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加載臂的設(shè)計使測試管在穿過土壤的橫向位移過程中可以在沒有垂直約束的情況下上升。管道位移率為2.4mm/s。試驗水池和荷載條件與先前全尺寸試驗中使用的相似（例如，Trautmann和O'Rourke 1985；O'Rourke等人，2004），但主要的例外是尺寸。試驗水池的內(nèi)部尺寸為2.44 m X 2.44 m，深度為1.82 m。通過相對較大的試驗盆寬度和用福爾米卡和玻璃襯里箱體內(nèi)部，壁摩擦的端部效應(yīng)被最小化，這兩種材料都提供了相對較低的界面摩擦角。

在公稱直徑為120和150 mm的管道上進行試驗，管道中心線深徑比Hc/D在3.5和7.5之間。試驗管道具有2.5 mm厚的高密度聚乙烯（HDPE）外涂層，這是用于現(xiàn)場管道的典型涂層。嚴格控制土壤密度，每次試驗用100多個核子密度計測量，使用部分飽和砂土?xí)r，用類似數(shù)量的烘干含水量測量。

如圖10（c）的管道剖面圖所示，觸覺壓力傳感器被放置在管道上，并用雙層0.5 mm厚的聚四氟乙烯板覆蓋。聚四氟乙烯外層纏繞在管道上，但沒有固定，以便在試驗過程中旋轉(zhuǎn)和滑動。如前所述，傳感器板具有488 X 427 mm的傳感區(qū)域，2016個傳感器在每個方向的中心間隔為10 mm。在安裝之前，對傳感器進行調(diào)節(jié)和校準，使其負載率與全尺寸試驗期間的負載率相似。使用雙負載校準，并在測試期間連續(xù)記錄傳感器讀數(shù)。

圖11。土管相互作用模型

圖11示出施加在傳感器上的應(yīng)力具有變化的大小和方向。在大規(guī)模試驗中，相對于管道的土壤移動測量結(jié)果表明，土壤沿著管道表面的位移，移動了符合圖11（a）所示模式的表面剪應(yīng)力（O'Rourke et al.2008）。p表示沿管道單位長度的土壓力，f表示沿管道單位長度的土與管道之間的摩擦力，通過將p和f適當組合得到作用在管道上的單位長度的總力。單位長度的摩擦力由f（8）=p（8）tan 8SI sin 8給出，其中8SI是管道和土壤之間的界面摩擦角。橫向水平方向上作用在管道表面上的凈力Ph由下式給出：

每單位長度的凈力也可以通過使用以下關(guān)系式從實驗數(shù)據(jù)中獲得：

圖12顯示了使用干砂（單位重量為17.2 kN/m3，D=120 mm，Hc/D=5.5）進行試驗時，觸覺壓力傳感器在橫向加載的不同階段測量的正應(yīng)力分布。根據(jù)ASTM D3080-04（ASTM 2004），在常規(guī)60 X 60 mm直剪試驗裝置中測量的砂土峰值摩擦角

圖12。觸覺壓力傳感器的正常壓力分布

在較低的相對位移水平（8=10 mm）下，壓力分布是均勻的。在較高水位（8=30 mm）時，壓力分布是傾斜的，管道表面較低前四分之一處的壓力較高。這種分布模式的變化與管道在峰值荷載（8=30 mm）附近開始的垂直上升相一致，此時管道開始水平和垂直移動，以跟隨管道前面的破壞土體。與管道上升相關(guān)的垂直力增加反映在沿管道下前四分之一的壓力升高中。

圖13顯示了從觸覺壓力傳感器測量得到的側(cè)向力與位移圖，與從測試盆外部的稱重傳感器測量得到的側(cè)向力與位移圖進行了比較，如上所述。插圖顯示了管道上的觸覺壓力傳感器和聚四氟乙烯保護蓋。圖中還顯示了帶有HDPE涂層但沒有傳感器的同一管道的側(cè)向力與位移曲線，如mea所示但沒有傳感器，由外部稱重傳感器測量。該圖是針對相同的砂和Hc/D開發(fā)的。砂容重為16.9 kN/m3，

圖13。公稱直徑100mm管道水平位移的比較

對于有傳感器和沒有傳感器的管道，峰值水平力只有10%的微小差異，這種差異可以用單位重量和摩擦角的差異來解釋。因此，傳感器和保護蓋似乎沒有改變相對于無傳感器管道的水平力。在無量綱圖中，將使用帶傳感器管道的所有水平力測量值與使用不帶傳感器管道的其他2D試驗中獲得的數(shù)據(jù)進行了比較（O'Rourke et al.2008）。對于帶和不帶傳感器的管道，未觀察到力的顯著變化或數(shù)據(jù)趨勢的偏差。

每個傳感器在每個橫向位移增量處的水平力是使用公式（3）從測量的壓力分布計算得出的。通過直接剪切試驗以及O'Rourke等人（1990）建立的光滑聚合物與粒狀土壤接觸的8SI/

通過特殊試驗仔細評估沿試驗池側(cè)壁產(chǎn)生的摩擦力，其中試驗管橫向移動的滑動機構(gòu)承受測量的水平荷載，同時測量滑動的橫向阻力。在這些測試中，觸覺壓力傳感器被用來測量垂直于盒子內(nèi)側(cè)的力。通過將法向力乘以tan 8SB，將這些力轉(zhuǎn)換為水平阻力，其中8SB是土壤與盒子內(nèi)部的Formica和玻璃表面之間的界面摩擦角。用60×60mm直剪儀測試表明，8SB約為25° 用于測試砂與福米卡和玻璃之間的界面。從外部測力傳感器測得的水平力中減去管壁摩擦力，以提供管道上的實際橫向力。一般而言，峰值水平荷載下端部剪切效應(yīng)的修正值小于實測橫向荷載的6%。

結(jié)論

在存在土壤-結(jié)構(gòu)相互作用剪力的情況下，使用觸覺壓力傳感器將導(dǎo)致傳感器損壞或法向應(yīng)力讀數(shù)不準確。一個保護系統(tǒng)，其中包括兩層特氟隆被發(fā)現(xiàn)，以保護傳感器和大大減少剪切應(yīng)力對傳感器測量的影響。

試驗結(jié)果表明，當壓力超過傳感器壓力上限的15%時，傳感器測量值在加載60～120s后施加壓力的10%以內(nèi)。這項研究的結(jié)果證實了其他研究者的發(fā)現(xiàn)（如Paikowsky和Hajduk 1997），即當壓力水平小于最大壓力范圍的15%時，測量不準確度增加。

與傳統(tǒng)的土壤應(yīng)力傳感器相比，觸覺壓力傳感器的測量精度更高。觸覺壓力傳感器通過在相對較大的表面上提供分布式應(yīng)力測量并適應(yīng)傳統(tǒng)應(yīng)力傳感器不可能實現(xiàn)的各種表面幾何形狀，具有額外的優(yōu)點。

傳感器測量的蠕變在加載后大約120 s開始。對于較長測量持續(xù)時間的傳感器響應(yīng)，其特征在于傳統(tǒng)的蠕變方程，其中測量壓力的增量等于蠕變系數(shù)和對數(shù)時間變化的乘積。隨著時間的推移，應(yīng)從測量壓力中減去該表觀壓力，以估計實際施加的壓力。

二維土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗是用觸覺壓力傳感器包裹在埋在沙土中并側(cè)向位移的管道上進行的。由傳感器數(shù)據(jù)生成的P-y曲線與由施加荷載的獨立測量得出的曲線比較良好。本文提供了從傳感器測量中解析管道上的法向應(yīng)力以及確定管道上的水平力的方法。

基于本研究所獲得的試驗結(jié)果，觸覺式壓力傳感器具有適當?shù)木�度和通用性，可用于大型實驗室和�?結(jié)構(gòu)相互作用離心試驗中法向應(yīng)力的可靠測量。但是，必須注意消除或減輕傳遞到傳感器表面的剪切應(yīng)力，并考慮時間-基于本研究所獲得的試驗結(jié)果，觸覺式壓力傳感器具有適當?shù)木�度和通用性，可用于大型實驗室和�?結(jié)構(gòu)相互作用離心試驗中法向應(yīng)力的可靠測量。但是，必須注意消除或減輕傳遞到傳感器表面的剪切應(yīng)力，并考慮傳感器對施加壓力的時間依賴性響應(yīng)。

致謝

這項工作主要是由喬治E。國家科學(xué)基金會Brown Jr.NEES項目，批準號CMS-0421142。本材料中表達的任何觀點、發(fā)現(xiàn)和結(jié)論或建議均為作者的觀點、發(fā)現(xiàn)和結(jié)論或建議，不一定反映國家科學(xué)基金會的觀點。這個項目是一個合作項目的一部分，包括康奈爾大學(xué)的全尺寸埋管試驗和倫斯勒的配套離心試驗。作者感謝康奈爾大學(xué)土木基礎(chǔ)設(shè)施實驗室的Tim Bond先生和John Davis先生，以及康奈爾大學(xué)NEES設(shè)備現(xiàn)場的Joe Chipalowsky先生和Qinge Ma女士，感謝他們在測試設(shè)置和執(zhí)行過程中提供的寶貴幫助。作者還承認康奈爾大學(xué)的博士學(xué)位。候選人耶利米·杰澤斯基感謝他在傳感器測試中的協(xié)助。