析 本研究設(shè)定的5種上部填砂厚度分別為35、70、105、140、175 mm，即分別為所選用的土壓力盒直徑（35 mm）的1～5倍.每個(gè)土壓力盒在不同上部填砂厚度條件下的標(biāo)定曲線見圖5.

圖5 不同上部填砂厚度條件下每個(gè)土壓力盒的標(biāo)定曲線Fig.5 Calibration curves of each earth pressure cell under different upper sand filling thickness conditions

從圖5可以看出，加載過程中，隨著上部填砂厚度的增加，每個(gè)土壓力盒的微應(yīng)變量均先增大后減??；卸載過程中，上部填砂厚度越大，土壓力盒的微應(yīng)變恢復(fù)越慢，土壓力盒的應(yīng)力滯后效應(yīng)越明顯.分析原因可能是：加載過程中，土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果主要受到標(biāo)定桶側(cè)壁摩擦力、土壓力盒與周圍介質(zhì)剛度不同所產(chǎn)生的土拱效應(yīng)以及集中加載條件下應(yīng)力不均性這三種因素的共同影響.若上部填砂厚度過薄，集中加載時(shí)應(yīng)力分布的不均勻性會(huì)導(dǎo)致較多的力通過土壓力盒周圍的土體傳遞至結(jié)構(gòu)界面板上，最終造成土壓力盒的讀數(shù)偏??；若上部填砂厚度過厚，標(biāo)定桶側(cè)壁摩擦力會(huì)逐漸增加，從而導(dǎo)致土壓力盒的讀數(shù)減小.卸載過程中，土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果主要受到土體塑性狀態(tài)的影響，上部填砂厚度越大，土體塑性的影響越明顯，土體內(nèi)部應(yīng)力恢復(fù)越慢，從而使得土壓力盒的滯回效應(yīng)越明顯.

2.2.2 匹配系數(shù)分析 根據(jù)匹配系數(shù)的計(jì)算公式和圖5 的標(biāo)定曲線計(jì)算加載過程中不同上部填砂厚度條件下每個(gè)土壓力盒的匹配系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3.

從表3 可以看出，加載過程中，隨著上部填砂厚度的增加，每個(gè)土壓力盒的匹配系數(shù)均先增大后減小，說明隨著上部填砂厚度的增加，試驗(yàn)的標(biāo)定誤差先減小后增大.當(dāng)上部填砂厚度為105～140 mm 時(shí)，即上部填砂厚度為土壓力盒直徑的3～4 倍時(shí)，土壓力盒的匹配系數(shù)相對(duì)較大，也就是說此時(shí)試驗(yàn)的標(biāo)定誤差相對(duì)較小.

表3 不同上部填砂厚度條件下每個(gè)土壓力盒的匹配系數(shù)Tab.3 Matching coefficients of each earth pressure cell under different upper sand filling thickness conditions

2.3 標(biāo)定桶尺寸對(duì)土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定結(jié)果的影響

2.3.1 標(biāo)定結(jié)果分析 標(biāo)定桶的直徑一般是根據(jù)所選用的土壓力盒的直徑以及成品鋼材的直徑進(jìn)行設(shè)定的，本研究中設(shè)定的標(biāo)定桶直徑分別為200、300、350、400 mm，即分別為所選用的土壓力盒直徑（35 mm）的5.7、8.6、10、11.4倍.不同標(biāo)定桶直徑條件下每個(gè)土壓力盒的標(biāo)定曲線見圖6.

從圖6可以看出，不論是在加載過程中還是在卸載過程中，相同的荷載量下，每個(gè)土壓力盒的微應(yīng)變量均隨著標(biāo)定桶直徑的增加先增大后減小，每個(gè)土壓力盒的標(biāo)定曲線斜率均先減小后增大，說明標(biāo)定桶尺寸會(huì)對(duì)土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，但影響趨勢(shì)是控制在一定范圍內(nèi)的.

2.3.2 匹配系數(shù)分析 根據(jù)匹配系數(shù)的計(jì)算公式和圖6的標(biāo)定曲線計(jì)算加載過程中不同標(biāo)定桶直徑條件下每個(gè)土壓力盒的匹配系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4.

從表4可以看出，隨著標(biāo)定桶尺寸的增大，每個(gè)土壓力盒的匹配系數(shù)整體均呈先增大后減小的趨勢(shì)，說明隨著標(biāo)定桶尺寸的增大，試驗(yàn)的標(biāo)定誤差先減小后增大.當(dāng)標(biāo)定桶的直徑在300～350 mm，即標(biāo)定桶的直徑為土壓力盒直徑的8.6～10倍時(shí)，試驗(yàn)所得到的匹配系數(shù)相對(duì)來說更加接近于1，此時(shí)土壓力盒的量測(cè)值與實(shí)際壓力值最接近，試驗(yàn)的標(biāo)定誤差相對(duì)較小.

表4 不同標(biāo)定桶尺寸條件下每個(gè)土壓力盒的匹配系數(shù)Tab.4 Matching coefficients of each earth pressure cell buried in calibration buckets with different diameters

3 結(jié)論

通過對(duì)結(jié)構(gòu)界面單膜電阻式微型土壓力盒進(jìn)行室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)，分析了土壓力盒的埋設(shè)方式、上部填砂厚度、標(biāo)定桶尺寸對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的影響，得出的主要結(jié)論如下：

1）進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)時(shí)，土壓力盒的埋設(shè)方式會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，應(yīng)選擇與模型試驗(yàn)相同的土壓力盒埋設(shè)方式進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)以提高模型試驗(yàn)的量測(cè)精度.對(duì)結(jié)構(gòu)界面單膜電阻式微型土壓力盒進(jìn)行室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，建議選擇嵌入底板內(nèi)的土壓力盒埋設(shè)方式以降低標(biāo)定誤差.

2）對(duì)結(jié)構(gòu)界面單膜電阻式微型土壓力盒進(jìn)行室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，上部填砂厚度與標(biāo)定桶尺寸的選擇均會(huì)對(duì)標(biāo)定結(jié)果產(chǎn)生影響，隨著上部填砂厚度與標(biāo)定桶直徑的增加，每個(gè)土壓力盒的匹配系數(shù)均先增大后減小，試驗(yàn)的標(biāo)定誤差均先減小后增大.

3）在進(jìn)行結(jié)構(gòu)界面單膜電阻式微型土壓力盒室內(nèi)砂土標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，為了降低試驗(yàn)的標(biāo)定誤差，建議選擇的上部填砂厚度為所用土壓力盒直徑的3～4倍，標(biāo)定桶直徑為所用土壓力盒直徑的8.6～10倍.