水囊土压力计研制与试验验证研究

黄大维，彩国庆，徐长节，罗文俊，胡光静，詹 涛

（1.华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，江西 南昌 330013；2.华东交通大学江西省防灾减灾及应急管理重点实验室，江西 南昌 330013；3.中铁广州工程局集团有限公司，广东 广州 511457；4.南昌轨道交通集团有限公司地铁项目管理分公司，江西 南昌 330038）

土压力是岩土工程与地下工程研究中涉及的重要力学指标，因此，土压力测试也成为上述领域研究经常涉及的测试内容。现有的土压力测试普遍采用土压力盒，其测试精度一直是学者们所关注的重要内容，张海丰等指出由于土压力盒的刚度远大于周围土体，在土压力盒周围易形成被动土拱效应而导致测试结果大于实际土压力[1-4]。王继成等[5]，Talesnick 等[6]分析认为，土压力盒的测试结果与实际土压力的偏差与土体的超、欠固结状态有关，即与土体的压缩模量变化有关。简筝等[7]，任连伟等[8]，Talesnick[9]指出，由于土压力盒的刚性特性，气标法与砂标法所得到的系数完全不同。分析可知，土压力盒由于存在一定的厚度，且刚度大，在测试土压力过程中易发生应力集中，由此导致测试结果偏大。

针对现有的土压力盒测试时存在的问题，国内外学者研发了新型的薄膜式土压力传感器。刘开源等[10]研究的FSR（film pressure sensor）是一种薄膜式土压力传感器，将含有导电物质的高分子材料夹在两层聚合物膜片中间，当膜片受法向作用时，高分子材料的变形使膜片中间产生导电通道而降低FSR 电阻，通过电阻－电压的关系测量土压力值。廖波等[11]利用具有压敏性的填充型导电聚合物复合材料研发了一种新型薄膜式土压力分布传感器，并通过大型模型试验测试检验了其可行性。而薄膜式土压力传感器虽然厚度很小且具有柔性，但是抗电磁干扰能力较差，元件易损，成本高，因此在日常中应用少。

本文则提出了一种用于测试土压力的水囊土压力计，并通过配制不同压缩模量的土体进行了测试结果对比试验。本研究将此水囊土压力计应用于盾构隧道相关研究的室内模型试验中，并对测试结果进行了分析。

1 水囊土压力计研制

1.1 水囊土压力计构成

水囊土压力计由3 部分组成，分别为感压水囊，电子压力表以及感压水囊与电子压力表之间连接的透明空压软管。各部分的选择要求如下。

1）电子压力表：其量程在满足使用要求的情况下尽量小，以确保其灵敏度，并减小误差（因为误差与量程有关）。在使用前，通过在透明空压软管内注水，利用液位与压力表之间的高差来核实压力表的精准度。从测试结果看，电子压力表的读数精度完全可满足试验要求。

2）感压水囊：可为方形或圆形，根据试验的规模确定其尺寸。从市场调研来看，市面上用于门窗安装定位用的气垫气囊可直接用作感压水囊，为矩形扁平结构，长、宽分别为160 mm、150 mm。

3）透明空压软管：感压水囊与电子压力表之间通过透明的PU 空压软管进行连接，其软硬度适中，在埋入地层中不会被压扁而影响管内水压传递。选择内径为5 mm、外径为8 mm 的透明PU 空压软管，其长度根据测点与电子压力表位置的距离确定。

1.2 水囊土压力计使用

水囊土压力计在使用时，对电子压力表的精准度进行核实 （通过透明软管内的液位与压力表之间的高差读取压力表压力进行标定即可）。根据需要剪取满足长度要求的透明空压软管，其一端与感压水囊连接，在连接处采用卡箍加强。通过水囊两侧对压将其内部空气排出，从透明空压软管一端往水囊内注水，注到水囊最大容量时停止注水；再将水囊与透明空压软管的连接口朝上，通过水囊两侧对压将水囊及透明空压软管内的空气排出；当水囊压到厚度约为10 mm 时透明软管还存在空气，则继续对压水囊两侧，待压到最大限度时再次往水囊内注水。通过反复多次上述操作直到水囊压到厚度约为10 mm 时透明软管无空气，再与电子压力表连接。将空压管内的空气排出，防止试验时管内空气压缩而导致感压水囊变形过大，进而影响感压水囊周围的应力场。在使用时根据水囊的大小可压到厚度5～10 mm，防止水囊两侧发生接触，同时也减小感压水囊对周围应力场的影响。

为了避免水囊与压力表之间的高差变化而影响压力表读数，在使用时需要将压力表的高度位置进行固定。在感压水囊完成布设时，将压力表读数进行归零设置。

2 水囊土压力计与土压力盒对比试验

2.1 试验方案简介

为了解水囊土压力计在测试地层中土压力的性能，通过室内试验，对水囊土压力计与振弦式土压力盒的测试结果进行了对比分析。其中感压水囊长、宽分别为160，150 mm，注水后其中心最大厚度约为10 mm；压力表量程为300 kPa，最小读数为0.1 kPa。振弦式土压力盒的直径为114 mm，厚度为30 mm。

通过在尼龙管内填充不同压缩模量的土体，并测试土层中的内部土压力，其中尼龙管的壁厚为7 cm，内径为51 cm，高度为75 cm。为了减小填土与尼龙管内壁之间的摩擦，从而减小土体中的压力，填土前在尼龙管内壁粉刷一层厚度约为5～8 mm 的膨润土（如图1（a）所示，在能附着在内壁时尽量增大含水量，以起到良好的润滑效果）。试验时先在圆管内填入20 cm 厚的土体，再布设土压力测试元件（感压水囊与振弦式土压力盒，如图1（b）所示），两种土压力测试元件的位置尽量对称，同时保持一定的距离，以尽量减小互相影响。接着继续填土，待填土至40 cm 时（即在测试元件上下各约20 cm 的填土），在土体表面放置直径为49 cm、厚度为3 cm 的木板（其直径稍小于尼龙管内径，防止木板与尼龙管内壁接触，同时也方便数据线与水管从四周空隙通过），并在木板上方进行分步加载。

图1 土压力测试试验Fig.1 Earth pressure experiment

2.2 土体试样简介

为了分析填土压缩模量对两种土压力测试元件的测试结果影响，试验时采用砂子、砂子与橡胶粒混合材料（体积比为1∶4 进行混合）、纯橡胶粒作为土体试样，土样编号分别为No.1、No.2、No.3，3 种土体试样的组成及密度、压缩模量如表1 所示，各土样配制后如图2 所示。

表1 土样压缩性能Tab.1 Compression modulus of soil samples

图2 试验土样Fig.2 Soil samples

2.3 测试结果对比分析

图3 为不同土样填入尼龙管容器时，在上部逐步加载过程中水囊土压力计与土压力盒的实测土压力变化结果。从图3 可以看出，在加载初期，水囊土压力计与土压力盒的测试结果均与理论计算的土压力接近；随着上部加载量增加，两种土压力测试元件均有不同程度的土压力偏大现象，但因感压水囊厚度小，且为四周薄中间厚的柔性结构，其土压力偏大值要明显小于土压力盒，且在理论土压力值较大后才产生明显偏大现象。

图3 土压力测试结果对比Fig.3 Comparison of earth pressure test results

从图3（a）与图3（b）、图3（c）对比来看，土体的压缩模量对土压力测试结果影响较大。在逐步加载过程中，测试元件实测土压力偏大值并非为线性增长，主要与土体在不同加载阶段的不同压缩性有关，同时与测试元件周围的土体颗粒移动变化调整有关，如图3（c），实测土压力波动明显，主要在与橡胶粒较为松散，在应力集中发展到一定程度时，测试元件周围的橡胶粒会发生一定的调整变化（类似于在复合地基的桩顶填碎石，在桩顶应力较大时，桩顶的碎石向桩间土上发生流动，从而调整桩顶与桩间土的压力），导致实测土压力有一定的波动。

综上试验结果分析可知，本文提出的水囊土压力计用于测试地层中的土压力是可行的，由于存在一定的厚度，实测土压力偏大问题仍然不可避免，但相对于土压力盒而言，其偏大幅度明显要小；本文提出的水囊土压力计的感压水囊为四周薄中间厚的柔性结构，可直接密贴于非平面结构上测试其压力；水囊土压力计采用将感压水囊埋置到地层中，而将电子压力表放置在外面，当用于现场土压力测试时，在结束测试后可方便地将电子压力表取走继续使用（感压水囊成本很低，现场测试无法取出时对测试成本影响可以忽略不计），相比土压力盒而言在节省成本方面优势显著。

3 水囊土压力计应用案例

3.1 盾构隧道响应模型试验简介

针对近年来我国兴起的联络通道机械法施工技术，为了解盾构机施工联络通道时其开挖面稳定控制对接收端已建盾构隧道的影响，考虑开挖面加卸载（相当于开挖面过压与欠压）状态下接收端已建盾构隧道周围土压力变化[12-15]。试验所用模型盾构隧道管片环采用均质圆环，用厚度为4.6 mm 的钢板加工而成，其外径为575 mm，内径为570.4 mm，幅宽为120 mm（如图4（a）所示）。管片内侧每隔90°焊接一个角码，再采用长度为9 cm、直径为1 cm 的螺栓将两相邻管片环之间角码进行连接。为使环缝连接螺栓具有一定的拉伸弹性，在螺栓内垫入直径与长度均为4 cm 弹簧，其压缩刚度为575 N/mm，管片环之间的连接如图4（b）、图4（c）所示。

图4 模型盾构隧道管片环连接Fig.4 Connection of model shield tunnel segment rings

试验土箱内部长、宽、高分别为400，300，300 cm（如图5（a）所示）。在模型隧道底部填35 cm 砂土，再安装模型隧道，模型盾构隧道沿土箱长度方向埋设，共32 环（端部与土箱内部之间的空隙采用泡沫剂进行填充，防止砂土掉入隧道内）；然后再填厚度约为60 cm 的黑色橡胶粒 （其压缩模量较砂土小，用于模拟隧道位于软土地层）；最后在模型隧道上部填135 cm 砂土。其中砂土的密度约为1.8 g/cm3，压缩模量为9.66 MPa；橡胶粒的密度约为1.1 g/cm3，压缩模量为1.33 MPa。

图5 盾构隧道响应模型试验中土压力测试元件布设示意图Fig.5 Diagram for earth pressure measurement gauge installation in shield tunnel response model test

为了测试已建盾构隧道周围土压力变化，在模型隧道周围布设了土压力测试元件，包括上述介绍的水囊土压力计及振弦式土压力盒。因土压力盒为刚性结构，直接密贴模型隧道布设将极易导致土压力盒破损，为此将土压力盒布设在与模型隧道净距为10 cm 的位置；而感压水囊则直接密贴模型隧道布设，土压力测试元件布设位置如图5 所示。在距离模型隧道65 cm 位置安装直径为30 cm 的钢筒，模型试验时通过安装在反力架（与土箱连接）上的千斤顶顶推或缩回实现加卸载，如图6 所示。

图6 模型盾构隧道与钢筒及其顶推装置Fig.6 Shield tunnel model and steel pipe and its pushing device

为了对比水囊土压力计与振弦式土压力盒的测试结果，将模型试验全过程中的土压力进行测试，并选取了图5 中断面4 位置隧道周围的土压力测试结果（模型试验涉及的测试数据多，基于本论文的主要研究为对比两种土压力测试元件的性能，在此不再分析其他测试结果）。试验过程的各工况如表2 所示。

表2 模型试验工况Tab.2 Conditions of the model test

3.2 土压力测试结果分析

图7 为模型试验中表2 所示各工况下图5 中断面4 位置的隧道周围土压力测试结果。从图7 可以看出水囊土压力计与土压力盒的变形趋势总体是一致的，但由于两者的布设位置不同，加上在钢筒顶推与缩回时，因盾构隧道发生纵向挠曲变形及隧道断面发生竖椭圆变形，导致隧道与地层土体形成相互作用附加荷载，由此导致隧道周围的土压力发生变化。

图7 断面4 位置隧道周围土压力测试结果Fig.7 Test result of earth pressure at Section 4 around shield tunnel

由图7 可以看出，在填土阶段（工况1～工况8），水囊土压力计的测试结果均稍小于土压盒的测试结果，其主要原因在于两种测试元件的性能不同，导致其结果不同；此外，在填土过程由于模型隧道的存在，土压力盒与水囊土压力计的应力场也稍有不同。

在钢筒顶推阶段（工况14～工况25），土压力自钢筒端部开始向外扩散，从图7（a）可看出，离钢筒端部越近的土压力盒测试结果增长幅度大于水囊土压力测试结果增长幅度，钢筒顶推力导致隧道发生水平位移，如图8 所示（图8 为断面4 的水平位移，向钢筒侧发生变形为正，远离钢筒侧发生变形为负）。在钢筒顶推力作用下模型隧道向另一侧发生挠曲变形，从图8（b）可看出，其水平位移约为3 mm，由此导致隧道对侧部土体形成挤压，从而形成挤压相互作用力，且该作用力向水平方向逐渐扩散，因此对于图7（b），在钢筒顶推阶段，水囊土压力计的测试结果增长幅度明显要大于土压力盒的测试结果增长幅度。

图8 断面4 的水平位移Fig.8 Horizontal displacements at Section 4

在钢筒顶推力作用下，模型隧道在水平方向上发生挠曲位移（如图8 所示）的同时，也将发生竖椭圆变形时，如图9 所示（断面4 位置的水平位移与横断面变形分解情况如图10 所示），隧道的竖直径增大（图9（b）工况14～工况25 中竖向直径变形增大约5 mm），由此隧道与其上、下土体形成相对挤压而形成挤压力。该挤压力在向土层中传递时发生扩散，因此图7（c）与图7（d）在钢筒顶推阶段的土压力测试结果均增大，因水囊土压力计离隧道近，其土压力测试结果的增长幅度也更大。

图9 断面4 的直径变形Fig.9 Diameter deformations at Section 4

图10 断面4 位移与变形分解及与地层相互作用Fig.10 Decomposition of displacements and deformations at Section 4 and interaction with stratum

在钢筒缩回阶段（工况26～工况30），水囊土压力计与土压力盒的测试结果变化速率与钢筒顶推阶段的测试结果变化速率刚好相反，即钢筒顶推阶段土压力盒测试结果增长幅度大于水囊土压力计测试结果增长幅度，在钢筒缩回阶段土压力盒测试结果减小幅度也大于水囊土压力计测试结果减小幅度，如图7（a）所示；反之亦然，如图7（d）所示。此现象也再次证明上述两种测试元件的测试结果变化幅度不同的分析是合理的。

综上分析可知，在盾构隧道受到外部附加荷载作用下，隧道将发生纵向挠曲变形，同时发生横断面变形 （断面4 位置的水平位移与横断面变形分析如图10 所示）。由于土压力盒为刚性测试元件，模型盾构隧道外壁为弧面，因此土压力盒无法直接密贴在模型盾构隧道外壁上测试其土压力。而采用自主研制的水囊土压力计，直接贴在模型隧道外壁上，测试到了外壁为弧面的模型盾构隧道土压力。从测试结果可知，土压力盒与水囊土压力计的测试结果具有明显的不同；从测试结果的变化趋势分析来看，水囊土压力计的测试结果可信，且有必要采用水囊土压力计直接贴在模型盾构隧道外壁测试其周围土压力。

4 结论

1）研制了水囊土压力计，其感压水囊的厚度可根据水囊的大小控制在5～10 mm；通过透明的PU空压软管将感压水囊与电子压力表进行连接。在水囊土压力计使用时需要将电子压力表的高度位置进行固定。

2）在圆管内壁采用膨润土减磨后进行填土，再将水囊土压力计与土压力盒埋入土中进行了对比试验，结果表明本文提出的水囊土压力计用于测试地层中的土压力是可行的。由于存在一定的厚度，实测土压力偏大问题仍然不可避免，但相对于土压力盒而言，其偏大幅度明显要小。

3）水囊土压力计与土压力盒对比试验结果表明，在逐步加载过程中，测试元件实测土压力偏大值并非为线性增长，主要与土体在不同加载阶段的压缩性不同有关，同时与应力集中发展到一定程度，测试元件周围的土体颗粒会发生一定的调整变化有关。

4）将水囊土压力计用于盾构隧道响应模型试验研究中，测得了模型盾构隧道外壁的土压力。从测试结果可知，水囊土压力计与土压力盒的测试结果具有明显的不同；从测试结果的变化趋势分析来看，水囊土压力计的测试结果可信，且有必要采用水囊土压力计直接贴在模型盾构隧道外壁测试其周围土压力。