水囊土壓力計(jì)研制與試驗(yàn)驗(yàn)證研究

黃大維，彩國(guó)慶，徐長(zhǎng)節(jié)，羅文俊，胡光靜，詹 濤

（1.華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測(cè)與保障國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；2.華東交通大學(xué)江西省防災(zāi)減災(zāi)及應(yīng)急管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3.中鐵廣州工程局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511457；4.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司地鐵項(xiàng)目管理分公司，江西 南昌 330038）

土壓力是巖土工程與地下工程研究中涉及的重要力學(xué)指標(biāo)，因此，土壓力測(cè)試也成為上述領(lǐng)域研究經(jīng)常涉及的測(cè)試內(nèi)容。現(xiàn)有的土壓力測(cè)試普遍采用土壓力盒，其測(cè)試精度一直是學(xué)者們所關(guān)注的重要內(nèi)容，張海豐等指出由于土壓力盒的剛度遠(yuǎn)大于周圍土體，在土壓力盒周圍易形成被動(dòng)土拱效應(yīng)而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果大于實(shí)際土壓力[1-4]。王繼成等[5]，Talesnick 等[6]分析認(rèn)為，土壓力盒的測(cè)試結(jié)果與實(shí)際土壓力的偏差與土體的超、欠固結(jié)狀態(tài)有關(guān)，即與土體的壓縮模量變化有關(guān)。簡(jiǎn)箏等[7]，任連偉等[8]，Talesnick[9]指出，由于土壓力盒的剛性特性，氣標(biāo)法與砂標(biāo)法所得到的系數(shù)完全不同。分析可知，土壓力盒由于存在一定的厚度，且剛度大，在測(cè)試土壓力過(guò)程中易發(fā)生應(yīng)力集中，由此導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏大。

針對(duì)現(xiàn)有的土壓力盒測(cè)試時(shí)存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了新型的薄膜式土壓力傳感器。劉開(kāi)源等[10]研究的FSR（film pressure sensor）是一種薄膜式土壓力傳感器，將含有導(dǎo)電物質(zhì)的高分子材料夾在兩層聚合物膜片中間，當(dāng)膜片受法向作用時(shí)，高分子材料的變形使膜片中間產(chǎn)生導(dǎo)電通道而降低FSR 電阻，通過(guò)電阻－電壓的關(guān)系測(cè)量土壓力值。廖波等[11]利用具有壓敏性的填充型導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料研發(fā)了一種新型薄膜式土壓力分布傳感器，并通過(guò)大型模型試驗(yàn)測(cè)試檢驗(yàn)了其可行性。而薄膜式土壓力傳感器雖然厚度很小且具有柔性，但是抗電磁干擾能力較差，元件易損，成本高，因此在日常中應(yīng)用少。

本文則提出了一種用于測(cè)試土壓力的水囊土壓力計(jì)，并通過(guò)配制不同壓縮模量的土體進(jìn)行了測(cè)試結(jié)果對(duì)比試驗(yàn)。本研究將此水囊土壓力計(jì)應(yīng)用于盾構(gòu)隧道相關(guān)研究的室內(nèi)模型試驗(yàn)中，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 水囊土壓力計(jì)研制

1.1 水囊土壓力計(jì)構(gòu)成

水囊土壓力計(jì)由3 部分組成，分別為感壓水囊，電子壓力表以及感壓水囊與電子壓力表之間連接的透明空壓軟管。各部分的選擇要求如下。

1）電子壓力表：其量程在滿足使用要求的情況下盡量小，以確保其靈敏度，并減小誤差（因?yàn)檎`差與量程有關(guān)）。在使用前，通過(guò)在透明空壓軟管內(nèi)注水，利用液位與壓力表之間的高差來(lái)核實(shí)壓力表的精準(zhǔn)度。從測(cè)試結(jié)果看，電子壓力表的讀數(shù)精度完全可滿足試驗(yàn)要求。

2）感壓水囊：可為方形或圓形，根據(jù)試驗(yàn)的規(guī)模確定其尺寸。從市場(chǎng)調(diào)研來(lái)看，市面上用于門窗安裝定位用的氣墊氣囊可直接用作感壓水囊，為矩形扁平結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)、寬分別為160 mm、150 mm。

3）透明空壓軟管：感壓水囊與電子壓力表之間通過(guò)透明的PU 空壓軟管進(jìn)行連接，其軟硬度適中，在埋入地層中不會(huì)被壓扁而影響管內(nèi)水壓傳遞。選擇內(nèi)徑為5 mm、外徑為8 mm 的透明PU 空壓軟管，其長(zhǎng)度根據(jù)測(cè)點(diǎn)與電子壓力表位置的距離確定。

1.2 水囊土壓力計(jì)使用

水囊土壓力計(jì)在使用時(shí)，對(duì)電子壓力表的精準(zhǔn)度進(jìn)行核實(shí) （通過(guò)透明軟管內(nèi)的液位與壓力表之間的高差讀取壓力表壓力進(jìn)行標(biāo)定即可）。根據(jù)需要剪取滿足長(zhǎng)度要求的透明空壓軟管，其一端與感壓水囊連接，在連接處采用卡箍加強(qiáng)。通過(guò)水囊兩側(cè)對(duì)壓將其內(nèi)部空氣排出，從透明空壓軟管一端往水囊內(nèi)注水，注到水囊最大容量時(shí)停止注水；再將水囊與透明空壓軟管的連接口朝上，通過(guò)水囊兩側(cè)對(duì)壓將水囊及透明空壓軟管內(nèi)的空氣排出；當(dāng)水囊壓到厚度約為10 mm 時(shí)透明軟管還存在空氣，則繼續(xù)對(duì)壓水囊兩側(cè)，待壓到最大限度時(shí)再次往水囊內(nèi)注水。通過(guò)反復(fù)多次上述操作直到水囊壓到厚度約為10 mm 時(shí)透明軟管無(wú)空氣，再與電子壓力表連接。將空壓管內(nèi)的空氣排出，防止試驗(yàn)時(shí)管內(nèi)空氣壓縮而導(dǎo)致感壓水囊變形過(guò)大，進(jìn)而影響感壓水囊周圍的應(yīng)力場(chǎng)。在使用時(shí)根據(jù)水囊的大小可壓到厚度5～10 mm，防止水囊兩側(cè)發(fā)生接觸，同時(shí)也減小感壓水囊對(duì)周圍應(yīng)力場(chǎng)的影響。

為了避免水囊與壓力表之間的高差變化而影響壓力表讀數(shù)，在使用時(shí)需要將壓力表的高度位置進(jìn)行固定。在感壓水囊完成布設(shè)時(shí)，將壓力表讀數(shù)進(jìn)行歸零設(shè)置。

2 水囊土壓力計(jì)與土壓力盒對(duì)比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案簡(jiǎn)介

為了解水囊土壓力計(jì)在測(cè)試地層中土壓力的性能，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)水囊土壓力計(jì)與振弦式土壓力盒的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。其中感壓水囊長(zhǎng)、寬分別為160，150 mm，注水后其中心最大厚度約為10 mm；壓力表量程為300 kPa，最小讀數(shù)為0.1 kPa。振弦式土壓力盒的直徑為114 mm，厚度為30 mm。

通過(guò)在尼龍管內(nèi)填充不同壓縮模量的土體，并測(cè)試土層中的內(nèi)部土壓力，其中尼龍管的壁厚為7 cm，內(nèi)徑為51 cm，高度為75 cm。為了減小填土與尼龍管內(nèi)壁之間的摩擦，從而減小土體中的壓力，填土前在尼龍管內(nèi)壁粉刷一層厚度約為5～8 mm 的膨潤(rùn)土（如圖1（a）所示，在能附著在內(nèi)壁時(shí)盡量增大含水量，以起到良好的潤(rùn)滑效果）。試驗(yàn)時(shí)先在圓管內(nèi)填入20 cm 厚的土體，再布設(shè)土壓力測(cè)試元件（感壓水囊與振弦式土壓力盒，如圖1（b）所示），兩種土壓力測(cè)試元件的位置盡量對(duì)稱，同時(shí)保持一定的距離，以盡量減小互相影響。接著繼續(xù)填土，待填土至40 cm 時(shí)（即在測(cè)試元件上下各約20 cm 的填土），在土體表面放置直徑為49 cm、厚度為3 cm 的木板（其直徑稍小于尼龍管內(nèi)徑，防止木板與尼龍管內(nèi)壁接觸，同時(shí)也方便數(shù)據(jù)線與水管從四周空隙通過(guò)），并在木板上方進(jìn)行分步加載。

圖1 土壓力測(cè)試試驗(yàn)Fig.1 Earth pressure experiment

2.2 土體試樣簡(jiǎn)介

為了分析填土壓縮模量對(duì)兩種土壓力測(cè)試元件的測(cè)試結(jié)果影響，試驗(yàn)時(shí)采用砂子、砂子與橡膠?；旌喜牧希w積比為1∶4 進(jìn)行混合）、純橡膠粒作為土體試樣，土樣編號(hào)分別為No.1、No.2、No.3，3 種土體試樣的組成及密度、壓縮模量如表1 所示，各土樣配制后如圖2 所示。

表1 土樣壓縮性能Tab.1 Compression modulus of soil samples

圖2 試驗(yàn)土樣Fig.2 Soil samples

2.3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

圖3 為不同土樣填入尼龍管容器時(shí)，在上部逐步加載過(guò)程中水囊土壓力計(jì)與土壓力盒的實(shí)測(cè)土壓力變化結(jié)果。從圖3 可以看出，在加載初期，水囊土壓力計(jì)與土壓力盒的測(cè)試結(jié)果均與理論計(jì)算的土壓力接近；隨著上部加載量增加，兩種土壓力測(cè)試元件均有不同程度的土壓力偏大現(xiàn)象，但因感壓水囊厚度小，且為四周薄中間厚的柔性結(jié)構(gòu)，其土壓力偏大值要明顯小于土壓力盒，且在理論土壓力值較大后才產(chǎn)生明顯偏大現(xiàn)象。

圖3 土壓力測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of earth pressure test results

從圖3（a）與圖3（b）、圖3（c）對(duì)比來(lái)看，土體的壓縮模量對(duì)土壓力測(cè)試結(jié)果影響較大。在逐步加載過(guò)程中，測(cè)試元件實(shí)測(cè)土壓力偏大值并非為線性增長(zhǎng)，主要與土體在不同加載階段的不同壓縮性有關(guān)，同時(shí)與測(cè)試元件周圍的土體顆粒移動(dòng)變化調(diào)整有關(guān)，如圖3（c），實(shí)測(cè)土壓力波動(dòng)明顯，主要在與橡膠粒較為松散，在應(yīng)力集中發(fā)展到一定程度時(shí)，測(cè)試元件周圍的橡膠粒會(huì)發(fā)生一定的調(diào)整變化（類似于在復(fù)合地基的樁頂填碎石，在樁頂應(yīng)力較大時(shí)，樁頂?shù)乃槭驑堕g土上發(fā)生流動(dòng)，從而調(diào)整樁頂與樁間土的壓力），導(dǎo)致實(shí)測(cè)土壓力有一定的波動(dòng)。

綜上試驗(yàn)結(jié)果分析可知，本文提出的水囊土壓力計(jì)用于測(cè)試地層中的土壓力是可行的，由于存在一定的厚度，實(shí)測(cè)土壓力偏大問(wèn)題仍然不可避免，但相對(duì)于土壓力盒而言，其偏大幅度明顯要小；本文提出的水囊土壓力計(jì)的感壓水囊為四周薄中間厚的柔性結(jié)構(gòu)，可直接密貼于非平面結(jié)構(gòu)上測(cè)試其壓力；水囊土壓力計(jì)采用將感壓水囊埋置到地層中，而將電子壓力表放置在外面，當(dāng)用于現(xiàn)場(chǎng)土壓力測(cè)試時(shí)，在結(jié)束測(cè)試后可方便地將電子壓力表取走繼續(xù)使用（感壓水囊成本很低，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試無(wú)法取出時(shí)對(duì)測(cè)試成本影響可以忽略不計(jì)），相比土壓力盒而言在節(jié)省成本方面優(yōu)勢(shì)顯著。

3 水囊土壓力計(jì)應(yīng)用案例

3.1 盾構(gòu)隧道響應(yīng)模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介

針對(duì)近年來(lái)我國(guó)興起的聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工技術(shù)，為了解盾構(gòu)機(jī)施工聯(lián)絡(luò)通道時(shí)其開(kāi)挖面穩(wěn)定控制對(duì)接收端已建盾構(gòu)隧道的影響，考慮開(kāi)挖面加卸載（相當(dāng)于開(kāi)挖面過(guò)壓與欠壓）狀態(tài)下接收端已建盾構(gòu)隧道周圍土壓力變化[12-15]。試驗(yàn)所用模型盾構(gòu)隧道管片環(huán)采用均質(zhì)圓環(huán)，用厚度為4.6 mm 的鋼板加工而成，其外徑為575 mm，內(nèi)徑為570.4 mm，幅寬為120 mm（如圖4（a）所示）。管片內(nèi)側(cè)每隔90°焊接一個(gè)角碼，再采用長(zhǎng)度為9 cm、直徑為1 cm 的螺栓將兩相鄰管片環(huán)之間角碼進(jìn)行連接。為使環(huán)縫連接螺栓具有一定的拉伸彈性，在螺栓內(nèi)墊入直徑與長(zhǎng)度均為4 cm 彈簧，其壓縮剛度為575 N/mm，管片環(huán)之間的連接如圖4（b）、圖4（c）所示。

圖4 模型盾構(gòu)隧道管片環(huán)連接Fig.4 Connection of model shield tunnel segment rings

試驗(yàn)土箱內(nèi)部長(zhǎng)、寬、高分別為400，300，300 cm（如圖5（a）所示）。在模型隧道底部填35 cm 砂土，再安裝模型隧道，模型盾構(gòu)隧道沿土箱長(zhǎng)度方向埋設(shè)，共32 環(huán)（端部與土箱內(nèi)部之間的空隙采用泡沫劑進(jìn)行填充，防止砂土掉入隧道內(nèi)）；然后再填厚度約為60 cm 的黑色橡膠粒 （其壓縮模量較砂土小，用于模擬隧道位于軟土地層）；最后在模型隧道上部填135 cm 砂土。其中砂土的密度約為1.8 g/cm3，壓縮模量為9.66 MPa；橡膠粒的密度約為1.1 g/cm3，壓縮模量為1.33 MPa。

圖5 盾構(gòu)隧道響應(yīng)模型試驗(yàn)中土壓力測(cè)試元件布設(shè)示意圖Fig.5 Diagram for earth pressure measurement gauge installation in shield tunnel response model test

為了測(cè)試已建盾構(gòu)隧道周圍土壓力變化，在模型隧道周圍布設(shè)了土壓力測(cè)試元件，包括上述介紹的水囊土壓力計(jì)及振弦式土壓力盒。因土壓力盒為剛性結(jié)構(gòu)，直接密貼模型隧道布設(shè)將極易導(dǎo)致土壓力盒破損，為此將土壓力盒布設(shè)在與模型隧道凈距為10 cm 的位置；而感壓水囊則直接密貼模型隧道布設(shè)，土壓力測(cè)試元件布設(shè)位置如圖5 所示。在距離模型隧道65 cm 位置安裝直徑為30 cm 的鋼筒，模型試驗(yàn)時(shí)通過(guò)安裝在反力架（與土箱連接）上的千斤頂頂推或縮回實(shí)現(xiàn)加卸載，如圖6 所示。

圖6 模型盾構(gòu)隧道與鋼筒及其頂推裝置Fig.6 Shield tunnel model and steel pipe and its pushing device

為了對(duì)比水囊土壓力計(jì)與振弦式土壓力盒的測(cè)試結(jié)果，將模型試驗(yàn)全過(guò)程中的土壓力進(jìn)行測(cè)試，并選取了圖5 中斷面4 位置隧道周圍的土壓力測(cè)試結(jié)果（模型試驗(yàn)涉及的測(cè)試數(shù)據(jù)多，基于本論文的主要研究為對(duì)比兩種土壓力測(cè)試元件的性能，在此不再分析其他測(cè)試結(jié)果）。試驗(yàn)過(guò)程的各工況如表2 所示。

表2 模型試驗(yàn)工況Tab.2 Conditions of the model test

3.2 土壓力測(cè)試結(jié)果分析

圖7 為模型試驗(yàn)中表2 所示各工況下圖5 中斷面4 位置的隧道周圍土壓力測(cè)試結(jié)果。從圖7 可以看出水囊土壓力計(jì)與土壓力盒的變形趨勢(shì)總體是一致的，但由于兩者的布設(shè)位置不同，加上在鋼筒頂推與縮回時(shí)，因盾構(gòu)隧道發(fā)生縱向撓曲變形及隧道斷面發(fā)生豎橢圓變形，導(dǎo)致隧道與地層土體形成相互作用附加荷載，由此導(dǎo)致隧道周圍的土壓力發(fā)生變化。

圖7 斷面4 位置隧道周圍土壓力測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test result of earth pressure at Section 4 around shield tunnel

由圖7 可以看出，在填土階段（工況1～工況8），水囊土壓力計(jì)的測(cè)試結(jié)果均稍小于土壓盒的測(cè)試結(jié)果，其主要原因在于兩種測(cè)試元件的性能不同，導(dǎo)致其結(jié)果不同；此外，在填土過(guò)程由于模型隧道的存在，土壓力盒與水囊土壓力計(jì)的應(yīng)力場(chǎng)也稍有不同。

在鋼筒頂推階段（工況14～工況25），土壓力自鋼筒端部開(kāi)始向外擴(kuò)散，從圖7（a）可看出，離鋼筒端部越近的土壓力盒測(cè)試結(jié)果增長(zhǎng)幅度大于水囊土壓力測(cè)試結(jié)果增長(zhǎng)幅度，鋼筒頂推力導(dǎo)致隧道發(fā)生水平位移，如圖8 所示（圖8 為斷面4 的水平位移，向鋼筒側(cè)發(fā)生變形為正，遠(yuǎn)離鋼筒側(cè)發(fā)生變形為負(fù)）。在鋼筒頂推力作用下模型隧道向另一側(cè)發(fā)生撓曲變形，從圖8（b）可看出，其水平位移約為3 mm，由此導(dǎo)致隧道對(duì)側(cè)部土體形成擠壓，從而形成擠壓相互作用力，且該作用力向水平方向逐漸擴(kuò)散，因此對(duì)于圖7（b），在鋼筒頂推階段，水囊土壓力計(jì)的測(cè)試結(jié)果增長(zhǎng)幅度明顯要大于土壓力盒的測(cè)試結(jié)果增長(zhǎng)幅度。

圖8 斷面4 的水平位移Fig.8 Horizontal displacements at Section 4

在鋼筒頂推力作用下，模型隧道在水平方向上發(fā)生撓曲位移（如圖8 所示）的同時(shí)，也將發(fā)生豎橢圓變形時(shí)，如圖9 所示（斷面4 位置的水平位移與橫斷面變形分解情況如圖10 所示），隧道的豎直徑增大（圖9（b）工況14～工況25 中豎向直徑變形增大約5 mm），由此隧道與其上、下土體形成相對(duì)擠壓而形成擠壓力。該擠壓力在向土層中傳遞時(shí)發(fā)生擴(kuò)散，因此圖7（c）與圖7（d）在鋼筒頂推階段的土壓力測(cè)試結(jié)果均增大，因水囊土壓力計(jì)離隧道近，其土壓力測(cè)試結(jié)果的增長(zhǎng)幅度也更大。

圖9 斷面4 的直徑變形Fig.9 Diameter deformations at Section 4

圖10 斷面4 位移與變形分解及與地層相互作用Fig.10 Decomposition of displacements and deformations at Section 4 and interaction with stratum

在鋼筒縮回階段（工況26～工況30），水囊土壓力計(jì)與土壓力盒的測(cè)試結(jié)果變化速率與鋼筒頂推階段的測(cè)試結(jié)果變化速率剛好相反，即鋼筒頂推階段土壓力盒測(cè)試結(jié)果增長(zhǎng)幅度大于水囊土壓力計(jì)測(cè)試結(jié)果增長(zhǎng)幅度，在鋼筒縮回階段土壓力盒測(cè)試結(jié)果減小幅度也大于水囊土壓力計(jì)測(cè)試結(jié)果減小幅度，如圖7（a）所示；反之亦然，如圖7（d）所示。此現(xiàn)象也再次證明上述兩種測(cè)試元件的測(cè)試結(jié)果變化幅度不同的分析是合理的。

綜上分析可知，在盾構(gòu)隧道受到外部附加荷載作用下，隧道將發(fā)生縱向撓曲變形，同時(shí)發(fā)生橫斷面變形 （斷面4 位置的水平位移與橫斷面變形分析如圖10 所示）。由于土壓力盒為剛性測(cè)試元件，模型盾構(gòu)隧道外壁為弧面，因此土壓力盒無(wú)法直接密貼在模型盾構(gòu)隧道外壁上測(cè)試其土壓力。而采用自主研制的水囊土壓力計(jì)，直接貼在模型隧道外壁上，測(cè)試到了外壁為弧面的模型盾構(gòu)隧道土壓力。從測(cè)試結(jié)果可知，土壓力盒與水囊土壓力計(jì)的測(cè)試結(jié)果具有明顯的不同；從測(cè)試結(jié)果的變化趨勢(shì)分析來(lái)看，水囊土壓力計(jì)的測(cè)試結(jié)果可信，且有必要采用水囊土壓力計(jì)直接貼在模型盾構(gòu)隧道外壁測(cè)試其周圍土壓力。

4 結(jié)論

1）研制了水囊土壓力計(jì)，其感壓水囊的厚度可根據(jù)水囊的大小控制在5～10 mm；通過(guò)透明的PU空壓軟管將感壓水囊與電子壓力表進(jìn)行連接。在水囊土壓力計(jì)使用時(shí)需要將電子壓力表的高度位置進(jìn)行固定。

2）在圓管內(nèi)壁采用膨潤(rùn)土減磨后進(jìn)行填土，再將水囊土壓力計(jì)與土壓力盒埋入土中進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明本文提出的水囊土壓力計(jì)用于測(cè)試地層中的土壓力是可行的。由于存在一定的厚度，實(shí)測(cè)土壓力偏大問(wèn)題仍然不可避免，但相對(duì)于土壓力盒而言，其偏大幅度明顯要小。

3）水囊土壓力計(jì)與土壓力盒對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，在逐步加載過(guò)程中，測(cè)試元件實(shí)測(cè)土壓力偏大值并非為線性增長(zhǎng)，主要與土體在不同加載階段的壓縮性不同有關(guān)，同時(shí)與應(yīng)力集中發(fā)展到一定程度，測(cè)試元件周圍的土體顆粒會(huì)發(fā)生一定的調(diào)整變化有關(guān)。

4）將水囊土壓力計(jì)用于盾構(gòu)隧道響應(yīng)模型試驗(yàn)研究中，測(cè)得了模型盾構(gòu)隧道外壁的土壓力。從測(cè)試結(jié)果可知，水囊土壓力計(jì)與土壓力盒的測(cè)試結(jié)果具有明顯的不同；從測(cè)試結(jié)果的變化趨勢(shì)分析來(lái)看，水囊土壓力計(jì)的測(cè)試結(jié)果可信，且有必要采用水囊土壓力計(jì)直接貼在模型盾構(gòu)隧道外壁測(cè)試其周圍土壓力。