靜止側(cè)壓力系數(shù)測(cè)試方法的探討

曹曉娟

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

土的靜止側(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(yīng)力與軸向有效應(yīng)力之比值。K0是土的主要力學(xué)特征指標(biāo)之一，對(duì)于一定的土層來說，K0是一個(gè)穩(wěn)定值。隨著土工試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，常常需要準(zhǔn)確測(cè)定土的靜止側(cè)壓力系數(shù)，其值直接影響到土的強(qiáng)度特征、有效應(yīng)力和應(yīng)力路徑等，尤其是在有限元法應(yīng)用于土力學(xué)問題以后，正確確定土的力學(xué)指標(biāo)問題就更為突出。此外，在砂土液化、樁的負(fù)摩阻力等方面，K0也都有著十分廣泛的應(yīng)用。因此，K0的測(cè)定問題日益得到重視。目前，確定靜止側(cè)壓力系數(shù)的方法有以下三種:用經(jīng)驗(yàn)公式求算或估算;利用室內(nèi)土工試驗(yàn)確定;利用原位測(cè)試確定。本文僅就室內(nèi)土工試驗(yàn)法進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)方法

目前，國內(nèi)測(cè)定靜止側(cè)壓力系數(shù)的儀器，僅有側(cè)壓力儀;方法上，僅有水利部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237—1999中的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)方法。通過對(duì)國內(nèi)較大的試驗(yàn)室進(jìn)行的調(diào)研和與一些土工試驗(yàn)專家的探討，通常采用以下幾方面措施減少消耗的部分側(cè)壓力:(1)用鋼試樣校正膜消耗的部分側(cè)壓力;(2)制樣時(shí)不要偏心，軸向變形為零時(shí)，預(yù)加側(cè)壓力;(3)測(cè)試樣中的孔隙水壓力。但側(cè)壓力儀由于種種原因，實(shí)際測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏小，直接加大了設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)性。對(duì)于其他儀器和方法，國內(nèi)尚沒有可以使用的規(guī)范和規(guī)程，在這種現(xiàn)狀下，研究測(cè)定靜止側(cè)壓力系數(shù)的測(cè)試方法很有必要。

在進(jìn)行靜止側(cè)壓力系數(shù)測(cè)定時(shí)，要求主應(yīng)力方向是水平向和垂直向，即試樣的上、下面和側(cè)面都是主應(yīng)力面，不存在剪應(yīng)力。因此，在試驗(yàn)過程中控制樣品的受力面積保持不變是試驗(yàn)的前提條件。本文中主要利用應(yīng)變控制式靜三軸儀，選取一定數(shù)量的不同種類土樣，隨著試樣排水，使孔隙壓力消散，同時(shí)緩慢施加軸向壓力，控制排水量等于軸向變形量與試樣初始面積的乘積，保證試樣在試驗(yàn)過程中初始面積不變，使有效側(cè)向壓力與有效軸向壓力之比等于靜止側(cè)壓力系數(shù)值，從而測(cè)定靜止側(cè)壓力系數(shù)。通過試驗(yàn)數(shù)值分析，研究應(yīng)用應(yīng)變控制式靜三軸儀測(cè)定靜止側(cè)壓力系數(shù)的方法要點(diǎn)，并評(píng)價(jià)其可靠性和準(zhǔn)確性。

3 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 對(duì)比試驗(yàn)

研究采用對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行。

(1)儀器

應(yīng)變式三軸儀和靜止側(cè)壓力儀進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

(2)試驗(yàn)方法

分別采用本研究中的三軸法和SL239－1999中的K0測(cè)定法。

(3)樣品

采用同一種土類，分別進(jìn)行試驗(yàn)。

(4)試驗(yàn)時(shí)間

樣品取樣和飽和的時(shí)間是一樣的，具體試驗(yàn)時(shí)間SL239－1999中的K0測(cè)定法一般需要10～20 h，試驗(yàn)過程中五級(jí)軸向加荷(一般每級(jí)加荷變形穩(wěn)定時(shí)間為2～5 h);本研究中的三軸法一般需要2～4 h。

試驗(yàn)研究的前提是試驗(yàn)過程中確保樣品的截面積不變，通過加壓過程中控制剪切速率和排水率來控制。實(shí)踐證明，通過有效的控制，可以使樣品的截面積保持不變。在飽和后和試驗(yàn)后分別對(duì)樣品的直徑進(jìn)行了測(cè)量，試驗(yàn)前后樣品的情況如圖1所示。

圖1 三軸法K0試驗(yàn)記錄

3.2 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析

由于時(shí)間和樣品上的限制，本次研究共對(duì)44組樣品進(jìn)行了以上內(nèi)容的試驗(yàn)。樣品基本上分為粉土、粉質(zhì)黏土、黏土三類，其中粉土10組、粉質(zhì)黏土17組、黏土17組。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論和建議

本研究中三軸法做出來的K0值有一定的規(guī)律性，基本符合粉土、粉質(zhì)黏土、黏土經(jīng)驗(yàn)值的變化;與SL239－1999中的K0測(cè)定法做出來的數(shù)據(jù)基本一致，甚至更接近土的經(jīng)驗(yàn)值。堅(jiān)硬狀態(tài)的黏土與經(jīng)驗(yàn)值相差較多，考慮為土質(zhì)較硬，制件成型尺寸不規(guī)范和飽和后樣品端部有擾動(dòng)現(xiàn)象造成，試驗(yàn)中應(yīng)該嚴(yán)格控制制件尺寸和避免飽和時(shí)擾動(dòng)試件。

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)和分析，得出了三軸法測(cè)定土的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)的方法，該方法操作簡單，容易掌握，不僅適用于科研也能滿足生產(chǎn)需要。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，本研究中的三軸法與SL239－1999中的K0測(cè)定法都能夠測(cè)定土的K0值，但前者更接近土的經(jīng)驗(yàn)值，而且大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率。

［1］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部，GB/T50123—1999 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，1999

［2］中華人民共和國水利部．SL237—1999 土工試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京:中國水利水電出版社，1999

［3］中華人民共和國鐵道部．TB10102—2010 鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程［S］．北京:中國鐵道出版社，2010

［4］常士驃，張?zhí)K民．工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007