三维土压力盒在原位碾压试验中的应用研究

黄翔宇，李顺群，方大转，包义勇

三维土压力盒在原位碾压试验中的应用研究

黄翔宇1，李顺群1，方大转2，包义勇2

（1.天津城建大学 土木工程学院，天津 300384；2.安徽水安建设集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

为了研究三维土压力盒在移动荷载下的工作情况，进行了原位碾压试验，将三维土压力盒埋入土中，通过石磙施加移动荷载并监测土体的静力反应，对测得的6个正应力进行计算得到测点处的三维应力状态。试验结果表明，3个正应力x、y和z的发展趋势与荷载施加情况相一致，其中z的值最大；3个剪应力xy、yz和zx的测试曲线均呈现出波峰与波峰相连、波谷与波谷相连的特征，清晰地展现了剪应力的方向性。

三维土压力盒；原位试验；应力

对土压力的测量一直是岩土工程理论研究和试验研究的重要方面。土压力也是保证实际工程安全的关键指标，一般采用土压力盒进行测量[1]。常见的土压力盒可按工作原理分为2类，即电阻应变式土压力盒与振弦式土压力盒[2]。在进行测量时，通常先把土压力盒埋置于土体内，而后土压力盒与土体协调变形传输出电信号，进而结合土压力盒的标定系数得出测点处的土压力值。近几年来，土压力盒也被广泛地应用到各类实际工程中。在江苏射阳的港风电项目中，张延军等[3]在风机基础底板下埋置土压力盒，对风机基础从施工至正常运行期间的基底土压力进行了测算；在大型群桩基础静载试验中，韩煊等[4]使用土压力盒测量了群桩承台基座反力，完成了单桩、三桩和六桩的载荷试验；在结合淤泥土地基的三洋港挡潮闸工程中，黄银冰等[5]把土压力盒埋置于桩侧土体中，对水平荷载下桩周土体的土压力分布规律进行了测量等。

由此可见，在长期静载作用下土压力盒有较好的工作性能，对应力变化有着良好的反馈。能够满足试验研究与日常测试的需要，但关于在移动荷载作用下工作性能的研究至今仍存在较大空白。此外，土压力盒本身的性质决定了其工作环境往往十分复杂，不确定因素较多，致使土压力盒测量结果失真成为了一个普遍存在的问题[6]。故有必要对土压力盒在移动荷载作用下的工作性能进行研究，为后续土压力盒的改进与完善提供可靠的数据支撑。

本文将利用天津三为科技有限公司与天津城建大学共同研发的三维土压力盒[7-8]进行原位石磙碾压试验。并通过计算得出测点处的三维应力状态曲线并进行分析，旨在为实际工程中的土压力测量提供保障。

1 原位碾压试验概况

原位碾压试验可从所用装置、试验场地、测试原理、试验步骤与注意事项5个方面来反映与体现。

1.1 原位碾压试验装置

本次试验装置由1台东华测试DH3816N静态应变测试仪、1台笔记本电脑、1个石磙和1个DTS-3型三维土压力盒组成。其中DTS-3型三维土压力盒由1个多面体基座和7个LY-351型单向应变式土压力盒(量程为200 kPa，厚度为10 mm，半径为13 mm，盒内应变片厚0.05 mm，半径为10 mm)组成；石磙为圆柱体，密度为2 500 kg/m3，底面积为0.2 m2，高为0.6 m，质量约为300 kg。DTS-3型三维土压力盒的基座与实物如图1所示。

图1 DTS-3型三维土压力盒基座及实物

1.2 原位碾压试验场地

试验场地选在天津市西青区，该地属于华北平原东部滨海平原地貌，属海相与陆相交互沉积地层。土的含水量为25.5%，重度为19.5 kN/m3，孔隙比为0.754，塑性指数p为14.6，液性指数l为0.31，压缩系数1-2为0.35，压缩模量1-2为3.6 MPa。

1.3 原位碾压试验测试原理

本次试验所用的LY-351型一维土压力盒为电阻应变式，内部设置有压力传感器。当上表面受压变形时会导致压力传感器的电阻增大，对应输出的电信号亦增大。当石磙滚动时，通过应变测试仪可采集到测点处6个不同方向上正应力，经过计算可得到测点处的三维应力状态。土压力盒受压变形如图2所示。

图2 土压力盒受压变形

1.4 原位碾压试验步骤

(1)在场地上挖出一个直径30 cm深10 cm的土坑；将三维土压力盒以指向地心的方向为Z轴水平放置在坑底，将土回填。

(2)将数据导线与外部的笔记本电脑相连，打开测试软件，设定各土压力盒预先测定好的标定系数。

(3)用石磙在测试场地内预加荷2次，每次预加荷之间间隔30 s。

(4)用石磙沿着同一方向同一角度进行若干次来回碾压，此时可以观察到显示器内产生的电信号图像。

(5)收集试验数据，可以得到土中一点处6个不同方向上正应力与时间的关系曲线，经计算后可得到该点处三维应力状态与时间的关系曲线。试验现场如图3所示。

图3 试验现场图

1.5 测试和碾压过程中的注意事项

(1)本次试验主要为研究在移动荷载下三维土压力盒的工作性能，而所用采集仪仅在特定通道内支持动载测试。因此在连接三维土压力盒与采集仪时应将7根数据导线分别连接至1、5、9、13、17、21、25通道进行采集；同时采集仪的采样频率应设置为200 Hz。

(2)在连接三维土压力盒与采集仪时应避免数据导线塑料皮下的屏蔽线与采集仪上的连接头接触，防止屏蔽线屏蔽该通道，导致试验失败。

(3)应事先检查土压力盒及其数据导线的密封性，防止由于密封性不好导致的数据失真。

2 试验数据的计算与分析

2.1 三维应力计算

记录石磙碾压过程中三维土压力盒输出的电信号[9-10]，将其与对应的标定系数相乘[11]，得到测点处6个不同方向上的正应力随时间的变化曲线(见图4)，计算公式如下：

σ=(1)

式中：σ为6个不同方向上的正应力，=1, 2, 3, 4, 5, 6；为土压力盒输出的电信号值，mV；为土压力盒的标定系数，kPa/mV，具体数值见表1。

图4 6个不同方向上的正应力-时间曲线

表1 各土压力盒的标定系数值

盒号标定系数/(kPa·mV-1) a336.7 b383.84 c381.6 d319.81 e360.42 f381.6 π343.6

将上述6个不同方向上的正应力σ构成的列矩阵代入下式：

{σ}=-1{σ} (2)

式中：=,,,,,；-1为转换矩阵的逆矩阵。最终可得到土中测点处的三维应力状态，见图5、图6。

图5 3个正应力-时间曲线

图6 3个剪应力-时间曲线

2.2 数据分析

综合图4～图6可以看出，土压力盒在石磙碾压过程中始终处于三维受力状态，读数稳定，曲线的变化趋势与荷载的施加情况相一致。波峰值大致相等，但周期呈现间隔相等的特点，原因可能是由于试验场地不平整导致的。总的来看，土压力盒对于移动荷载也有着良好的反馈。

由图4可知，石磙碾压过程中各向正应力并不相等，在关于Z轴对称的4个正应力、、、中，仅、在数值上较为接近，且仍与、存在较大差距。其原因可归咎于：(1)碾压过程中产生的角度差；(2)土体传递荷载时的各向异性；(3)各土压力盒的标定系数值不同。结合表1可做合理推断，不同的标定系数值很可能是导致、、、数值相差较大的重要因素。

由图5、图6可知，石磙碾压过程中竖向应力z数值最大，水平应力y次之，x最小且为负值。原因可能是：(1)土压力盒与土体之间的温度差；(2)碾压过程中孔隙水压力的消散。yz平面上的剪应力yz波动较大，xy和zx相对稳定，数值较为接近。xy、yz和zx的图像均呈现出波峰与波峰相连、波谷与波谷相连的特征，较好地展现了剪应力自身的方向性。

3 结论

为了研究三维土压力盒在移动荷载作用下的工作性能进行了石磙碾压试验，结合试验结果可以得出以下结论。

(1)三维土压力盒在动载条件下工作性能良好，可以应用到实际工程中，为工程安全提供保障。

(2)标定系数值是影响测试值大小的重要方面，因此，在分析三维土压力盒的测试值时应充分考虑标定系数对其产生的影响。

(3)xy、yz和zx的变化曲线均呈现出波峰与波峰相连、波谷与波谷相连的特征，较好地展现了剪应力自身的方向性。

[1] 陈春红, 刘素锦, 王钊. 土压力盒的标定[J]. 中国农村水利水电, 2007(2): 29-32.

[2] 芮瑞, 吴端正, 胡港, 等. 模型试验中膜式土压力盒标定及其应用[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(5): 837-845.

[3] 张延军, 木林隆, 钱建固, 等. 梁板式桩筏基础现场测试分析[J]. 岩土力学, 2014, 35(11): 3253-3258.

[4] 韩煊, 张乃瑞, 钟和, 等. 大型群桩基础静载试验与测试中的关键问题[J]. 工程勘察, 2005(1): 10-14.

[5] 黄银冰, 赵恒博, 顾长存, 等. 考虑水泥土桩增强作用的灌注桩水平承载性能现场试验研究[J]. 岩土力学, 2013, 34(4): 1109-1115.

[6] 张彬, 王钊, 杨俊峰, 等. 土压力盒在工程应用中的误差分析[J]. 探矿工程: 岩土钻掘工程, 2005(S1): 157-161.

[7] 李顺群, 陈之祥, 桂超, 等. 一类三维土压力盒的设计及试验验证[J]. 中国公路学报, 2018, 31(1): 11-19.

[8] 陈之祥, 邵龙潭, 李顺群, 等. 三维真土压力盒的设计与应力参数的计算[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(11): 2138-2145.

[9] 程宇, 李顺群, 夏锦红. 三维土压力盒在某模型试验中的应用研究[J]. 河南城建学院学报, 2018, 27(3): 38-41.

[10] 陈立航, 李顺群. 用水压标定应变式微型土压力盒的过程与分析[J]. 河北水利电力学院学报, 2020, 30(2): 14-17, 22.

[11] 王辉, 杨廒葆, 徐孟龙, 等. 土压力盒在机制砂中的测试误差分析试验研究[J]. 河南城建学院学报, 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

国家自然科学基金项目(41877251)；天津市重点研发计划科技支撑重点项目(19YFZCSF00820)

黄翔宇(1996-)，男，河南洛阳人，硕士生。

李顺群(1971-)，男，河南卫辉人，教授，博士。

责任编辑：孙 林