靜止側(cè)壓力系數(shù)測試方法的探討

曹曉娟

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，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是土的主要力學特征指標之一，對于一定的土層來說，K0是一個穩(wěn)定值。隨著土工試驗技術(shù)的發(fā)展，常常需要準確測定土的靜止側(cè)壓力系數(shù)，其值直接影響到土的強度特征、有效應(yīng)力和應(yīng)力路徑等，尤其是在有限元法應(yīng)用于土力學問題以后，正確確定土的力學指標問題就更為突出。此外，在砂土液化、樁的負摩阻力等方面，K0也都有著十分廣泛的應(yīng)用。因此，K0的測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)驗公式求算或估算;利用室內(nèi)土工試驗確定;利用原位測試確定。本文僅就室內(nèi)土工試驗法進行研究。

2 試驗方法

目前，國內(nèi)測定靜止側(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)標準《土工試驗規(guī)程》SL237—1999中的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗方法。通過對國內(nèi)較大的試驗室進行的調(diào)研和與一些土工試驗專家的探討，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)制樣時不要偏心，軸向變形為零時，預(yù)加側(cè)壓力;(3)測試樣中的孔隙水壓力。但側(cè)壓力儀由于種種原因，實際測得的試驗數(shù)據(jù)偏小，直接加大了設(shè)計的風險性。對于其他儀器和方法，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，研究測定靜止側(cè)壓力系數(shù)的測試方法很有必要。

在進行靜止側(cè)壓力系數(shù)測定時，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，在試驗過程中控制樣品的受力面積保持不變是試驗的前提條件。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，從而測定靜止側(cè)壓力系數(shù)。通過試驗數(shù)值分析，研究應(yīng)用應(yīng)變控制式靜三軸儀測定靜止側(cè)壓力系數(shù)的方法要點，并評價其可靠性和準確性。

3 對比試驗結(jié)果分析

3.1 對比試驗

研究采用對比試驗進行。

(1)儀器

應(yīng)變式三軸儀和靜止側(cè)壓力儀進行對比試驗。

(2)試驗方法

分別采用本研究中的三軸法和SL239－1999中的K0測定法。

(3)樣品

采用同一種土類，分別進行試驗。

(4)試驗時間

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

試驗研究的前提是試驗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。在飽和后和試驗后分別對樣品的直徑進行了測量，試驗前后樣品的情況如圖1所示。

圖1 三軸法K0試驗記錄

3.2 對比試驗結(jié)果分析

由于時間和樣品上的限制，本次研究共對44組樣品進行了以上內(nèi)容的試驗。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。具體試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(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)驗值的變化;與SL239－1999中的K0測定法做出來的數(shù)據(jù)基本一致，甚至更接近土的經(jīng)驗值。堅硬狀態(tài)的黏土與經(jīng)驗值相差較多，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現(xiàn)象造成，試驗中應(yīng)該嚴格控制制件尺寸和避免飽和時擾動試件。

通過對試驗數(shù)據(jù)的總結(jié)和分析，得出了三軸法測定土的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗的方法，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)對比，本研究中的三軸法與SL239－1999中的K0測定法都能夠測定土的K0值，但前者更接近土的經(jīng)驗值，而且大大縮短了試驗時間，提高了試驗效率。

［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 土工試驗方法標準［S］．北京:中國計劃出版社，1999

［2］中華人民共和國水利部．SL237—1999 土工試驗規(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(第四版)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007