鈕建定，馮蓓蕾，胡建平

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 201612）

0 引言

土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0是土體在無(wú)側(cè)向變形條件下，固結(jié)后的有效側(cè)向應(yīng)力σ3與有效軸向應(yīng)力σ1之比。K0系數(shù)是土壓力計(jì)算不可缺少的重要參數(shù)之一。目前室內(nèi)土工試驗(yàn)最常用的測(cè)定K0系數(shù)的方法主要采用單向固結(jié)靜止側(cè)壓力儀通過(guò)試驗(yàn)獲得。靜止側(cè)壓力儀容器內(nèi)橡皮膜用來(lái)控制原狀試樣側(cè)壁有效側(cè)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(guò)程中，試樣側(cè)面與橡皮膜的側(cè)壁易產(chǎn)生摩擦，造成試樣側(cè)壁擾動(dòng)；而測(cè)定側(cè)向應(yīng)力時(shí)由于橡皮膜與土的試樣側(cè)壁之間的凹隙存在氣泡，當(dāng)側(cè)壁受到側(cè)向應(yīng)力σ3時(shí)，這些氣泡產(chǎn)生的彈力使得側(cè)向應(yīng)力≤σ3，以致試驗(yàn)中獲得的K0值偏小。通過(guò)對(duì)一些超固結(jié)土和軟土的室內(nèi)土工K0試驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)軸向壓力與側(cè)向壓力關(guān)系曲線(xiàn)不通過(guò)原點(diǎn)，尤其反映在起始3個(gè)點(diǎn)上，造成K0系數(shù)過(guò)小。本文詳細(xì)介紹一種靜止側(cè)壓儀側(cè)向變形控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)變形控制器）的設(shè)計(jì)思想，該控制器安裝在靜止側(cè)壓力儀容器端口上，安裝試樣過(guò)程中及K0試驗(yàn)時(shí)，能消除側(cè)壓力儀容器內(nèi)橡皮膜與土樣產(chǎn)生的摩擦，減少試樣的擾動(dòng)程度，并能排除容器內(nèi)土的側(cè)向與橡皮膜之間的氣泡，使得測(cè)試得到的K0數(shù)據(jù)更為客觀、真實(shí)。

1 設(shè)計(jì)原理

利用靜止側(cè)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(gè)變形控制器。控制器前端有儲(chǔ)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(tǒng)組成推進(jìn)系統(tǒng)。前后兩端通過(guò)活塞桿U形接口插銷(xiāo)鉸接，后端動(dòng)力系統(tǒng)利用活塞桿來(lái)回推動(dòng)前端密閉裝置，通過(guò)液壓系統(tǒng)換向閥的切換，可以驅(qū)使油缸內(nèi)活塞作雙向運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連接在油缸活塞桿上的注液筒活塞桿的移動(dòng)，使管道中水產(chǎn)生吸力和推力，通過(guò)前端傳遞到靜止側(cè)壓力儀的密閉室中，密閉室內(nèi)的壓力使橡皮膜收縮和膨脹，起到收縮后安裝試樣，膨脹時(shí)排出橡皮膜與試樣間空氣的作用?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。攻克了始終困擾國(guó)內(nèi)外室內(nèi)土工試驗(yàn)行業(yè)的無(wú)法精確得到K0系數(shù)的難題。

圖1 控制器結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 控制器組成

變形控制器由前端推進(jìn)部件和后端驅(qū)動(dòng)兩大部分組成。后端有油缸，油缸兩端各設(shè)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(tǒng)，形成回路。油缸內(nèi)設(shè)可來(lái)回移動(dòng)的活塞，油缸活塞桿驅(qū)動(dòng)前端，選用市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)的微型液壓推進(jìn)系統(tǒng)，略微改進(jìn)直接使用，相關(guān)產(chǎn)品詳見(jiàn)液壓傳動(dòng)裝置系列產(chǎn)品使用說(shuō)明及相關(guān)參數(shù)。前端推進(jìn)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(guò)輸水軟管與土工儀器靜止側(cè)壓力儀上一個(gè)四通接頭連接。注液筒內(nèi)預(yù)設(shè)初始?jí)毫χ?，活塞桿的雙向移動(dòng)會(huì)引起水壓變化，該變化通過(guò)輸水管傳遞到靜止側(cè)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(shí)避免側(cè)壁摩擦；橡膠圈受推力后收縮，使橡膠圈緊貼土體側(cè)面并排出空氣。注液筒用來(lái)存儲(chǔ)規(guī)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(cè)向變形?？刂破髑岸似拭媸疽馊鐖D2所示。真空壓力表用來(lái)監(jiān)測(cè)水中壓力值，反映出控制容器內(nèi)橡皮膜的收縮程度，使得土工試驗(yàn)安全可靠。前、后端兩側(cè)部件通過(guò)U形接口的活塞桿并通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接。輸水管的管路和旋塞用來(lái)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(zhǔn)備工作：排除密閉受壓室內(nèi)和測(cè)壓系統(tǒng)的氣泡。其方法是打開(kāi)靜止側(cè)壓儀外上側(cè)的排氣孔閥，從靜止側(cè)壓儀外下側(cè)進(jìn)水孔內(nèi)注入純水，當(dāng)排氣孔溢出水時(shí)，用手?jǐn)D壓受壓室內(nèi)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(fù)數(shù)次，直至無(wú)氣泡溢出時(shí)為止。排氣完畢，關(guān)閉氣孔閥，擰緊進(jìn)水孔螺帽。

用校正樣代替試樣，慢慢放入容器內(nèi)，開(kāi)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(guān)排氣孔閥，用側(cè)壓力量測(cè)系統(tǒng)并逐級(jí)施加壓力，直至壓力達(dá)500 kPa。如壓力表讀數(shù)不下降，表示受壓室和各管路系統(tǒng)不漏水，然后卸除壓力，取出校正樣塊。

控制器實(shí)施步驟：旋開(kāi)旋塞，凈水經(jīng)過(guò)輸水管與透明注液筒連通，使活塞處于刻度中間，然后關(guān)閉旋塞。操作控制開(kāi)關(guān)處于“進(jìn)”狀態(tài)：油壓從D進(jìn)入油缸，隨著油量增加，油缸活塞右移，使注液筒內(nèi)的水產(chǎn)生吸力通過(guò)連接管傳遞到靜止側(cè)壓力儀密閉室內(nèi)，變形控制器產(chǎn)生一個(gè)吸力，使固結(jié)儀內(nèi)橡皮膜收縮后凹進(jìn)，試樣垂直壓入至橡皮膜中間，此時(shí)土樣側(cè)壁與橡皮膜不產(chǎn)生阻力，降低了軟土的擾動(dòng)性，如圖3（a）所示，土樣安裝完成。

操作控制開(kāi)關(guān)處于“退”狀態(tài)：油壓從C進(jìn)入油缸，隨著油量增加，不斷推動(dòng)油缸活塞桿左移，油缸活塞桿通過(guò)銷(xiāo)軸把壓力傳遞到注液筒內(nèi)，再由注液筒活塞桿通過(guò)連接管推進(jìn)到靜止側(cè)壓力儀密閉室內(nèi)，變形控制器產(chǎn)生的推力，通過(guò)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(cè)面，橡皮膜與試樣之間氣泡從排氣閥中溢出，然后關(guān)進(jìn)水閥，使容器處于密閉狀態(tài)，完成測(cè)試K0前的所有準(zhǔn)備工作，如圖3（b）所示。這時(shí)土工試驗(yàn)施加軸向應(yīng)力后得到的側(cè)向應(yīng)力為最佳，K0數(shù)據(jù)也最為真實(shí)，達(dá)到本發(fā)明的目的。

圖3 側(cè)向控制器作用示意圖

2 測(cè)試與應(yīng)用

我們對(duì)2臺(tái)JCY型靜止側(cè)壓力系數(shù)固結(jié)儀加裝了側(cè)向控制器，在上海國(guó)際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)二～三期等多個(gè)工程中，采用了該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行靜止側(cè)壓力系數(shù)K0試驗(yàn)，繪制了大量有效軸向壓力與有效側(cè)向壓力關(guān)系圖，發(fā)現(xiàn)初始幾個(gè)點(diǎn)有效側(cè)向應(yīng)力偏小的現(xiàn)象得到改善，曲線(xiàn)線(xiàn)性回歸基本過(guò)原點(diǎn)，取得良好效果，K0數(shù)據(jù)更為真實(shí)，繪制曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 σ1′- σ3′關(guān)系曲線(xiàn)

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)油缸內(nèi)活塞雙向移動(dòng)，從而帶動(dòng)注液筒中的活塞桿跟隨運(yùn)動(dòng)，使得注液筒中的凈水產(chǎn)生的壓力，傳遞到靜止側(cè)壓力儀的密閉室中，控制橡皮膜收縮和膨脹，保證了靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的準(zhǔn)確，豐富和完善了這一領(lǐng)域的測(cè)試手段。若采用機(jī)械或手工驅(qū)動(dòng)，成本會(huì)更低，不妨也是一種嘗試。

該裝置占用空間小，低噪音，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，效果明顯，值得推廣使用。

[1]SL237-1999，土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

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