Development and performance evaluation of a soft-contact earth pressure transducer for geotechnical centrifuge modeling
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摘要: 微型土压计是岩土离心模型试验的重要测量技术之一。为解决刚性土压计测量中拱效应、尺寸效应、厚径比等经典误差问题及提升频响速率和精度，尝试开发了一种全新软接触式微型土压计ESP-Ⅱ，介绍了其技术创新和设计方法。以两种国际代表性土压计为参考，设计开展一系列离心模型试验，对其感应精度、速率和适用性进行评价。主要结论：①逐级加载离心加速度5g~50g试验下，各深度ESP-Ⅱ和两种参考传感器测试结果与理论值的平均误差分别为5.16%，6.70%，4.85%，三者沿深度拟合K0优度系数R2均≥0.9893。②脉冲荷载试验中ESP-Ⅱ最大响应时间约7.8 ms，略优于两种参考传感器，具有良好的频响速率。③不同幅值正弦、地震等动荷载试验下，3种传感器测得土压力均呈一致增量趋势，K0约由0.43~0.45增至0.51~0.56，与既有规律认识吻合。④离心机下降卸荷过程中，ESP-Ⅱ测得时程表现良好连续性和光滑性，反映软接触式设计有利于保障土体与传感器良好接触和稳定响应。研究成果，初步证明了软接触式土压计适应于静、动力离心试验需求，具有重要价值与应用前景。Abstract: The miniature earth pressure transducer is one of the key testing tools in geotechnical centrifuge modeling. Aiming at solving the classical problems such as arching effects, size effects and thickness-diameter ratio in the measurement of rigid transducers, and improving the frequency response rate and induction accuracy, a soft-contact pressure transducer ESP-Ⅱ is developed, and its innovations and design methods are introduced. Taking two internationally representative earth pressure transducers as reference, a series of centrifugal model tests are designed and carried out to evaluate its accuracy, frequency response and applicability. The main conclusions are as follows: (1) In the static centrifugal acceleration tests spinning up from 5g to 50g, the difference between the theoretical values and the test results of ESP-Ⅱ and the two reference transducers at each depth is small, and the average deviations are 5.16%, 6.70% and 4.85%, respectively. The coefficient R2 of the three curves K0 fitted along the depth is≥0.9893. (2) In the pulse load tests, the maximum response time of ESP-Ⅱ is about 7.8 ms, which is slightly better than that of the two reference transducers and has a satisfactory frequency response. (3) In the dynamic load tests of sine and seismic with different amplitudes, the incremental trend of earth pressure measured by the three transducers is basically consistent. The variation range of K0 increases from 0.43~0.45 before the seismic to 0.51~0.56 after the seismic, which is consistent with the existing theory. (4) At the decelerating stage of the centrifuge, the good continuity and smoothness of the time history measured by the ESP-Ⅱ, which reflects the soft-contact design, is conducive to ensuring good contact and stable response between the soil and the transducer. The research results have preliminarily proved that the developed soft-contact transducer ESP-Ⅱ satisfies the requirements of static and dynamic centrifugal tests, with significant application value and immense potential.
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0. 引言
基坑降水,一直以来是影响基坑安全稳定性的重要因素。在降水的过程中,土体中的孔隙水压力会发生转移、消散,使得土体的有效应力增加,同时形成的降水漏斗使得渗透力增强,在二者的共同作用下会导致基坑周围土体发生不均匀沉降,给周边的建筑物安全带来严重影响[1]。因此,面对深厚复杂的水文地层条件,在基坑正式开挖之前进行抽灌试验,查清各地层之间水力联系和补给情况,探究降水引起的沉降变化以及水位恢复引起的地层回弹与时间的关系,对于保证基坑工程的安全性、减小降水对周边环境的影响具有重要的意义[2]。
关于基坑降水与地层环境相互之间的影响,国内外不少学者通过现场试验[3-6]、数值模拟[7-8]以及理论分析[9-10]等展开了相关研究,并取得了一些有价值的研究成果。郑刚等[11]通过现场试验,发现在天津以粉土、粉砂为主的土层中进行回灌是可行的,并且通过加压回灌,抽水停止后适当延长回灌时间,将回灌量与抽水量维持在相近水平,可以有效控制周边地表及建筑物沉降。张勇等[12]利用地下水动力学非稳定流及土力学的基本原理,提出一种降水后周围地面不均匀沉降的预测计算方法,并通过工程实例进一步证实了该方法的可行性。王建秀等[13]依据工程实例的监测数据,发现各分层沉降之和与地面沉降值存在不相等的现象,建议采用顶板逆回弹系数对分层总和法进行修正。金小荣等[14]采用二维有限元法建立数值模型,对基坑降水引起周围土体沉降的影响因素（土体弹性模量、水位降深以及渗透系数等）进行了敏感性分析。
在以上降水试验过程中,研究对象多是软土、黏土、粉土等地层,而关于深厚富水砂性地层的相关研究相对较少。砂性土层,由于具有压缩性小、渗透系数大、易液化、无黏聚力、自稳能力差等特点,在施工过程中,一旦止水帷幕失效或者坑内疏干降水不到位,往往造成涌水涌砂等不良灾害[15]。因此,本文依托实际工程案例,在深厚富水砂性地层深基坑开挖之前,通过单井抽灌试验和群井抽灌试验,分析回灌量与观测井水位抬升关系,探究坑外回灌的可行性,提供回灌井最佳的结构形式、回灌压力以及回灌量等技术参数的建议值。同时,通过对沉降的同步观测,查明抽水引起的沉降变化以及水位恢复引起的地层回弹与时间的关系,探究承压水位恢复规律,提供土层分层沉降的过程曲线,为优化围护设计和基坑降水设计、施工提供数据支持,以实现基坑工程施工与周边环境安全的双重控制。
1. 试验方案
1.1 工程概况
南通市轨道交通1号线某地铁车站,地下车站为2～3层。开挖深度标准段为17.36 m,端头井为19.06 m,换乘段为25.98 m。整个车站,计划采用明挖顺作法进行施工,其中标注段、端头井地下连续墙的深度为43 m,换乘段地下连续墙为51 m。
1.2 水文地质条件
该车站所在地层隶属长江下游冲积平原,属冲海积微凸状平原地貌类型。地表水系发育,水位主要受长江水位、大气降水等的影响。地下水,主要为潜水含水层和承压含水层。其中,潜水主要赋存于浅部粉土、粉砂、填土层中,平均水位埋深为2.00 m,含水层总厚度较大,含水量较丰富；承压水赋存于④2层以下的砂土、粉土层中,即④2t、⑤3粉砂夹粉土和⑥层粉砂,埋深2.0～5.0 m。承压水上部相对隔水层第④2层,局部厚度较薄,且该层夹粉土,很有可能与潜水存在一定的水力联系。此外,根据勘探测量,⑤3粉砂夹粉土层承压水水位埋深约为3.06～3.28 m。具体地层分布,如图1所示。
1.3 试验目的
本文通过抽灌试验期间的抽水量、回灌量、观测井水位等试验参数的分析,结合试验期间由于减压降水和回灌引起的深层土体沉降和地面沉降实测值,为本基坑工程在施工期间,制定满足环境控制要求的减压降水和回灌方案,提供参考依据。本试验具体目的如下：①通过现场单井抽灌试验和群井抽灌试验,测定第③2、③3、④2t、⑤3层各项水文地质参数,并确定各地层之间水力联系和补给情况；②通过对现场水位、地表沉降以及深层土体沉降的监测和数据分析,绘制试验各个阶段的地面累计沉降、深层土体沉降和建筑物沉降的历时曲线,探讨（微）承压含水层诱发的土层沉降和地表沉降的规律；③根据含水层分布情况确定试验井结构,并根据试验结果对比分析其抽水效能（单井涌水量、等距离降深等）,为后期基坑减压井结构的设计提供依据。
1.4 试验井和监测点布置
为了减小降水对周边环境沉降的影响,现场抽水试验选择在空旷的场地进行。本次试验一共包括11口试验井,其结构统计表和平面布置图,分别如表1和图2所示。
表 1 地铁车站试验井结构统计表Table 1. Statistical data of test well structures of railway station土层 井号 井深/m 孔径/mm 管径/mm 过滤器长度/m 过滤器放置深度/m 备注 第③2层 G32-1 20 650 273 7 12~19 第③3层 G33-1 32 650 273 6 25~31 G33-2 32 650 273 6 25~31 第④2t层 K42t-1 40 650 273 5 34~39 G42t-1 40 650 273 5 34~39 G42t-2 40 650 273 5 34~39 第③3、④2t混合井 K42t-2 40 650 273 8 31~39 兼回收井 K42t-3 40 650 273 10 29~39 第⑤3层 K53-1 53 650 273 8 44~52 G53-1 50 650 273 5 44~49 G53-2 50 650 273 5 44~49 合计 共布置11口试验井 同时,为了掌握基坑抽水对周围环境的影响,根据试验场地条件,在抽灌试验中心周围(主要沿从D1-1至D1-9、D2-1至D2-6、D3-1至D3-11三个方向)共布置26个地面沉降监测点,每个地面沉降点进入原状土体深度不小于1.5 m,地面沉降监测点平面布置示意图如图2所示。
此外,为了探究基坑降水期间深层土体的沉降变化,在主要降水目的层及相邻层设置深层土体沉降监测标。深层土体沉降监测孔,孔径120 mm,管径19 mm的镀锌钢管采用水泥浆锚固于钻孔内,通过人工进行位移测量,深层土体沉降监测总共布置3组15个监测点,深层土体沉降标监测共包括5个层位(第③2、③3、④2t、④2、⑤3层)。深层土体沉降监测点平面布置示意图和剖面图分别如图2,3所示。
本次抽灌试验共分为4个部分：①初始静止水位观测；②单井抽水试验：分别对潜水层③3层、承压水层④2t层单井抽水；③群井抽水试验：对承压水层④2t层、⑤3层,分别展开群井抽水；④回灌试验：对③3层、④2t混合层展开回灌试验。
试验过程中均按规范要求监测抽水井或回灌井周围观测井水位变化,每隔10 min监测一次。地面沉降测点每天监测两次,时间分别为上午9点和下午6点。试验内容的具体工况信息,如表2所示。
表 2 试验工况Table 2. Test conditions试验阶段 目的层 抽水井 观测井 初始水位 第③2、③3、④2、④2t、⑤3层 — 所有试验井 单井试验 第③3层 G33-1 其余所有的试验井 单井试验 第④2t层 K42t-1 群井试验 第④2t层 K42t-1~ K42t-3 群井试验 第⑤3层 K53-1、G53-1 回灌试验 第③3、④2t层 K42t-3(回灌井) 2. 抽水试验结果分析
2.1 静止水位试验结果与分析
当成井、成孔完成后,对观测井静止水位进行了连续2 d的观察,其静止水位变化历时曲线见图4。从图4中可以看到：第③2层的静止水位绝对标高约为+1.82 m（埋深约2.03 m）；第③3层的静止水位绝对标高约+1.86 m～+2.01 m（埋深约1.75～1.94 m）；第④2t层的静止水位绝对标高约为+1.55～+1.83 m（埋深约为1.97～2.57 m）；第⑤3层的静止水位绝对标高约为+0.59～+1.04 m（埋深约为2.73～3.41 m）。
2.2 第③3层单井试验（潜水层）
在潜水层第③3层单井试验中,在抽水井G33-1内投入额定涌水量15 m3/h的水泵进行抽水,试验中的实际平均涌水量为14.25 m3/h,历时约46 h观测井水位已基本趋于稳定。水位变化与时间关系曲线如图5所示。
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图 5 第③3层单井抽水试验水位变化历时曲线Figure 5. Variation curves of water level of ③3 layer in single-well pumping tests由图5（a）可以看出,当第③3层抽水时,在抽水持续8 h后,③3层观测井水位下降速率减慢,抽水持续40 h后,③3层水位逐渐趋于稳定。整个过程,第③3层水位降深2.25 m。
当第③3层抽水时,上覆③2层观测井中水位也有明显下降（降深1.3 m）,与③3层水位稳定时间基本一致。
下伏④2t层观测井水位同样下降明显,K42t-1水位降深1.23 m,G42t-1水位降深1.5 m,G42t-2水位降深1.25 m,约占③3层同等距离观测井水位降深的55.6%～60%。但是,当第③3层抽水时,下覆第⑤3层观测井中水位基本保持稳定,基本没有变化,如图5所示。
利用第③3层抽水时距离G33-1抽水试验井水平距离20 m左右处G33-2、G42t-1、G53-2观测井内水位降深值s与地层深度M绘制M–s曲线,如图5（b）所示。从中可以看出：上覆第③2、③3层、④2t层水力联系较为密切。下伏第⑤3层与潜水层、第④2t层水力联系较弱,第④2层可作为相对隔水层。
46 h后,停止抽水进行水位恢复。在G33-1单井抽水试验结束后,进行了单井回灌试验,对观测井的水位均进行了跟踪观测,直到水位稳定为止。
从图6中可以看到：第③3层单井停抽后,水位恢复较为迅速,距离抽水井20 m的水位观测井水位恢复10%约需要7 min,停抽后水位上升速度相对较快。因而,在后期施工降水过程中建议备用电源切换时间控制在7 min以内。
2.3 第④2t层单井试验
进行第④2t层单井试验,在抽水井K42t-1内投入额定涌水量15 m3/h的水泵进行抽水,试验中测得的实际平均涌水量为12.61 m3/h。历时约42 h观测,井水位已基本趋于稳定。水位变化与时间关系曲线如图7所示。
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图 7 第④2t层单井抽水试验水位变化历时曲线Figure 7. Variation curves of water level of ④2t layer in single-well pumping tests由图7（a）可以看出,第④2t层抽水时,抽水持续18 h后,④2t层观测井水位下降速率减慢并逐渐趋于稳定。整个过程中,第④2t层水位降深5.12 m。在抽水的过程中,上覆潜水层观测井中（G32-1、G33-1、G33-2）水位有明显下降,抽水持续6 h以后,③3层地下水位下降速率减慢并渐渐趋于稳定,第③3层观测井G33-1水位降深1.42 m,G33-2水位降深1.01 m,约占④2t层同等距离观测井水位降深的19.7%～27.7%。但是,当第④2t层抽水时,下伏第⑤3层观测井中水位基本保持稳定,没有变化。
第④2t层抽水时,距离K42t-1抽水试验井水平距离13 m左右处G42t-1、G32-1、G33-1、G53-1观测井内水位降深值s与地层深度M关系曲线如图7（b）所示。由此可见,上覆潜水层与第④2t层水力联系较为密切；下覆第⑤3层与第④2t层水力联系较弱,第④2层可作为相对隔水层。
42 h后,停抽进行水位恢复。在K42t-1单井抽水试验结束后,进行了单井回灌试验,对观测井的水位均进行了跟踪观测,直到水位稳定为止。从图8中可以看到：第④2t层单井停抽后,水位恢复较为迅速,距离抽水井14 m的水位观测井水位恢复10%约需要7 min,停抽后水位上升速度相对较快。
2.4 第④2t群井抽水试验成果分析
在群井抽水试验中,3口抽水井分别为第④2t层完整井K42t-1,第③3、④2t层混合井K42t-2、K42t-3,在抽水井K42t-1、K42t-2、K42t-3内分别投入额定涌水量15,25,25 m3/h的水泵,共历时约142 h。K42t-1、K42t-2、K42t-3井平均涌水量分别约为9.48,16.19,27.07 m3/h。群井抽水试验期间,对抽水试验期间各层观测井内水位变化进行同步监测,各观测井水位降深与时间关系曲线见图9。
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图 9 第④2t层群井抽水试验水位变化历时曲线Figure 9. Variation curves of water level of ④2t layer in group-well pumping tests由图9（a）可以看出,经过约16 h的抽水之后,地层水位达到了稳定状态。其中,第④2t层中G42t-1水位降深9.34 m,G42t-2水位降深7.81 m；第③2、③3层中,水位降深2.66～3.57 m,约占④2t层同等距离观测井水位降深的28.5%～38.2%；而第⑤3层中G53-1、G53-2测得水位降深为0.16 m。
第④2t层抽水时,距离抽水试验井水平距离13 m左右处G33-2、G42t-1、G53-2观测井内水位降深s与地层深度M关系曲线,如图9（b）所示。
从图9（b）中可以看出,与之前的第④2t层单井试验相比,呈现出相同的规律：即第④2t层抽水时,上覆第③2、③3层观测井中水位有明显下降,下覆第⑤3层观测井中水位基本保持稳定,没有变化,说明上覆第③2、③3层与第④2t层水力联系较为密切,下覆第⑤3层与第④2t层水力联系较弱,第④2层可作为相对隔水层。
在群井抽水试验结束后即开始水位恢复试验,历时约7 d,期间对观测井的水位均进行了跟踪观测。水位恢复曲线如图10所示。
在群井抽水试验停抽后,在停抽后水位上升速度较为迅速。④2t层观测井最快水位恢复10%需要约14 min；上覆③2、③3层与④2t层水位同步恢复、③2层观测井水位恢复10%约需要30 min,③3层水位恢复10%约需要15 min。
2.5 第⑤3层群井抽水试验成果分析（承压含水层）
在本次群井抽水试验中,由于对象是承压含水层,因此分别进行了2次降深试验,如图11所示。
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图 11 第⑤3层群井抽水试验平均涌水量历时变化曲线Figure 11. Curves of average water inflow of ⑤3 layer in group well pumping tests第一次先进行小流量降深试验,K53-1、G53-1稳定后平均流量为24.67,20.72 m3/h,约9 h后观测井水位已基本趋于稳定；第二次大流量降深试验,稳定后平均流量为68.53,46.56 m3/h,大流量下约20.5 h后观测井水位已基本趋于稳定。
各井水位降深变化与时间关系曲线如图12所示。从图12（a）观测井的水位变化历时曲线可看出,第⑤3层抽水时,观测井水位下降幅度相对较小。在总涌水量45.39 m3/h小流量抽水时,距离抽水中心25 m的第⑤3层水位观测井水位下降0.5 m；在总涌水量115.09 m3/h大流量抽水时,距离抽水中心25 m的⑤3层水位观测井水位下降1.05 m。
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图 12 第⑤3层群井抽水试验水位变化历时曲线Figure 12. Variation curves of water level of ⑤3 layer in group-well pumping tests当第⑤3层抽水时,上覆③2层观测井中水位基本没有变化,③3层观测井G33-2水位降深0.14 m,约占⑤3层同等距离观测井水位降深的13.3%；④2t层观测井G42t-2水位降深0.17 m,约占⑤3层同等距离观测井水位降深的16.2%。
第⑤3层抽水时,距离抽水试验井水平距离25 m左右处G33-2、G42t-1、G53-2观测井内水位降深s与地层深度M关系曲线,如图12（b）所示。
从图12（b）中可以看出,第⑤3层与潜水层、第④2t层水力联系较弱,第④2层可作为相对隔水层。
在⑤3群井抽水试验结束后,进行了群井水位恢复试验,期间对观测井的水位均进行了跟踪观测,直到水位稳定为止。水位恢复曲线如图13所示。当水位恢复10%时,仅需要4 min；1 h后,水位恢复80%,水位上升迅速,所以,工程现场要确保连续供电,建议在后期施工降压过程中备用电源切换时间控制在4 min以内。
3. 回灌试验结果分析
抽水试验完成后,当各观测井水位处于稳定阶段时,开始进行回灌试验。本次回灌试验,主要针对第③3、④2t层,抽水井为G53-1,回灌井为K42t-3,回灌压力从0.00 MPa开始,以0.04 MPa为级差的连续加压的方式,加压至0.20 MPa。具体过程,如图14,15所示。从图14中可以看出：随着回灌压力和回灌量增加,水位持续回升,其中第③2、③3层水位上升0.5～1.3 m,第④2t层水位上升1.5～2.4 m。并且,随着压力加至0.08 MPa,水位上升速度持续增加；当回灌压力0.12,0.16,0.20 MPa时,虽然回灌压力在增加,但回灌量和水位上升不明显。回灌措施对于地下水位的回升以及地面沉降的控制是有效的手段,适当的回灌压力是取得较好的回灌效果的保证,根据本场地的工程特性和试验结果分析,建议后期取0.08 MPa的回灌压力,回灌井采取潜水与④2t层混合井,深度40 m,过滤器长度不小于10 m,单井回灌量不宜小于9.0 m3/h。
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图 14 回灌试验中回灌量与回灌压力历时曲线Figure 14. Curves of recharge quantity and recharge pressure in recharge tests![]()
图 15 回灌试验中回灌压力与水位变化历时曲线Figure 15. Curves of recharge pressure and change of water level in recharge tests4. 降水与周围地层沉降分析
进一步分析降水与周围地层沉降的关系。
根据试验场地形状,结合降水对地层沉降的影响规律,在试验场地布置了26个地面沉降点、15个深层土体沉降孔及7个建筑物沉降监测点,在试验期间进行跟踪监测。试验过程,如表3所示,监测情况见图16,图中“＋为抬升”,“－”为下降。
表 3 试验工况时间表Table 3. Schedule of test conditions阶段 开始时间 结束时间 试验过程 A 10月11日10:00 10月13日8:00 第③3层–单井抽水试验完成后进行恢复 B 10月15日12:55 10月17日6:56 第④2t层–单井抽水试验完成后进行恢复 C 10月19日9:00 11月1日16:00 第④2t层–群井抽水试验完成后进行恢复 D1 11月8日11:58 11月10日10:00 第⑤3层小流量降深试验 D2 11月14日20:14 11月15日16:44 第⑤3层大流量降深试验完成后进行恢复 E 11月16日16:30 11月20日20:40 第③3、④2t层–回灌试验 ![]()
图 16 地面累积沉降量时间变化历时曲线Figure 16. Curves of temporal variation of accumulated ground settlement图16为地面累积沉降量随时间变化的历时曲线图。从3个方向的地面沉降中可以看到（图16（a）～（c））：①在单井试验抽水期间,地表沉降量较小,单井抽水水位恢复后沉降基本恢复。②在第④2t层–群井抽水试验中（历时142 h）,前期水位变化迅速,持续抽水约16 h后,地层水位逐渐趋于稳定值（图9（a））；而地面沉降则是历时13 d（从10月19日—11月1日）之后才达到最大累积沉降量,约-22.2 mm（如图16（b））,由此可见,地层沉降的变化具有一定的滞后性。③试验过程中,在抽水井20 m的半径范围内,地表（D1-1剖面）产生的最大沉降量达到17.7 mm～20.8 mm。并且,越是靠近抽水井的监测点,其水位变化越大,地面沉降值越大,（同等距离范围内）呈现出由中心向两侧对称分布的形态,如图16（d）所示。④第④2t层群井停抽恢复后,水位迅速恢复,至11月8日,地表沉降回弹10%～30%,并达到稳定；在回灌试验期间（图15）,水位上升较为明显,第③2、③3层水位上升0.5～1.3 m,第④2t层水位上升1.5～2.4 m,但是地面沉降仅有一定的抬升,为1.47～3.46 mm,如图16（a）～（c）中的E阶段所示。因此,根据地面沉降监测点的数据,在整个过程中,地面产生较大的“塑性”变形沉降量P（指不可恢复的沉降部分）约为16.9～20.0 mm,如图16（a）～（c）所示。
在整个试验过程中,深层土体位移沉降量随时间的变化曲线,如图17所示。
首先,在单井试验抽水期间,地层沉降量较小。然后,在第④2t层–群井试验抽水期间（C阶段）,整体地层沉降量较大。其中,不同深度的土层发生了不同程度的沉降：上覆潜水层的深厚砂性地带沉降量变化最大,为37 mm（图17中③2、③3层的曲线）,其次是④2t粉土夹粉质黏土层,深层土体沉降最小的相对隔水层④2层和承压含水层⑤3层,仅有6 mm。不过,由于深层土体监测点F1距离抽水井比较近,因而其⑤3层的深层沉降变化较大。
此外,在对承压水层抽水试验过程中（D1—D2阶段）,深层土体下沉4 mm,可见总体上对土层的影响并不明显。在回灌阶段（E）,虽然水位上升明显,但是深层土体沉降回弹却不明显。最后,在整个深层土体沉降的过程中,潜水层中第③2、③3层产生的“塑性”沉降量c最大,为27.8 mm；其次是第④2t层产生的“塑性”沉降量b,为20.2 mm；相对隔水层④2层和承压含水层⑤3层产生的“塑性”沉降量a最小,为2.9 mm,图17所示。
从图18中可以看出建筑物监测点的沉降变化趋势：由于试验工期较长,工况较多,当降水引发的沉降相对稳定之后,即使后期有水位恢复,但是短期内沉降却不能恢复。所以,在后期基坑开挖施工过程中,应特别重视降水对敏感建筑物的保护,建议在保护对象区域采取地下水抽灌一体化来控制因降水引起的附加变形。
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图 18 建筑物监测点沉降量时间变化历时曲线Figure 18. Temporal variation curves at settlement of buildings at monitoring points5. 结论
针对南通地区特殊的深厚富水砂性地层,本文在单井抽灌和群井抽灌现场试验的基础上,探究了各地层之间水力联系和补给情况,分析了降水引起的沉降变化以及水位恢复引起的地层回弹与时间的关系。主要得出以下5点结论。
（1）经过现场抽灌试验,潜水静止水位埋深分布取1.7 m（绝对标高+2.0 m）；④2t层静止水位埋深分布取1.9 m（绝对标高+1.83 m）；⑤3层静止水位埋深分布取2.7 m（绝对标高+0.6 m）。其中,由于第④2t与上部潜水层水力联系密切,第⑤3层与潜水层、第④2t层水力联系较弱,因此,第④2层可作为相对隔水层。
（2）在深厚富水砂性地层中,地下水位变化较快、短时间内便可趋于稳定,而地层沉降变化较慢且具有一定的滞后性。越是靠近抽水井的监测点,其沉降值越大,并且由中心向两侧呈对称分布。整个试验过程中,地表最大沉降量为22.2 mm,后期经过回灌试验,水位恢复,地面沉降抬升1.47～3.46 mm,地表产生的“塑性”变形沉降量约为16.9～20.0 mm。
（3）抽水试验期间,对上覆潜水层所产生的的影响较大（沉降量37 mm）；对承压水层和相对隔水层的影响较小（沉降量6 mm）,短时间内对承压水层进行抽水降压试验,对整个上覆土层影响并不明显。回灌试验期间,水位回升较为明显,但是土层沉降回弹却比较缓慢,并产生短期内不可恢复的塑性沉降（潜水层土体的“塑性”沉降量最大,为20.2 mm；隔水层和承压含水层土体的“塑性”沉降量较小,为2.9 mm）。
（4）在降水（压）过程中,建议潜水层（第③3、④2t层）地带双电源切换时间控制在7 min以内；承压水层（第⑤3层）中双电源切换时间控制在4 min以内。此外,由于深厚富水砂性地层透水性强,降水过程中现场应预留备用电源。
（5）现场回灌有利于地下水位回升和控制地面沉降。根据南通地区深厚富水砂性地层,建议后期在基坑降水过程中应在保护对象侧设置回灌井并做到抽灌一体化,通过回灌控制保护对象因降水引起的附加变形。回灌压力优选0.08 MPa,回灌井采取潜水与④2t层混合井,深度40 m,过滤器长度不小于10 m,单井回灌量不宜小于9.0 m3/h。
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图 1 ESP-Ⅱ微型土压计设计方案及3种传感器实物
Figure 1. Structural design of ESP-Ⅱ miniature transducer and photos of three types of transducers
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图 2 调配与选取最优刚度匹配软接触材料
Figure 2. Reconciliation and test soft-contact materials with different elastic moduli
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图 3 凹、凸、平不同接触面形态设计对比
Figure 3. Design contact surface shapes of concave, convex and plane
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图 8 离心机加速度阶段3种土压计响应测试结果
Figure 8. Static centrifugal test results of three types of earth pressure transducers at celebration stage of centrifuge
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图 9 离心机加载阶段侧向土压力与理论K0分布
Figure 9. Profile of lateral earth pressure and theoretical K0 at celebration stage of centrifuge
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图 10 不同离心力下各组土压计实测侧向土压力变化
Figure 10. Measured values of three types of earth pressure transducers at different centrifugal accelerations
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图 11 脉冲波荷载下土压计动力离心试验结果
Figure 11. Dynamic centrifugal test results of three types of earth pressure transducers under pulse wave
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图 12 连续动力荷载下土压计测量结果
Figure 12. Dynamic centrifugal test results of earth pressure transducers under different seismic amplitudes
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图 13 不同动荷载下侧向土压力分布
Figure 13. Profile of lateral earth pressure under different seismic loads
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图 14 离心力逐级下降阶段3种土压计响应结果
Figure 14. Test results of three types of earth pressure transducers at decelerating stage of centrifuge
表 1 ESP-Ⅱ与国际通用土压计的主要设计参数及材料
Table 1 Main design parameters and materials of three types of earth pressure transducers
型号 量程/kPa 感应元类型 壳体/mm 线缆/mm 厚径比 接触面形式 信号类型 ESP-Ⅱ 500 压敏硅膜片 ϕ 10.5 ϕ 1.6 0.47 柔性 电压 PDA 500 电阻应变片 ϕ 7.6 ϕ 1.6 0.21 刚性 应变 EPL-D1 500 电阻应变片 ϕ 5.0 ϕ 1.5 0.32 刚性 电压 
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表 2 静力离心试验3种土压计实测土压力
Table 2 Earth pressures measured of three types of earth pressure transducers by static centrifuge spinning up 5g to 50g
离心加速度/g 土层深度/m 传感器位置/m 土压计实测值/kPa ESP-Ⅱ(IEM) PDA(TML) EPL-D1(Measurement) 5 2.0 0.75 3.41 4.89 4.33 1.25 7.01 5.81 7.66 1.75 9.97 7.48 9.23 10 4.0 1.50 7.39 9.69 9.41 2.50 14.59 13.38 16.25 3.50 22.15 17.08 21.41 15 6.0 2.25 12.46 14.40 13.11 3.75 22.89 21.23 24.74 5.25 33.69 27.32 30.28 20 8.0 3.00 16.80 19.20 18.00 5.00 30.74 28.89 32.86 7.00 45.51 36.92 40.06 30 12.0 4.50 25.48 29.08 25.85 7.50 44.31 45.88 49.20 10.50 69.51 60.65 65.54 40 16.0 6.00 36.18 39.60 36.08 10.00 62.49 63.41 66.46 14.00 89.81 83.54 87.41 50 20.0 7.50 47.82 49.66 51.51 12.50 78.28 80.31 82.43 17.50 106.89 107.35 109.85
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[1] 张建民, 于玉贞, 濮家骝, 等. 电液伺服控制离心机振动台系统研制[J]. 岩土工程学报, 2004, 26(6): 843-845. http://cge.nhri.cn/cn/article/id/11539 ZHANG Jianmin, YU Yuzhen, PU Jialiu, el at. Development of a shaking table in electro-hydraulic servo-control centrifuge[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2004, 26(6): 843-845. (in Chinese) http://cge.nhri.cn/cn/article/id/11539
[2] 陈云敏, 马鹏程, 唐耀. 土体的本构模型和超重力物理模拟[J]. 力学学报, 2020, 52(4): 901-915. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LXXB202004001.htm CHEN Yunmin, MA Pengcheng, TANG Yao. Constitutive models and hypergravity physical simulation of soils[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2020, 52(4): 901-915. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LXXB202004001.htm
[3] 土工离心模型试验技术规程: DL/T 2013—2020[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2020. Specification for Geotechnical Centrifuge Model Test Techniques: DL/T 2013—2020[S]. Beijing: China Architecture and Building, 2020. (in Chinese)
[4] 港口工程离心模型试验技术规程: JTS/T 231—7—2013[S]. 北京: 人民交通出版社, 2013. Code for Centrifugal Model Test for Port Engineering: JTS/T 231-7-2013[S]. Beijing: China Communications Press, 2013. (in Chinese)
[5] 曾辉, 余尚江. 岩土压力传感器匹配误差的计算[J]. 岩土力学, 2001, 22(1): 99-105. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200101026.htm ZENG Hui, YU Shangjiang. The calculation of matching error of rock-soil pressure transducer[J]. Rock and Soil Mechanics, 2001, 22(1): 99-105. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200101026.htm
[6] MIURA K, OTSUKA N, KOHAMA E, et al. The size of earth pressure cells on measurement in granular materials[J]. The Japanese Geotechnical Society, 2003, 43(5): 133-147.
[7] 余尚江, 曾辉. 土中自由场应力与结构表面压力测量的差异[J]. 岩土工程学报, 2003, 25(6): 654-657. http://cge.nhri.cn/cn/article/id/11299 YU Shangjiang, ZENG Hui. The difference between measurements of stress in soil and pressure on wall-surface[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003, 25(6): 654-657. (in Chinese) http://cge.nhri.cn/cn/article/id/11299
[8] JOSEPH F L, BRENT T. Laboratory calibration of earth pressure cells[J]. Geotechnical Testing Journal, 2005, 28(2): 188-196. doi: 10.1520/GTJ12089
[9] TALESNICK M. Measuring soil contact pressure on a solid boundary and quantifying soil arching[J]. Geotechnical Testing Journal, 2005, 28(2): 171-179. doi: 10.1520/GTJ12484
[10] 徐光明, 陈爱忠, 曾友金, 等. 超重力场中界面土压力的测量[J]. 岩土力学, 2007, 28(12): 2671-2674. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200712040.htm XU Guangming, CHEN Aizhong, ZENG Youjin, et al. Measurement of boundary total stress in a multi-gravity environment[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(12): 2671-2674. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200712040.htm
[11] WEILER W A, KULHAWAY F H. Factors affecting stress cell measurement in soil[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, 1982, 108(12): 1529-1548. doi: 10.1061/AJGEB6.0001393
[12] EGAN D, MERRIFIELD C K. The use of miniature earth pressure cells in a multi-gravity environment[C]// Centrifuge 98. Tokyo, 1998.
[13] DAVE T N, DASAKA S M. In-house calibration of pressure transducers and effect of material thickness[J]. Geo-mechanics and Engineering, 2013, 5(1): 1-15.
[14] 魏永权, 罗强, 张良, 等. 离心力场中微型土压力传感器非线性响应分析[J]. 岩土力学, 2015, 36(1): 286-292. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201501039.htm WEI Yongquan, LUO Qiang, ZHANG Liang, et al. Study of nonlinear response of miniature earth pressure transducer in centrifugal force field[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(1): 286-292. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201501039.htm
[15] 芮瑞, 吴端正, 胡港, 等. 模型试验中膜式土压力盒标定及其应用[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(5): 837-845. doi: 10.11779/CJGE201605009 RUI Rui, WU Duanzheng, HU Gang, et al. Calibration tests on diaphragm-type pressure cells[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(5): 837-845. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE201605009
[16] 梁波, 厉彦君, 凌学鹏, 等. 离心模型试验中微型土压力盒土压力测定[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 818-826. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201902047.htm LIANG Bo, LI Yanjun, LING Xuepeng, et al. Centrifugal model test of micro box of earth pressure[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(2): 818-826. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201902047.htm
[17] 蔡正银, 代志宇, 徐光明, 等. 离心模型试验中界面土压力盒标定方法研究[J]. 水利学报, 2020, 51(6): 695-704. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202006007.htm CAI Zhengyin, DAI Zhiyu, XU Guangming, et al. Study on calibration method of interface soil pressure sensor in centrifugal model test[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(6): 695-704. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202006007.htm
[18] 刘开源, 许成顺, 贾科敏, 等. 薄膜压力传感器(FSR)曲面土压力测量研究[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(3): 584-591. doi: 10.11779/CJGE202003021 LIU Kaiyuan, XU Chengshun, JIA Kemin, et al. Research on measurement of curved soil pressure using thin film pressure sensor (FSR) [J]. Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(3): 584-591. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE202003021
[19] GAO Y, WANG Y H. Calibration of tactile pressure sensors for measuring stress in soils[J]. Geotechnical testing journal, 2013, 36(4): 1-7.
[20] PALMER M C, O'ROURKE, THOMAS D, OLSON N A, et al. Tactile pressure sensors for soil-structure interaction assessment[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2009, 135(11): 1638-1645. doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000143
[21] MADABHUSHI S S C, HAIGH S K. Using tactile pressure sensors to measure dynamic earth pressures around du-al-row walls[J]. International Journal of Physical Modelling in Geotechnics, 2018, 19(2): 58-71.
[22] 张紫涛, 徐添华, 徐韵, 等. 薄膜压力传感器在土工试验中的适用性初探[J]. 岩土工程学报, 2016, 39(增刊1): 209-213. doi: 10.11779/CJGE2017S1041 ZHANG Zitao, XU Tianhua, XU Yun, et al. Feasibility of applying tactile pressure sensors in geotechnical tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 39(S1): 209-213. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE2017S1041
[23] MADABHUSHI G. Centrifuge Modelling for Civil Engineers[M]. Boca Raton: CRC Press, 2015.
[24] 汤兆光. 超重力试验动态孔压传感器设计方法、性能评价与应用[D]. 哈尔滨: 中国地震局工程力学研究所, 2022. TANG Zhaoguang. Design Method and Performance Evaluation of Dynamic Miniature Pore Water Pressure Transducer in Centrifuge Modelling and Its Application[D]. Harbin: Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, 2022. (in Chinese)
[25] JAKY J. The coefficient of earth pressure at rest[J]. Journal of the Society of Hungarian Architects and Engineers, 1944, 78(22): 355-358.
[26] 岩土工程仪器基本参数及通用技术条件: GB/T 15406—2007[S]. 北京: 中国标准出版社, 2007. Primary Parameter and General Specification for Geotechnical Engineering Instrument: GB/T 15406—2007[S]. Beijing: China Standards Publishing House, 2007. (in Chinese)
[27] 蔡正银, 代志宇, 徐光明, 等. 颗粒粒径和密实度对砂土K0值影响的离心模型试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(12): 3882-3888. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX202012007.htm CAI Zhengyin, DAI Zhiyu, XU Guangming, et al. Effect of particle size and compaction on K0 value of sand by centrifugal model test[J]. Rock and Soil Mechanics, 2020, 41(12): 3882-3888. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX202012007.htm
-
期刊类型引用(3)
1. 王涛，孙婷婷，占鑫杰，吕冲，陈浩. 氯离子在典型黏土地基中的迁移特性研究. 河南科学. 2023(08): 1134-1141 . 
百度学术
2. 尹康，刘霖，白瑞刚. 隔离材料对复合污染物的运移阻滞效应研究. 内蒙古工业大学学报(自然科学版). 2023(06): 561-565 . 百度学术
3. 杨婷，杨成艳，郑举功，查文化，梁海安，冯岩岩. Ca~(2+)盐溶液在高庙子膨润土中的扩散研究. 辐射防护. 2022(02): 146-154 . 百度学术
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