温度影响下不同含水率细砂中土压力盒测试结果试验研究1)

曾 力 鲁臻臻 李明宇 赵世永†, 靳军伟 刘玉豪

∗(郑州大学土木工程学院，郑州 450001)†(中铁十五局集团有限公司，上海 200070)

∗∗(中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司，河南洛阳 471000)

工程施工中往往需要通过土压力测试结果，判断作用于地下结构上的作用力，进而评判结构的受力特征和变形发展规律，目前常采用埋设土压力盒直接测量土中压力。为了提高土压力盒的测量精度，在土压力盒投入使用之前，需要将其埋设于土体中进行标定，由于土压力盒与周围填土的物理性质不匹配，导致土压力盒的标定系数受多种因素的影响，已有大量的试验研究表明土体的种类[1-4]、粒径[5-9]、厚度[8-11]、密度[5,12-13]、压缩模量[14-16]、应力历史[17]等因素会影响微型土压力盒的标定系数。

由于昼夜交替和季节变化，土体的温度会发生周期性的变化，而安放于结构物上或埋设于土体中的土压力盒往往会受到周期性升降温的影响，使得土压力盒的测量精度降低。现场监测方面，Harry 等[18]发现温度显著影响安装在预制挡土墙面上的气动性土压力盒的性能。Huntley 等[19]发现了温度的变化对安装在整体式桥台上的振弦式土压力盒读数造成不利影响，并进行了室内试验，以检查温度变化对土压力盒读数的影响，试验结果表明，土压力盒只在预测的温度范围内工作，来自现场的测试数据大多不可靠。Yang 等[20]分析了安装在涵洞顶部的振弦土压力盒监测4 年的土压力，原以为路堤加载进行监测的土压力将保持相对恒定，然而，尽管用制造商提供的温度系数修正了数据，但测量的压力值存在季节性变化。Clayton 等[21]发现安装在喷射混凝土隧道衬砌中的液压式土压力盒受温度的影响。

标定试验方面，Felio 等[22]研究了温度对处于水中的土压力盒输出结果的影响，结果表明温度的改变会导致预压力的变化，但不改变标定曲线的斜率。Daigle 等[23]针对埋设于细砂中的液压式土压力盒进行了温度标定试验，结果表明，量程小的土压力盒受温度影响比量程大的更敏感，埋置较浅的土压力盒受温度影响较大，且随着载荷的增加，土压力盒示数随着温度的升高呈非线性增加，将实验得到的温度修正系数与制造商给定的温度系数进行了对比，认为制造商提供的温度矫正系数大大低估了温度效应。刘晓曦等[24]研究了空载和载荷条件下温度对处于松散粗砂中的振弦式土压力盒输出压力的影响，载荷的施加增大了振弦式土压力盒的温度敏感性，实际工程中的土压力盒承受载荷越小，温度对输出压力的影响占比越大。Huntley 等[19]将无载荷下的温度修正系数对有载荷下的压力进行了修正，认为载荷作用下的土压力盒受温度的影响修正比较复杂。

以往对于土压力盒受温度影响的研究多数针对的是振弦式和液压式土压力盒，并且研究所用的砂土基本上都是干砂，而将土压力盒埋设于一定含水率细砂中的研究较少。本文将微型电阻应变式单膜土压力盒埋设于不同含水率的细砂中，系统研究了循环温度变化影响条件下，细砂的含水率、土压力盒的量程、载荷对土压力盒测试结果的影响规律，以及无载荷作用下，土压力盒测试压力值受温度循环次数的影响规律。力求通过本次研究为实际工程和室内模型试验中土压力精准测试提供科学依据。

1 室内试验简介

1.1 室内试验主要内容

本实验将电阻应变式土压力盒埋设于自主设计的标定试验桶中，并利用温度传感器监测标定砂的温度，通过冻融试验装置不断调整标定试验桶外温度场，使标定砂的温度始终处于从20°C 降温到0°C再升温到20°C 的循环状态中，进而研究循环温度变化条件下，多个因素对土压力盒测试结果的影响规律。

1.2 试验设备

1.2.1 标定桶和桶壁减摩措施

试验所用标定桶为圆柱形有机玻璃桶，其直径为200 mm，高度为480 mm，为了减小上部载荷施加时，标定桶侧壁与砂土之间的摩擦力对土压力盒输出结果的影响，参考学者芮瑞等[25]的试验中的桶壁减摩措施。在有机玻璃桶内壁粘贴一层特氟龙膜，用毛刷在上面均匀涂上石墨，然后再放置一层特氟龙膜，保证两层膜之间能够相互错动[25]。

1.2.2 土压力盒和温度传感器的布置

本次试验所采用的土压力盒为XHZ-4XX 系列微型电阻应变式单膜土压力盒，土压力盒的直径为35 mm，厚度为7 mm，量程分为50 kPa 和500 kPa两种，所用温度传感器为PT100 热电阻温度传感器，用于测量多个位置的温度变化，该型温度传感器的量程为-60°C～200°C。

土压力盒和温度传感器的布置如图1 所示，土压力盒埋设于标定桶内细砂的中心位置，温度传感器①和②用于测量防冻液温度，③用于测量土压力盒的温度，④和⑤分别用于测量标定桶底部和侧壁的温度，⑥和⑦分别用于测量土压力盒与侧壁和桶底之间细砂的温度。

图1 标定桶内土压力盒及温度传感器的分布Fig.1 Distribution of the EPCs (earth pressure cells) and temperature sensors in the calibration bucket

1.2.3 冻融试验装置

冻融试验装置如图2 所示，冻融试验装置由冻融循环主机箱、制冷剂循环及加热系统、自动控制系统三部分组成。制冷剂循环及加热系统由制冷剂循环泵、电加热器、换热器、管道阀门等组成。试验前，先将防冻液注入试验箱中，当标定桶全部放入试验槽后，将防冻液注入至淹没机箱回流孔为止。

图2 冻融试验装置Fig.2 Freeze-thaw test device

1.3 试验用砂

本试验所用细砂的颗粒级配曲线如图3 所示，细砂的不均匀系数Cu为2.317 9，曲率系数Cc为0.862 4。按照《土工试验标准》[26]制备得到了含水率分别为0%，4.4%，7.4%，10.4%，13.4% 的细砂。

图3 细砂的颗粒级配曲线Fig.3 Gradation curve of fine sand

1.4 试验步骤

在细砂放入标定桶前，先在标定桶的底部和侧壁用胶带把PT100 热电阻温度传感器固定。由于产生土拱效应的最小填土厚度为土压力盒直径的0.9倍[27]，因此使土压力盒上下填砂厚度均为70 mm，落砂高度始终保持500 mm，每35 mm 厚度细砂的质量为1635 g，最后用水平尺找平填砂表面。

如图4 所示，将每个填有不同含水率细砂且埋设好传感器的标定桶依次放入冻融循环箱中，并采取固定措施以避免桶体的晃动，同时采用保鲜膜封闭桶口，避免桶中细砂的含水率发生变化，其中控制快速冻融试验机芯温的传感器埋设在最左侧的桶中，设定温度控制传感器芯温的范围为0°C～20°C，每15 min 采集一次温度传感器和土压力盒的输出量。

图4 冻融循环箱内的标定桶Fig.4 Calibration buckets in the freeze-thaw cycle tank

2 循环温度影响下土压力盒的响应

2.1 含水率对土压力盒量测结果的影响

当细砂上部没有载荷作用时，单次降-升温变化过程中，研究含水率对土压力盒输出应力的影响，采用埋设于土压力盒表面的温度传感器测试的温度为参照对象，图5 为量程50 kPa 的3 个土压力盒测试的土压力随温度变化的曲线。从图5 中可以看出，每个土压力盒无论是处于干砂(0% 含水率) 中还是湿砂中，测量到的应力值均是随温度的降低而增大，随温度的升高而减小，使应力与温度呈负相关，这与文献[24] 中振弦式土压力盒的表现性能相似，而与文献[19, 22-23] 中液压式土压力盒测量应力值与温度呈正相关不同，由此可见不同感应原理的土压力盒受温度影响的规律存在差异。

图5 不同含水率细砂中土压力盒量测压力与温度的关系曲线Fig.5 Curves between pressure measured by earth pressure cells in fine sand with different moisture content and temperature

土压力盒经历一个降温和升温的过程，相同温度条件下，降温过程测得的应力值小于升温过程测得的应力值以致于图中每条散点曲线呈现为近似环状。温度接近0°C 时，由于桶壁处细砂温度微低于0°C，孔隙水会结冰，体积膨胀引起细砂中应力重分布，导致土压力盒测量应力在0°C 附近出现非线性变化甚至小幅度跳跃。

通过对试验数据的拟合分析，获得了这三个土压力盒的测量应力与温度的一次关系函数，并以一次函数的斜率作为每个土压力盒的温度标定系数。表1中给出了埋设于不同含水率细砂中土压力盒的温度标定系数和输出压力的总变化量。细砂温度从20°C到0°C，再从0°C 到20°C 的循环过程中，土压力盒的量测值发生了非常显著的变化，其压力总变化量占到土压力盒量程的22% 左右，细砂温度对土压力盒量测结果产生的影响初步分析包含两部分：一是温度对土压力盒的感应原件电阻阻值的影响，使得土压力盒的输出量随温度变化；二是温度对含水细砂力学特性的影响。

表1 不同含水率细砂中土压力盒的试验结果Table 1 Test results of each earth pressure cell buried in fine sand with different moisture content

图6 为温度标定系数随细砂中含水率变化曲线。从中可以看出来，当标定桶内的温度在0°C～20°C之间变化时，随着细砂中含水率的增加，温度标定系数的绝对值整体呈现先增大后减小的趋势，但曲线变化幅度较小，进而表明同一循环温度影响下，细砂中含水率变化对土压力盒的温度标定系数影响不大。

图6 温度标定系数与细砂含水率的关系曲线Fig.6 Curves between temperature calibration coefficient and moisture content of fine sand

2.2 不同量程土压力盒的温度敏感性

为了研究不同量程的土压力盒受温度影响的程度，选取量程为500 kPa 的土压力盒K1 进行了三组温度循环试验，试验中细砂的含水率分别为4.4%，7.4%，10.4%。图7 为土压力盒K1 的量测应力随温度变化的曲线，通过与图5 对比可知，量程为500 kPa 的土压力盒(K1) 和量程为50 kPa 的土压力盒(T1，T2，T3)的量测结果随温度变化的趋势一致。结合表1 可知，相同试验条件下，量程50 kPa 的土压力盒量测的应力总变化量在12 kPa 左右，量程500 kPa 的土压力盒量测应力的总变化量为33 kPa左右，说明当土压力盒环境的温度变化量相同时，大量程土压力盒的测量值变化量比小量程土压力盒的略大，原因是大量程土压力盒的载荷标定系数(单位微应变对应的应力荷载量)相对较大，所以由采集得到的微应变换算而来的应力也就越大。

图7 土压力盒K1 量测压力与温度的关系曲线Fig.7 Curves between pressure measured by EPC-K1 and temperature

设定土压力盒测量应力的总变化量与量程比值为n。表2 中给出了土压力盒T1、T2、T3 和K1 在不同含水率细砂条件下n的取值，从中可以看出，量程为50 kPa 的土压力盒的n值为量程为500 kPa 的4 倍左右，说明土压力盒的量程越小，受环境温度变化的影响越大。

表2 每个土压力盒受温度影响程度指标nTable 2 The index n of each earth pressure cell affected by temperature

2.3 上部载荷量对土压力盒量测结果的影响

为了探究土压力盒量测结果在温度和上部载荷共同影响下的变化规律。本次选取编号分别为T1 和T3 的两个量程为50 kPa 的土压力盒埋设于含水率为10.4% 细砂中进行了三组试验，第一组试验细砂表面无载荷，第二组试验施加6.8 kPa 的载荷，第三组试验施加13.1 kPa 的载荷。

从图8 中可以看出，不同载荷量作用下土压力盒量测结果与温度近似成线性函数关系。温度不变时，土压力盒上部施加载荷后细砂中的应力量测结果变化幅度要大于无载荷的情况，并且随着土压力盒上部载荷值的增加，应力值随温度变化的幅度会增大。表3 中温度标定系数的变化规律与上述描述相同，进一步说明，当外部温度环境变化相同时，在土压力盒上施加附加载荷，将增大土压力盒受温度影响的敏感性。

表3 不同载荷条件下每个土压力盒的试验结果Table 3 Test results of each earth pressure cell under different load conditions

图8 不同载荷条件下土压力盒量测压力与温度的关系曲线Fig.8 Curves of pressure measured by earth pressure cells with temperature under different load conditions

2.4 温度循环次数对土压力盒量测结果的影响

考虑到多次温度循环可能会使土压力盒量测结果发生改变，为此，选用编号为T1 和T3 的两个土压力盒进行了试验。试验中，细砂上未施加载荷，细砂的含水率分别为4.4% 和10.4%，利用冻融循环装置使细砂中温度降低-升高-降低-升高-降低-升高，历经3 次温度循环，每次循环历时7.5 h。试验装置内防冻液①、土压力盒表面③、标定桶内壁⑤的温度变化曲线如图9 所示。

图9 温度随时间变化曲线Fig.9 Curves of temperature changing with time

图10 给出了温度3 次循环过程中不同含水率细砂中土压力盒量测结果的时程曲线。3 次温度循环后，在含水率为4.4% 的细砂中，土压力盒T1量测结果的最大值减小了0.36 kPa，最小值减小了0.86 kPa，分别为0.72% F.S.(F.S. 即Full Scale 的缩写，土压力盒的全量程)和1.72%F.S.；土压力盒T3量测结果的最大值减小了0.36 kPa，最小值减小了0.63 kPa，分别为0.72%F.S. 和1.26% F.S.。在含水率为10.4% 的细砂中，土压力盒T1 量测结果的最大值减小了1.36 kPa，最小值减小了1.61 kPa，分别为2.72% F.S.和3.22% F.S.；土压力盒T3 量测结果的最大值减小了0.43 kPa，最小值减小了0.92 kPa，分别为0.86% F.S. 和1.84% F.S.。

图10 应力随时间变化曲线Fig.10 Curves of measured pressure changing with time

从图10 中可以看出，随着细砂经历多次温度循环变化，土压力盒量测结果的峰值会逐渐减小，但变化幅度较小，并且当细砂中含水率增大时，土压力盒量测应力减小幅度增加。初步分析，随着温度变化，细砂中孔隙体积和孔隙水压力也随之改变，尤其是当温度接近或达到0°C 时，孔隙水压力减小，孔隙体积膨胀，这种变化往往滞后于温度的改变，加之土压力盒膜片刚度小，发生形变后，恢复原状所需时间相比温度变化有所滞后，此外，多次形变后，膜片也会产生一定残余变形。上述原因最终导致，本次试验现象的发生。

3 结论

现如今土压力盒因其可以实现连续化、多点、同步监测，在地下工程实践与室内试验研究中得到了广泛的应用。然而，在其应用过程中受多因素的影响，使得工程行业科研人员很难利用它对土中应力进行精准测试。本文在前人基础之上，通过室内试验，着重对温度循环变化条件下，细砂含水率、土压力盒量程、外部加载条件、温度循环次数4 种要素对电阻应变式单膜土压力盒量测结果的变化规律进行了系统研究。初步得出如下结论：

(1)环境温度的变化对土压力盒量测有很大的影响。当温度上升时，土压力盒的量测应力逐渐减小；温度下降时，量测应力逐渐增大。

(2)环境温度变化相同时，细砂中含水率变化对土压力盒的温度标定系数影响较小；随着温度冻融循环次数的增加，埋设于湿砂中的土压力盒测量的应力会逐渐减小，细砂的含水率越大土压力盒量测应力损失量越多。

(3)环境温度变化相同且不施加载荷时，小量程的土压力盒相对于大量程的土压力盒受温度影响大，而细砂上部载荷的施加使得土压力盒温度标定系数的绝对值有所增大，且随着土压力盒上部载荷量的增大，土压力盒的量测值受温度影响更敏感。