蔡正銀，代志宇，徐光明，任國(guó)鋒

（南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210024）

1 研究背景

在巖土工程領(lǐng)域，離心模型試驗(yàn)產(chǎn)生的超重力場(chǎng)可以真實(shí)有效地還原結(jié)構(gòu)和砂土的受力狀態(tài)，同時(shí)，使用微型界面土壓力盒可以量測(cè)土與結(jié)構(gòu)接觸面處土壓力的變化情況。但試驗(yàn)過(guò)程中砂土的受力變形特性往往比較復(fù)雜，若要準(zhǔn)確量測(cè)土壓力，首要前提就是采取合理的方法得到土壓力盒的標(biāo)定系數(shù)。由于傳感器本身是由眾多微小的電子元件組成，工作狀態(tài)必然受傳感器尺寸、寬厚比、材料剛度、環(huán)境因素等的影響，對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛而深入的研究。

Dave 等［1］通過(guò)單向加壓的方法，研究了不同厚度砂土中土壓力盒的響應(yīng)問(wèn)題，并將試驗(yàn)結(jié)果與水標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果作了對(duì)比。Wachman 等［2］也是通過(guò)單向加壓的方式，研究了非均勻荷載下土壓力盒的非線(xiàn)性響應(yīng)問(wèn)題。Madabhushi 等［3］通過(guò)氣囊加壓的方式研究砂土介質(zhì)中土壓力盒的標(biāo)定方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土顆粒粒徑增加時(shí)，土壓力盒輸出數(shù)據(jù)與加壓水平曲線(xiàn)偏離零點(diǎn)的范圍也會(huì)加劇，這說(shuō)明不同的顆粒材料組成會(huì)影響土壓力盒的測(cè)量結(jié)果。Weiler 等［4］對(duì)土壓力盒寬厚比展開(kāi)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壓力盒厚徑比越小，土壓力測(cè)量越準(zhǔn)確。Daigle 等［5］提出在土壓力測(cè)量中，當(dāng)土壓力盒的量程選擇不當(dāng)時(shí)，溫度對(duì)土壓力盒的測(cè)量精度影響較大。徐光明等［6］通過(guò)總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)出一種適用于超重力場(chǎng)中土壓力測(cè)量的傳感器，并使用離心模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該傳感器測(cè)量的可行性。芮瑞等［7］對(duì)砂土介質(zhì)中的土壓力盒進(jìn)行了1 組加載標(biāo)定和4 組卸載標(biāo)定后發(fā)現(xiàn)，加載曲線(xiàn)線(xiàn)性較好，而卸載曲線(xiàn)可采用指數(shù)曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行擬合。曾輝等［8］通過(guò)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究，揭示了傳感器安置誤差對(duì)匹配系數(shù)和傳感器周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，提出了界面土壓力盒的設(shè)計(jì)原則和安裝埋置要求。焦志斌等［9］開(kāi)展了土壓力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，使用土壓力盒測(cè)試了深水板樁結(jié)構(gòu)靜止土壓力系數(shù)，以及前板樁墻兩側(cè)土壓力變化規(guī)律。

目前，在常規(guī)試驗(yàn)中，有關(guān)土壓力盒標(biāo)定的研究已日趨完備，但隨著土工試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，土工離心機(jī)在巖土工程測(cè)試中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。與常規(guī)試驗(yàn)相比，由于離心機(jī)測(cè)試設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作環(huán)境的特殊性，導(dǎo)致界面土壓力盒在超重力場(chǎng)中的測(cè)試狀態(tài)比較復(fù)雜。本文通過(guò)離心模型試驗(yàn)，從考慮外界溫度變化，土壓力盒上覆砂層厚度和顆粒粒徑變化對(duì)土壓力盒標(biāo)定結(jié)果影響的角度展開(kāi)研究，以提高超重力場(chǎng)中界面土壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備本試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院60 g·t土工離心機(jī)上進(jìn)行。該離心機(jī)的有效半徑為2 m，最大載荷（模型箱＋模型）：100 g 時(shí)，600 kg；200 g 時(shí)，300 kg。加速度控制采用可控硅無(wú)級(jí)調(diào)速方式。該機(jī)配有60 個(gè)銀質(zhì)滑環(huán)通道用于信號(hào)傳輸，可滿(mǎn)足應(yīng)力、應(yīng)變、彎矩、位移等多種物理量的測(cè)量需求。

2.2 試驗(yàn)土樣試驗(yàn)砂土采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂，3種土樣按照粒徑從小到大按編號(hào)分別為1#砂、2#砂和3#砂，根據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［10］，得到1#砂最小干密度為1.40 g/cm3，最大干密度為1.60 g/cm3；2#砂最小干密度為1.43 g/cm3，最大干密度為1.64 g/cm3；3#砂為最小干密度為1.46 g/cm3，最大干密度為1.71 g/cm3。顆粒組成如表1所示。

表1 土樣顆粒組成

2.3 砂雨法制備土樣利用砂雨法對(duì)砂土制樣可以有效保證試樣密度的均勻性，但在試驗(yàn)前需要首先考慮相對(duì)密度Dr 隨落距、出砂孔型式的變化規(guī)律，分析Dr 空間均勻分布特征。Madabhushi 等［11］和馬險(xiǎn)峰等［12］在砂雨法制樣中考慮了出砂頭的孔徑大小、出砂量、出砂頭水平移動(dòng)速度對(duì)相對(duì)密度的影響，并展開(kāi)了詳細(xì)研究。本試驗(yàn)分別使用鴨嘴式和網(wǎng)眼式出砂口（圖1 所示），其中1 號(hào)鴨嘴式出砂口寬度為5 mm，2 號(hào)和3 號(hào)網(wǎng)眼式出砂口網(wǎng)眼直徑分別為3 mm 和5 mm，分別對(duì)應(yīng)3#砂、1#砂和2#砂的制樣過(guò)程。然后通過(guò)自制的砂雨法制樣設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，將不同的砂土均勻撒入至標(biāo)定罐中，控制落距分別為20、30、40、50、60、70、80、90 和100 cm，每撒砂2 cm 升高一次撒砂口。撒砂過(guò)程中使出砂口移動(dòng)速度緩慢均勻，撒砂完畢后通過(guò)稱(chēng)量標(biāo)定罐與砂樣質(zhì)量來(lái)計(jì)算砂樣密度。最后得到落距和試樣密度的關(guān)系。其中，標(biāo)定罐內(nèi)徑為21.1 cm，高為11 cm，凈重3.7 kg。

圖1 出砂口與標(biāo)定罐

2.4 土壓力傳感器標(biāo)定

2.4.1 不同水溫下的水標(biāo)試驗(yàn) 本試驗(yàn)選擇BW-3 型土壓力盒，技術(shù)參數(shù)參考徐光明等［6］的詳細(xì)研究。在水標(biāo)前要先對(duì)空載情況下超重力場(chǎng)對(duì)土壓力盒測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行試驗(yàn)，首先將土壓力盒粘貼在不銹鋼金屬板上制作的凹槽中，粘貼時(shí)確保土壓力盒平面與不銹鋼板平面齊平，并確保傳感器在受力時(shí)不發(fā)生變位，傳感器布設(shè)如圖2 所示。之后將預(yù)制的不銹鋼板平放于模型箱（700 mm×350 mm×450 mm）底部，最后將模型箱吊入到NHRI 60 g·t 離心機(jī)中，控制離心加速度為50 g 進(jìn)行試驗(yàn)，離心機(jī)在每級(jí)加速度下穩(wěn)定10 min，進(jìn)行土壓力盒空載標(biāo)定試驗(yàn)。當(dāng)離心機(jī)開(kāi)啟后，放有模型箱的吊籃被甩起，鑲嵌有土壓力盒的不銹鋼金屬板正對(duì)離心機(jī)旋轉(zhuǎn)中心，這時(shí)各土壓力盒所受離心力相等。試驗(yàn)結(jié)束后，按照同樣的方法進(jìn)行水標(biāo)試驗(yàn)，分級(jí)控制加速度為10 g、25 g、40 g 和50 g。為了探究溫度對(duì)傳感器靈敏性的影響，水標(biāo)試驗(yàn)分別在40℃和20℃的水溫下分別進(jìn)行。最后通過(guò)計(jì)算土壓力盒上的水壓力，得到土壓力盒輸出電壓與水壓力的線(xiàn)性關(guān)系，即水標(biāo)系數(shù)。

式中：K1為水標(biāo)系數(shù)；σ1為水壓力；V 為輸出電壓。

圖2 土壓力盒布設(shè)

2.4.2 不同砂層厚度下的砂標(biāo)試驗(yàn) 為探究砂層厚度對(duì)標(biāo)定系數(shù)的影響，通過(guò)離心模型試驗(yàn)的方法，改變土壓力盒上的砂層厚度進(jìn)行試驗(yàn)。首先在模型箱側(cè)壁粘貼保鮮膜，將金屬板平放于模型箱底部，金屬板兩側(cè)使用金屬塊固定。然后根據(jù)2.3 節(jié)中砂雨法制樣結(jié)果，對(duì)1#砂進(jìn)行制樣，制樣相對(duì)密度控制在0.9，在土壓力傳感器上分別撒砂10 cm、20 cm、30 cm 和40 cm，并在模型箱頂部固定激光位移傳感器，以測(cè)量模型加載過(guò)程中土樣沉降，最后控制離心加速度按照10 g、20 g、30 g、40 g和50 g 進(jìn)行逐級(jí)加載，每級(jí)加速度穩(wěn)定10 min。最后通過(guò)擬合計(jì)算得到的土壓力盒上的豎向土壓力和土壓力盒輸出電壓的線(xiàn)性關(guān)系，得到土壓力盒的砂標(biāo)系數(shù)。

2.4.3 不同砂顆粒粒徑下的砂標(biāo)試驗(yàn) 為探究在土壓力傳感器標(biāo)定過(guò)程中，砂顆粒粒徑對(duì)傳感器標(biāo)定結(jié)果的影響，根據(jù)2.3 節(jié)中砂雨法制樣結(jié)果，分別對(duì)2#和3#砂進(jìn)行制樣，并將土樣相對(duì)密度都控制為0.9，撒砂厚度控制在10 cm 左右，撒砂結(jié)束后仍然在模型箱頂部固定激光位移傳感器測(cè)量土體沉降。然后通過(guò)離心模型試驗(yàn)，將離心加速度逐級(jí)穩(wěn)定在10 g、20 g、30 g、40 g 和50 g 進(jìn)行試驗(yàn)，每級(jí)加速度穩(wěn)定時(shí)間同樣為10 min，最后通過(guò)2.4.2 節(jié)中同樣的方法得到2#砂和3#砂的砂標(biāo)系數(shù)。模型布設(shè)如圖3 所示。

圖3 砂標(biāo)試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒荚O(shè)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 砂雨法制樣中落距-密實(shí)度關(guān)系圖4 為不同采砂口落距與相對(duì)密實(shí)度關(guān)系曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)圖4 的分析，可以得出：對(duì)于某一特定的出砂口，砂土相對(duì)密實(shí)度隨落距的增大而增大，但增長(zhǎng)速率逐漸減小。即在相對(duì)密實(shí)度較低的范圍，落距的變化對(duì)相對(duì)密度影響較明顯；在相對(duì)密實(shí)度較高的范圍，落距變化對(duì)砂樣密度的影響不明顯。另外，不同的出砂口的落距-相對(duì)密實(shí)度關(guān)系也不相同。網(wǎng)眼式出砂口在落距相對(duì)較低時(shí)，密實(shí)度隨落距的升高增加較快，隨后逐漸趨于穩(wěn)定；而鴨嘴式出砂口在撒砂過(guò)程中，隨著落距的升高密度的變化相對(duì)比較緩慢。另外，對(duì)于不同的粒徑的砂顆粒，制樣得到的密實(shí)度變化范圍也不同。本文中，1#砂、2#砂和3#砂都需要制得密實(shí)度為0.9 的土樣，因此，分別使用洞眼直徑為3 mm 和5 mm 的網(wǎng)眼式出砂口，控制落距分別為1 m 和0.6 m 制得1#砂和2#砂試樣；使用寬度為5 mm 的鴨嘴式出砂口，控制落距為1 m，制得3#砂試樣。

3.2 溫度變化對(duì)傳感器標(biāo)定結(jié)果的影響在進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，由于土壓力盒標(biāo)定試驗(yàn)中使用了12 只傳感器，數(shù)據(jù)較多，本文僅挑選出兩只傳感器的結(jié)果作為空載時(shí)的說(shuō)明，編號(hào)為1、2 和3 號(hào)的傳感器數(shù)據(jù)水標(biāo)結(jié)果作為說(shuō)明。圖5 為空載時(shí)兩只土壓力盒隨加速度變化的曲線(xiàn)，由圖5 結(jié)果可以看出，雖然土壓力盒表面沒(méi)有土體荷載，加速度從0 加載并穩(wěn)定在50 g 時(shí)依然會(huì)導(dǎo)致土壓力盒輸出電壓先增大后穩(wěn)定在某一值附近。但輸出電壓變化量很小，對(duì)后續(xù)標(biāo)定系數(shù)的計(jì)算幾乎不產(chǎn)生影響。

圖4 不同出砂口落距與相對(duì)密實(shí)度關(guān)系

圖6 為不同水溫下3 只土壓力傳感器的水標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果。從圖6 可以看出，當(dāng)土壓力盒在40 ℃和20 ℃的溫度環(huán)境下分別進(jìn)行工作時(shí)，隨著加速度的逐漸增加，傳感器的輸出電壓也在逐漸升高，卸載時(shí)傳感器輸出電壓也在隨著加速度的逐級(jí)降低而減小，且加載和卸載基本呈線(xiàn)性變化。在同一溫度下，當(dāng)離心機(jī)卸載至與加載相同加速度時(shí)，傳感器前后的輸出電壓基本相同。另外，每只傳感器在40 ℃和20 ℃的水中工作時(shí)，在同一離心加速度下每只傳感器的輸出電壓也基本相同。由此可見(jiàn)，40 ℃和20 ℃的溫度變化對(duì)傳感器正常工作影響不大。

圖5 空載時(shí)兩只土壓力盒輸出電壓隨加速度的變化情況

圖6 不同水溫下3 只土壓力盒水標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

3.3 砂層厚度對(duì)傳感器標(biāo)定結(jié)果的影響首先，由激光位移傳感器測(cè)量得到1#、2#和3#砂土樣在加速度穩(wěn)定至50 g，制樣相對(duì)密實(shí)度為0.9 時(shí)，土樣沉降分別為1.102、0.502 和0.799 mm，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，土體沉降對(duì)土樣密實(shí)度和標(biāo)定結(jié)果幾乎沒(méi)有影響。圖7 為3 只土壓力盒在不同砂層厚度下，分級(jí)加載時(shí)加速度與輸出電壓的關(guān)系，本文僅對(duì)加載時(shí)的土壓力盒數(shù)據(jù)輸出情況進(jìn)行說(shuō)明。由圖7 可以看出，隨著加速度的逐級(jí)增加，傳感器的輸出電壓也在逐漸升高。通過(guò)對(duì)比同一傳感器在不同工況下的輸出電壓值可以發(fā)現(xiàn)，土壓力傳感器在水標(biāo)時(shí)輸出電壓曲線(xiàn)與傳感器上撒砂10 cm 時(shí)的輸出電壓曲線(xiàn)比較接近，擬合直線(xiàn)線(xiàn)性度在0.99 以上，線(xiàn)性度較好；在撒砂厚度為20 cm 時(shí)傳感器標(biāo)定系數(shù)擬合直線(xiàn)線(xiàn)性度小于0.99。在砂層厚度為30 cm 時(shí)傳感器輸出電壓曲線(xiàn)開(kāi)始出現(xiàn)非線(xiàn)性趨勢(shì)，而在砂層厚度為40 cm 時(shí)非線(xiàn)性趨勢(shì)最為明顯，線(xiàn)性度均小于0.98。

圖8 是離心機(jī)加載穩(wěn)定后3 只傳感器輸出電壓和砂層厚度的關(guān)系，可以看出，隨著砂層厚度的增加，3 只土壓力傳感器的標(biāo)定系數(shù)在逐漸增大。這是因?yàn)殍偳队型翂毫鞲衅鞯慕饘侔迤椒庞谀Ｐ拖涞撞?，?dāng)砂樣厚度逐漸增大時(shí)，隨著加速度的不斷增加，砂顆粒與側(cè)壁的摩擦作用越來(lái)越顯著，這最終導(dǎo)致上層土壓力無(wú)法全部傳遞到土壓力傳感器上，也就是發(fā)生了模型試驗(yàn)中的邊界效應(yīng)［13］，從而導(dǎo)致土壓力盒感應(yīng)膜變形出現(xiàn)非線(xiàn)性變化，土壓力傳感器的輸出電壓也就相對(duì)減小。而利用公式σ=γz·ng 計(jì)算土壓力時(shí)未考慮這種現(xiàn)象，致使計(jì)算土壓力σ偏大，進(jìn)行標(biāo)定系數(shù)K 的計(jì)算時(shí)結(jié)果也會(huì)相應(yīng)增大。而當(dāng)砂層厚度較小時(shí)，土壓力計(jì)算值相對(duì)比較準(zhǔn)確，土壓力傳感器輸出電壓曲線(xiàn)的線(xiàn)性度也較好，通過(guò)擬合得到的標(biāo)定系數(shù)也較為準(zhǔn)確，與水標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果也最為接近。這也與Therous 等［14］的看法基本相同。另外，3#砂顆粒平均粒徑為1.609 mm，Ovesen［15］指出顆粒粒徑大小會(huì)影響界面土壓力盒測(cè)量結(jié)果，為求準(zhǔn)確，測(cè)量厚度應(yīng)至少大于30 倍的顆粒粒徑，因此3#砂砂層厚度至少應(yīng)為5 cm。為了增加試驗(yàn)結(jié)果的可靠度和后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果的比較，適當(dāng)增大撒砂厚度?；诖私Y(jié)果，本文在后續(xù)試驗(yàn)選擇砂層厚度10 cm（實(shí)際撒砂厚度8～10 cm）下土壓力傳感器的標(biāo)定系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算。

圖7 3 只土壓力盒砂標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

圖8 3 只土壓力盒標(biāo)定系數(shù)與砂層厚度的關(guān)系

3.4 顆粒粒徑對(duì)傳感器標(biāo)定的影響由圖9 中對(duì)不同粒徑砂土中土壓力盒的標(biāo)定結(jié)果可以看出，在相對(duì)密度0.9 下，1#砂中土壓力盒的標(biāo)定結(jié)果與水標(biāo)結(jié)果相接近，隨著土樣顆粒粒徑的增加，土壓力傳感器的標(biāo)定系數(shù)也在逐漸增加。Miura 等［16］分別使用不同粒徑的砂土對(duì)土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定時(shí)也出現(xiàn)了這種情況，他認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)殡S著土樣顆粒粒徑的增大，材料的剛度降低，撓度增大，同時(shí)側(cè)摩阻力也增大。他對(duì)不同砂土試樣進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，砂土顆粒的剛度隨著粒徑的增大而減小。Egan 和Merrifield［17］引入了一個(gè)衡量土壓力盒性能品質(zhì)的數(shù)值指標(biāo)CAF，又稱(chēng)作土壓力盒作用因數(shù)，其定義為：

式中：σce為測(cè)點(diǎn)處土壓力盒表面的法向應(yīng)力；σ0為無(wú)土壓力盒時(shí)測(cè)點(diǎn)處土壓力盒表面位置的法向應(yīng)力。

Clayton 和Bica［18］對(duì)式（2）進(jìn)行了改良，提出了一個(gè)能表征土壓力盒感應(yīng)膜和土體兩者剛度共同影響的設(shè)計(jì)參數(shù)，即柔度因數(shù)F，定義如下：

式中Es為土體的楊氏模量。這樣，土壓力盒作用因數(shù)CAF 可用柔度因數(shù)F 表示為：

當(dāng)土體的模量減少時(shí)，柔度因數(shù)F 也相應(yīng)減少，這意味著土壓力盒感應(yīng)膜的剛度增大，土壓力盒反應(yīng)變得不靈敏，則在測(cè)量土壓力時(shí)傳感器輸出信號(hào)變小導(dǎo)致輸出電壓減小。而土壓力盒標(biāo)定系數(shù)是傳感器上土壓力和輸出電壓的比值，在本文中，制樣相對(duì)密度為0.9 時(shí)，1#、2#和3#砂的密度分別為1.576、1.614 和1.682 g/cm3，在同一土樣深度處計(jì)算得到的豎向土壓力也在變大，土壓力盒輸出電壓的減小就導(dǎo)致了傳感器標(biāo)定系數(shù)隨著顆粒粒徑的變大而變大。

圖9 砂顆粒粒徑與傳感器標(biāo)定系數(shù)的關(guān)系

4 超重力場(chǎng)中不同土樣K0值測(cè)量

為探究土壓力傳感器標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，同樣在制樣相對(duì)密度為0.9 的條件下，對(duì)1#砂、2#砂和3#砂的靜止側(cè)壓力系數(shù)展開(kāi)了測(cè)量。試驗(yàn)首先在模型箱側(cè)壁粘貼保鮮膜，然后將金屬板固定在模型箱兩側(cè)，使墻板無(wú)側(cè)向變位，模型布設(shè)如圖10 所示，試驗(yàn)裝置如圖11 所示。

圖10 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾?（單位：mm）

圖11 不同土樣的K0值測(cè)定試驗(yàn)

由3.3 節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果，為減少模型箱側(cè)壁摩擦對(duì)土樣底部土壓力測(cè)量的影響，在模型箱中撒砂32 cm 左右，得以覆蓋4 個(gè)土壓力傳感器，并在模型箱頂部固定激光位移傳感器，以測(cè)量模型加載過(guò)程中土樣沉降。最后將模型吊入至離心機(jī)中，控制離心加速度逐級(jí)加載至50 g 并穩(wěn)定30 min。試驗(yàn)中豎向土壓力通過(guò)計(jì)算得到，水平土壓力通過(guò)土壓力盒測(cè)量得到，然后通過(guò)擬合墻身高度方向上水平土壓力與豎向土壓力的線(xiàn)性關(guān)系得到土樣的靜止側(cè)壓力系數(shù)。

由圖12 土壓力盒的測(cè)量結(jié)果可以看出，2#砂與3#砂的測(cè)量結(jié)果曲線(xiàn)比較接近，與1#砂相去較遠(yuǎn)。由表1 可以看出，2#砂與3#砂顆粒組成較為類(lèi)似，都是0.5～2 mm 的顆粒組成了試樣中的絕大部分，土體的性質(zhì)較為接近。1#砂中，大小為0.075～0.25 mm 的顆粒占到了土樣成分的94.5%，土樣的組成與2#砂和3#砂相差較大，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果差別也較大。土壓力盒測(cè)得的土壓力變化規(guī)律也與實(shí)際情況相符，這也證實(shí)了在離心機(jī)中采用上覆土層10 cm 厚的土壓力盒標(biāo)定方式是合理的。

圖12 墻身方向上不同土樣土壓力變化

圖13 土樣顆粒粒徑與K0值變化關(guān)系

由圖13 可以看出，隨著土樣顆粒粒徑的增加，土樣K0的試驗(yàn)值逐漸減小，這主要是因?yàn)橥令w粒越小，土顆粒周?chē)c之相接觸的粒子數(shù)量就越多［14］，這導(dǎo)致細(xì)顆粒土間的接觸更為充分，在相同密實(shí)度下應(yīng)力能得到更好的傳遞。通過(guò)三軸試驗(yàn)得到1#、2#和3#土樣的有效內(nèi)摩擦角分別為31.6°、35°和37.5°，利用Jaky 公式K0=1-sinφ'得到土樣K0的計(jì)算值如圖12 所示，可以看出計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比變化趨勢(shì)類(lèi)似，都是1#砂K0值最大，3#砂K0值最小，且Jaky 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比數(shù)值偏大，這是因?yàn)镴aky 公式僅考慮了顆粒的有效內(nèi)摩擦角對(duì)K0值的影響，而土顆粒間相互作用與眾多因素有關(guān)［19-20］，僅考慮有效內(nèi)摩擦角與實(shí)際情況不符。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)離心模型試驗(yàn)，采取了多種方案對(duì)超重力場(chǎng)中土壓力盒的標(biāo)定方法進(jìn)行了探究，并對(duì)其標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）首先使用離心模型試驗(yàn)的方法，考慮溫度對(duì)傳感器測(cè)量的影響，在40 ℃和20 ℃的水溫下對(duì)土壓力盒進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果表明40 ℃和20 ℃的溫度變化對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果的影響并不大。

（2）當(dāng)對(duì)土壓力盒進(jìn)行砂標(biāo)時(shí)，上覆土層厚度為10 cm 時(shí)傳感器輸出電壓線(xiàn)性度最好，與水標(biāo)結(jié)果最為接近，隨著砂層厚度的增加，在砂層厚度30 cm 時(shí)傳感器輸出電壓開(kāi)始出現(xiàn)非線(xiàn)性趨勢(shì)，在40 cm 時(shí)輸出電壓非線(xiàn)性趨勢(shì)最為明顯。

（3）在對(duì)同樣密度不同粒徑的土樣中進(jìn)行土壓力盒標(biāo)定時(shí)，標(biāo)定系數(shù)隨著土樣顆粒粒徑的增大而逐漸增大，這主要是因?yàn)橥翗宇w粒粒徑的增大會(huì)導(dǎo)致土樣楊氏模量減小，土壓力盒感應(yīng)膜變形較小致使輸出電壓變小。

（4）通過(guò)使用BW-3 型土壓力盒對(duì)制樣相對(duì)密度為0.9 左右下的1#、2#和3#砂的靜止側(cè)壓力系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BW-3 型土壓力盒的測(cè)量結(jié)果合理，土樣K0值隨著砂顆粒粒徑的增大逐漸減小，并將結(jié)果與Jaky 公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Jaky 公式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體趨勢(shì)一致，但數(shù)值偏大。這是因?yàn)橥令w粒間相互作用與眾多因素有關(guān)，僅考慮有效內(nèi)摩擦角對(duì)靜止側(cè)壓力系數(shù)的影響是不合理的。