寧波地區深厚軟土靜止側壓力系數對比研究

劉 勇

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

0 引言

隨著人類文明的進步，以及我國經濟形勢的不斷發展，使得城市人口進一步增長，土地資源日益枯竭的問題變得越來越嚴重。特別是經濟發達的沿海地區沉積了深厚的海相軟弱土層，如長江三角洲、珠江三角洲地區，其土地資源利用率之高，使許多重大工程在選取建設地址時無法避免軟弱土層，如寧波軌道交通車站深基坑、盾構區間大多位于軟土層中。

軟土地基排水固結緩慢，穩定性差，沉降問題突出等特點，在外荷載作用下土體破壞表現出較大的突發性，給工程建設造成極大危害，經常會出現各種巖土工程難題。如對軟土的工程特性認識不足，將給工程建設帶來潛在的危險，結果將造成巨大的經濟損失。軟土存在一定區域特性特征，不同地區軟土由于其沉積環境的差異而具有不同的成分、結構特性、力學狀態及環境荷載，導致其工程性質不同于其他地區，因此有必要對一定區域軟土的工程性質展開研究。

1 地質條件與軟土工程性質

寧波位于東海之濱、長江三角洲的東南隅，地處寧紹平原東部，東臨東海，北瀕杭州灣，與上海隔海相望。在經過多次海陸變遷過程中，寧波平原淺部地層主要由海陸交錯、海積黏土反復沉積形成，第四紀地層發育，厚度較大、層位分布較穩定，厚度約80 m～100 m。

寧波地區屬于典型的軟土場地，廣泛分布厚層狀軟土，具有“天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、靈敏度高、透水性低”等特點。根據寧波地區大量的巖土工程勘察資料，如寧波軌道交通1號線～5號線、櫟社國際機場擴建工程、環城南路、北環快速路、世紀大道快速路等較大型建設工程所在地區的軟土主要由淤泥、淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土組成。軟土層一般分布在地表硬殼層之下，層頂埋深一般為2～4 m，厚度大多為10～20 m，局部地區最大厚度可達25 m以上，其下臥層為稍密狀砂土層，或軟塑～可塑狀黏性土層，呈厚層狀大面積分布。

寧波地區典型軟土物理力學性質指標統計如表1所列。

2 確定靜止側壓力系數K0的常用方法

靜止側壓力系數K0的定義為：在不允許有側向變形的情況下，土樣受到的軸向壓力增量Δσ1將會引起側向壓力的相應增量Δσ3，土的靜止側壓力系數 K0為 Δσ3與 Δσ1的比值（K0=Δσ3/Δσ1）。靜止側壓力系數K0是土體的一個重要力學性質指標，在實際工程中如深基坑、隧道、地下洞室、堤壩、擋土結構、樁基等應用十分廣泛，因此K0取值的準確與否直接關系到工程的安全可靠性與工程造價等，目前已受到相關行業的高度重視。

靜止側壓力系數K0與土的有效內摩擦角φ’、孔隙比e有較大的關系，另還與土的彈性模量、顆粒組成等有關。影響土的靜止側壓力系數有較多的因素，其中主要有物理力學性質、結構特性、應力歷史、應力路徑等[1]。目前國內外對K0的研究已取得大量的成果，并且有的研究獲得了認可，但由于土體的復雜性、區域性等特點，故在不同地區應用時，應結合當地經驗，采用多種方法相互印證。確定土的靜止側壓力系數K0的方法主要有：（1）通過經驗公式估算；（2）室內土工試驗法；（3）利用原位測試間接測定。

2.1 經驗公式法

根據土的變形機理，各指標之間并非獨立存在，而是存在一定的關系，因此可利用理論或經驗關系估算某未知的指標。

（1）利用土層有效內摩擦角估算正常固結黏性土的靜止側壓力系數K0[2]：

式中：φ’為土的有效內摩擦角。

（2）塑性指數Ip是黏性土的一個基本指標，與土的力學性質關系較大，Alpan（1967）提出了正常固結黏性土K0與Ip的關系式[2]：

2.2 室內土工試驗

室內土工試驗測定土的靜止側壓力系數K0的方法有側壓力儀法和三軸試驗法。側壓力儀法是試樣在無側向變形壓縮時，分別測得側向壓力σh和軸向壓力σv，所測得的側向壓力即為靜止側壓力，根據σh～σv的關系曲線計算K0。三軸試驗則是通過施加軸向壓力時，控制圍壓使試樣不產生側向變形，此時圍壓與軸向壓力之比即為土的靜止側壓力系數K0。

2.3 原位測試法

室內試驗由于取樣擾動、應力釋放、人為試驗操作等因素影響，使其測試的土層物理力學性質指標常常失真，但原位測試法在適當的操作條件下可以克服上述缺點，并且可大量縮短試驗周期，如沈珠江認為只有通過原位測試才能獲得可靠度高的巖土物理力學參數[3]。原位測試是在原始復雜應力條件下的試驗，因此不能從試驗結果直接給出某一參數，而需通過反饋分析的方法間接或擴展求出參數，原位測試的應用將會越來越廣泛。

2.3.1 扁鏟側脹試驗

表1 軟土層物理力學性質指標一覽表

扁鏟側脹試驗 DMT（flat dilatometer test）是意大利教授Silvano Marchetti于20世紀70年代創立的一種新興原位測試方法[4]。試驗時，將帶有膜片的扁鏟壓入土中預定深度，充氣使膜片向孔壁土中側向擴張，測定土的壓力與變形的關系，從而獲得某些巖土參數。

利用扁鏟側脹水平應力指數KD確定土的靜止側壓力系數K0有良好的效果[5]。由于扁鏟側脹試驗在我國開展應用的時間較晚，目前的試驗成果應用經驗尚不豐富，故應用時應結合當地經驗，并與其他測試方法相互配合、印證。扁鏟側脹試驗最適宜在軟弱、松散土中進行，隨著土層堅硬或密實程度的增加，測試的效果逐漸變差。

Marchetti通過對軟土地區的扁鏟側脹試驗與其他試驗的對比研究，建立了K0與KD之間的關系式如下[4]：

Lunne根據對新近黏性土的試驗研究提出K0與KD的關系為[6]：

式中：Cu為土的黏聚力；σv0’為有效上覆應力。

扁鏟側脹試驗可以比較準確地反應小應變的應力關系，測試的重復性較好，引入我國后受到高度重視。許多學者和單位進行了深入的試驗研究和工程應用，并于2003年首次列入鐵道部相關規范[7]，飽和黏性土K0的計算公式如下：

扁鏟側脹試驗在上海地區取得了一定的研究成果和工程應用經驗，并已列入了當地的巖土工程勘察規范[8]。流塑黏性土計算K0的經驗公式為：

2.3.2 旁壓試驗

旁壓試驗PMT（pressuremeter test）是采用可側向膨脹的旁壓器對鉆孔孔壁周圍的土體施加水平向壓力的測試方法，使孔壁向外膨脹直至破壞，從而得到壓力與變形的關系，根據相關曲線可求出靜止側壓力系數K0：

式中：σh’為原位水平有效應力；σv’為有效上覆應力；p0為初始壓力；u為孔隙水壓力。

旁壓試驗對操作工藝、經驗要求較高，成孔質量是試驗成敗的關鍵，成孔垂直度、孔壁的擾動、軟弱土層的縮孔、坍孔、加荷等級的選擇等都是重要的技術性問題。在試驗過程中，容易出現差錯，獲取的靜止側壓力系數有較大的離散性，在該方面的應用較少。

3 軟土靜止側壓力系數K0不同確定方法的對比分析

靜止側壓力系數K0的計算經驗公式多為學者針對某一特定區域或某一特定土性的研究成果，特別是扁鏟側脹試驗引入我國的時間并不長，在有些地區的應用尚未建立較好的經驗關系，應用時應慎重考慮。

確定靜止側壓力系數K0的各種方法在寧波地區都有不同程度的應用，但以室內土工試驗測試方法為主。K0的各種確定方法各有其優點，但同時也存在一定的局限性和不足之處。比如：室內試驗無法避免取樣擾動、人為試驗操作的影響，但可以較好地控制試驗邊界條件；原位測試具有擾動小、操作便利等優點，但各種原位測試有一定的適用條件，有些理論建立在統計經驗的關系上，使得對測定值的準確判斷有較大困難。

根據寧波地區的巖土工程勘察資料（寧波軌道交通1號線～5號線、櫟社國際機場擴建工程、環城南路、北環快速路、世紀大道快速路等），對淺部軟土進行了許多室內土工試驗，并在現場進行了多種原位測試工作，通過對大量試驗數據的分析研究，K0值與塑性指數Ip的大小密切相關，具有較好的線性關系如圖1所示，統計經驗公式如下：

圖1 軟土K0與Ip的關系曲線圖

綜合室內土工試驗，并利用土層有效內摩擦角φ’、塑性指數Ip經驗公式等不同方法獲得的軟土靜止側壓力系數K0平均值如表2所列。軟土層的扁鏟側脹試驗相關指標及由上述經驗公式計算的軟土層靜止側壓力系數K0平均值如表3所列。由于Lunne經驗公式（4）與上海地區經驗公式（6）計算的結果較接近，且上海地區經驗在寧波具有一定的參考價值，故表3中未列出經驗公式（4）的計算結果。

由表2、表3獲取的K0值可知，不同方法確定的K0存在一定差異。室內土工試驗側壓力儀法比三軸試驗法測定的K0偏小，其中淤泥質黏土的K0值差異最大；經驗公式（1）、（2）、（8）確定的 K0比室內三軸試驗法也偏小；公式（8）計算結果與三軸試驗法較為接近，可用于估算該地區軟土的K0值；由于軟土的區域性特點，公式（2）計算結果與室內土工試驗、經驗公式確定的K0值差異最大。

表2 室內土工試驗及經驗公式計算的K0值一覽表

表3 扁鏟側脹試驗成果計算的K0值一覽表

根據扁鏟側脹試驗成果計算的K0值除個別數據外，比室內三軸試驗法偏小，公式（3）在計算淤泥、淤泥質黏土的K0值時與三軸試驗法較為接近，公式（6）次之，公式（5）計算的結果差異最大。

為提出寧波地區軟土靜止側壓力系數K0的準確值，可參考上海地區利用扁鏟側脹試驗計算K0值的經驗，可對經驗公式（6）稍加修訂以符合寧波地區軟土K0的計算經驗公式：

淤泥、淤泥質黏土：n=0.7～0.8

淤泥質粉質黏土：n=0.5～0.6

經過對上述K0值各種確定方法計算結果的對比研究，并結合當地經驗，給出寧波地區軟土層靜止側壓力系數K0建議值如表4所列。

表4 靜止側壓力系數K0建議值一覽表

4 結論

根據寧波地區大量的巖土工程勘察資料，分別基于經驗公式、室內土工試驗、原位測試等多種方法分析討論寧波地區淺層軟土的靜止側壓力系數K0值，參考其他地區的經驗，對已有經驗公式稍加修訂提出了符合寧波地區軟土K0的計算經驗公式，得到以下主要結論：

（1）結合寧波地區軟土的工程特性，建立了靜止側壓力系數K0與塑性指數Ip的統計經驗公式，可較好地估算該地區軟土的K0值。

（2）室內土工試驗側壓力儀法較三軸試驗法測定的K0偏小，不同經驗公式與扁鏟側脹試驗成果計算的K0值均存在一定的差異。

（3）參考上海地區利用扁鏟側脹試驗成果計算K0值的經驗，經修訂提出符合寧波地區軟土K0的計算經驗公式。

（4）經過對K0值各種確定方法的對比分析和研究，結合當地經驗提出了適合寧波地區淺層軟土的靜止側壓力系數K0建議值，供參考應用于該地區的軟土工程設計。

[1]李作勤，影響粘土靜止側壓力的一些問題[J]，巖土力學，1995（1）：9-16.

[2]Hayat T M.The coefficient of earth pressure at rest[D].Urbana:University of Illinois at Urbana-Champaign,1992.

[3]沈珠江，原狀取土還是原位測試--土質參數測試技術發展方向芻議[J]，巖土工程學報，1996，18(5)：90-91.

[4]Marchetti S.In-Situ Tests by Flat Dilatometer [J].Journal of Geotechnical Engineering ASCE,1980,107(3):832-837.

[5]GB50021-2001，巖土工程勘察規范，（2009年版）[S].

[6]Lunne T,Powell J J M，Hauge E A,et al.1990.Correlation of dilatometer readings with lateral stress in clays [J].Transport Research Record,1990,1278:183-193.

[7]TB10018-2003，鐵路工程地質原位測試規程[S].

[8]DGJ08-37-2012，巖土工程勘察規范[S].