儲(chǔ) 亞 ，劉松玉 ，蔡國(guó)軍

（1. 東南大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210096；2. 東南大學(xué) 江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

1 引 言

由于巖土工程參數(shù)與復(fù)雜多變的自然條件密切聯(lián)系，確定巖土工程參數(shù)與合理設(shè)計(jì)成為工程建設(shè)的難點(diǎn)，亦是保證工程質(zhì)量、縮短工程周期、降低工程造價(jià)、提高工程經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的關(guān)鍵技術(shù)之一。鉆孔取樣、室內(nèi)試驗(yàn)會(huì)造成土樣擾動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果難以反映出地基巖土的真實(shí)狀況[1]，原位測(cè)試技術(shù)是在天然位置對(duì)巖土工程性能進(jìn)行測(cè)試的一種技術(shù)，勿需取樣，簡(jiǎn)便快捷，是準(zhǔn)確獲得土性參數(shù)的有效方法。因此，研究基于高精度現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)[2]，建立基于原位測(cè)試的土木工程設(shè)計(jì)計(jì)算理論，是當(dāng)前我國(guó)工程領(lǐng)域迫切需要解決的重要課題。這些參數(shù)必須積累到大量的數(shù)據(jù)，并通過(guò)相應(yīng)的理論推導(dǎo)和反算公式以求得最后的土壤參數(shù)，相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)相對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，并不能確定單一土壤參數(shù)的變化。為了解決這些相關(guān)的問(wèn)題使用標(biāo)定罐試驗(yàn)以來(lái)積累相關(guān)的數(shù)據(jù)，并可以控制相應(yīng)的條件，推導(dǎo)出具體的經(jīng)驗(yàn)公式，是最直接有效簡(jiǎn)單的方式[3]。

標(biāo)定罐試驗(yàn)最初的建立是確定圓錐靜力觸探的相應(yīng)地質(zhì)參數(shù)，而經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展現(xiàn)如今已延伸到其他的原位試驗(yàn)方法中，如旁壓儀、膨脹儀、大型壓密儀。本文旨在對(duì)國(guó)內(nèi)外原位測(cè)試標(biāo)定罐試驗(yàn)在土體原位狀態(tài)的基本土壤參數(shù)確定與推導(dǎo)領(lǐng)域中的應(yīng)用及其研究成果系統(tǒng)地進(jìn)行介紹，以促進(jìn)中國(guó)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

2 標(biāo)定罐設(shè)備儀器的發(fā)展

標(biāo)定罐發(fā)展到現(xiàn)今已經(jīng)有了近 50年的歷史，為了達(dá)到相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)定要求形成了各種不同的標(biāo)定罐體系，如CRB標(biāo)定罐體系、柔性單壁式體系、黏性土標(biāo)定罐體系等。通過(guò)查閱資料[4]，對(duì)現(xiàn)今標(biāo)定罐系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1[4-20]。

最早的標(biāo)定試驗(yàn)由 Tcheng等[21]使用剛性壁試驗(yàn)坑進(jìn)行的室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)（ragid-wall test pit），先在地上挖出一個(gè)試驗(yàn)要求尺寸的空洞，然后置入相應(yīng)試樣，進(jìn)行CPT貫入試驗(yàn)。由于受到試驗(yàn)坑邊界效應(yīng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果不甚理想。

表1 現(xiàn)今標(biāo)定罐系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of the nowadays calibration chamber

柔性壁標(biāo)定罐的概念起源于澳洲，目的是通過(guò)標(biāo)定罐對(duì)原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定性研究。Holden與墨爾本維多利亞公路局材料研究所（CRB）進(jìn)行了合作，提出了CRB標(biāo)定系統(tǒng)（柔性雙壁式）的概念[5]，并于1969年設(shè)計(jì)并建造了柔性壁罐體標(biāo)定槽，如圖1所示。其標(biāo)定罐系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念十分的先進(jìn)，后期有許多機(jī)構(gòu)進(jìn)行的了不同方面的改進(jìn)，故這一系列統(tǒng)稱(chēng)為CRB標(biāo)定罐。

圖1 CRB式標(biāo)定罐具體示意圖[5]Fig.1 Specific sketch of calibration chamber of CRB[5]

由于 CRB標(biāo)定罐柔性雙壁式體系的自身的局限，操作的復(fù)雜以及制樣的困難，使得一種新的柔性單壁式體系應(yīng)運(yùn)而生。Villet等[10]設(shè)計(jì)的這種新型標(biāo)定罐由于其設(shè)計(jì)新穎，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便被眾多學(xué)者所采用并進(jìn)行改進(jìn)。2010年的澳大利亞新南威爾士大學(xué)設(shè)計(jì)了一款用于非飽和土的柔性單壁式標(biāo)定罐裝置[20]，如圖2所示。創(chuàng)造性將單壁內(nèi)部的土樣箍板連接在了外側(cè)鋼壁上，使得制樣和不同邊界條件的實(shí)施更為方便。

圖2 新南威爾斯大學(xué)標(biāo)定罐設(shè)計(jì)圖及設(shè)備示意圖[20]Fig.2 Sketches design and equipment of calibration chamber in the University of New South Wales[20]

后期許多學(xué)者通過(guò)各自的試驗(yàn)需求，對(duì)標(biāo)定罐體系進(jìn)行不同方面的改進(jìn)與加強(qiáng)，研究貫入狀態(tài)下柔性壁邊界影響效應(yīng)對(duì)罐體和土樣體積進(jìn)行加大處理[6]6－8]；研究非飽和土樣貫入試驗(yàn)，對(duì)飽和系統(tǒng)與壓力控制系統(tǒng)的改進(jìn)[9]，適用于黏性土體的標(biāo)定罐體系的反壓系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的改進(jìn)[15]以及荷載施加方式的改進(jìn)[17]通過(guò)上部施加荷載進(jìn)行不同邊界條件的試驗(yàn)過(guò)程。

國(guó)內(nèi)方面相關(guān)的標(biāo)定罐試驗(yàn)還在起步階段，只有少數(shù)幾個(gè)科研機(jī)構(gòu)和學(xué)校進(jìn)行了相關(guān)的模型槽試驗(yàn)。標(biāo)定罐試驗(yàn)只有西南交通大學(xué)配合國(guó)家鐵路局設(shè)計(jì)了一臺(tái)柔性雙壁式標(biāo)定罐體系[22]，尺寸為600 mm×1 000 mm，圍壓由水壓控制，軸壓采用液壓千斤頂進(jìn)行施壓，長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院、孟高頭、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、蔣明鏡等都采用剛性邊界條件的模型槽試驗(yàn)體系進(jìn)行相關(guān)原位測(cè)試技術(shù)研究。

3 標(biāo)定罐試驗(yàn)理論及影響因素研究

3.1 邊界狀態(tài)控制

標(biāo)定試驗(yàn)的水平與垂直邊界都可單獨(dú)控制，分為應(yīng)力控制和應(yīng)變控制。Holden[23]定義了4種不同的邊界狀態(tài)，如圖3和表2所示。

圖3 標(biāo)定罐試驗(yàn)4種不同邊界條件[23]Fig.3 Four kinds of different boundary conditions of calibration chamber test[23]

圖3中，4種狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)為水平垂直受力的BC1狀態(tài)、水平垂直應(yīng)變?yōu)?的BC2狀態(tài)、垂直受力的BC3狀態(tài)和水平受力的BC4狀態(tài)。圖3（e）為使用柔性雙壁標(biāo)定罐中空壁體內(nèi)施加水壓，使其壓力等于土樣的橫向壓力時(shí)所產(chǎn)生的特殊狀態(tài)。

表2 標(biāo)定罐試驗(yàn)4種邊界條件Table 2 Four kinds of boundary conditions of calibration chamber test

王安斌[16]研發(fā)出了一套能夠有效模擬原狀現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)定罐系統(tǒng)，并定義了一種新型的邊界狀態(tài)，定義為BC5狀態(tài)。邊界狀態(tài)示意圖和標(biāo)定罐裝置圖如圖4所示。圖中，vσ為軸向應(yīng)力；σh1～σhn為橫向應(yīng)力，代表橫向不同受力程度可控。

圖4 標(biāo)定罐試驗(yàn)第5種邊界條件Fig.4 Fifth boundary condition of calibration chamber test

3.2 影響因素

標(biāo)定罐圓錐貫入試驗(yàn)是條件許可下在室內(nèi)進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)原位的模擬，由于受到土樣大小和應(yīng)力狀態(tài)的限制，無(wú)法達(dá)到完全的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，數(shù)據(jù)與原位試驗(yàn)有一定的區(qū)別。研究表明，影響室內(nèi)標(biāo)定罐試驗(yàn)的因素有很多，其主要的影響因素有邊界條件、尺寸效應(yīng)、土樣性質(zhì)。關(guān)于這些影響因素的研究已有相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)[24]。

（1）邊界效應(yīng)

Parkin等[25]針對(duì)在BC1、BC3邊界狀態(tài)的下的標(biāo)定罐試驗(yàn)的邊界效應(yīng)進(jìn)行了討論，通過(guò)兩種不同尺寸的貫入探頭進(jìn)行了相應(yīng)的標(biāo)定罐試驗(yàn)，研究不同邊界條件下和不同直徑比條件下對(duì)所測(cè)得錐尖阻力的影響。使用的探頭不同有兩種直徑比，分別為21.4和48.3。圖5為邊界條件和尺寸效應(yīng)對(duì)錐尖阻力的影響。

Salgado[12]根據(jù)貫入阻力理論，并通過(guò)控制相應(yīng)的邊界條件，土樣密度和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行直徑比的研究。研究顯示在BC1、BC4的邊界條件下，所測(cè)得錐尖阻力小于原位實(shí)測(cè)值。這是由于相較于原位邊界狀態(tài)BC1、BC4兩種邊界條件對(duì)圍壓的收益有一定的減弱性。

圖5 CPT標(biāo)定罐試驗(yàn)在BC1、BC3兩種邊界條件下的邊界效應(yīng)影響[25]Fig.5 CPT calibration chamber test in BC1, BC3 under condition of two kinds of boundary effect[25]

（2）尺寸效應(yīng)

通過(guò)系統(tǒng)地研究和許多研究者進(jìn)行的關(guān)于直徑比影響的標(biāo)定罐試驗(yàn)[12]得出了系統(tǒng)的關(guān)于砂性土的直徑比影響效應(yīng)。Schnaid等[13]使用 3種不同尺寸的圓錐旁壓儀進(jìn)行標(biāo)定罐試驗(yàn)（對(duì)應(yīng)的直徑比分別為38、27和22），研究土體性質(zhì)對(duì)錐尖阻力的影響。研究結(jié)果表明，密砂和中密砂隨著直徑比的增加其所測(cè)得的規(guī)格化極限應(yīng)力有顯著的增加，對(duì)于松散砂土，標(biāo)定罐的尺寸沒(méi)有明顯的影響。對(duì)于標(biāo)定罐試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)的原因的理論分析主要集中在兩種說(shuō)法上。第一種：Salgado等[25]采用孔壁擴(kuò)張理論分析并解釋了標(biāo)定罐試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)。研究表明隨著貫入壓力的逐漸增加，承受的等向壓力也在逐漸增加，孔穴周?chē)霈F(xiàn)塑性區(qū)，外圍是非線性彈性區(qū)和線彈性區(qū)，如圖6所示。第二種，Wesley[26]提出在圓錐貫入試驗(yàn)時(shí)，隨著探頭的貫入引起的垂直應(yīng)力的變化可能會(huì)導(dǎo)致錐尖阻力隨著標(biāo)定罐的尺寸減小而減小。

（3）土樣性質(zhì)效應(yīng)

對(duì)于土樣性質(zhì)的研究集中在控制變量上，通過(guò)對(duì)相應(yīng)的土樣參數(shù)的控制研究尺寸效應(yīng)對(duì)標(biāo)定罐試驗(yàn)的影響。Jamiolkowski等[27]提出了一個(gè)關(guān)于相對(duì)密度 Dr和平均有效正應(yīng)力σ∞′對(duì)錐尖阻力的公式。Huang等[16]又根據(jù) BC5邊界條件重新修正。Jamiolkowski于 2003年[28]又基于標(biāo)定罐和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試的相關(guān)試驗(yàn)提出了一個(gè)關(guān)于相對(duì)密度的標(biāo)定罐錐尖阻力經(jīng)驗(yàn)公式。

圖6 空腔擴(kuò)張理論的區(qū)域圖[25]Fig.6 Regions of the cavity expansion theory[25]

通過(guò)以上文獻(xiàn)總結(jié)分析可知，目前對(duì)于標(biāo)定罐的影響試驗(yàn)研究主要集中在砂土，主要包括邊界條件、直徑比、砂土的密實(shí)狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)。關(guān)于黏性土的研究很少。由于大型的標(biāo)定罐試驗(yàn)的制樣，固結(jié)，飽和等問(wèn)題無(wú)法很好地解決，主要還是小型的試驗(yàn)居多。標(biāo)定罐試驗(yàn)中黏性土的影響試驗(yàn)研究工作有待完善。

4 標(biāo)定罐試驗(yàn)測(cè)試成果研究

目前學(xué)者們主要針對(duì)砂性土進(jìn)行了大量的研究。Salgado等[12]1997年通過(guò)分析建立了標(biāo)定罐試驗(yàn)中錐尖阻力的影響方程，認(rèn)為影響標(biāo)定罐中錐尖阻力的因素包括土體相對(duì)密度、應(yīng)力狀態(tài)、直徑比和邊界條件，方程為

式中：DR為土體相對(duì)密度；σ為應(yīng)力狀態(tài)；Dc/dc為直徑比；BC為邊界條件。

式（1）基本總結(jié)了錐尖阻力的各種影響因素，后期許多學(xué)者基本采用這個(gè)公式設(shè)定。

Schnaid等[13]、Kuru等[29]和Lech Ba?achowski[18]都通過(guò)不同設(shè)定及條件進(jìn)行了相應(yīng)的圓錐靜力觸探相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算公式的推導(dǎo)和驗(yàn)證。

另還有部分學(xué)者進(jìn)行了一些其他相應(yīng)的標(biāo)定罐模型試驗(yàn)研究，韓國(guó)的Yoon[30]通過(guò)BC2條件的模型試驗(yàn)，提出了垃圾滲濾液污染下的土體濕密度md與電阻率之間的關(guān)系，如圖7所示。

具體的研究?jī)?nèi)容與公式見(jiàn)表 3。表中，qc為標(biāo)定罐試驗(yàn)錐尖阻力；qc∞，為阻力；Rd為直徑比；Dr為相對(duì)密度；qc，cc為標(biāo)定罐測(cè)定錐尖阻力；qc，field為原位同等條件下錐尖阻力；Dr為相對(duì)密度。pa為參考?jí)毫Γ? kPa）；σ∞′為平均有效應(yīng)力；Dr為相對(duì)密度。a、b為直徑比Rd的系數(shù)；Dr為相對(duì)密度。σv0為原位垂直有效應(yīng)力；σh0原位水平有效應(yīng)力；ID密度指數(shù)。Ww為孔隙水重度；Vt為土樣體積；Ws為干土重度；dγ為土樣干重度；ω為土樣含水率。

圖7 電阻率隨濕密度的變化[30]Fig.7 Resistivity along with the change of wet density resistivity[30]

表3 標(biāo)定罐應(yīng)用研究Table 3 Application research of calibration chamber

通過(guò)總結(jié)以上文獻(xiàn)總結(jié)分析可以得出，對(duì)標(biāo)定罐模型試驗(yàn)主要為對(duì)原位靜力觸探試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，其他的原位試驗(yàn)也有涉及，但研究較少。主要的研究土樣為砂質(zhì)土，涉及到不同密實(shí)度，不同直徑比以及不同應(yīng)力狀態(tài)條件下的貫入試驗(yàn)研究。對(duì)于黏性土以及特殊性土所進(jìn)行的研究不是太多。

5 結(jié) 論

（1）目前標(biāo)定罐的應(yīng)用還不多，主要集中在標(biāo)定罐性質(zhì)方面，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其他原位測(cè)試設(shè)備的研究，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定罐在多功能原位測(cè)試儀器中的應(yīng)用如扁鏟、旁壓、十字板等試驗(yàn)。

（2）缺乏對(duì)系列經(jīng)驗(yàn)公式除錐尖阻力qc之外的其他參數(shù)應(yīng)用，如孔隙水壓力、摩阻力、地震波和電阻率等相關(guān)研究還在起步當(dāng)中。

（3）試驗(yàn)基本采用單一的砂質(zhì)土進(jìn)行，對(duì)于較為廣泛的黏性土和一些其他性質(zhì)的特殊性土類(lèi)，如濕陷性黃土、污染土、凍土等的研究還較為缺乏需要進(jìn)一步的加強(qiáng)該類(lèi)研究。

（4）對(duì)于現(xiàn)有的標(biāo)定罐試驗(yàn)裝置還需要進(jìn)一步的改進(jìn)，由于其體積較大，各種相關(guān)的測(cè)試元件還需要更加的精密，加載制樣等措施需要進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

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