側(cè)壓力儀測定靜止側(cè)壓力系數(shù)K0試驗的研究

崔文良 （安徽省城建設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

1 靜止側(cè)壓力系數(shù)K0含義

靜止側(cè)壓力系數(shù)又稱靜止土壓力系數(shù)，是巖土工程中一個非常重要的參數(shù)，用于確定場地中的應(yīng)力狀態(tài)、計算靜止土壓力、地下結(jié)構(gòu)物設(shè)計、對土樣進行不等向固結(jié)試驗等[1]。

靜止側(cè)壓力系數(shù)是土體在無側(cè)向變形條件下，有效側(cè)向應(yīng)力與有效軸向應(yīng)力之比[2]。K0基本為常數(shù)，一般小于1。

靜止側(cè)壓力系數(shù)與土的性質(zhì)及應(yīng)力歷史有很大的關(guān)系，其大小可根據(jù)試驗測定，如《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019）（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”）28章中采用側(cè)壓力儀進行試驗，此外還有三軸儀法、原位測試法等。

靜止側(cè)壓力系數(shù)也可用經(jīng)驗公式求得對于無粘性土及正常固結(jié)黏土，K0=1-sinφ′[3]。式中 φ′為土的有效內(nèi)摩擦角。

有效內(nèi)摩擦角反映了土體內(nèi)部摩擦力的大小。有效內(nèi)摩擦角越大，土體越密實，在側(cè)限條件下達(dá)穩(wěn)定時，其豎向有效應(yīng)力也就越大，所以這種土的K0往往較??；反之有效內(nèi)摩擦角較小的無粘性土，其K0較大。

2 試驗原理與過程

本文采用側(cè)壓力儀法進行試驗，試驗所用主要儀器有側(cè)壓力儀、軸向加壓設(shè)備及壓力傳感器。

試驗第一級開始施加軸向壓力的一瞬間，產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，有效應(yīng)力為0，數(shù)值上總軸壓σ1與總側(cè)壓σ3均等于超靜孔隙水壓力μ，總側(cè)壓力系數(shù)K總為1。

隨著固結(jié)不斷進行，孔隙水壓力μ不斷減小，有效軸壓力σ1’和有效側(cè)壓力σ3’出現(xiàn)，并不斷增加。

每級試驗中施加的總軸壓σ1是保持不變的，固結(jié)完成后，總軸壓力σ1完全轉(zhuǎn)化為有效軸壓力σ1’，總側(cè)壓力σ3部分轉(zhuǎn)化為有效側(cè)壓力σ3’。二者相除，得到本級K0。

可以看出，每級試驗時，由于σ1完全轉(zhuǎn)化為σ1’，屬于已知條件，試驗?zāi)康淖兂闪藴yσ3’。周圍壓力傳感器測量的是總側(cè)壓σ3，只有當(dāng)固結(jié)完成后，μ變?yōu)?，這時儀器測量的側(cè)壓才是有效側(cè)壓σ3’。

從第二級開始，總側(cè)壓力系數(shù)K總小于1。

試驗將施加的幾級軸向壓力為橫坐標(biāo)，將每級固結(jié)穩(wěn)定后的周圍壓力為縱坐標(biāo)，繪制二者關(guān)系曲線，其斜率為靜止側(cè)壓力系數(shù)。

3 不同穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)下的K0

“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的試樣固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時變形不應(yīng)大于0.01mm，而同行中一般認(rèn)為，加荷時間為達(dá)到固結(jié)度90%為宜，一般為讀數(shù)時間為加載后一個小時。作者發(fā)現(xiàn)，一般加荷讀數(shù)時間越短，K0越大，達(dá)到固結(jié)度90%所得K0與經(jīng)驗公式K0=1-sinφ′的計算值最為靠近，與目前工程上的經(jīng)驗值大致相同，而采用穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時變形不應(yīng)大于0.01mm，測得的K0偏小。

另外，土的性質(zhì)不同，主固結(jié)完成的時間是不一樣的，即固結(jié)度達(dá)到90%時間不同。土質(zhì)愈軟，固結(jié)時間愈長，如飽和軟黏土固結(jié)時間較長，而粉土固結(jié)時間較短[4]。

為了說明試驗過程和結(jié)果曲線特征，驗證了固結(jié)度達(dá)到90%所得K0與目前工程上的經(jīng)驗值大致相同的觀點，作者用取自合肥地區(qū)黏性土土樣進行試驗，取樣深度5.6m～5.8m。塑性指數(shù)為16.4，灰黃色，狀態(tài)可塑，按不同加荷等級分別取40min、1h和達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時變形不大于0.01mm對應(yīng)的圍壓，繪制有效軸壓與有效圍壓關(guān)系曲線。

讀數(shù)過程可以發(fā)現(xiàn)，每級荷載開始加載的短時間內(nèi)圍壓數(shù)值與軸向變形變化非?？?，需要兩人同時進行讀數(shù)。從第二級開始，以后的每級軸壓加載一瞬間產(chǎn)生的圍壓等于新增軸壓部分與上一級最后的圍壓讀數(shù)之和。

表1為同一個土樣同一個試驗加荷時間分別為40min、1h和達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時變形不大于0.01mm在不同加荷等級下最終對應(yīng)的每級有效圍壓。

不同加荷等級下對應(yīng)的每級有效圍壓 表1

圖1為有效軸壓與有效圍壓關(guān)系曲線，40min 時 K0-40分鐘=0.48，1hK0-1小時=0.46，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時變形不大于0.01mm對應(yīng)K0-0.01mm=0.38，其大小順序為 K0-40分鐘＞K0-1小時＞K0-0.01mm，加荷讀數(shù)時間越長，K0越小。K0越偏小對于工程風(fēng)險越大，且40min不能保證固結(jié)度達(dá)到90%，因此，建議時間為加載后1h。

圖1 有效軸壓與有效圍壓關(guān)系曲線

另外，該土樣經(jīng)過三軸CU試驗得出有效內(nèi)摩擦角為32.5°，根據(jù)經(jīng)驗公式K0=1-sinφ′，得出K0-公式=0.463。根據(jù)經(jīng)驗值，可塑狀態(tài)粉質(zhì)黏土K0-經(jīng)驗=0.43[5]發(fā)現(xiàn)K0-1小時與K0-公式、K0-經(jīng)驗最為接近。當(dāng)然三軸試驗確定的有效內(nèi)摩擦角不一定準(zhǔn)確，但在日常試驗生產(chǎn)中，大部分情況仍是 K0-1小時與 K0-公式、K0-經(jīng)驗最為接近。

4 超固結(jié)土的K0

理論上試驗得到的五個點應(yīng)該落在一條直線上，但通過圖1發(fā)現(xiàn)并非所有點均落在一條直線上。這是因為工程中土常為超固結(jié)土，平時現(xiàn)場取土后，再拿到實驗室做試驗，相當(dāng)于卸載回彈再壓縮。

圖2 超固結(jié)土的K0試驗曲線

5 試驗結(jié)果的運用與取舍

靜止側(cè)壓力系數(shù)的測定方法，除了采用側(cè)壓力儀進行試驗，還有三軸儀法、原位測試法等。每種試驗方法得到的K0值大小有較大差異，用同種試驗方法對同一個土樣進行試驗也有些出入。影響因素很多，儀器型號不同，壓力室橡膠膜的厚度，試樣高度直徑，儀器是否存在無法察覺的漏水，試驗人員的操作水平等等。K0值目前大多根據(jù)經(jīng)驗公式及經(jīng)驗值，試驗值為輔，“標(biāo)準(zhǔn)”中關(guān)于靜止側(cè)壓力系數(shù)的試驗步驟與操作方法的規(guī)定不是很詳細(xì)。試驗人員應(yīng)結(jié)合經(jīng)驗，仔細(xì)推敲試驗結(jié)果，提供可靠的K0值，保證工程的安全與節(jié)約。