静止侧压仪侧向变形控制器设计

钮建定，冯蓓蕾，胡建平

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 201612）

0 引言

土的静止侧压力系数K0是土体在无侧向变形条件下，固结后的有效侧向应力σ3与有效轴向应力σ1之比。K0系数是土压力计算不可缺少的重要参数之一。目前室内土工试验最常用的测定K0系数的方法主要采用单向固结静止侧压力仪通过试验获得。静止侧压力仪容器内橡皮膜用来控制原状试样侧壁有效侧向压力。由于原状试样直径与橡皮膜尺寸大小一致，安装试样过程中，试样侧面与橡皮膜的侧壁易产生摩擦，造成试样侧壁扰动；而测定侧向应力时由于橡皮膜与土的试样侧壁之间的凹隙存在气泡，当侧壁受到侧向应力σ3时，这些气泡产生的弹力使得侧向应力≤σ3，以致试验中获得的K0值偏小。通过对一些超固结土和软土的室内土工K0试验结果分析，发现轴向压力与侧向压力关系曲线不通过原点，尤其反映在起始3个点上，造成K0系数过小。本文详细介绍一种静止侧压仪侧向变形控制器（简称变形控制器）的设计思想，该控制器安装在静止侧压力仪容器端口上，安装试样过程中及K0试验时，能消除侧压力仪容器内橡皮膜与土样产生的摩擦，减少试样的扰动程度，并能排除容器内土的侧向与橡皮膜之间的气泡，使得测试得到的K0数据更为客观、真实。

1 设计原理

利用静止侧压力仪连接压力传感器的双通管接头，改成三通管接头，一通与压力传感器连接，另一通连接一个变形控制器。控制器前端有储存纯水的密闭注液筒、压力表、管道等；后端由液压油缸、控制系统组成推进系统。前后两端通过活塞杆U形接口插销铰接，后端动力系统利用活塞杆来回推动前端密闭装置，通过液压系统换向阀的切换，可以驱使油缸内活塞作双向运动，从而带动连接在油缸活塞杆上的注液筒活塞杆的移动，使管道中水产生吸力和推力，通过前端传递到静止侧压力仪的密闭室中，密闭室内的压力使橡皮膜收缩和膨胀，起到收缩后安装试样，膨胀时排出橡皮膜与试样间空气的作用。控制器结构如图1所示。攻克了始终困扰国内外室内土工试验行业的无法精确得到K0系数的难题。

图1 控制器结构示意图

1.1 控制器组成

变形控制器由前端推进部件和后端驱动两大部分组成。后端有油缸，油缸两端各设入口C、D，活塞位于两入口C、D之间，该入口C、D分别连接同一液压系统，形成回路。油缸内设可来回移动的活塞，油缸活塞杆驱动前端，选用市场上标准的微型液压推进系统，略微改进直接使用，相关产品详见液压传动装置系列产品使用说明及相关参数。前端推进部件由注液筒、压力表、外螺纹管接头、活塞杆、输水管、密封圈等组成，外螺纹管接头一端与注液筒连接，另一端通过输水软管与土工仪器静止侧压力仪上一个四通接头连接。注液筒内预设初始压力值，活塞杆的双向移动会引起水压变化，该变化通过输水管传递到静止侧压力仪的密闭室中，就能控制密闭室中橡胶圈的收缩和膨胀。橡胶圈受吸力而膨胀，使土体在安装时避免侧壁摩擦；橡胶圈受推力后收缩，使橡胶圈紧贴土体侧面并排出空气。注液筒用来存储规范要求的纯水，以免水中溶解的空气使水的压缩性增大，引起试样侧向变形。控制器前端剖面示意如图2所示。真空压力表用来监测水中压力值，反映出控制容器内橡皮膜的收缩程度，使得土工试验安全可靠。前、后端两侧部件通过U形接口的活塞杆并通过销轴铰接。输水管的管路和旋塞用来给注液筒注入纯水，作为辅助部件。

图2 控制器前端剖面示意图

1.2 控制器操作步骤

安装土样前准备工作：排除密闭受压室内和测压系统的气泡。其方法是打开静止侧压仪外上侧的排气孔阀，从静止侧压仪外下侧进水孔内注入纯水，当排气孔溢出水时，用手挤压受压室内橡皮膜，或使受压室排气阀口朝上，使受压室中的气泡从排气阀排出。如此反复数次，直至无气泡溢出时为止。排气完毕，关闭气孔阀，拧紧进水孔螺帽。

用校正样代替试样，慢慢放入容器内，开排气孔阀让受压室多余的水从排气孔排出，使橡皮膜平整并紧贴校正样块。关排气孔阀，用侧压力量测系统并逐级施加压力，直至压力达500 kPa。如压力表读数不下降，表示受压室和各管路系统不漏水，然后卸除压力，取出校正样块。

控制器实施步骤：旋开旋塞，净水经过输水管与透明注液筒连通，使活塞处于刻度中间，然后关闭旋塞。操作控制开关处于“进”状态：油压从D进入油缸，随着油量增加，油缸活塞右移，使注液筒内的水产生吸力通过连接管传递到静止侧压力仪密闭室内，变形控制器产生一个吸力，使固结仪内橡皮膜收缩后凹进，试样垂直压入至橡皮膜中间，此时土样侧壁与橡皮膜不产生阻力，降低了软土的扰动性，如图3（a）所示，土样安装完成。

操作控制开关处于“退”状态：油压从C进入油缸，随着油量增加，不断推动油缸活塞杆左移，油缸活塞杆通过销轴把压力传递到注液筒内，再由注液筒活塞杆通过连接管推进到静止侧压力仪密闭室内，变形控制器产生的推力，通过水压力传递到橡皮膜，橡皮膜受推力后膨胀，橡皮膜紧贴土体侧面，橡皮膜与试样之间气泡从排气阀中溢出，然后关进水阀，使容器处于密闭状态，完成测试K0前的所有准备工作，如图3（b）所示。这时土工试验施加轴向应力后得到的侧向应力为最佳，K0数据也最为真实，达到本发明的目的。

图3 侧向控制器作用示意图

2 测试与应用

我们对2台JCY型静止侧压力系数固结仪加装了侧向控制器，在上海国际航运中心洋山深水港区二～三期等多个工程中，采用了该项技术进行静止侧压力系数K0试验，绘制了大量有效轴向压力与有效侧向压力关系图，发现初始几个点有效侧向应力偏小的现象得到改善，曲线线性回归基本过原点，取得良好效果，K0数据更为真实，绘制曲线如图4所示。

图4 σ1′- σ3′关系曲线

3 结论

本设计采用液压系统驱动油缸内活塞双向移动，从而带动注液筒中的活塞杆跟随运动，使得注液筒中的净水产生的压力，传递到静止侧压力仪的密闭室中，控制橡皮膜收缩和膨胀，保证了静止侧压力系数K0的准确，丰富和完善了这一领域的测试手段。若采用机械或手工驱动，成本会更低，不妨也是一种尝试。

该装置占用空间小，低噪音，结构简单，操作简便，效果明显，值得推广使用。

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