铁富强， 胡　熠， 章学良

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610052)



土压力盒刚度对工程测试结果的影响分析

铁富强， 胡熠， 章学良

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610052)

【摘要】在工程测试工作中，测试元件的刚度一般都不等同于被测试的结构物或岩土体， 土压力盒是一种常用的岩土压力测试元件，由于其采用厚壁金属材料制成，因此具有较大的刚度，在岩土工程测试中发现土压力盒自身刚度大小对测试结果的影响很大，甚至出现了因所埋设测试元件的刚度问题使得结构物的受力变形特征发生变化的情况。文章根据一组扩展基础地基反力测试试验中的测试结果对土压力盒刚度对测试结果的影响进行了分析，并采用数值模拟分析方法对不同刚度大小的土压力盒对测试结果的影响进行了研究分析，确定了测试元件刚度对测试结果的影响特性。其研究成果可以为今后的岩土工程监测、科研试验测试分析等工作提供参考和借鉴。

【关键词】土压力盒;刚度;测试结果;影响

土压力盒是一种广泛应用与建筑、铁路、交通及水利等工程领域的岩土压力测试元件，常用的土压力盒通常采用厚壁的金属材料制成，因此其自身具有较大的刚度。在岩土压力的测试过程中，技术人员一般都会忽略压力盒与被测试岩土体间因其刚度或模量差异所带来的测试结果误差，但是在很多工程监测和科研试验都逐渐发现，土压力盒自身的刚度大小对岩土压力或地基反力的测试结果影响很大，甚至还出现了很多因为所埋设测试元件的刚度问题使得结构物的受力特征发生变化的情况。此时土压力盒的测试结果不但已经无法真实地反映出结构物或岩土体的受力特征，还可能会影响到地基基础等工程结构的正常工作状态。

在本文中，首先介绍了一组无筋扩展基础地基反力的测试试验，并根据试验中所测试的数据对土压力盒刚度对测试结果的影响进行了分析，最后采用数值模拟分析方法对不同刚度大小的土压力盒对岩土工程测试结果的影响进行了研究讨论分析，确定了土压力盒刚度对岩土压力测试结果的影响特性。其研究成果可以为今后的岩土工程监测、科研试验测试分析等工作提供参考和借鉴。

1扩展基础地基反力测试结果介绍

无筋扩展基础地基反力测试试验是为了确定无筋扩展基础在承载过程中地基基础反力分布特征。

在目前的测试工程中一般都是通过埋设在基础底部的土压力盒来对基础底部的地基反力进行测试，在本次试验中也采用了该测试方案。分别在基础底部均匀布置了3×3个土压力盒，土压力盒膜面朝下。

试验中的地基是由人工挖填夯实而成，填土时采用无杂物土分层回填，每层回填30 cm，土按照最优含水率洒水润湿后采用蛙式打夯机分层夯，每层夯实3遍至设计高度。为了提高土的强度，在试验开始之前在放模型的位置进行了土的预压，预压的平均荷载达到600 kPa。地基土在静置养护一个月后进行静载荷试验，采用0.5 m2的载荷板，得到的地基土P-S曲线(图1)。

图1　试验地基土P-S曲线

在加载过程中分别按照基底平均应力100 kPa、200 kPa、300 kPa直至600 kPa换算出的荷载分级施加，将各级荷载条件下得到的土压力盒测试结果绘制成基础底面的应力分布曲线(图2)。

图2　不同荷载条件下实测基底应力分布曲线

从土压力盒的实测结果中可以看出，基底呈现出两侧应力较大中间应力稍小的分布规律。从试验结果中还发现了一个问题，即所有土压力盒实测值均大于基底的平均应力，例如当根据荷载计算出的基底平均应力为600 kPa时，按照一般的认识基底土压力盒的应力应该表现为部分大于600 kPa，部分小于600 kPa，但实际上基底土压力盒实测应力却都在800 kPa以上，按照土压力盒测试结果来看基底平均应力必然远大于600 kPa，因此实测结果中必然存在一定问题。

试验结束后对试验结果中出现的问题进行了分析，分析结果认为土压力盒刚度较大是造成测试结果出现问题的主要原因。由于土压力盒壁面为金属材料，其模量远大于地基土体，因此在基础底部成为了支撑柱体，加载过程中基底较多的应力都集中在压力盒上，而基底其它位置的地基土受力较小，基底应力分布特征甚至都因土压力盒的存在而发生了变化。试验完成后对基础底部进行观察，基础底部照片如图3所示。通过观察可以看出基础底部土压力盒上方基础底部印记十分明显，也可证明此处的应力较别处更大。

图3　试验结束后基础底部照片

2土压力盒刚度对测试结果的影响

以第一节中的扩展基础试验为原型建立数值模型进行模拟计算分析，在模型基础底部建立4×4个土压力盒单元，通过调整单元的弹性模量来模拟不同的土压力盒刚度，并计算得出不同测试元件刚度下的基底地基反力分布特征。由于数值计算仅对基底应力分布特征进行分析，因此不再按照扩展基础中所采用的分级加载方式，而是在基础模型顶部按照基底平均应力1 MPa换算出的荷载一次性完成荷载施加。建立出的数值模型如图4所示，模型中共包括52 480个单元。

图4　建立的数值模型

当土压力盒的刚度大于地基土体时，即模型中测试元件单元模量大于地基土单元两个数量级以上，计算得到的基底地基反力分布如图5所示。从图中可以看出，土压力盒位置的基底应力约为2.5 MPa，其它位置的基底应力约为750 kPa，两者相差了近3倍。完全可以认为在这样的条件下测试得到的结果与实际相差很大，甚至由于土压力盒刚度较大在基底已经变成了承载的刚性柱体，完全改变了扩展基础原有的受力模式。

图5　测试元件刚度大于地基土时基底应力分布

当土压力盒的刚度与地基土体近似时，即土压力盒单元模量与地基土单元模量处于相同数量级时，计算得到的基底地基反力分布如图6所示。从图中可以看出，在土压力盒和除压力盒以外的其它位置，基础底部应力均为750 kPa左右，两者差异不大。因此可以认为在这样的条件下测试得到的结果与没有布置土压力盒时的地基反力近似相同，测试结果近似于实际情况。

图6　测试元件刚度与地基土近似时基底应力分布

当土压力盒的刚度小于地基土体时，即土压力盒单元模量小于地基土单元模量两个数量级以上，计算得到的基底地基反力分布如图7所示。从图中可以看出，测试元件底部的应力约为250 kPa，而其它位置的应力约为1 MPa，测试元件测试结果远小于真实的基底反力，但基础的受力模式并未发生较大改变。

从以上数值分析结果中可以看出，土压力盒的刚度对测试结果的影响很大，当土压力盒刚度很大时，大部分荷载都通过土压力盒传递到基底下方的土体中，其它位置的基底地基反力则很小，这样不但测试结果与实际情况相差很大，土压力盒的存在甚至改变了整个基础的受力模式；当土压力盒刚度较小时，土压力盒上方的基底压力则较其它位置的基底

图7　测试元件刚度小于地基土时基底应力分布

压力要小，但并不会对基础本身的受力模式产生改变；若土压力盒的刚度与地基土刚度近似，则土压力盒测得的基底压力与其它位置基本相同，且对基础自身受力模式没有影响。由上述情况可以看出，在测试试验中为了保证试验结果的正确性，应当尽可能的保证测试元件和被测试介质具有同样和近似的刚度。

3结论

通过分析一组扩展基础试验测试结果，并采用数值模拟方法模拟分析了不同刚度土压力盒对地基反力测试结果的影响，得出以下结论：

(1)当土压力盒刚度很大时，大部分荷载都通过土压力盒传递到基底下方的土体中，其它位置的基底地基反力则很小，这样不但测试结果与实际情况相差很大，土压力盒的存在甚至改变了整个基础的受力模式；

(2)当土压力盒刚度较小时，土压力盒上方的基底压力则较其它位置的基底压力要小，但并不会对基础本身的受力模式产生改变；

(3)若土压力盒的刚度与地基土刚度近似，则土压力盒测得的基底压力与其它位置基本相同，且对基础自身受力模式没有影响。

参考文献

[1]刘先珊, 董存军. 砂土介质中土压力盒的力学响应特性[J]. 土木建筑与环境工程， 2012(4).

[2]张彬, 王钊, 杨俊峰. 土压力盒在工程应用中的误差分析[J]. 探矿工程， 2005(S1).

【文献标志码】B

【中图分类号】TU413.4

[作者简介]铁富强，男，工程师，主要从事岩土工程设计工作。

[基金项目]中建股份科技研发课题(CSCEC-2014-Z-22)

[定稿日期]2015-07-31