太原地鐵2號線K0試驗分析

田 立

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心（有限公司），山西 太原 030006）

1 概述

靜止土壓力系數(shù)K0是巖土工程中一個非常重要的參數(shù)，它與土的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、物理性質(zhì)、應(yīng)力歷史等因素有關(guān)。前人進(jìn)行了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，并在此基礎(chǔ)上提出了幾種計算K0的經(jīng)驗公式。其中，正常固結(jié)的無黏性土根據(jù)Jaky于1944年提出的公式K0=1-sinφ計算，式中φ為土的有效內(nèi)摩擦角。

隨著地鐵開始修建，開挖土層埋置深度不斷增加，有些埋置較深的樣品是超壓密土，甚至出現(xiàn)超固結(jié)狀態(tài)，現(xiàn)場取樣過程中，容易造成擾動和應(yīng)力釋放等問題，給我們室內(nèi)試驗提出了新的問題——如何做好超固結(jié)土的K0試驗及確定K0值和土的超固結(jié)比OCR的關(guān)系值得我們研究和討論。

2 靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗方法

目前，用于確定K0值的室內(nèi)試驗方法有靜止側(cè)壓力系數(shù)K0儀法和全自動三軸儀法。我們此次試驗采用TSZ-2型全自動三軸儀進(jìn)行檢測分析，全自動三軸儀通過程序設(shè)置完全實現(xiàn)側(cè)向壓力σx=σy，當(dāng)軸向力p施加到土壤樣品的表面時，土樣中某點的垂直應(yīng)力 σz=p，受限制的側(cè)面?zhèn)认蛄?σx=σy=K0σz，且連續(xù)采集需要的點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)試驗進(jìn)程的自動化，方便快捷，結(jié)果較為可靠。

試驗過程中有各種樣品，土樣按照超固結(jié)比可分為正常固結(jié)土、超固結(jié)土和欠固結(jié)土（或稱正常壓密、超壓密和欠壓密），它們與超固結(jié)比OCR之間有如下關(guān)系：OCR=1正常固結(jié)土，OCR＞1超固結(jié)土，OCR＜1欠固結(jié)土[1]。

3 正常固結(jié)土（OCR=1）靜止側(cè)壓力系數(shù)的確定

圖1 軸向壓力-側(cè)向壓力關(guān)系曲線（K0=0.481）

圖2 軸向壓力-側(cè)向壓力關(guān)系曲線（K0=0.482）

當(dāng)試樣的前期壓力無限趨近有效自重力時,試樣的狀態(tài)為正常固結(jié)，如圖1所示，在K0線趨勢上，都表現(xiàn)出低壓條件下曲線是平緩的并且高壓條件下曲線是陡峭的。相對于理論曲線上的兩個直線段交點的軸向壓力值即為前期壓力，實測散點圖也具有突變點，此突變點可能是也可能不是前期壓力點。一般位于前一個壓力點之前，在此之后每個測試點都有比較好的線性相關(guān)特性。從理論曲線可以看出K0曲線是連續(xù)的曲線，并且K0曲線在超固結(jié)段曲線和正常固結(jié)段曲線交點呈左連續(xù)及右連續(xù)，理論曲線的正常連接段K0曲線的延長線通過原點，可以通過一元線性回歸的方法對軸向壓力大于試樣的天然有效自重壓力的試驗點進(jìn)行計算，其斜率即為正常固結(jié)土的K0值[2]。對正常固結(jié)（OCR=1）的原狀及重塑土進(jìn)行回歸，得出 K0=0.482，其原狀土為 K0=0.481，由此可認(rèn)為重塑土和天然土的正常固結(jié)段的K0值是一致的。

4 超固結(jié)土（OCR=1）靜止側(cè)壓力系數(shù)的確定

由于超固結(jié)土（OCR=1）普遍存在于各個地層，確定超固結(jié)土的K0值有重要意義。產(chǎn)生超固結(jié)的原因多種多樣，如：地殼運動、天然土的次固結(jié)效應(yīng)、冰川、河流剝蝕、其他外力作用等[2]，目前已有的試驗報告顯示，太原市部分天然土為超固結(jié)土，一些以往認(rèn)為是正常固結(jié)土（OCR=1）或欠固結(jié)土（OCR＜1）的淤泥也具有超固結(jié)土（OCR＞1）的特性，為輕超固結(jié)土，超固結(jié)比在1～3之間，雖然具有同樣物理性質(zhì)，但超固結(jié)土較正常固結(jié)土的K0值大，因此，如果使用K0值法來計算超固結(jié)土的K0值，出現(xiàn)不準(zhǔn)確的結(jié)果是不可避免的。

根據(jù)上述分析可知，所有試驗土樣，均先要確定其前期壓力Pc來劃分土的類型，然后再計算Pc值。如何確定Pc，第一種方法是取同一樣品的試樣分別進(jìn)行Pc固結(jié)試驗和平行的前期壓力試驗，可以認(rèn)為Pc值一樣；第二種方法是直接利用K0試驗小應(yīng)變法測得變形量，用卡氏法求得Pc值，第二種方法將延長K0固結(jié)試驗周期，在精度上不如第一種方法高，因此推薦使用第一種方法。模擬再現(xiàn)超固結(jié)土（OCR＞1）實際的軸向與側(cè)向應(yīng)力關(guān)系曲線，則可從曲線方便地求出K0值[3]。

5 太原地鐵2號線樣品檢測分析

太原地鐵2號線某標(biāo)段樣品K0值及超固結(jié)比OCR等相關(guān)數(shù)據(jù)如表1。

表1 天然試樣參數(shù)表

試驗發(fā)現(xiàn)，有些土樣的試驗值明顯偏離經(jīng)驗值，造成這種結(jié)果的原因很多，其與試驗設(shè)備的密封性、操作的規(guī)范性、土樣的初始狀態(tài)、加載時間、擾動程度等都存在著密切關(guān)系，但大多數(shù)結(jié)果與超固結(jié)OCR越大，K0值越大的規(guī)則一致。

在室內(nèi)測試中，要測量項目所需的K0值，必須了解土的應(yīng)力歷史，恢復(fù)到現(xiàn)場原位應(yīng)力狀態(tài)下施加符合工程實際的荷載才能反映出真實的K0結(jié)果。對于正常固結(jié)土，恢復(fù)到原位上覆土壓力狀態(tài)便可測得，但對于超固結(jié)土，必須先求出先期固結(jié)壓力Pc，再確定現(xiàn)場上覆土壓力σ1，保持K0條件，逐漸加荷σV，當(dāng)σ1=σV時，可測得上覆土壓力狀態(tài)的K0R，然后按照工程實際荷載增加σV，測出重新加荷的超固結(jié)土K0值。

針對原狀土的試驗結(jié)果進(jìn)行驗證比對試驗，同一種黏性土進(jìn)行重塑后，再進(jìn)行靜止側(cè)壓力系數(shù)K0試驗，分別制備了欠固結(jié)土樣和超固結(jié)土樣，試驗所得數(shù)據(jù)如表2。

表2 重塑試樣參數(shù)表

前人經(jīng)驗表明超固結(jié)作用對沙土影響不大，黏性土靜止側(cè)壓力系數(shù)K0與超固結(jié)比的關(guān)系如下：

式中：m為經(jīng)驗指數(shù)，與塑性指數(shù)Ip有關(guān)，一般土Ip小于 20，m=0.41，當(dāng) Ip=40時 m=0.37，上海地區(qū) m=0.5[2]。

由表2內(nèi)插求得此重塑樣品正常固結(jié)OCR=1時K0=0.526，對照經(jīng)驗公式太原地區(qū)以上土樣試驗結(jié)果可取m=0.42更接近實測試驗結(jié)果。

6 結(jié)語

a）目前各測試單位提供的K0試驗結(jié)果大多向經(jīng)驗數(shù)據(jù)靠攏，忽視了樣品超固結(jié)的情況，使測試結(jié)果完全偏離工程應(yīng)用，值得我們注意和重視。

b）對于正常固結(jié)土，土的壓縮性越高，K0值越大，但對于OCR＞1的超固結(jié)土則恰好相反，OCR越大，土的壓縮性越低，K0值越大。

c）太原地區(qū)地鐵2號線超固結(jié)土的K0值基本符合超固結(jié)比越大，靜止側(cè)壓力系數(shù)K0值越大的規(guī)律。

d）太原地區(qū)超固結(jié)黏性土超固結(jié)經(jīng)驗公式(K0)OC=K0(OCR)m，塑性指數(shù)IP小于20時可取m=0.42。