粗粒土靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)

朱俊高,蔣明杰,沈靠山,褚福永

(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇 南京 210098;3. 浙江省錢塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310016; 4. 麗水學(xué)院土木工程學(xué)系,浙江 麗水 323000)

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粗粒土靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)

朱俊高1,2,蔣明杰1,2,沈靠山3,褚福永4

(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇 南京 210098;3. 浙江省錢塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310016; 4. 麗水學(xué)院土木工程學(xué)系,浙江 麗水 323000)

對(duì)某土石壩地基覆蓋層2種級(jí)配的砂卵礫石料進(jìn)行大型單向壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)中,土壓力盒基于標(biāo)定方法提供的參數(shù)得到試樣內(nèi)的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力,進(jìn)而計(jì)算其靜止側(cè)壓力系數(shù)K0。研究水標(biāo)法和砂標(biāo)法對(duì)粗粒土的適用程度,探討K0試驗(yàn)結(jié)果的可靠性;分別對(duì)2種級(jí)配土料進(jìn)行中三軸CD試驗(yàn),測(cè)定土料的有效內(nèi)摩擦角,然后依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算K0,驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的有效性。結(jié)果表明:砂標(biāo)法對(duì)于粗粒土來(lái)說(shuō)是一種較可靠的標(biāo)定方法;在豎向應(yīng)力足夠大時(shí),K0試驗(yàn)誤差可以忽略不計(jì),所測(cè)定的K0接近實(shí)際值；Federico基于Terzaghi的已激發(fā)有效摩擦角概念而推導(dǎo)出的有效內(nèi)摩擦角與靜止側(cè)壓力系數(shù)之間的關(guān)系式較適合粗粒土。

粗粒土;靜止側(cè)壓力系數(shù);大型單向壓縮試驗(yàn);土壓力盒;有效內(nèi)摩擦角;已激發(fā)有效摩擦角

土石壩具有對(duì)地質(zhì)條件要求低、抗震性能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn),常常作為在深厚覆蓋層上筑壩的優(yōu)選壩型[1]。在土石壩數(shù)值計(jì)算中,要準(zhǔn)確計(jì)算壩體和地基中防滲墻的應(yīng)力變形,地基的初始狀態(tài)比較重要,如果能準(zhǔn)確評(píng)估,無(wú)疑會(huì)提高計(jì)算精度。在深厚覆蓋層上筑壩,筑壩前覆蓋層已處于固結(jié)穩(wěn)定狀態(tài),后期的壩體填筑以及蓄水荷載可近似認(rèn)為是靜止側(cè)壓力系數(shù)K0固結(jié)條件下的加載,同時(shí),山區(qū)河流的地基覆蓋層常常是粗粒土,因此,合理確定粗粒土的K0比較重要,值得深入研究。

目前,K0的確定方法有直接和間接2種方式。所謂直接方式是指通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或者室內(nèi)試驗(yàn)直接測(cè)量無(wú)側(cè)向變形土體的豎向應(yīng)力和側(cè)向土壓力,從而計(jì)算土體的K0。室內(nèi)直接方式測(cè)K0比較常用的方法是壓縮儀法和三軸儀法。另外,不少學(xué)者提出了一些新的試驗(yàn)方法,如Garga 等[2]提出了一種用應(yīng)力路徑三軸儀確定嚴(yán)重超固結(jié)黏土的靜止側(cè)壓力系數(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)方法;Chen 等[3]研制了用于量測(cè)靜止側(cè)壓力系數(shù)的大型土壓力模型試驗(yàn)設(shè)備。間接方式通常是依據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如土體有效內(nèi)摩擦角,利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算K0。當(dāng)然,經(jīng)驗(yàn)公式的提出要基于大量的試驗(yàn)資料。如Jaky[4]在1948年推導(dǎo)了有效內(nèi)摩擦角(以下簡(jiǎn)稱摩擦角)φ′和靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的關(guān)系式:

(1)

(2)

式(2)中已激發(fā)角雖然無(wú)法直接計(jì)算,但能由土體內(nèi)摩擦角推導(dǎo)而得。關(guān)于已激發(fā)角與內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系,許多學(xué)者進(jìn)行了研究,其中Abdelhamid等[6]基于Rowe的假設(shè)認(rèn)為黏土適用于下式：

(3)

通過(guò)研究文獻(xiàn)及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果,Hayat[7]得到黏土適用以下關(guān)系式:

(4)

Simpson[8]通過(guò)BRICK模型推得黏土適用于:

(5)

Federico等[9]對(duì)一系列實(shí)測(cè)靜止側(cè)壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,推得了壓縮性黏土適用如下關(guān)系式：

(6)

雖然有不少學(xué)者對(duì)K0的試驗(yàn)和估算方法做過(guò)很多有價(jià)值的探索[10-13],但是他們絕大多數(shù)都是針對(duì)砂土或黏土的,較少涉及粗粒土?，F(xiàn)有的試驗(yàn)方法中,常用的壓縮儀法和三軸儀法均不能用于測(cè)定粗粒土的靜止側(cè)壓力系數(shù)。這是因?yàn)檫@2種方法的靜止側(cè)壓力都是通過(guò)水囊或橡皮膜來(lái)傳遞,在對(duì)粗粒土進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),粗顆粒會(huì)引起橡膠囊產(chǎn)生嵌入作用,導(dǎo)致無(wú)法修正且不能忽視的誤差。此外,現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式都是針對(duì)砂土或黏性土提出的,如利用它們推求粗粒土的K0,其準(zhǔn)確性仍需進(jìn)一步研究。

為得到較為可靠的粗粒土的K0,筆者對(duì)長(zhǎng)河壩水庫(kù)大壩地基覆蓋層料進(jìn)行大型單向壓縮試驗(yàn),利用土壓力盒同時(shí)測(cè)定試樣內(nèi)部的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力,進(jìn)而計(jì)算得到K0。比較分析了目前常用的計(jì)算K0的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)粗粒土的適用性。

1 試驗(yàn)方案及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料是長(zhǎng)河壩土石壩地基覆蓋層砂卵礫石風(fēng)干料。由于原級(jí)配最大粒徑較大,因此,必須對(duì)原級(jí)配進(jìn)行縮尺后才能用于試驗(yàn),縮尺方法為等量代替法[14]。

經(jīng)過(guò)等量代替法縮尺,得到最大粒徑分別為20 mm和60 mm的替代料。2種土料分別編號(hào)為D20和D60。試樣控制密度分別為2.22 g/cm3和2.30 g/cm3。原級(jí)配與試驗(yàn)級(jí)配見表1。

表1 砂卵礫石料顆粒級(jí)配

圖1 試驗(yàn)儀器示意圖(單位:mm)Fig. 1 Sketch of test equipment (units: mm)

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用大型單向壓縮儀及土壓力盒埋置位置如圖1所示。大型壓縮儀的直徑504 mm,深度280 mm。

為保證土壓力的測(cè)量精度,在一次試驗(yàn)中,各采用2只鋼弦式土壓力盒在不同深度處測(cè)量試樣的水平、豎向應(yīng)力。4個(gè)土壓力盒的編號(hào)分別為1201、1202、2201、2202。由圖1可知,同一高度處,豎向埋設(shè)的土壓力盒測(cè)得水平應(yīng)力,水平埋設(shè)的土壓力盒測(cè)得豎向應(yīng)力,這2個(gè)應(yīng)力可認(rèn)為試樣內(nèi)部同一位置的應(yīng)力狀態(tài),則它們的比值即為試樣的靜止側(cè)壓力系數(shù)。

為避免土壓力盒側(cè)面或底面與土樣接觸而引起鋼弦頻率變化,在土壓力盒的外表面套一個(gè)稍大的鋼杯,鋼杯的深度與土壓力盒高度相同,內(nèi)徑比土壓力盒直徑略大,使土壓力盒只有受力面與土樣接觸;同時(shí),用布袋包裹粒徑為2～5 mm的礫石制成礫石包放在土壓力盒表面,避免土壓力盒與粒徑較大的土樣直接接觸,引起土壓力盒表面受力不均。

鋼弦式土壓力盒通過(guò)自帶的頻率計(jì)測(cè)定鋼弦頻率的變化,并根據(jù)下式計(jì)算作用于土壓力盒表面的壓力:

(7)

式中:K——壓力盒靈敏系數(shù),可由土壓力盒標(biāo)定試驗(yàn)曲線確定;f——外力p作用于土壓力盒表面時(shí),頻率計(jì)測(cè)得的頻率;f0——土壓力盒的初始頻率,可由標(biāo)定曲線確定,也可直接由頻率計(jì)測(cè)得,本文將土壓力盒埋置在試樣內(nèi)部并覆上砂包時(shí)的頻率計(jì)讀數(shù)作為初始頻率。

目前大多數(shù)土壓力盒的參數(shù)K可直接根據(jù)廠家提供的土壓力盒在水壓作用下的標(biāo)定曲線確定,這種標(biāo)定方法稱為水壓標(biāo)定法(簡(jiǎn)稱水標(biāo)法)。筆者采用編號(hào)為1201、1202、2201、2202的4個(gè)土壓力盒根據(jù)水標(biāo)法得到的參數(shù)K分別為0.449、0.595、0.962、0.977。

由于土壓力盒在土中的受力環(huán)境與在水中的受力環(huán)境相差較大,將水標(biāo)法測(cè)定的參數(shù)直接用來(lái)計(jì)算土壓力盒在土中受到的壓力可能會(huì)產(chǎn)生誤差。陳春紅等[15]也曾有類似懷疑,為此,他們對(duì)土壓力盒進(jìn)行砂壓標(biāo)定試驗(yàn),并就土壓力盒的標(biāo)定問(wèn)題進(jìn)行了初步探討。為進(jìn)一步檢驗(yàn)水壓標(biāo)定法的可靠性,筆者對(duì)本文試驗(yàn)中用到的土壓力盒也采用砂壓標(biāo)定法(簡(jiǎn)稱砂標(biāo)法)進(jìn)行了標(biāo)定。

砂標(biāo)法試驗(yàn)具體步驟為:將高度30 mm、直徑58 mm的土壓力盒水平放在深度為120 mm、邊長(zhǎng)為180 mm的標(biāo)定罐底部中心處；然后填入覆蓋層中的細(xì)料作為標(biāo)定介質(zhì),標(biāo)定介質(zhì)上放置彈性較好的厚度約20 mm的硅膠板以均勻傳力；再加180 mm×180 mm的鋼板蓋;最后,在鋼板蓋上分級(jí)施加壓力,得出土壓力盒的標(biāo)定曲線。從而,確定土壓力盒1201、1202、2201、2202標(biāo)定參數(shù)K分別為0.367、0.331、0.453、0.758。

由于土壓力盒受力面的感應(yīng)膜與其周邊的壓力盒邊框剛度不同,因此其變形也不同,會(huì)產(chǎn)生所謂的“拱效應(yīng)”。根據(jù)澳大利亞Trollope等[16]的理論:當(dāng)土壓力盒受力面上土層厚度大于土壓力盒有效直徑的0.9倍以上時(shí),可以不考慮拱效應(yīng)。上述標(biāo)定試驗(yàn)中,土壓力盒受力面上的土層厚度約90 mm,大于土壓力盒直徑的0.9倍,因此,拱效應(yīng)可以忽略。

1.3 測(cè)定K0的試驗(yàn)方法

利用大型單向壓縮儀測(cè)定靜止側(cè)壓力系數(shù)的試驗(yàn)方法是:在壓縮儀中分層制備試樣,每層試樣需擊實(shí)至預(yù)定高度后方可添加下一層土料,每層預(yù)定的擊實(shí)高度根據(jù)預(yù)定的密度確定。在試樣制備過(guò)程中,將2個(gè)土壓力盒1201與1202豎向埋置,其受力面中心到試樣頂面距離分別為100 mm和200 mm,用于測(cè)定試樣不同深度處水平應(yīng)力;同樣,為測(cè)定試樣不同深度處豎向應(yīng)力,將2個(gè)土壓力盒2201和2202水平埋置,其受力面中心與試樣頂面的距離分別為100 mm和200 mm。

試樣制備完成后,在其表面分級(jí)施加壓力0～1 000 kPa,通過(guò)頻率計(jì)讀取各級(jí)壓力下土壓力盒的頻率,利用式(7)計(jì)算土樣的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力。每種土料都進(jìn)行了3組平行試驗(yàn)。

上述試樣中,土壓力盒上覆土層厚度至少100 mm,大于土壓力盒直徑58 mm,故本試驗(yàn)可以不考慮拱效應(yīng)。

2 標(biāo)定方法適用性分析

影響土壓力盒量測(cè)精度的因素較多,如果土壓力事先已知,而用土壓力盒測(cè)得土樣的應(yīng)力與該已知土壓力一致,則說(shuō)明所采用的標(biāo)定參數(shù)適用于該土樣,即此標(biāo)定方法對(duì)于該土樣來(lái)說(shuō)是可靠的?；谶@樣的想法,筆者首先利用D60試樣進(jìn)行了標(biāo)定方法驗(yàn)證試驗(yàn),以對(duì)本文采用的2種標(biāo)定方法相對(duì)于粗粒土的適用性及可靠性進(jìn)行分析。該試驗(yàn)仍然利用大型壓縮儀,在距試樣表面某深度處水平埋設(shè)(相互之間有一定距離的)4只土壓力盒,測(cè)定該深度處的豎向應(yīng)力。試驗(yàn)進(jìn)行了2次,第一次試驗(yàn)的土壓力盒埋置深度100 mm,第二次為200 mm。

在單向壓縮試驗(yàn)中,施加在試樣表面的壓力是明確的。但是,由于試樣筒側(cè)壁摩擦力的影響,試樣內(nèi)部豎向應(yīng)力隨深度會(huì)逐漸減小。假定對(duì)應(yīng)土壓力盒受力面處的豎向應(yīng)力等于試樣表面壓力減去側(cè)壁摩擦力引起的豎向應(yīng)力減小值,并假定試驗(yàn)時(shí)土樣與試樣筒之間的摩擦力達(dá)到最大的靜止摩擦力,則可推導(dǎo)得到距離試樣頂面深度H處的豎向應(yīng)力為

(8)

式中:σ——土壓力盒受力面中心處試樣豎向應(yīng)力;σ1——試樣頂部豎向應(yīng)力,即試驗(yàn)施加的表面壓力;K0——試樣D60的靜止側(cè)壓力系數(shù),取本文試驗(yàn)最終結(jié)果0.39;H——加載前土壓力盒受力面中心處距試樣頂面的距離;R——試樣筒半徑252 mm;α——試樣與試樣筒側(cè)壁接觸面摩擦角,根據(jù)文獻(xiàn)[17](文獻(xiàn)所用土料和側(cè)壁材料與本文一致),取21°。

由式(8)可整理得到H深度處各級(jí)表面壓力下土壓力盒受力面中心處的豎向應(yīng)力,以下稱豎向應(yīng)力計(jì)算值,由于式(8)中各參數(shù)都是嚴(yán)格按照本文試驗(yàn)條件測(cè)得,其誤差不大,可近似作為真實(shí)值來(lái)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。另外,對(duì)應(yīng)各級(jí)壓力下由水平向放置的土壓力盒的頻率計(jì)讀數(shù)及其標(biāo)定參數(shù)可計(jì)算得土壓力,以下稱豎向應(yīng)力量測(cè)值。這里,土壓力盒采用了2種標(biāo)定方法,即水標(biāo)法和砂標(biāo)法,其標(biāo)定參數(shù)K不同,對(duì)應(yīng)相同表面壓力下的豎向應(yīng)力量測(cè)值也是不同的。為檢驗(yàn)?zāi)姆N標(biāo)定方法能得到更準(zhǔn)確的結(jié)果,圖2(a)和圖2(b)分別給出了不同深度處的豎向應(yīng)力計(jì)算值，以及基于2種標(biāo)定方法得到的豎向應(yīng)力量測(cè)值與表面壓力的關(guān)系曲線。其中,某深度處豎向應(yīng)力量測(cè)值是水平向埋置在該深度處4個(gè)土壓力盒所得數(shù)據(jù)的平均值。

圖2 豎向應(yīng)力計(jì)算值及量測(cè)值與表面壓力關(guān)系曲線Fig. 2 Relationship between calculated and measured vertical stresses and surface pressure

由圖2可知,在相同深度處同一表面壓力作用下砂標(biāo)法得到的豎向應(yīng)力量測(cè)值及計(jì)算值大體相同,說(shuō)明砂標(biāo)法得到試樣內(nèi)應(yīng)力較接近實(shí)際值(即真值),對(duì)于粗粒土來(lái)說(shuō)是一種相對(duì)合理的測(cè)試方法。而基于水標(biāo)法測(cè)得的豎向應(yīng)力量測(cè)值與實(shí)際值相差較大,顯然采用水標(biāo)法標(biāo)定的參數(shù)計(jì)算粗粒土的應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差,因此不宜用來(lái)測(cè)定粗粒土土壓力。

實(shí)際上,由于側(cè)壁摩擦力的存在,而且摩擦力很可能未必全部發(fā)揮,因此,式(8)在這里的應(yīng)用也是近似的。要準(zhǔn)確獲得試樣內(nèi)的真值應(yīng)力,需徹底解決摩擦力問(wèn)題,目前還難以做到。

3 粗粒土K0試驗(yàn)結(jié)果可靠性分析

綜上可知，砂標(biāo)法是一種適用于粗粒土的標(biāo)定方法,為探討粗粒土K0試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,做2種土料的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0與豎向應(yīng)力關(guān)系曲線,如圖3所示。圖中,豎向應(yīng)力是基于砂標(biāo)法的標(biāo)定參數(shù)得到的豎向應(yīng)力量測(cè)值,K0為同一豎向應(yīng)力量測(cè)值下不同深度處K0的平均值。

圖3 K0與豎向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship between K0and vertical stress

從圖3可以看出,靜止側(cè)壓力系數(shù)K0隨著豎向應(yīng)力的增大逐漸減小,且這一現(xiàn)象對(duì)試樣D60更為明顯。這是因?yàn)樵谥茦訒r(shí),土壓力盒預(yù)先埋入試樣,并同試樣一起經(jīng)受人工擊實(shí)。因此,在試樣表面加荷之前,土壓力盒受力面存在初始應(yīng)力作用,其鋼弦頻率增加,類似于黏土的超固結(jié)性質(zhì)。實(shí)際上,筆者發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)加載前不僅土壓力盒的豎向初始應(yīng)力遠(yuǎn)大于它上部土體自重引起的應(yīng)力,并且此時(shí)的豎向應(yīng)力通常小于水平向應(yīng)力。因此,施加表面壓力之前的K0會(huì)偏大。但隨著豎向應(yīng)力增大,擊實(shí)制樣產(chǎn)生的初始應(yīng)力的影響逐漸減小,從而K0會(huì)隨豎向壓力增大而減小。同時(shí),試樣干密度越大,表示壓實(shí)越緊密,超固結(jié)越強(qiáng),初始水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力比值也越大。因D60試樣密度比D20試樣密度大,故D60試樣的K0在試驗(yàn)荷載200 kPa時(shí)較D20大,但其值隨豎向應(yīng)力的增加而減小得更顯著。因此當(dāng)豎向應(yīng)力較大時(shí),測(cè)得的靜止側(cè)壓力系數(shù)并不會(huì)由于擊實(shí)制樣(類似超固結(jié)現(xiàn)象)造成較大影響。

綜上,對(duì)擊實(shí)密實(shí)試樣,K0試驗(yàn)在豎向應(yīng)力較小時(shí)由于類似超固結(jié)現(xiàn)象影響,K0測(cè)得值偏大,而當(dāng)豎向應(yīng)力較大時(shí)由于類似超固結(jié)現(xiàn)象的消除,所得到的靜止側(cè)壓力系數(shù)較為準(zhǔn)確。因此,這里取豎向應(yīng)力較大時(shí)測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果平均值作為試樣靜止側(cè)壓力系數(shù)值,則2種級(jí)配料D20與D60的靜止側(cè)壓力系數(shù)近似為0.41和0.39。

另外,文獻(xiàn)[18]基于現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)的變形計(jì)算公式,推導(dǎo)了正常固結(jié)土的靜止側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算公式:

(9)

式中:ω——沉降系數(shù),取ω=0.88;P、S——P-S曲線上的各級(jí)荷載值和沉降量;B——承壓板的直徑;Es——地基土的側(cè)限壓縮模量。

文獻(xiàn)[19]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)獲得長(zhǎng)河壩覆蓋層的P-S曲線,從而獲得土料參數(shù)P和S。通過(guò)室內(nèi)壓縮試驗(yàn),分別獲取D20土料與D60土料的側(cè)限壓縮模量。結(jié)合式(9),求得D20土料與D60土料的靜止側(cè)壓力系數(shù)約為0.42～0.46,與試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果相差不大,也說(shuō)明了本文試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

4 粗粒土K0的估算方法

靜止側(cè)壓力系數(shù)K0可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定,但是,由于該試驗(yàn)為非常規(guī)試驗(yàn),相關(guān)研究相對(duì)較少，因此,不少學(xué)者總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算K0[4-9]。由于粗粒土顆粒粒徑較大,適合它的試驗(yàn)很少,更需要尋找合適的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算粗粒土的靜止側(cè)壓力系數(shù)。為此,筆者將普通中三軸CD試驗(yàn)測(cè)得的內(nèi)摩擦角代入幾種常用的經(jīng)驗(yàn)公式中計(jì)算得出靜止側(cè)壓力系數(shù),并與本文K0試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,來(lái)分析現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)粗粒土的適用性,從而找出一種適用于粗粒土K0的估算方法。

筆者對(duì)D20土料與D60土料進(jìn)行普通中三軸CD試驗(yàn),通過(guò)線性摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論整理三軸試驗(yàn)結(jié)果,得到土料D20與D60的內(nèi)摩擦角分別為40.1°、43.6°。

表2 不同方法計(jì)算得到的K0

將普通中三軸CD試驗(yàn)測(cè)得的D20與D60土料內(nèi)摩擦角代入式(1)直接計(jì)算K0,同時(shí),將它們代入式(3)～(6)分別計(jì)算得到已激發(fā)角,再將各自得到的已激發(fā)角分別代入式(2)計(jì)算出2種土料的K0。各種估算方法計(jì)算得到的K0列于表2,同時(shí),將本文試驗(yàn)所測(cè)得的K0也一并列入表2進(jìn)行對(duì)比。

由表2可以看出,采用Jaky[4]提出的經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式求得的K0明顯偏小,不適用于粗粒土。采用Terzaghi[5]提出的式(2)結(jié)合Federico等[9]提出的式(6)所算出的K0與試驗(yàn)結(jié)果最為接近,相差不過(guò)0.03,可以用于估算粗粒土靜止側(cè)壓力系數(shù)。

因此,將式(6)與式(2)相結(jié)合即得較為適用于粗粒土的估算公式。

(10)

5 結(jié) 論

a. 土壓力盒砂標(biāo)法是用于測(cè)定粗粒土土壓力的一種相對(duì)較合理的測(cè)試方法。

b. 由于粗粒土試樣制備時(shí),在土壓力盒上產(chǎn)生類似于黏性土的超固結(jié)現(xiàn)象,因而在土壓力盒上產(chǎn)生初始應(yīng)力,在豎向應(yīng)力較小時(shí),K0較大;但豎向應(yīng)力較大時(shí),超固結(jié)對(duì)K0的影響可以忽略。本文K0試驗(yàn)方法對(duì)粗粒土來(lái)說(shuō)是一種較可行的測(cè)靜止側(cè)壓力系數(shù)的方法。

c. 基于 Terzaghi 提出的已激發(fā)角,Federico等[9]提出的估算公式均適用于粗粒土。但是,由于本文只進(jìn)行了2種土料的試驗(yàn),因此K0的估算方法還有待更多試驗(yàn)資料的驗(yàn)證。

d. 粗粒土的靜止側(cè)壓力系數(shù)研究較少,經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不多。本文只針對(duì)砂卵礫石料進(jìn)行了研究,至于碎石料的K0,還有待進(jìn)一步研究。

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Experimental study of at-rest lateral pressure coefficient of coarse-grained soil

ZHU Jungao1, 2, JIANG Mingjie1, 2, SHEN Kaoshan3, CHU Fuyong4

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.GeotechnicalResearchInstitute,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.ZhejiangQianTangRiverManagementBureauSurveyDesignInstitute,Hanzhou210098,China;4.SchoolofCivilEngineering,LishuiUniversity,Lishui323000,China)

A large-scale uniaxial compression test was conducted for two types of graded sand-grained materials from the overburden of a dam. The horizontal stress and vertical stress of sand-grained materials were measured using soil pressure boxes with parameters obtained from a calibration method, and then the at-rest lateral pressure coefficient (K0) was calculated. By studying the applicability of the hydraulic and sand calibration methods, the reliability of the experimental results ofK0was analyzed. The results show that the sand calibration method is a reliable calibration method for coarse-grained soil. When the vertical stress is large enough, the experimental error ofK0can be ignored, and the value ofK0is close to the actual value. The triaxial CD test was conducted for two types of graded sand-grained materials to measure the effective angle of internal friction, and thenK0was calculated through the relevant empirical formula and compared with the test value to obtain an empirical formula that is suitable for coarse-grained soil. The results show that the relationship expression between the at-rest lateral pressure coefficient and the effective angle of internal friction, which was proposed by Federico and was based on the concept of a mobilized effective angle of internal friction proposed by Terzaghi, is appropriate for coarse-grained soil.

coarse-grained soil; at-rest lateral pressure coefficient; large-scale uniaxial compression test; soil pressure box; effective angle of internal friction; mobilized effective angle of internal friction

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.06.004

2015-12-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(51479052); 浙江省自然科學(xué)基金(LY14E080004);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(20141B1605313)

朱俊高(1964—)，男，江蘇興化人，教授，博士，主要從事土石壩研究。E-mail：jake307562306@vip.qq.com

TU411

A

1000-1980(2016)06-0491-07