靜止側壓儀側向變形控制器設計

鈕建定，馮蓓蕾，胡建平

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 201612）

0 引言

土的靜止側壓力系數K0是土體在無側向變形條件下，固結后的有效側向應力σ3與有效軸向應力σ1之比。K0系數是土壓力計算不可缺少的重要參數之一。目前室內土工試驗最常用的測定K0系數的方法主要采用單向固結靜止側壓力儀通過試驗獲得。靜止側壓力儀容器內橡皮膜用來控制原狀試樣側壁有效側向壓力。由于原狀試樣直徑與橡皮膜尺寸大小一致，安裝試樣過程中，試樣側面與橡皮膜的側壁易產生摩擦，造成試樣側壁擾動；而測定側向應力時由于橡皮膜與土的試樣側壁之間的凹隙存在氣泡，當側壁受到側向應力σ3時，這些氣泡產生的彈力使得側向應力≤σ3，以致試驗中獲得的K0值偏小。通過對一些超固結土和軟土的室內土工K0試驗結果分析，發現軸向壓力與側向壓力關系曲線不通過原點，尤其反映在起始3個點上，造成K0系數過小。本文詳細介紹一種靜止側壓儀側向變形控制器（簡稱變形控制器）的設計思想，該控制器安裝在靜止側壓力儀容器端口上，安裝試樣過程中及K0試驗時，能消除側壓力儀容器內橡皮膜與土樣產生的摩擦，減少試樣的擾動程度，并能排除容器內土的側向與橡皮膜之間的氣泡，使得測試得到的K0數據更為客觀、真實。

1 設計原理

利用靜止側壓力儀連接壓力傳感器的雙通管接頭，改成三通管接頭，一通與壓力傳感器連接，另一通連接一個變形控制器。控制器前端有儲存純水的密閉注液筒、壓力表、管道等；后端由液壓油缸、控制系統組成推進系統。前后兩端通過活塞桿U形接口插銷鉸接，后端動力系統利用活塞桿來回推動前端密閉裝置，通過液壓系統換向閥的切換，可以驅使油缸內活塞作雙向運動，從而帶動連接在油缸活塞桿上的注液筒活塞桿的移動，使管道中水產生吸力和推力，通過前端傳遞到靜止側壓力儀的密閉室中，密閉室內的壓力使橡皮膜收縮和膨脹，起到收縮后安裝試樣，膨脹時排出橡皮膜與試樣間空氣的作用。控制器結構如圖1所示。攻克了始終困擾國內外室內土工試驗行業的無法精確得到K0系數的難題。

圖1 控制器結構示意圖

1.1 控制器組成

變形控制器由前端推進部件和后端驅動兩大部分組成。后端有油缸，油缸兩端各設入口C、D，活塞位于兩入口C、D之間，該入口C、D分別連接同一液壓系統，形成回路。油缸內設可來回移動的活塞，油缸活塞桿驅動前端，選用市場上標準的微型液壓推進系統，略微改進直接使用，相關產品詳見液壓傳動裝置系列產品使用說明及相關參數。前端推進部件由注液筒、壓力表、外螺紋管接頭、活塞桿、輸水管、密封圈等組成，外螺紋管接頭一端與注液筒連接，另一端通過輸水軟管與土工儀器靜止側壓力儀上一個四通接頭連接。注液筒內預設初始壓力值，活塞桿的雙向移動會引起水壓變化，該變化通過輸水管傳遞到靜止側壓力儀的密閉室中，就能控制密閉室中橡膠圈的收縮和膨脹。橡膠圈受吸力而膨脹，使土體在安裝時避免側壁摩擦；橡膠圈受推力后收縮，使橡膠圈緊貼土體側面并排出空氣。注液筒用來存儲規范要求的純水，以免水中溶解的空氣使水的壓縮性增大，引起試樣側向變形。控制器前端剖面示意如圖2所示。真空壓力表用來監測水中壓力值，反映出控制容器內橡皮膜的收縮程度，使得土工試驗安全可靠。前、后端兩側部件通過U形接口的活塞桿并通過銷軸鉸接。輸水管的管路和旋塞用來給注液筒注入純水，作為輔助部件。

圖2 控制器前端剖面示意圖

1.2 控制器操作步驟

安裝土樣前準備工作：排除密閉受壓室內和測壓系統的氣泡。其方法是打開靜止側壓儀外上側的排氣孔閥，從靜止側壓儀外下側進水孔內注入純水，當排氣孔溢出水時，用手擠壓受壓室內橡皮膜，或使受壓室排氣閥口朝上，使受壓室中的氣泡從排氣閥排出。如此反復數次，直至無氣泡溢出時為止。排氣完畢，關閉氣孔閥，擰緊進水孔螺帽。

用校正樣代替試樣，慢慢放入容器內，開排氣孔閥讓受壓室多余的水從排氣孔排出，使橡皮膜平整并緊貼校正樣塊。關排氣孔閥，用側壓力量測系統并逐級施加壓力，直至壓力達500 kPa。如壓力表讀數不下降，表示受壓室和各管路系統不漏水，然后卸除壓力，取出校正樣塊。

控制器實施步驟：旋開旋塞，凈水經過輸水管與透明注液筒連通，使活塞處于刻度中間，然后關閉旋塞。操作控制開關處于“進”狀態：油壓從D進入油缸，隨著油量增加，油缸活塞右移，使注液筒內的水產生吸力通過連接管傳遞到靜止側壓力儀密閉室內，變形控制器產生一個吸力，使固結儀內橡皮膜收縮后凹進，試樣垂直壓入至橡皮膜中間，此時土樣側壁與橡皮膜不產生阻力，降低了軟土的擾動性，如圖3（a）所示，土樣安裝完成。

操作控制開關處于“退”狀態：油壓從C進入油缸，隨著油量增加，不斷推動油缸活塞桿左移，油缸活塞桿通過銷軸把壓力傳遞到注液筒內，再由注液筒活塞桿通過連接管推進到靜止側壓力儀密閉室內，變形控制器產生的推力，通過水壓力傳遞到橡皮膜，橡皮膜受推力后膨脹，橡皮膜緊貼土體側面，橡皮膜與試樣之間氣泡從排氣閥中溢出，然后關進水閥，使容器處于密閉狀態，完成測試K0前的所有準備工作，如圖3（b）所示。這時土工試驗施加軸向應力后得到的側向應力為最佳，K0數據也最為真實，達到本發明的目的。

圖3 側向控制器作用示意圖

2 測試與應用

我們對2臺JCY型靜止側壓力系數固結儀加裝了側向控制器，在上海國際航運中心洋山深水港區二～三期等多個工程中，采用了該項技術進行靜止側壓力系數K0試驗，繪制了大量有效軸向壓力與有效側向壓力關系圖，發現初始幾個點有效側向應力偏小的現象得到改善，曲線線性回歸基本過原點，取得良好效果，K0數據更為真實，繪制曲線如圖4所示。

圖4 σ1′- σ3′關系曲線

3 結論

本設計采用液壓系統驅動油缸內活塞雙向移動，從而帶動注液筒中的活塞桿跟隨運動，使得注液筒中的凈水產生的壓力，傳遞到靜止側壓力儀的密閉室中，控制橡皮膜收縮和膨脹，保證了靜止側壓力系數K0的準確，豐富和完善了這一領域的測試手段。若采用機械或手工驅動，成本會更低，不妨也是一種嘗試。

該裝置占用空間小，低噪音，結構簡單，操作簡便，效果明顯，值得推廣使用。

[1]SL237-1999，土工試驗規程[S].

[2]李曉萍，趙亞品.靜止側壓力系數及其試驗方法的探討[J].鐵道工程學報，2007，107（8）：20-22.

[3]王立忠，葉盛華，沈愷倫，等.K0固結軟土不排水抗剪強度[J].巖土工程學報，2006，28（8）：970－977.

[4]王鍾琦，孫廣忠，劉雙光，等.巖土工程測試技術[M].北京：中國建筑工業出版社，1986.