靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的研究

朱 力（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

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靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的研究

朱 力
（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

摘 要：靜止側(cè)壓力系數(shù)（K0）的室內(nèi)測定還沒有明確的國家標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致所得試驗K0值缺乏統(tǒng)一性，進(jìn)而影響工程的設(shè)計與質(zhì)量。通過在不同穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)下的靜止側(cè)壓力系數(shù)的試驗和研究，及與其他相關(guān)試驗得出的K0值數(shù)據(jù)相比較，探尋更符合土樣實際應(yīng)力狀況下的K0值測試方法，并分析誤差原因，得出建議的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時間。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；巖土工程；土工測試；靜止側(cè)壓力系數(shù)；變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

靜止側(cè)壓力系數(shù)（K0）是巖土工程中一個重要的土力學(xué)指標(biāo)，實際應(yīng)用范圍廣泛，如確定水平場地中的應(yīng)力狀態(tài)、計算靜止側(cè)壓力土壩施工期的孔隙水壓力、樁側(cè)向摩擦力以及地下洞室邊墻、隧道襯砌和土中填埋管道等地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計等；而對于難以直接測定的土體泊松比，也可通過其與K0的關(guān)系加以確定。

目前，K0的室內(nèi)測定還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，長期以來各試驗室基本參照水利部編制的《土工試驗規(guī)程》[1]，其中加荷歷時的規(guī)定為：施加一級軸向壓力至變形穩(wěn)定，試樣變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時變形不大于0.01mm，再加下一級軸向壓力。但在實際的試驗中難以操作，尤其對軟黏性土而言，試驗周期過長，難以滿足工程工期要求。故上海相關(guān)單位按各自的經(jīng)驗性穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗，如采用0.5小時或1小時一級，以及采用t90時間（即土體固結(jié)度達(dá)到90%時的時間）等，導(dǎo)致所得出的K0值缺乏可靠性和統(tǒng)一性，也給設(shè)計單位對參數(shù)的使用帶來混亂，進(jìn)而影響工程質(zhì)量。

本文結(jié)合對此開展的專題科研項目，通過在不同穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)下的靜止側(cè)壓力系數(shù)測定的對比研究，探尋符合土體實際應(yīng)力狀況下的K0值測試方法，并分析誤差原因，得出建議的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時間。

1　試驗原理

根據(jù)畢肖普（Bishop）靜止側(cè)壓力系數(shù)的定義，在軸對稱試驗中ε2=ε3時，K0=σ3’/σ1’=(σ3-u)/(σ1-u)，如果施加在試樣上的軸向總應(yīng)力σ1保持不變，對于飽和土來說，開始時試樣上的側(cè)向總應(yīng)力σ3與σ1之比接近于1，隨著排水固結(jié)的過程，總應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)換為有效應(yīng)力。因此，用總應(yīng)力表示的比值是逐漸變小的，但在整個試驗過程中，有效應(yīng)力的比值基本保持常數(shù)，所以用有效應(yīng)力定義靜止側(cè)壓力系數(shù)?；谝陨显?，采用上下排水試樣在變形相對穩(wěn)定情況下測得σ1’和σ3’數(shù)據(jù)，從而求得靜止側(cè)壓力系數(shù)K0值。

2　樣品選取

樣品取自上海市區(qū)內(nèi)的地層，取樣深度為地下工程影響范圍內(nèi)的軟黏性土地層，包括②層褐黃色黏性土、③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③t層灰色黏（砂）質(zhì)粉土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1層灰色黏土、⑤1-2層灰色粉質(zhì)黏土[2～5]，每個層位采樣數(shù)約為10個。

在現(xiàn)場采用薄壁取土器等方式采集原狀土樣，并在封裝、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)切實減小擾動對土體結(jié)構(gòu)的破壞影響。室內(nèi)試驗時為保證樣品的均勻性，每次在同一個試樣中切取三、四塊樣品[6,7]，分別在不同的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行測試。

3　試驗方法

3.1 主要步驟

（1）用環(huán)刀將試樣制備后，將環(huán)刀兩端用透水石貼緊并牢固扎緊放入容器內(nèi)進(jìn)行1小時以上的抽氣，并注水浸泡一晝夜，使試樣充分飽和。

（2）在K0容器的橡皮膜上涂一層薄硅油，然后將試樣從環(huán)刀中推入K0容器內(nèi)。對側(cè)壓力室施加約5kPa壓力后關(guān)閉閥門，調(diào)整側(cè)壓力和垂直變形的量測設(shè)備，按要求施加壓力進(jìn)行試驗，施加垂直壓力時上下排水。

（3）按預(yù)定的變形穩(wěn)定時間標(biāo)準(zhǔn)測記第一級σ1’和σ3’的值，再施加第二級荷載并測記第二級的σ1’和σ3’的值，依次類推，共需四級完成最后試驗。

3.2 試驗設(shè)備

為利試驗結(jié)果具有可比性和統(tǒng)一性，采用目前我國產(chǎn)品已定型和實際應(yīng)用較為普遍的側(cè)壓力儀進(jìn)行試驗。分別從同濟(jì)大學(xué)及北京華勘科技有限責(zé)任公司購買相關(guān)儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。

（1）數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)KTG-9[8]，購于北京華勘科技有限公司，該系統(tǒng)在上海各大試驗室均有使用。

（2）側(cè)壓力儀安裝有兩個傳感器，位移傳感器SY-10和壓力傳感器BY-16C，均購于北京華勘科技有限公司。

（3）壓力腔體購自同濟(jì)大學(xué)楊熙章教授研制的新產(chǎn)品，采用不銹鋼和高質(zhì)量腳墊材料，密封性能出色，另外，水作為試驗時圍壓和壓力的載體，充入和排出腔體也很方便。

（4）試驗時采用橡皮膜包裹樣品，否則樣品直接在水中易散落和局部損壞而無法試驗，但這樣橡皮膜自身的張力對試樣側(cè)向壓力（即σ3’）就有限制作用，往往使所測得的靜止側(cè)壓力系數(shù)值變得偏小。橡皮膜的阻力問題，目前尚無更好的解決方法。

3.3 試驗說明

分別按24小時（軟黏性土接近每小時變形量小于0.01mm）、0.5小時穩(wěn)定、1小時穩(wěn)定和2小時穩(wěn)定（并在2小時穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)中測讀t90時的K0值）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗。

選用t90時間做穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，由同濟(jì)大學(xué)教授推薦，類似于固結(jié)試驗中的固結(jié)系數(shù)的測定。求t90采用時間平方根法[9]，即：對某一級壓力，以試樣的變形為縱坐標(biāo)，時間平方根為橫坐標(biāo)，繪制變形與時間平方根關(guān)系曲線（圖1），延長曲線開始段的直線，交縱坐標(biāo)于ds為理論零點，過ds作另一直線，令其橫坐標(biāo)為前一直線橫坐標(biāo)的1.15倍，則后一直線與曲線交點所對應(yīng)的時間的平方即為試樣固結(jié)度達(dá)90%所需的時間t90。

圖1　時間平方根法求t90Fig.1 Square root of time method for acquiring t90

24小時穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)下試驗的子樣數(shù)偏少，原因有二：一是以往試驗經(jīng)驗得出此穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)所得K5值偏離較大，不適合于此試驗；二是按24小時穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)完成一個樣的試驗時間需要一星期，周期偏長。

4　結(jié)果分析

4.1 對比分析

將0.5小時、1小時、2 小時、24小時、t90這5種不同穩(wěn)定時間標(biāo)準(zhǔn)下的K0值試驗數(shù)據(jù)，與已有的各層土資料統(tǒng)計值[10]及經(jīng)驗公式(1-sinφ’) 值[11]相比較，其與此兩組對照值最接近者即為所要尋找的穩(wěn)定時間試驗標(biāo)準(zhǔn)。

試驗測試的對比分析見表1。

表1　測試匯總統(tǒng)計Table 1 The testing statistics

從表1可知：

（1）穩(wěn)定時間愈長，K0值愈小，其中24小時穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)所得K0值是最小的，偏離(1-sinφ’)值及資料統(tǒng)計值最遠(yuǎn)。而t90穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)所得的K0值最接近(1-sinφ’)值和資料統(tǒng)計值。

（2）土性不同，主固結(jié)完成的時間是不一樣的，即各層土t90時間不同。土質(zhì)愈軟，t90時間愈長，其中飽和軟黏土④層與⑤1-1層時間較長，平均t90時間約為1小時。而粉性土t90時間較短，如粉性土③t層平均t90時間僅為4.4分鐘。

4.2 誤差分析

不同穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)下K0值及t90穩(wěn)定時間的統(tǒng)計誤差分析見表2。

從表2可以看出：

（1）不同穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)下的K0值的變異系數(shù)，②層0.06～0.11、③層0.04～0.10、③t層0.14～0.15、④層0.03～0.06、⑤1-1層0.06～0.11、⑤1-2層0.10～0.12。各層變異系數(shù)的變化范圍和數(shù)值都很小，說明各穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)下的K0值相對穩(wěn)定和均勻。

（2）t90穩(wěn)定時間的變異系數(shù)，②層0.50、③層0.48、③t層0.50、④層0.30、⑤1-1層0.30、⑤1-2層0.44。以上各層的變異系數(shù)值在0.30～0.50之間，其中④層和⑤1-1層均為0.30，②層、③層、③t層和⑤1-2層在0.47～0.50之間。由此也可看出，土質(zhì)均勻，土性穩(wěn)定的④層和⑤1-1層變異系數(shù)值較小。②層、③層、③t層和⑤1-2層變異系數(shù)值偏大，其原因為：②層土為褐黃色黏性土，其中還可分為黏土和粉質(zhì)黏土兩種，且有由上而下漸變的特性，其土質(zhì)與土性稍有差別，但工程上基本合并作一層處理，故數(shù)值離散性大一些。而③層、③t層和⑤1-2層，這三層土黏土與粉土互夾很不均勻，所以t90時間值離散性偏大。

4.3 建議標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)測試結(jié)果及對比分析，具備數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的可按t90穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)來確定；不具備者可按不同的土性結(jié)合可操作性予以確定，即飽和軟黏性土④層和⑤1-1層采用1小時加荷穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，其余土層采用0.5小時加荷穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)（②層、③層、⑤1-2層當(dāng)土性較軟時也應(yīng)采用1小時加荷穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)），其中③t層雖然t90時間很短，但從表1可看出此層的K0值在不同的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)下變化很小，再加上考慮試驗操作性，此層也采用0.5小時加荷穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。不可不加區(qū)分所有土性均按0.5小時或1小時或其它時間作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，以免帶來系統(tǒng)誤差和試驗值的不統(tǒng)一性。

針對上海淺部土層，K0測試的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時間建議值見表3。

表2　不同穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)下K0及t90穩(wěn)定時間統(tǒng)計Table 2 Statistical table of K0value under different stability standard and stability time of t90

表3　穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時間推薦表Table 3 Recommendation table of the time of the stability criteria

5　基本結(jié)論

（1）文獻(xiàn)[1]中的K0值測試以每小時0.01mm作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)（一般以24小時一級來代替），對上海軟黏性土而言是不合適的。因為按此標(biāo)準(zhǔn)，隨著穩(wěn)定時間越長排水固結(jié)越充分，土體由主固結(jié)完成再到次固結(jié)完成，土體密度逐漸提高，因而K0值必然越來越小。但實際土體在地層中并非與試驗室環(huán)境中那樣充分固結(jié)，特別是③層和④層淤泥質(zhì)黏性土，不是上下排水條件，土體自重加上荷載也很難達(dá)到次固結(jié)完成，從試驗結(jié)果也可看出24小時穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)所得K0值偏離最大。

（2）K0試驗國家標(biāo)準(zhǔn)未推出之前，建議具備數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的試驗室按t90穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)來確定；不具備者可按不同的土性結(jié)合可操作性予以確定，即飽和軟黏性土采用1小時加荷穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，其余土層采用0.5小時加荷穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

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Study on deformation-stability standard of soil static lateral pressure coefficient test

ZHU Li
(Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration,Shanghai 200072,China)

Abstract:There is no clear national standard for the determination of the soil static lateral pressure coefficient during laboratory soil tests.It leads to the lack of uniformity of the K0value derived from the test,which affects a construction project’s quality.By comparing the static lateral pressure coefficient under different stability standards to the K0value data in other related experiments,we chose the K0value test method that more closely resembled the actual loading conditions of soil samples.Analysis of the cause of the error allows us to suggest the time of the stability criteria.

Key words:soil mechanics;geotechnical engineering;soil tests;static lateral pressure coefficient;deformation-stablity standard

基金項目:上海市規(guī)劃和國土資源管理局科研項目(fdz2007057)

作者簡介:朱力(1986-),男,學(xué)士,助理工程師,主要從事巖土工程土工測試研究.

修訂日期:2016-01-25

收稿日期:2015-11-11

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.022

中圖分類號：P642.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1329(2016)01-0094-03

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