關于提高靜止側(cè)壓力系數(shù)K0測定準確性的體會

沈 昕

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,城市中機動車高速增長,帶來城市交通擁堵、環(huán)境惡化等諸多問題,因此,大力發(fā)展城市地鐵、輕軌建設已經(jīng)成為許多城市發(fā)展公共交通的根本方針。在地鐵、輕軌的勘察設計中,由于K0值能體現(xiàn)出地層在上部荷載的作用下,其水平方向的應力狀態(tài),對作用在擋土結(jié)構(gòu)物上的壓力分布、安全性以及工程措施的制定和工程造價等均有直接影響。因此在地鐵、輕軌以及高層建筑的基坑等工程勘察中是很重要的試驗指標。靜止側(cè)壓力系數(shù)K0是土體在無側(cè)向變形條件下,側(cè)向有效應力和軸向有效應力之比,即K0=σ3/σ1。靜止側(cè)壓力系數(shù) K0如何測定準確,目前國內(nèi)也有許多計算靜止土側(cè)壓力系數(shù)的經(jīng)驗公式和實測方法,下面就室內(nèi)土工試驗確定方法及影響因素逐一進行闡述。

1 靜止側(cè)壓力系數(shù)室內(nèi)試驗方法

1.1 固結(jié)儀法

固結(jié)儀法是在傳統(tǒng)的固結(jié)儀上施加軸向垂直壓力,側(cè)向安裝壓力傳感器。試驗可測得土在無側(cè)限壓縮時的軸向壓力和側(cè)向壓力。然后計算K0=σh/σv。此種方法由于套在試樣外部的膜本身不易與土完全貼緊,造成中間留有空隙,使得力在傳遞過程中有一定損失,另外膜在受壓時產(chǎn)生的彈性形變要消耗掉部分側(cè)壓力,造成試驗結(jié)果往往偏小?？梢圆扇∪缦麓胧﹣砑m正,以提高試驗的精度:1)用鋼塊校正未消耗的部分側(cè)壓力;2)制樣時應該保持軸向同心,軸向變形為零時,預加側(cè)壓力;3)樣品飽和時,應保持試樣不變形或塌落。

1.2 三軸儀法

利用應變式靜三軸儀控制側(cè)向不發(fā)生形變,這可以通過在試樣內(nèi)部安裝側(cè)向應變儀或傳感器加以監(jiān)控。在施加軸向壓力的同時,增加側(cè)向壓力,并不斷觀察側(cè)向應變儀讀數(shù),調(diào)整圍壓以保持側(cè)向應變讀數(shù)為常數(shù)。這樣便可測得側(cè)向壓力及孔隙水壓力,以此求得土的靜止側(cè)壓力系數(shù)。需要注意的是,對于飽和土樣的排水試驗,則可通過測量排水量來控制側(cè)向變形。另外也可以通過測定三軸室的體積變化達到控制側(cè)向變形的目的,這種方法可以在K0三軸儀中進行。三軸儀法得出的試驗數(shù)據(jù)相比于固結(jié)儀法更加準確,接近經(jīng)驗值,但此種方法操作繁瑣,不易控制。

1.3 側(cè)壓力儀法

側(cè)壓力儀法與固結(jié)儀法類似,這一方法是廠家針對靜止側(cè)壓力系數(shù)K0開發(fā)的專用儀器,較為常見的是JCY型靜止側(cè)壓力系數(shù)固結(jié)儀,能夠測定直徑61.8 mm、高40 mm的土樣的靜止側(cè)壓力系數(shù)。在施加軸向壓力后試樣不允許發(fā)生側(cè)向變形,即軸向應變和體積應變相等。它與三軸儀的差別主要體現(xiàn)在以下兩個方面:1)在試驗過程中受壓室的閥門關閉,液體密閉在受壓室中,當增大軸向壓力時,由于保持側(cè)向不允許變形,受壓室的液體壓力也增大;2)加軸向壓力的傳壓板與試樣直徑相等,試樣受力發(fā)生壓縮后,由于密閉受壓室容積仍保持不變,試樣不可能側(cè)向變形,軸向應變等于體積應變。用這種儀器密閉壓力室必須密封不漏水。密封壓力室外罩,量測密封受壓室液體壓力的管路等裝置,在承受壓力后不應發(fā)生變形,否則引起試樣側(cè)向變形。密閉受壓室的液體需用純水,防止水中溶解空氣壓縮性增大。

2 影響靜止側(cè)壓力系數(shù) K0測定準確性的影響因素

2.1 土的物理力學性質(zhì)的影響

1)塑性指數(shù) Ip的影響。塑性指數(shù)反映了黏性土的礦物組成、粒徑大小、顆粒形狀、水溶液組成對黏性土性質(zhì)的綜合影響。Ip越大,表明土的顆粒愈細小,粘粒含量越多;反之,則說明土的顆粒愈粗。粗粒土的K0往往低于細粒土的;黏性土一般顆粒較細,黏性土的 K0值常常大于無黏性土的 K0值。2)超固結(jié)比OCR的影響。根據(jù)以往的經(jīng)驗表明,壓縮系數(shù)和K0的關系為土的壓縮系數(shù)越高,證明土的強度越低,在受到豎向有效應力的情況下,其水平向有效應力越大,K0值也愈大。對于超固結(jié)的土,OCR愈大,土的壓縮系數(shù)愈小,K0愈大。有數(shù)據(jù)分析顯示,當超固結(jié)比 OCR=1～2.5時,靜止土壓力系數(shù) K0與超固結(jié)比 OCR近似成線性關系,當超固結(jié)比OCR＞2.5時,靜止土壓力系數(shù)K0與超固結(jié)比的關系不成線性變化,可用指數(shù)函數(shù)來表示。因此,要了解土層的應力歷史,明確具體成因,才能提高測試數(shù)據(jù)的準確性。3)土的有效內(nèi)摩擦角φ′。土體孔隙水壓力有固定的變化規(guī)律,土體受力與孔隙水壓力的變化通過三軸固結(jié)不排水試驗能體現(xiàn),通過該試驗可以得出土的有效內(nèi)摩擦角φ′,有效內(nèi)摩擦角愈大,土體愈密實,K0值一般偏小;反之有效內(nèi)摩擦角愈小,K0值愈大。4)含水量及固結(jié)度的影響。一般來講,土的靜止側(cè)壓力系數(shù)除主要是和土的結(jié)構(gòu)、密實度有關外,還與土的孔隙比、含水量等有關系。對黏性土而言,還和土的固結(jié)度有關。黏性土的K0值隨含水量的降低而降低,隨固結(jié)度的增加而減小。因為黏性土的側(cè)壓力如同垂直壓力一樣,可分為有效壓力和孔隙水壓力兩部分,在固結(jié)過程中,孔隙水壓力逐漸消失,因而側(cè)向壓力和側(cè)壓力系數(shù)也逐漸降低。5)泊松比μ的影響。泊松比μ是土體承受荷載時其橫向應變與豎向應變的比值。對于正常固結(jié)土,K0與μ之間存在一一對應關系,通常μ愈大,K0值愈大。泊松比μ并非常量,K0值也不是常量。對于超固結(jié)的土,其K0與 μ之間不再是一一對應關系;不同土的μ變化不大,K0值變化較大。

2.2 孔隙水壓力的影響

地表下某一深度具有天然結(jié)構(gòu)的原狀土樣,經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代,已經(jīng)形成穩(wěn)定的應力平衡關系,當試樣從地層某一深度取出后,原狀土樣經(jīng)取土、制樣等過程,原有的應力,包括垂直壓力及側(cè)向壓力大部分釋放,甚至由于應力狀態(tài)改變使飽和土產(chǎn)生負的孔隙水壓力,在K0試驗的低荷載段,側(cè)壓力呈現(xiàn)負值,由于原始側(cè)壓力的喪失及負孔隙水壓力的出現(xiàn),最終K0值偏小。反之,若地基受到附加荷重,會在黏土層內(nèi)引起逐漸消散的超靜孔隙水壓力,這時的孔隙水壓力是正的。當孔隙水壓力存在時,靜止側(cè)壓力系數(shù)應以有效應力表示。

2.3 土的擾動程度的影響

原狀土樣,靜止側(cè)壓力系數(shù)隨塑性指數(shù) Ip的增加而增大;重塑土,靜止側(cè)壓力系數(shù)隨塑性指數(shù) Ip的增加而減小。

3 提高測試數(shù)據(jù)準確性的措施

1)在制取試樣時,要保證試樣的完整性,側(cè)壁不能有殘缺和空隙;2)安裝橡膠圈和上壓蓋板時,注意軸向?qū)ΨQ,緊貼牢固,防止橡膠圈傾斜和局部受力,以免損壞,使系統(tǒng)密封不嚴;3)儀器中部壓力室和底座的通道在試驗前要仔細的進行充水排氣;4)試驗用水必須是清潔的無氣水或者是冷卻的煮沸水;5)每次試驗結(jié)束后,要認真清潔儀器設備,否則時間長后土樣中的鹽分會對儀器產(chǎn)生腐蝕作用,影響系統(tǒng)的密閉性;6)系統(tǒng)要定期進行標定,以盡可能消除試驗過程中的系統(tǒng)誤差。

4 結(jié)語

以上簡要闡述了通過室內(nèi)試驗求取靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的方法和影響因素,對于如何提高測試準確性提出了相應的措施。當然,測定K0的方法還有很多,比如經(jīng)驗公式法,它帶有很強的地區(qū)性,作者認為在沒有相關資料或沒有試驗條件的前提下不得已方可使用,或者作為室內(nèi)測定值的參考。此外,還有原位測試方法,其中扁鏟側(cè)脹和旁壓試驗更接近于現(xiàn)場實際,這里就不做介紹了,相比之下,室內(nèi)K0三軸儀操作簡便,在生產(chǎn)中也得到廣泛應用。靜止側(cè)壓力系數(shù)K0,其準確性有重要的工程實踐價值和理論研究意義,要合理的確定K0值,除了弄清土體的應力歷史、結(jié)構(gòu)特征等因素外,還必須通過室內(nèi)試驗加以驗證,綜合考慮這幾種方法得出的數(shù)據(jù),使實測值更符合工程實踐,更好地滿足工程設計經(jīng)濟性、安全性、可靠性的要求。

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