三維土壓力盒在原位碾壓試驗中的應(yīng)用研究

黃翔宇，李順群，方大轉(zhuǎn)，包義勇

三維土壓力盒在原位碾壓試驗中的應(yīng)用研究

黃翔宇1，李順群1，方大轉(zhuǎn)2，包義勇2

（1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；2.安徽水安建設(shè)集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為了研究三維土壓力盒在移動荷載下的工作情況，進(jìn)行了原位碾壓試驗，將三維土壓力盒埋入土中，通過石磙施加移動荷載并監(jiān)測土體的靜力反應(yīng)，對測得的6個正應(yīng)力進(jìn)行計算得到測點處的三維應(yīng)力狀態(tài)。試驗結(jié)果表明，3個正應(yīng)力x、y和z的發(fā)展趨勢與荷載施加情況相一致，其中z的值最大；3個剪應(yīng)力xy、yz和zx的測試曲線均呈現(xiàn)出波峰與波峰相連、波谷與波谷相連的特征，清晰地展現(xiàn)了剪應(yīng)力的方向性。

三維土壓力盒；原位試驗；應(yīng)力

對土壓力的測量一直是巖土工程理論研究和試驗研究的重要方面。土壓力也是保證實際工程安全的關(guān)鍵指標(biāo)，一般采用土壓力盒進(jìn)行測量[1]。常見的土壓力盒可按工作原理分為2類，即電阻應(yīng)變式土壓力盒與振弦式土壓力盒[2]。在進(jìn)行測量時，通常先把土壓力盒埋置于土體內(nèi)，而后土壓力盒與土體協(xié)調(diào)變形傳輸出電信號，進(jìn)而結(jié)合土壓力盒的標(biāo)定系數(shù)得出測點處的土壓力值。近幾年來，土壓力盒也被廣泛地應(yīng)用到各類實際工程中。在江蘇射陽的港風(fēng)電項目中，張延軍等[3]在風(fēng)機基礎(chǔ)底板下埋置土壓力盒，對風(fēng)機基礎(chǔ)從施工至正常運行期間的基底土壓力進(jìn)行了測算；在大型群樁基礎(chǔ)靜載試驗中，韓煊等[4]使用土壓力盒測量了群樁承臺基座反力，完成了單樁、三樁和六樁的載荷試驗；在結(jié)合淤泥土地基的三洋港擋潮閘工程中，黃銀冰等[5]把土壓力盒埋置于樁側(cè)土體中，對水平荷載下樁周土體的土壓力分布規(guī)律進(jìn)行了測量等。

由此可見，在長期靜載作用下土壓力盒有較好的工作性能，對應(yīng)力變化有著良好的反饋。能夠滿足試驗研究與日常測試的需要，但關(guān)于在移動荷載作用下工作性能的研究至今仍存在較大空白。此外，土壓力盒本身的性質(zhì)決定了其工作環(huán)境往往十分復(fù)雜，不確定因素較多，致使土壓力盒測量結(jié)果失真成為了一個普遍存在的問題[6]。故有必要對土壓力盒在移動荷載作用下的工作性能進(jìn)行研究，為后續(xù)土壓力盒的改進(jìn)與完善提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

本文將利用天津三為科技有限公司與天津城建大學(xué)共同研發(fā)的三維土壓力盒[7-8]進(jìn)行原位石磙碾壓試驗。并通過計算得出測點處的三維應(yīng)力狀態(tài)曲線并進(jìn)行分析，旨在為實際工程中的土壓力測量提供保障。

1 原位碾壓試驗概況

原位碾壓試驗可從所用裝置、試驗場地、測試原理、試驗步驟與注意事項5個方面來反映與體現(xiàn)。

1.1 原位碾壓試驗裝置

本次試驗裝置由1臺東華測試DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測試儀、1臺筆記本電腦、1個石磙和1個DTS-3型三維土壓力盒組成。其中DTS-3型三維土壓力盒由1個多面體基座和7個LY-351型單向應(yīng)變式土壓力盒(量程為200 kPa，厚度為10 mm，半徑為13 mm，盒內(nèi)應(yīng)變片厚0.05 mm，半徑為10 mm)組成；石磙為圓柱體，密度為2 500 kg/m3，底面積為0.2 m2，高為0.6 m，質(zhì)量約為300 kg。DTS-3型三維土壓力盒的基座與實物如圖1所示。

圖1 DTS-3型三維土壓力盒基座及實物

1.2 原位碾壓試驗場地

試驗場地選在天津市西青區(qū)，該地屬于華北平原東部濱海平原地貌，屬海相與陸相交互沉積地層。土的含水量為25.5%，重度為19.5 kN/m3，孔隙比為0.754，塑性指數(shù)p為14.6，液性指數(shù)l為0.31，壓縮系數(shù)1-2為0.35，壓縮模量1-2為3.6 MPa。

1.3 原位碾壓試驗測試原理

本次試驗所用的LY-351型一維土壓力盒為電阻應(yīng)變式，內(nèi)部設(shè)置有壓力傳感器。當(dāng)上表面受壓變形時會導(dǎo)致壓力傳感器的電阻增大，對應(yīng)輸出的電信號亦增大。當(dāng)石磙滾動時，通過應(yīng)變測試儀可采集到測點處6個不同方向上正應(yīng)力，經(jīng)過計算可得到測點處的三維應(yīng)力狀態(tài)。土壓力盒受壓變形如圖2所示。

圖2 土壓力盒受壓變形

1.4 原位碾壓試驗步驟

(1)在場地上挖出一個直徑30 cm深10 cm的土坑；將三維土壓力盒以指向地心的方向為Z軸水平放置在坑底，將土回填。

(2)將數(shù)據(jù)導(dǎo)線與外部的筆記本電腦相連，打開測試軟件，設(shè)定各土壓力盒預(yù)先測定好的標(biāo)定系數(shù)。

(3)用石磙在測試場地內(nèi)預(yù)加荷2次，每次預(yù)加荷之間間隔30 s。

(4)用石磙沿著同一方向同一角度進(jìn)行若干次來回碾壓，此時可以觀察到顯示器內(nèi)產(chǎn)生的電信號圖像。

(5)收集試驗數(shù)據(jù)，可以得到土中一點處6個不同方向上正應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線，經(jīng)計算后可得到該點處三維應(yīng)力狀態(tài)與時間的關(guān)系曲線。試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 試驗現(xiàn)場圖

1.5 測試和碾壓過程中的注意事項

(1)本次試驗主要為研究在移動荷載下三維土壓力盒的工作性能，而所用采集儀僅在特定通道內(nèi)支持動載測試。因此在連接三維土壓力盒與采集儀時應(yīng)將7根數(shù)據(jù)導(dǎo)線分別連接至1、5、9、13、17、21、25通道進(jìn)行采集；同時采集儀的采樣頻率應(yīng)設(shè)置為200 Hz。

(2)在連接三維土壓力盒與采集儀時應(yīng)避免數(shù)據(jù)導(dǎo)線塑料皮下的屏蔽線與采集儀上的連接頭接觸，防止屏蔽線屏蔽該通道，導(dǎo)致試驗失敗。

(3)應(yīng)事先檢查土壓力盒及其數(shù)據(jù)導(dǎo)線的密封性，防止由于密封性不好導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失真。

2 試驗數(shù)據(jù)的計算與分析

2.1 三維應(yīng)力計算

記錄石磙碾壓過程中三維土壓力盒輸出的電信號[9-10]，將其與對應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)相乘[11]，得到測點處6個不同方向上的正應(yīng)力隨時間的變化曲線(見圖4)，計算公式如下：

σ=(1)

式中：σ為6個不同方向上的正應(yīng)力，=1, 2, 3, 4, 5, 6；為土壓力盒輸出的電信號值，mV；為土壓力盒的標(biāo)定系數(shù)，kPa/mV，具體數(shù)值見表1。

圖4 6個不同方向上的正應(yīng)力-時間曲線

表1 各土壓力盒的標(biāo)定系數(shù)值

盒號標(biāo)定系數(shù)/(kPa·mV-1) a336.7 b383.84 c381.6 d319.81 e360.42 f381.6 π343.6

將上述6個不同方向上的正應(yīng)力σ構(gòu)成的列矩陣代入下式：

{σ}=-1{σ} (2)

式中：=,,,,,；-1為轉(zhuǎn)換矩陣的逆矩陣。最終可得到土中測點處的三維應(yīng)力狀態(tài)，見圖5、圖6。

圖5 3個正應(yīng)力-時間曲線

圖6 3個剪應(yīng)力-時間曲線

2.2 數(shù)據(jù)分析

綜合圖4～圖6可以看出，土壓力盒在石磙碾壓過程中始終處于三維受力狀態(tài)，讀數(shù)穩(wěn)定，曲線的變化趨勢與荷載的施加情況相一致。波峰值大致相等，但周期呈現(xiàn)間隔相等的特點，原因可能是由于試驗場地不平整導(dǎo)致的?？偟膩砜?，土壓力盒對于移動荷載也有著良好的反饋。

由圖4可知，石磙碾壓過程中各向正應(yīng)力并不相等，在關(guān)于Z軸對稱的4個正應(yīng)力、、、中，僅、在數(shù)值上較為接近，且仍與、存在較大差距。其原因可歸咎于：(1)碾壓過程中產(chǎn)生的角度差；(2)土體傳遞荷載時的各向異性；(3)各土壓力盒的標(biāo)定系數(shù)值不同。結(jié)合表1可做合理推斷，不同的標(biāo)定系數(shù)值很可能是導(dǎo)致、、、數(shù)值相差較大的重要因素。

由圖5、圖6可知，石磙碾壓過程中豎向應(yīng)力z數(shù)值最大，水平應(yīng)力y次之，x最小且為負(fù)值。原因可能是：(1)土壓力盒與土體之間的溫度差；(2)碾壓過程中孔隙水壓力的消散。yz平面上的剪應(yīng)力yz波動較大，xy和zx相對穩(wěn)定，數(shù)值較為接近。xy、yz和zx的圖像均呈現(xiàn)出波峰與波峰相連、波谷與波谷相連的特征，較好地展現(xiàn)了剪應(yīng)力自身的方向性。

3 結(jié)論

為了研究三維土壓力盒在移動荷載作用下的工作性能進(jìn)行了石磙碾壓試驗，結(jié)合試驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

(1)三維土壓力盒在動載條件下工作性能良好，可以應(yīng)用到實際工程中，為工程安全提供保障。

(2)標(biāo)定系數(shù)值是影響測試值大小的重要方面，因此，在分析三維土壓力盒的測試值時應(yīng)充分考慮標(biāo)定系數(shù)對其產(chǎn)生的影響。

(3)xy、yz和zx的變化曲線均呈現(xiàn)出波峰與波峰相連、波谷與波谷相連的特征，較好地展現(xiàn)了剪應(yīng)力自身的方向性。

[1] 陳春紅, 劉素錦, 王釗. 土壓力盒的標(biāo)定[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2007(2): 29-32.

[2] 芮瑞, 吳端正, 胡港, 等. 模型試驗中膜式土壓力盒標(biāo)定及其應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報, 2016, 38(5): 837-845.

[3] 張延軍, 木林隆, 錢建固, 等. 梁板式樁筏基礎(chǔ)現(xiàn)場測試分析[J]. 巖土力學(xué), 2014, 35(11): 3253-3258.

[4] 韓煊, 張乃瑞, 鐘和, 等. 大型群樁基礎(chǔ)靜載試驗與測試中的關(guān)鍵問題[J]. 工程勘察, 2005(1): 10-14.

[5] 黃銀冰, 趙恒博, 顧長存, 等. 考慮水泥土樁增強作用的灌注樁水平承載性能現(xiàn)場試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(4): 1109-1115.

[6] 張彬, 王釗, 楊俊峰, 等. 土壓力盒在工程應(yīng)用中的誤差分析[J]. 探礦工程: 巖土鉆掘工程, 2005(S1): 157-161.

[7] 李順群, 陳之祥, 桂超, 等. 一類三維土壓力盒的設(shè)計及試驗驗證[J]. 中國公路學(xué)報, 2018, 31(1): 11-19.

[8] 陳之祥, 邵龍?zhí)? 李順群, 等. 三維真土壓力盒的設(shè)計與應(yīng)力參數(shù)的計算[J]. 巖土工程學(xué)報, 2020, 42(11): 2138-2145.

[9] 程宇, 李順群, 夏錦紅. 三維土壓力盒在某模型試驗中的應(yīng)用研究[J]. 河南城建學(xué)院學(xué)報, 2018, 27(3): 38-41.

[10] 陳立航, 李順群. 用水壓標(biāo)定應(yīng)變式微型土壓力盒的過程與分析[J]. 河北水利電力學(xué)院學(xué)報, 2020, 30(2): 14-17, 22.

[11] 王輝, 楊廒葆, 徐孟龍, 等. 土壓力盒在機制砂中的測試誤差分析試驗研究[J]. 河南城建學(xué)院學(xué)報, 2018, 27(1): 68-73.

Application Research on Three-dimensional Earth Pressure Cell in In-situ Rolling Test

HUANG Xiang-yu1, LI Shun-qun1, FANG Da-zhuan2, BAO Yi-yong2

（1.School of Civil Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China;2.Anhui Shuian Construction Group Co., Ltd, Hefei230601, China）

In order to study the working condition of three-dimensional earth pressure cell under the moving load, the in-situ rolling test is carried out. The three-dimensional earth pressure cell is embedded in the soil, the moving load is applied by the stone box, and the static response of the soil is monitored. The three-dimensional stress state at the measuring point is obtained by calculating the measured six normal stresses. The test results show that the development trend of the three normal stresses (σ，σandσ) is consistent with the load applied, of which the value of Z is the largest; Three shear stressesσ，σandσtest curves show the characteristics of peak to peak and valley to valley, which clearly shows the direction of shear stress.

three dimensional earth pressure cell; in-situ test; stress

10.15916/j.issn1674-3261.2022.03.010

TU413.4

A

1674-3261(2022)03-0189-04

2021-07-05

國家自然科學(xué)基金項目(41877251)；天津市重點研發(fā)計劃科技支撐重點項目(19YFZCSF00820)

黃翔宇(1996-)，男，河南洛陽人，碩士生。

李順群(1971-)，男，河南衛(wèi)輝人，教授，博士。

責(zé)任編輯：孫 林