梁雨，梅國(guó)雄*，蔣明杰，張振

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004)

0 引言

土壓力作為表征土體力學(xué)狀態(tài)的重要指標(biāo)之一，如何對(duì)土壓力進(jìn)行準(zhǔn)確量測(cè)是巖土工程科學(xué)研究和實(shí)踐的核心問(wèn)題。土壓力盒作為一種常用土壓力量測(cè)傳感器，在巖土工程實(shí)踐和科研中被廣泛應(yīng)用[1-3]。土壓力盒出廠前均進(jìn)行氣體標(biāo)定或液體標(biāo)定，由于土壓力盒實(shí)際工作環(huán)境復(fù)雜，土壓力盒與土體剛度存在差異，土壓力盒表面易產(chǎn)生拱效應(yīng)及應(yīng)力重分布[4]，此時(shí)氣標(biāo)或液標(biāo)參數(shù)將不再適用。

針對(duì)影響土壓力盒量測(cè)準(zhǔn)確性的因素，余尚江等[5]從解析理論研究出發(fā)，推導(dǎo)出了土壓力盒在結(jié)構(gòu)表面壓力、剛性基礎(chǔ)壓力及自由場(chǎng)應(yīng)力測(cè)量環(huán)境下的匹配誤差計(jì)算公式。WACHMAN等[6-7]通過(guò)單向加壓試驗(yàn)，分析了不同覆蓋層厚度與工作介質(zhì)模量比對(duì)匹配誤差的影響。韋四江等[8]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同工作介質(zhì)下的標(biāo)定系數(shù)K值差異。MIURA等[9]分析了工作介質(zhì)粒徑大小對(duì)土壓力盒標(biāo)定結(jié)果的影響。陳志堅(jiān)等[10]指出標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果受土壓力盒工作介質(zhì)密實(shí)度影響。為提升土壓力盒量測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性，學(xué)者們針對(duì)以上影響因素開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究。芮瑞等[11]根據(jù)路堤陷阱門(mén)模型試驗(yàn)中土壓力盒的受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套標(biāo)定裝置，開(kāi)展了土壓力盒的加、卸載標(biāo)定。尹紫紅等[12]通過(guò)數(shù)值分析方法確定試驗(yàn)工裝，對(duì)不同類(lèi)型的振弦式土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定。蔣明杰等[13]對(duì)比分析了剛性加載和柔性加載下的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種新型標(biāo)定試驗(yàn)方法。標(biāo)定結(jié)果應(yīng)用方面，應(yīng)宏偉等[14-16]通過(guò)采用標(biāo)定參數(shù)處理后的土壓力量測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明采用標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果處理后的土壓力數(shù)據(jù)更為可靠。在巖土工程土體應(yīng)力監(jiān)測(cè)研究中，根據(jù)土壓力盒的工作環(huán)境對(duì)預(yù)埋設(shè)土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定可以提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性。

為準(zhǔn)確獲得實(shí)際工程中土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本文采用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值仿真模型，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果確定出標(biāo)定試驗(yàn)的最優(yōu)工裝尺寸?；谠囼?yàn)工裝開(kāi)展2種不同量程的雙膜式土壓力盒標(biāo)定試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)所得標(biāo)定結(jié)果對(duì)廠家提供標(biāo)定系數(shù)進(jìn)行修正。并將標(biāo)定后雙膜式土壓力盒應(yīng)用于平南三橋南岸錨碇基礎(chǔ)前墻土壓力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，利用標(biāo)定參數(shù)對(duì)土壓力原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

標(biāo)定試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括標(biāo)定容器尺寸及承壓板尺寸設(shè)計(jì)。為減小標(biāo)定容器邊界效應(yīng)影響，通常標(biāo)定容器尺寸宜大于土壓力盒尺寸3倍以上[17-19]。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合數(shù)值仿真方法，開(kāi)展既定容器中承壓板尺寸對(duì)標(biāo)定過(guò)程砂土應(yīng)力分布規(guī)律研究。根據(jù)工程監(jiān)測(cè)要求，試驗(yàn)工裝對(duì)2種不同量程雙膜振弦式土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定，土壓力盒具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土壓力盒參數(shù)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)裝置主體包括砂土環(huán)境模擬系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)以及待標(biāo)定雙膜土壓力盒。其中模擬系統(tǒng)中標(biāo)定容器內(nèi)徑40 cm，外徑42 cm，高17 cm。為減小因標(biāo)準(zhǔn)砂與土壓力盒剛度差異引起的誤差，土壓力盒上下覆蓋砂層厚5 cm[17]。蔣明杰等[13]進(jìn)行了剛性加載與柔性加載的差異對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明采用剛性加載方法下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較離散，多次標(biāo)定曲線差異較大。因而本次標(biāo)定試驗(yàn)采用柔性加載，砂土表面鋪設(shè)一層直徑40 cm、厚度2 cm的EPDM橡膠墊板作為柔性加載中的彈性材料，盡可能保證荷載均勻施加在砂土介質(zhì)上。加載系統(tǒng)包括液壓千斤頂與反力架，其中反力架由兩塊厚度4 cm鋼板及四條螺紋鋼構(gòu)成。液壓千斤頂加壓過(guò)程中，通過(guò)軸力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸力變化，確保逐級(jí)定量加載。加載量測(cè)設(shè)備采用動(dòng)態(tài)采集機(jī)箱，內(nèi)置32通道數(shù)據(jù)采集模塊，用以實(shí)時(shí)讀取軸力傳感器及待標(biāo)定土壓力盒測(cè)量信息。標(biāo)定試驗(yàn)裝置示意圖及現(xiàn)場(chǎng)圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 標(biāo)定試驗(yàn)裝置示意圖

圖2 標(biāo)定試驗(yàn)裝置

1.2 數(shù)值仿真

為探究承壓板尺寸對(duì)標(biāo)定過(guò)程中砂土應(yīng)力分布的影響，同時(shí)確保在拱效應(yīng)及應(yīng)力集中現(xiàn)象下的土壓力盒膜囊部分受力均勻，采用ABAQUS軟件對(duì)標(biāo)定容器建立數(shù)值分析模型。模型整體根據(jù)標(biāo)定容器設(shè)置為直徑40 cm，高17cm的圓柱體。模型整體情況及網(wǎng)格劃分如圖3所示。標(biāo)定試驗(yàn)中工作介質(zhì)采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂，土壓力盒材質(zhì)為高彈性合金鋼，各部件參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 模型示意圖

表2 部件材料參數(shù)

數(shù)值計(jì)算中，圓柱體模型的上表面與側(cè)表面設(shè)置x、y方向上的位移約束，下表面設(shè)置x、y、z方向上的位移約束。模型上表面部件作為承壓板，承壓板為一圓形，承壓板中心與模型中心軸重合，承壓板直徑D分別取39、38、37、36 cm。根據(jù)選定的雙膜式土壓力盒量程設(shè)置2組加載工況。其中，工況一的承壓板面上施加大小為1 MPa的荷載；工況二的承壓板面上施加大小為2 MPa的荷載。

1.3 承壓板尺寸確定

為保證土壓力盒在實(shí)際量測(cè)過(guò)程中膜囊區(qū)域內(nèi)z向應(yīng)力與實(shí)際荷載值一致，應(yīng)力提取點(diǎn)布置在土壓力盒表面(模型深度9 cm處平面)徑向區(qū)域。應(yīng)力提取結(jié)果如圖4所示：

(a)工況一

由圖4可知，在不同加載工況下，承壓板尺寸對(duì)土壓力盒表面砂土z向應(yīng)力的影響規(guī)律一致，應(yīng)力曲線均在土壓力盒邊界處(徑向距離14 cm、26 cm)呈現(xiàn)突變現(xiàn)象。因土壓力盒與砂土介質(zhì)剛度差異使得土壓力盒邊界處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，故膜囊區(qū)域內(nèi)應(yīng)力較高于土壓力盒周邊砂土區(qū)域。對(duì)比不同承壓板尺寸下的膜囊區(qū)域應(yīng)力分布可知，當(dāng)承壓板直徑為39 cm時(shí)，工況一中膜囊區(qū)域z向應(yīng)力均大于實(shí)際荷載值；當(dāng)承壓板直徑為38 cm時(shí)，工況一中膜囊區(qū)域z向應(yīng)力約為1.02 MPa，工況二中膜囊區(qū)域z向應(yīng)力約為2.05 MPa；當(dāng)承壓板直徑小于38 cm時(shí)，工況一中膜囊區(qū)域z向應(yīng)力均小于實(shí)際荷載值。綜上，為減小土壓力盒膜囊區(qū)域內(nèi)z向應(yīng)力與實(shí)際荷載值之間差值，該標(biāo)定裝置承壓板直徑宜取38 cm。

2 標(biāo)定試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)步驟

Step 1：為減少標(biāo)準(zhǔn)砂與標(biāo)定容器壁之間的摩擦，試驗(yàn)裝置拼接完成后，在標(biāo)定容器內(nèi)壁涂抹硅油，并在容器內(nèi)壁鋪設(shè)一層特氟龍膜；

Step 2：對(duì)容器內(nèi)進(jìn)行分層填砂，當(dāng)標(biāo)定容器內(nèi)填砂厚度至5 cm后，利用承壓板及加載系統(tǒng)對(duì)填砂進(jìn)行預(yù)壓，按標(biāo)定壓力最大值對(duì)填砂進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓過(guò)程持續(xù)10 min；

Step 3：將土壓力盒放置在預(yù)壓后砂面中心處，繼續(xù)填入標(biāo)準(zhǔn)砂，直至土壓力盒上表面的砂厚達(dá)到5 cm，按標(biāo)定壓力最大值對(duì)填砂進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓過(guò)程持續(xù)10 min；

Step 4：將EPDM橡膠墊板及承壓板鋪設(shè)在砂面上，通過(guò)軸力傳感器控制液壓千斤頂單次加載大小。加載過(guò)程中，按待標(biāo)定土壓力盒量程的十分之一逐級(jí)進(jìn)行加載，待土壓力盒頻率值穩(wěn)定后記錄下各級(jí)荷載下的頻率值；

Step 5：為去除試驗(yàn)過(guò)程中因填砂、加載偏心帶來(lái)的誤差影響，各土壓力盒重復(fù)標(biāo)定3次。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

剔除3組平行試驗(yàn)中的不合理數(shù)據(jù)后，取頻值平均值，制作不同工況下的荷載-頻值圖，并采用最小二乘法擬合出砂標(biāo)系數(shù)，不同標(biāo)定環(huán)境下的振弦式土壓力盒荷載與頻值關(guān)系擬合曲線分別如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知，通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)測(cè)得的砂標(biāo)系數(shù)K1與廠家油標(biāo)系數(shù)K2之間存在明顯差異。由于在流體標(biāo)定環(huán)境下的土壓力盒膜囊受力均勻，弦絲變形較小，導(dǎo)致不同荷載作用下的感應(yīng)弦絲頻值變化值較小。而在實(shí)際工作環(huán)境中，砂質(zhì)與壓力盒的剛度差異，使得土壓力盒表面產(chǎn)生拱效應(yīng)及應(yīng)力集中，膜囊表面受力不均勻，相對(duì)變形較大，感應(yīng)弦絲頻值變化較大。砂標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表3，由表3可以看出，砂標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果擬合的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98，說(shuō)明砂標(biāo)試驗(yàn)中荷載與頻值保持較好的線性關(guān)聯(lián)性。A類(lèi)振弦式土壓力盒的砂標(biāo)系數(shù)K1值約占廠標(biāo)系數(shù)K2的50.3 %左右，B類(lèi)振弦式土壓力盒的砂標(biāo)系數(shù)K1值約占廠標(biāo)系數(shù)K2的55.3 %。說(shuō)明廠標(biāo)數(shù)據(jù)均低于砂標(biāo)數(shù)據(jù)，且A類(lèi)土壓力盒誤差大于B類(lèi)土壓力盒，并且隨著荷載增加而愈加明顯。

圖5 A類(lèi)土壓力盒荷載與頻值關(guān)系擬合曲線

圖6 B類(lèi)土壓力盒荷載與頻值關(guān)系擬合曲線

表3 砂標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3 重力式錨碇結(jié)構(gòu)物前墻土壓力監(jiān)測(cè)

3.1 工程概況及監(jiān)測(cè)方案

平南三橋設(shè)計(jì)方案采用主跨573 m鋼管混凝土拱橋，在主橋纜索吊裝斜拉扣掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)兩岸修筑重力式錨碇結(jié)構(gòu)物，用以平衡主拱肋安裝過(guò)程中扣索鋼絞線張力。此次土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取在平南三橋南岸扣地錨B進(jìn)行。該錨碇結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土澆筑，整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)44.56 m，寬16.00 m，厚10.00 m，錨碇結(jié)構(gòu)嵌入土體深度為6.00 m。錨碇結(jié)構(gòu)設(shè)置16道扣索通道，用于安裝拱橋主體6#至11#主拱肋扣索鋼絞線。錨碇結(jié)構(gòu)剖視圖如圖7所示。

圖7 錨碇結(jié)構(gòu)俯視圖

錨碇結(jié)構(gòu)物澆筑完成后，在離錨碇結(jié)構(gòu)物前墻20.00 cm處區(qū)域設(shè)置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(OP1～OP4)，將標(biāo)定后的土壓力盒埋置于各觀測(cè)點(diǎn)下距土體表面1.00、3.00、5.00 m處，對(duì)不同深度土體應(yīng)力進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)點(diǎn)-1.00 m、-3.00 m埋置A類(lèi)土壓力盒，觀測(cè)點(diǎn)-5.00 m處埋置B類(lèi)土壓力盒。根據(jù)前墻土體受水平壓力特點(diǎn)，土壓力盒采用豎直埋設(shè)，以保證土壓力盒表面與錨碇結(jié)構(gòu)物前墻表面齊平。為避免土壓力盒在下放和工作過(guò)程中位置偏移，土壓力盒兩側(cè)采用直徑為Ф16鋼筋進(jìn)行固定。土壓力盒下放完成后對(duì)孔內(nèi)空隙進(jìn)行填砂，并將導(dǎo)線通過(guò)預(yù)留線路保護(hù)管引出地面，接入數(shù)據(jù)采集儀。土壓力盒埋置如圖8所示。

(a)鉆孔

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

選取6#至11#拱肋扣索，扣索完成后1～4個(gè)月工況下的土壓力分布進(jìn)行分析，并采用前文所得標(biāo)定參數(shù)，對(duì)土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。1～4號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的錨碇結(jié)構(gòu)物前墻上的水平土壓力隨扣索工況的變化如圖9所示。由圖9可知，4處觀測(cè)點(diǎn)前墻土壓力在扣索工況中的分布規(guī)律一致。埋設(shè)初期在填砂自重的影響下，錨碇結(jié)構(gòu)物前墻土壓力的初始應(yīng)力隨著深度的增加而增加，4處觀測(cè)點(diǎn)初始應(yīng)力最大值均在觀測(cè)點(diǎn)-5.00 m處。對(duì)于較淺處土壓力盒，在扣索作用下土體應(yīng)力增速較緩慢，增幅較小，觀測(cè)點(diǎn)-1.00 m處土壓力平均增幅為12.5 kPa，觀測(cè)點(diǎn)-3.00 m處土壓力平均增幅為22.3 kPa。對(duì)于較深處土壓力盒，在扣索作用下土體應(yīng)力增速較急劇，增幅較大，觀測(cè)點(diǎn)-5.00 m處土壓力平均增幅達(dá)到42 kPa，說(shuō)明拱肋安裝過(guò)程中前墻土體抗力主要由深層土體提供。

(a)OP1觀測(cè)點(diǎn)土體應(yīng)力曲線

除個(gè)別觀測(cè)點(diǎn)外，錨碇結(jié)構(gòu)物前墻土壓力總體上在扣索過(guò)程中增速趨緩，扣索完成2個(gè)月后土體應(yīng)力增值較大，扣索完成3個(gè)月后土體應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定，拱肋吊裝過(guò)程中扣索鋼絞線張力對(duì)前墻土體應(yīng)力的影響在時(shí)間上存在一定的滯后現(xiàn)象。筆者分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在滯后現(xiàn)象是由于在扣索前期，扣索鋼絞線水平張力由錨碇結(jié)構(gòu)物側(cè)壁及基底摩擦力平衡，隨著拱肋吊裝完成，側(cè)壁及基底土體應(yīng)力釋放，扣索鋼絞線水平張力由錨碇結(jié)構(gòu)物基底(側(cè)壁)土體及前墻土體共同承擔(dān)。

4 結(jié)論

本文采用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值仿真模型，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果確定出最優(yōu)標(biāo)定試驗(yàn)工裝尺寸。利用該試驗(yàn)工裝開(kāi)展了不同量程雙膜式土壓力盒標(biāo)定試驗(yàn)，并結(jié)合標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果分析了平南三橋南岸錨碇基礎(chǔ)前墻土壓力分布及荷載分配規(guī)律，結(jié)論如下：

① 數(shù)值模擬結(jié)果表明：土壓力盒表面應(yīng)力分布曲線均在土壓力盒邊界處呈現(xiàn)突變，因土壓力盒與砂土介質(zhì)剛度差異引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。為減小土壓力盒膜囊區(qū)域內(nèi)z向應(yīng)力與實(shí)際荷載值之間的差值，該標(biāo)定裝置承壓板直徑宜取為38 cm。

② 采用本標(biāo)定工裝進(jìn)行砂標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果擬合的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98，試驗(yàn)數(shù)據(jù)線性關(guān)聯(lián)性較好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理可靠。對(duì)比廠家采用流體標(biāo)定結(jié)果，A類(lèi)振弦式土壓力盒的砂標(biāo)系數(shù)K1值約占廠標(biāo)系數(shù)K2的50.3 %，B類(lèi)振弦式土壓力盒的砂標(biāo)系數(shù)K1值約占廠標(biāo)系數(shù)K2的55.3 %，試驗(yàn)結(jié)果可為同類(lèi)土壓力盒標(biāo)定及實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

③ 分析砂標(biāo)參數(shù)處理后的錨碇結(jié)構(gòu)物前墻土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出：拱肋吊裝階段扣索過(guò)程中較深處土體應(yīng)力增速較急劇，增幅較大，拱肋安裝過(guò)程中前墻土體抗力主要由深層土體提供，且拱肋吊裝過(guò)程中扣索鋼絞線張力對(duì)前墻土體應(yīng)力的影響在時(shí)間上存在一定的滯后現(xiàn)象。