水囊土壓力計研制與試驗驗證研究

黃大維，彩國慶，徐長節，羅文俊，胡光靜，詹 濤

（1.華東交通大學軌道交通基礎設施性能監測與保障國家重點實驗室，江西 南昌 330013；2.華東交通大學江西省防災減災及應急管理重點實驗室，江西 南昌 330013；3.中鐵廣州工程局集團有限公司，廣東 廣州 511457；4.南昌軌道交通集團有限公司地鐵項目管理分公司，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指標，因此，土壓力測試也成為上述領域研究經常涉及的測試內容。現有的土壓力測試普遍采用土壓力盒，其測試精度一直是學者們所關注的重要內容，張海豐等指出由于土壓力盒的剛度遠大于周圍土體，在土壓力盒周圍易形成被動土拱效應而導致測試結果大于實際土壓力[1-4]。王繼成等[5]，Talesnick 等[6]分析認為，土壓力盒的測試結果與實際土壓力的偏差與土體的超、欠固結狀態有關，即與土體的壓縮模量變化有關。簡箏等[7]，任連偉等[8]，Talesnick[9]指出，由于土壓力盒的剛性特性，氣標法與砂標法所得到的系數完全不同。分析可知，土壓力盒由于存在一定的厚度，且剛度大，在測試土壓力過程中易發生應力集中，由此導致測試結果偏大。

針對現有的土壓力盒測試時存在的問題，國內外學者研發了新型的薄膜式土壓力傳感器。劉開源等[10]研究的FSR（film pressure sensor）是一種薄膜式土壓力傳感器，將含有導電物質的高分子材料夾在兩層聚合物膜片中間，當膜片受法向作用時，高分子材料的變形使膜片中間產生導電通道而降低FSR 電阻，通過電阻－電壓的關系測量土壓力值。廖波等[11]利用具有壓敏性的填充型導電聚合物復合材料研發了一種新型薄膜式土壓力分布傳感器，并通過大型模型試驗測試檢驗了其可行性。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，因此在日常中應用少。

本文則提出了一種用于測試土壓力的水囊土壓力計，并通過配制不同壓縮模量的土體進行了測試結果對比試驗。本研究將此水囊土壓力計應用于盾構隧道相關研究的室內模型試驗中，并對測試結果進行了分析。

1 水囊土壓力計研制

1.1 水囊土壓力計構成

水囊土壓力計由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（因為誤差與量程有關）。在使用前，通過在透明空壓軟管內注水，利用液位與壓力表之間的高差來核實壓力表的精準度。從測試結果看，電子壓力表的讀數精度完全可滿足試驗要求。

2）感壓水囊：可為方形或圓形，根據試驗的規模確定其尺寸。從市場調研來看，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，為矩形扁平結構，長、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透明的PU 空壓軟管進行連接，其軟硬度適中，在埋入地層中不會被壓扁而影響管內水壓傳遞。選擇內徑為5 mm、外徑為8 mm 的透明PU 空壓軟管，其長度根據測點與電子壓力表位置的距離確定。

1.2 水囊土壓力計使用

水囊土壓力計在使用時，對電子壓力表的精準度進行核實 （通過透明軟管內的液位與壓力表之間的高差讀取壓力表壓力進行標定即可）。根據需要剪取滿足長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。通過水囊兩側對壓將其內部空氣排出，從透明空壓軟管一端往水囊內注水，注到水囊最大容量時停止注水；再將水囊與透明空壓軟管的連接口朝上，通過水囊兩側對壓將水囊及透明空壓軟管內的空氣排出；當水囊壓到厚度約為10 mm 時透明軟管還存在空氣，則繼續對壓水囊兩側，待壓到最大限度時再次往水囊內注水。通過反復多次上述操作直到水囊壓到厚度約為10 mm 時透明軟管無空氣，再與電子壓力表連接。將空壓管內的空氣排出，防止試驗時管內空氣壓縮而導致感壓水囊變形過大，進而影響感壓水囊周圍的應力場。在使用時根據水囊的大小可壓到厚度5～10 mm，防止水囊兩側發生接觸，同時也減小感壓水囊對周圍應力場的影響。

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，在使用時需要將壓力表的高度位置進行固定。在感壓水囊完成布設時，將壓力表讀數進行歸零設置。

2 水囊土壓力計與土壓力盒對比試驗

2.1 試驗方案簡介

為了解水囊土壓力計在測試地層中土壓力的性能，通過室內試驗，對水囊土壓力計與振弦式土壓力盒的測試結果進行了對比分析。其中感壓水囊長、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，最小讀數為0.1 kPa。振弦式土壓力盒的直徑為114 mm，厚度為30 mm。

通過在尼龍管內填充不同壓縮模量的土體，并測試土層中的內部土壓力，其中尼龍管的壁厚為7 cm，內徑為51 cm，高度為75 cm。為了減小填土與尼龍管內壁之間的摩擦，從而減小土體中的壓力，填土前在尼龍管內壁粉刷一層厚度約為5～8 mm 的膨潤土（如圖1（a）所示，在能附著在內壁時盡量增大含水量，以起到良好的潤滑效果）。試驗時先在圓管內填入20 cm 厚的土體，再布設土壓力測試元件（感壓水囊與振弦式土壓力盒，如圖1（b）所示），兩種土壓力測試元件的位置盡量對稱，同時保持一定的距離，以盡量減小互相影響。接著繼續填土，待填土至40 cm 時（即在測試元件上下各約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徑，防止木板與尼龍管內壁接觸，同時也方便數據線與水管從四周空隙通過），并在木板上方進行分步加載。

圖1 土壓力測試試驗Fig.1 Earth pressure experiment

2.2 土體試樣簡介

為了分析填土壓縮模量對兩種土壓力測試元件的測試結果影響，試驗時采用砂子、砂子與橡膠粒混合材料（體積比為1∶4 進行混合）、純橡膠粒作為土體試樣，土樣編號分別為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 試驗土樣Fig.2 Soil samples

2.3 測試結果對比分析

圖3 為不同土樣填入尼龍管容器時，在上部逐步加載過程中水囊土壓力計與土壓力盒的實測土壓力變化結果。從圖3 可以看出，在加載初期，水囊土壓力計與土壓力盒的測試結果均與理論計算的土壓力接近；隨著上部加載量增加，兩種土壓力測試元件均有不同程度的土壓力偏大現象，但因感壓水囊厚度小，且為四周薄中間厚的柔性結構，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生明顯偏大現象。

圖3 土壓力測試結果對比Fig.3 Comparison of earth pressure test results

從圖3（a）與圖3（b）、圖3（c）對比來看，土體的壓縮模量對土壓力測試結果影響較大。在逐步加載過程中，測試元件實測土壓力偏大值并非為線性增長，主要與土體在不同加載階段的不同壓縮性有關，同時與測試元件周圍的土體顆粒移動變化調整有關，如圖3（c），實測土壓力波動明顯，主要在與橡膠粒較為松散，在應力集中發展到一定程度時，測試元件周圍的橡膠粒會發生一定的調整變化（類似于在復合地基的樁頂填碎石，在樁頂應力較大時，樁頂的碎石向樁間土上發生流動，從而調整樁頂與樁間土的壓力），導致實測土壓力有一定的波動。

綜上試驗結果分析可知，本文提出的水囊土壓力計用于測試地層中的土壓力是可行的，由于存在一定的厚度，實測土壓力偏大問題仍然不可避免，但相對于土壓力盒而言，其偏大幅度明顯要小；本文提出的水囊土壓力計的感壓水囊為四周薄中間厚的柔性結構，可直接密貼于非平面結構上測試其壓力；水囊土壓力計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，當用于現場土壓力測試時，在結束測試后可方便地將電子壓力表取走繼續使用（感壓水囊成本很低，現場測試無法取出時對測試成本影響可以忽略不計），相比土壓力盒而言在節省成本方面優勢顯著。

3 水囊土壓力計應用案例

3.1 盾構隧道響應模型試驗簡介

針對近年來我國興起的聯絡通道機械法施工技術，為了解盾構機施工聯絡通道時其開挖面穩定控制對接收端已建盾構隧道的影響，考慮開挖面加卸載（相當于開挖面過壓與欠壓）狀態下接收端已建盾構隧道周圍土壓力變化[12-15]。試驗所用模型盾構隧道管片環采用均質圓環，用厚度為4.6 mm 的鋼板加工而成，其外徑為575 mm，內徑為570.4 mm，幅寬為120 mm（如圖4（a）所示）。管片內側每隔90°焊接一個角碼，再采用長度為9 cm、直徑為1 cm 的螺栓將兩相鄰管片環之間角碼進行連接。為使環縫連接螺栓具有一定的拉伸彈性，在螺栓內墊入直徑與長度均為4 cm 彈簧，其壓縮剛度為575 N/mm，管片環之間的連接如圖4（b）、圖4（c）所示。

圖4 模型盾構隧道管片環連接Fig.4 Connection of model shield tunnel segment rings

試驗土箱內部長、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，模型盾構隧道沿土箱長度方向埋設，共32 環（端部與土箱內部之間的空隙采用泡沫劑進行填充，防止砂土掉入隧道內）；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 盾構隧道響應模型試驗中土壓力測試元件布設示意圖Fig.5 Diagram for earth pressure measurement gauge installation in shield tunnel response model test

為了測試已建盾構隧道周圍土壓力變化，在模型隧道周圍布設了土壓力測試元件，包括上述介紹的水囊土壓力計及振弦式土壓力盒。因土壓力盒為剛性結構，直接密貼模型隧道布設將極易導致土壓力盒破損，為此將土壓力盒布設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，土壓力測試元件布設位置如圖5 所示。在距離模型隧道65 cm 位置安裝直徑為30 cm 的鋼筒，模型試驗時通過安裝在反力架（與土箱連接）上的千斤頂頂推或縮回實現加卸載，如圖6 所示。

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

為了對比水囊土壓力計與振弦式土壓力盒的測試結果，將模型試驗全過程中的土壓力進行測試，并選取了圖5 中斷面4 位置隧道周圍的土壓力測試結果（模型試驗涉及的測試數據多，基于本論文的主要研究為對比兩種土壓力測試元件的性能，在此不再分析其他測試結果）。試驗過程的各工況如表2 所示。

表2 模型試驗工況Tab.2 Conditions of the model test

3.2 土壓力測試結果分析

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

圖7 斷面4 位置隧道周圍土壓力測試結果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），水囊土壓力計的測試結果均稍小于土壓盒的測試結果，其主要原因在于兩種測試元件的性能不同，導致其結果不同；此外，在填土過程由于模型隧道的存在，土壓力盒與水囊土壓力計的應力場也稍有不同。

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

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生撓曲位移（如圖8 所示）的同時，也將發生豎橢圓變形時，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、下土體形成相對擠壓而形成擠壓力。該擠壓力在向土層中傳遞時發生擴散，因此圖7（c）與圖7（d）在鋼筒頂推階段的土壓力測試結果均增大，因水囊土壓力計離隧道近，其土壓力測試結果的增長幅度也更大。

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

綜上分析可知，在盾構隧道受到外部附加荷載作用下，隧道將發生縱向撓曲變形，同時發生橫斷面變形 （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試元件，模型盾構隧道外壁為弧面，因此土壓力盒無法直接密貼在模型盾構隧道外壁上測試其土壓力。而采用自主研制的水囊土壓力計，直接貼在模型隧道外壁上，測試到了外壁為弧面的模型盾構隧道土壓力。從測試結果可知，土壓力盒與水囊土壓力計的測試結果具有明顯的不同；從測試結果的變化趨勢分析來看，水囊土壓力計的測試結果可信，且有必要采用水囊土壓力計直接貼在模型盾構隧道外壁測試其周圍土壓力。

4 結論

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

2）在圓管內壁采用膨潤土減磨后進行填土，再將水囊土壓力計與土壓力盒埋入土中進行了對比試驗，結果表明本文提出的水囊土壓力計用于測試地層中的土壓力是可行的。由于存在一定的厚度，實測土壓力偏大問題仍然不可避免，但相對于土壓力盒而言，其偏大幅度明顯要小。

3）水囊土壓力計與土壓力盒對比試驗結果表明，在逐步加載過程中，測試元件實測土壓力偏大值并非為線性增長，主要與土體在不同加載階段的壓縮性不同有關，同時與應力集中發展到一定程度，測試元件周圍的土體顆粒會發生一定的調整變化有關。

4）將水囊土壓力計用于盾構隧道響應模型試驗研究中，測得了模型盾構隧道外壁的土壓力。從測試結果可知，水囊土壓力計與土壓力盒的測試結果具有明顯的不同；從測試結果的變化趨勢分析來看，水囊土壓力計的測試結果可信，且有必要采用水囊土壓力計直接貼在模型盾構隧道外壁測試其周圍土壓力。