溫度影響下不同含水率細(xì)砂中土壓力盒測(cè)試結(jié)果試驗(yàn)研究1)

曾 力 魯臻臻 李明宇 趙世永?, 靳軍偉 劉玉豪

?(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001)?(中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200070)

??(中鐵十五局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，河南洛陽(yáng) 471000)

工程施工中往往需要通過(guò)土壓力測(cè)試結(jié)果，判斷作用于地下結(jié)構(gòu)上的作用力，進(jìn)而評(píng)判結(jié)構(gòu)的受力特征和變形發(fā)展規(guī)律，目前常采用埋設(shè)土壓力盒直接測(cè)量土中壓力。為了提高土壓力盒的測(cè)量精度，在土壓力盒投入使用之前，需要將其埋設(shè)于土體中進(jìn)行標(biāo)定，由于土壓力盒與周圍填土的物理性質(zhì)不匹配，導(dǎo)致土壓力盒的標(biāo)定系數(shù)受多種因素的影響，已有大量的試驗(yàn)研究表明土體的種類[1-4]、粒徑[5-9]、厚度[8-11]、密度[5,12-13]、壓縮模量[14-16]、應(yīng)力歷史[17]等因素會(huì)影響微型土壓力盒的標(biāo)定系數(shù)。

由于晝夜交替和季節(jié)變化，土體的溫度會(huì)發(fā)生周期性的變化，而安放于結(jié)構(gòu)物上或埋設(shè)于土體中的土壓力盒往往會(huì)受到周期性升降溫的影響，使得土壓力盒的測(cè)量精度降低。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面，Harry 等[18]發(fā)現(xiàn)溫度顯著影響安裝在預(yù)制擋土墻面上的氣動(dòng)性土壓力盒的性能。Huntley 等[19]發(fā)現(xiàn)了溫度的變化對(duì)安裝在整體式橋臺(tái)上的振弦式土壓力盒讀數(shù)造成不利影響，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，以檢查溫度變化對(duì)土壓力盒讀數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，土壓力盒只在預(yù)測(cè)的溫度范圍內(nèi)工作，來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)大多不可靠。Yang 等[20]分析了安裝在涵洞頂部的振弦土壓力盒監(jiān)測(cè)4 年的土壓力，原以為路堤加載進(jìn)行監(jiān)測(cè)的土壓力將保持相對(duì)恒定，然而，盡管用制造商提供的溫度系數(shù)修正了數(shù)據(jù)，但測(cè)量的壓力值存在季節(jié)性變化。Clayton 等[21]發(fā)現(xiàn)安裝在噴射混凝土隧道襯砌中的液壓式土壓力盒受溫度的影響。

標(biāo)定試驗(yàn)方面，F(xiàn)elio 等[22]研究了溫度對(duì)處于水中的土壓力盒輸出結(jié)果的影響，結(jié)果表明溫度的改變會(huì)導(dǎo)致預(yù)壓力的變化，但不改變標(biāo)定曲線的斜率。Daigle 等[23]針對(duì)埋設(shè)于細(xì)砂中的液壓式土壓力盒進(jìn)行了溫度標(biāo)定試驗(yàn)，結(jié)果表明，量程小的土壓力盒受溫度影響比量程大的更敏感，埋置較淺的土壓力盒受溫度影響較大，且隨著載荷的增加，土壓力盒示數(shù)隨著溫度的升高呈非線性增加，將實(shí)驗(yàn)得到的溫度修正系數(shù)與制造商給定的溫度系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為制造商提供的溫度矯正系數(shù)大大低估了溫度效應(yīng)。劉曉曦等[24]研究了空載和載荷條件下溫度對(duì)處于松散粗砂中的振弦式土壓力盒輸出壓力的影響，載荷的施加增大了振弦式土壓力盒的溫度敏感性，實(shí)際工程中的土壓力盒承受載荷越小，溫度對(duì)輸出壓力的影響占比越大。Huntley 等[19]將無(wú)載荷下的溫度修正系數(shù)對(duì)有載荷下的壓力進(jìn)行了修正，認(rèn)為載荷作用下的土壓力盒受溫度的影響修正比較復(fù)雜。

以往對(duì)于土壓力盒受溫度影響的研究多數(shù)針對(duì)的是振弦式和液壓式土壓力盒，并且研究所用的砂土基本上都是干砂，而將土壓力盒埋設(shè)于一定含水率細(xì)砂中的研究較少。本文將微型電阻應(yīng)變式單膜土壓力盒埋設(shè)于不同含水率的細(xì)砂中，系統(tǒng)研究了循環(huán)溫度變化影響條件下，細(xì)砂的含水率、土壓力盒的量程、載荷對(duì)土壓力盒測(cè)試結(jié)果的影響規(guī)律，以及無(wú)載荷作用下，土壓力盒測(cè)試壓力值受溫度循環(huán)次數(shù)的影響規(guī)律。力求通過(guò)本次研究為實(shí)際工程和室內(nèi)模型試驗(yàn)中土壓力精準(zhǔn)測(cè)試提供科學(xué)依據(jù)。

1 室內(nèi)試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 室內(nèi)試驗(yàn)主要內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)將電阻應(yīng)變式土壓力盒埋設(shè)于自主設(shè)計(jì)的標(biāo)定試驗(yàn)桶中，并利用溫度傳感器監(jiān)測(cè)標(biāo)定砂的溫度，通過(guò)凍融試驗(yàn)裝置不斷調(diào)整標(biāo)定試驗(yàn)桶外溫度場(chǎng)，使標(biāo)定砂的溫度始終處于從20°C 降溫到0°C再升溫到20°C 的循環(huán)狀態(tài)中，進(jìn)而研究循環(huán)溫度變化條件下，多個(gè)因素對(duì)土壓力盒測(cè)試結(jié)果的影響規(guī)律。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 標(biāo)定桶和桶壁減摩措施

試驗(yàn)所用標(biāo)定桶為圓柱形有機(jī)玻璃桶，其直徑為200 mm，高度為480 mm，為了減小上部載荷施加時(shí)，標(biāo)定桶側(cè)壁與砂土之間的摩擦力對(duì)土壓力盒輸出結(jié)果的影響，參考學(xué)者芮瑞等[25]的試驗(yàn)中的桶壁減摩措施。在有機(jī)玻璃桶內(nèi)壁粘貼一層特氟龍膜，用毛刷在上面均勻涂上石墨，然后再放置一層特氟龍膜，保證兩層膜之間能夠相互錯(cuò)動(dòng)[25]。

1.2.2 土壓力盒和溫度傳感器的布置

本次試驗(yàn)所采用的土壓力盒為XHZ-4XX 系列微型電阻應(yīng)變式單膜土壓力盒，土壓力盒的直徑為35 mm，厚度為7 mm，量程分為50 kPa 和500 kPa兩種，所用溫度傳感器為PT100 熱電阻溫度傳感器，用于測(cè)量多個(gè)位置的溫度變化，該型溫度傳感器的量程為-60°C～200°C。

土壓力盒和溫度傳感器的布置如圖1 所示，土壓力盒埋設(shè)于標(biāo)定桶內(nèi)細(xì)砂的中心位置，溫度傳感器①和②用于測(cè)量防凍液溫度，③用于測(cè)量土壓力盒的溫度，④和⑤分別用于測(cè)量標(biāo)定桶底部和側(cè)壁的溫度，⑥和⑦分別用于測(cè)量土壓力盒與側(cè)壁和桶底之間細(xì)砂的溫度。

圖1 標(biāo)定桶內(nèi)土壓力盒及溫度傳感器的分布Fig.1 Distribution of the EPCs (earth pressure cells) and temperature sensors in the calibration bucket

1.2.3 凍融試驗(yàn)裝置

凍融試驗(yàn)裝置如圖2 所示，凍融試驗(yàn)裝置由凍融循環(huán)主機(jī)箱、制冷劑循環(huán)及加熱系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)三部分組成。制冷劑循環(huán)及加熱系統(tǒng)由制冷劑循環(huán)泵、電加熱器、換熱器、管道閥門等組成。試驗(yàn)前，先將防凍液注入試驗(yàn)箱中，當(dāng)標(biāo)定桶全部放入試驗(yàn)槽后，將防凍液注入至淹沒(méi)機(jī)箱回流孔為止。

圖2 凍融試驗(yàn)裝置Fig.2 Freeze-thaw test device

1.3 試驗(yàn)用砂

本試驗(yàn)所用細(xì)砂的顆粒級(jí)配曲線如圖3 所示，細(xì)砂的不均勻系數(shù)Cu為2.317 9，曲率系數(shù)Cc為0.862 4。按照《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[26]制備得到了含水率分別為0%，4.4%，7.4%，10.4%，13.4% 的細(xì)砂。

圖3 細(xì)砂的顆粒級(jí)配曲線Fig.3 Gradation curve of fine sand

1.4 試驗(yàn)步驟

在細(xì)砂放入標(biāo)定桶前，先在標(biāo)定桶的底部和側(cè)壁用膠帶把PT100 熱電阻溫度傳感器固定。由于產(chǎn)生土拱效應(yīng)的最小填土厚度為土壓力盒直徑的0.9倍[27]，因此使土壓力盒上下填砂厚度均為70 mm，落砂高度始終保持500 mm，每35 mm 厚度細(xì)砂的質(zhì)量為1635 g，最后用水平尺找平填砂表面。

如圖4 所示，將每個(gè)填有不同含水率細(xì)砂且埋設(shè)好傳感器的標(biāo)定桶依次放入凍融循環(huán)箱中，并采取固定措施以避免桶體的晃動(dòng)，同時(shí)采用保鮮膜封閉桶口，避免桶中細(xì)砂的含水率發(fā)生變化，其中控制快速凍融試驗(yàn)機(jī)芯溫的傳感器埋設(shè)在最左側(cè)的桶中，設(shè)定溫度控制傳感器芯溫的范圍為0°C～20°C，每15 min 采集一次溫度傳感器和土壓力盒的輸出量。

圖4 凍融循環(huán)箱內(nèi)的標(biāo)定桶Fig.4 Calibration buckets in the freeze-thaw cycle tank

2 循環(huán)溫度影響下土壓力盒的響應(yīng)

2.1 含水率對(duì)土壓力盒量測(cè)結(jié)果的影響

當(dāng)細(xì)砂上部沒(méi)有載荷作用時(shí)，單次降-升溫變化過(guò)程中，研究含水率對(duì)土壓力盒輸出應(yīng)力的影響，采用埋設(shè)于土壓力盒表面的溫度傳感器測(cè)試的溫度為參照對(duì)象，圖5 為量程50 kPa 的3 個(gè)土壓力盒測(cè)試的土壓力隨溫度變化的曲線。從圖5 中可以看出，每個(gè)土壓力盒無(wú)論是處于干砂(0% 含水率) 中還是濕砂中，測(cè)量到的應(yīng)力值均是隨溫度的降低而增大，隨溫度的升高而減小，使應(yīng)力與溫度呈負(fù)相關(guān)，這與文獻(xiàn)[24] 中振弦式土壓力盒的表現(xiàn)性能相似，而與文獻(xiàn)[19, 22-23] 中液壓式土壓力盒測(cè)量應(yīng)力值與溫度呈正相關(guān)不同，由此可見(jiàn)不同感應(yīng)原理的土壓力盒受溫度影響的規(guī)律存在差異。

圖5 不同含水率細(xì)砂中土壓力盒量測(cè)壓力與溫度的關(guān)系曲線Fig.5 Curves between pressure measured by earth pressure cells in fine sand with different moisture content and temperature

土壓力盒經(jīng)歷一個(gè)降溫和升溫的過(guò)程，相同溫度條件下，降溫過(guò)程測(cè)得的應(yīng)力值小于升溫過(guò)程測(cè)得的應(yīng)力值以致于圖中每條散點(diǎn)曲線呈現(xiàn)為近似環(huán)狀。溫度接近0°C 時(shí)，由于桶壁處細(xì)砂溫度微低于0°C，孔隙水會(huì)結(jié)冰，體積膨脹引起細(xì)砂中應(yīng)力重分布，導(dǎo)致土壓力盒測(cè)量應(yīng)力在0°C 附近出現(xiàn)非線性變化甚至小幅度跳躍。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合分析，獲得了這三個(gè)土壓力盒的測(cè)量應(yīng)力與溫度的一次關(guān)系函數(shù)，并以一次函數(shù)的斜率作為每個(gè)土壓力盒的溫度標(biāo)定系數(shù)。表1中給出了埋設(shè)于不同含水率細(xì)砂中土壓力盒的溫度標(biāo)定系數(shù)和輸出壓力的總變化量。細(xì)砂溫度從20°C到0°C，再?gòu)?°C 到20°C 的循環(huán)過(guò)程中，土壓力盒的量測(cè)值發(fā)生了非常顯著的變化，其壓力總變化量占到土壓力盒量程的22% 左右，細(xì)砂溫度對(duì)土壓力盒量測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響初步分析包含兩部分：一是溫度對(duì)土壓力盒的感應(yīng)原件電阻阻值的影響，使得土壓力盒的輸出量隨溫度變化；二是溫度對(duì)含水細(xì)砂力學(xué)特性的影響。

表1 不同含水率細(xì)砂中土壓力盒的試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of each earth pressure cell buried in fine sand with different moisture content

圖6 為溫度標(biāo)定系數(shù)隨細(xì)砂中含水率變化曲線。從中可以看出來(lái)，當(dāng)標(biāo)定桶內(nèi)的溫度在0°C～20°C之間變化時(shí)，隨著細(xì)砂中含水率的增加，溫度標(biāo)定系數(shù)的絕對(duì)值整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但曲線變化幅度較小，進(jìn)而表明同一循環(huán)溫度影響下，細(xì)砂中含水率變化對(duì)土壓力盒的溫度標(biāo)定系數(shù)影響不大。

圖6 溫度標(biāo)定系數(shù)與細(xì)砂含水率的關(guān)系曲線Fig.6 Curves between temperature calibration coefficient and moisture content of fine sand

2.2 不同量程土壓力盒的溫度敏感性

為了研究不同量程的土壓力盒受溫度影響的程度，選取量程為500 kPa 的土壓力盒K1 進(jìn)行了三組溫度循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)中細(xì)砂的含水率分別為4.4%，7.4%，10.4%。圖7 為土壓力盒K1 的量測(cè)應(yīng)力隨溫度變化的曲線，通過(guò)與圖5 對(duì)比可知，量程為500 kPa 的土壓力盒(K1) 和量程為50 kPa 的土壓力盒(T1，T2，T3)的量測(cè)結(jié)果隨溫度變化的趨勢(shì)一致。結(jié)合表1 可知，相同試驗(yàn)條件下，量程50 kPa 的土壓力盒量測(cè)的應(yīng)力總變化量在12 kPa 左右，量程500 kPa 的土壓力盒量測(cè)應(yīng)力的總變化量為33 kPa左右，說(shuō)明當(dāng)土壓力盒環(huán)境的溫度變化量相同時(shí)，大量程土壓力盒的測(cè)量值變化量比小量程土壓力盒的略大，原因是大量程土壓力盒的載荷標(biāo)定系數(shù)(單位微應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力荷載量)相對(duì)較大，所以由采集得到的微應(yīng)變換算而來(lái)的應(yīng)力也就越大。

圖7 土壓力盒K1 量測(cè)壓力與溫度的關(guān)系曲線Fig.7 Curves between pressure measured by EPC-K1 and temperature

設(shè)定土壓力盒測(cè)量應(yīng)力的總變化量與量程比值為n。表2 中給出了土壓力盒T1、T2、T3 和K1 在不同含水率細(xì)砂條件下n的取值，從中可以看出，量程為50 kPa 的土壓力盒的n值為量程為500 kPa 的4 倍左右，說(shuō)明土壓力盒的量程越小，受環(huán)境溫度變化的影響越大。

表2 每個(gè)土壓力盒受溫度影響程度指標(biāo)nTable 2 The index n of each earth pressure cell affected by temperature

2.3 上部載荷量對(duì)土壓力盒量測(cè)結(jié)果的影響

為了探究土壓力盒量測(cè)結(jié)果在溫度和上部載荷共同影響下的變化規(guī)律。本次選取編號(hào)分別為T1 和T3 的兩個(gè)量程為50 kPa 的土壓力盒埋設(shè)于含水率為10.4% 細(xì)砂中進(jìn)行了三組試驗(yàn)，第一組試驗(yàn)細(xì)砂表面無(wú)載荷，第二組試驗(yàn)施加6.8 kPa 的載荷，第三組試驗(yàn)施加13.1 kPa 的載荷。

從圖8 中可以看出，不同載荷量作用下土壓力盒量測(cè)結(jié)果與溫度近似成線性函數(shù)關(guān)系。溫度不變時(shí)，土壓力盒上部施加載荷后細(xì)砂中的應(yīng)力量測(cè)結(jié)果變化幅度要大于無(wú)載荷的情況，并且隨著土壓力盒上部載荷值的增加，應(yīng)力值隨溫度變化的幅度會(huì)增大。表3 中溫度標(biāo)定系數(shù)的變化規(guī)律與上述描述相同，進(jìn)一步說(shuō)明，當(dāng)外部溫度環(huán)境變化相同時(shí)，在土壓力盒上施加附加載荷，將增大土壓力盒受溫度影響的敏感性。

表3 不同載荷條件下每個(gè)土壓力盒的試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of each earth pressure cell under different load conditions

圖8 不同載荷條件下土壓力盒量測(cè)壓力與溫度的關(guān)系曲線Fig.8 Curves of pressure measured by earth pressure cells with temperature under different load conditions

2.4 溫度循環(huán)次數(shù)對(duì)土壓力盒量測(cè)結(jié)果的影響

考慮到多次溫度循環(huán)可能會(huì)使土壓力盒量測(cè)結(jié)果發(fā)生改變，為此，選用編號(hào)為T1 和T3 的兩個(gè)土壓力盒進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)中，細(xì)砂上未施加載荷，細(xì)砂的含水率分別為4.4% 和10.4%，利用凍融循環(huán)裝置使細(xì)砂中溫度降低-升高-降低-升高-降低-升高，歷經(jīng)3 次溫度循環(huán)，每次循環(huán)歷時(shí)7.5 h。試驗(yàn)裝置內(nèi)防凍液①、土壓力盒表面③、標(biāo)定桶內(nèi)壁⑤的溫度變化曲線如圖9 所示。

圖9 溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Curves of temperature changing with time

圖10 給出了溫度3 次循環(huán)過(guò)程中不同含水率細(xì)砂中土壓力盒量測(cè)結(jié)果的時(shí)程曲線。3 次溫度循環(huán)后，在含水率為4.4% 的細(xì)砂中，土壓力盒T1量測(cè)結(jié)果的最大值減小了0.36 kPa，最小值減小了0.86 kPa，分別為0.72% F.S.(F.S. 即Full Scale 的縮寫(xiě)，土壓力盒的全量程)和1.72%F.S.；土壓力盒T3量測(cè)結(jié)果的最大值減小了0.36 kPa，最小值減小了0.63 kPa，分別為0.72%F.S. 和1.26% F.S.。在含水率為10.4% 的細(xì)砂中，土壓力盒T1 量測(cè)結(jié)果的最大值減小了1.36 kPa，最小值減小了1.61 kPa，分別為2.72% F.S.和3.22% F.S.；土壓力盒T3 量測(cè)結(jié)果的最大值減小了0.43 kPa，最小值減小了0.92 kPa，分別為0.86% F.S. 和1.84% F.S.。

圖10 應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Curves of measured pressure changing with time

從圖10 中可以看出，隨著細(xì)砂經(jīng)歷多次溫度循環(huán)變化，土壓力盒量測(cè)結(jié)果的峰值會(huì)逐漸減小，但變化幅度較小，并且當(dāng)細(xì)砂中含水率增大時(shí)，土壓力盒量測(cè)應(yīng)力減小幅度增加。初步分析，隨著溫度變化，細(xì)砂中孔隙體積和孔隙水壓力也隨之改變，尤其是當(dāng)溫度接近或達(dá)到0°C 時(shí)，孔隙水壓力減小，孔隙體積膨脹，這種變化往往滯后于溫度的改變，加之土壓力盒膜片剛度小，發(fā)生形變后，恢復(fù)原狀所需時(shí)間相比溫度變化有所滯后，此外，多次形變后，膜片也會(huì)產(chǎn)生一定殘余變形。上述原因最終導(dǎo)致，本次試驗(yàn)現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)論

現(xiàn)如今土壓力盒因其可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、多點(diǎn)、同步監(jiān)測(cè)，在地下工程實(shí)踐與室內(nèi)試驗(yàn)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在其應(yīng)用過(guò)程中受多因素的影響，使得工程行業(yè)科研人員很難利用它對(duì)土中應(yīng)力進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)試。本文在前人基礎(chǔ)之上，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，著重對(duì)溫度循環(huán)變化條件下，細(xì)砂含水率、土壓力盒量程、外部加載條件、溫度循環(huán)次數(shù)4 種要素對(duì)電阻應(yīng)變式單膜土壓力盒量測(cè)結(jié)果的變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。初步得出如下結(jié)論：

(1)環(huán)境溫度的變化對(duì)土壓力盒量測(cè)有很大的影響。當(dāng)溫度上升時(shí)，土壓力盒的量測(cè)應(yīng)力逐漸減小；溫度下降時(shí)，量測(cè)應(yīng)力逐漸增大。

(2)環(huán)境溫度變化相同時(shí)，細(xì)砂中含水率變化對(duì)土壓力盒的溫度標(biāo)定系數(shù)影響較?。浑S著溫度凍融循環(huán)次數(shù)的增加，埋設(shè)于濕砂中的土壓力盒測(cè)量的應(yīng)力會(huì)逐漸減小，細(xì)砂的含水率越大土壓力盒量測(cè)應(yīng)力損失量越多。

(3)環(huán)境溫度變化相同且不施加載荷時(shí)，小量程的土壓力盒相對(duì)于大量程的土壓力盒受溫度影響大，而細(xì)砂上部載荷的施加使得土壓力盒溫度標(biāo)定系數(shù)的絕對(duì)值有所增大，且隨著土壓力盒上部載荷量的增大，土壓力盒的量測(cè)值受溫度影響更敏感。