側壓力儀測定靜止側壓力系數K0試驗的研究

崔文良 （安徽省城建設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

1 靜止側壓力系數K0含義

靜止側壓力系數又稱靜止土壓力系數，是巖土工程中一個非常重要的參數，用于確定場地中的應力狀態、計算靜止土壓力、地下結構物設計、對土樣進行不等向固結試驗等[1]。

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

靜止側壓力系數與土的性質及應力歷史有很大的關系，其大小可根據試驗測定，如《土工試驗方法標準》（GB/T50123—2019）（以下簡稱“標準”）28章中采用側壓力儀進行試驗，此外還有三軸儀法、原位測試法等。

靜止側壓力系數也可用經驗公式求得對于無粘性土及正常固結黏土，K0=1-sinφ′[3]。式中 φ′為土的有效內摩擦角。

有效內摩擦角反映了土體內部摩擦力的大小。有效內摩擦角越大，土體越密實，在側限條件下達穩定時，其豎向有效應力也就越大，所以這種土的K0往往較小；反之有效內摩擦角較小的無粘性土，其K0較大。

2 試驗原理與過程

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

試驗第一級開始施加軸向壓力的一瞬間，產生超靜孔隙水壓力，有效應力為0，數值上總軸壓σ1與總側壓σ3均等于超靜孔隙水壓力μ，總側壓力系數K總為1。

隨著固結不斷進行，孔隙水壓力μ不斷減小，有效軸壓力σ1’和有效側壓力σ3’出現，并不斷增加。

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

可以看出，每級試驗時，由于σ1完全轉化為σ1’，屬于已知條件，試驗目的變成了測σ3’。周圍壓力傳感器測量的是總側壓σ3，只有當固結完成后，μ變為0，這時儀器測量的側壓才是有效側壓σ3’。

從第二級開始，總側壓力系數K總小于1。

試驗將施加的幾級軸向壓力為橫坐標，將每級固結穩定后的周圍壓力為縱坐標，繪制二者關系曲線，其斜率為靜止側壓力系數。

3 不同穩定標準下的K0

“標準”規定的試樣固結穩定標準為每小時變形不應大于0.01mm，而同行中一般認為，加荷時間為達到固結度90%為宜，一般為讀數時間為加載后一個小時。作者發現，一般加荷讀數時間越短，K0越大，達到固結度90%所得K0與經驗公式K0=1-sinφ′的計算值最為靠近，與目前工程上的經驗值大致相同，而采用穩定標準為每小時變形不應大于0.01mm，測得的K0偏小。

另外，土的性質不同，主固結完成的時間是不一樣的，即固結度達到90%時間不同。土質愈軟，固結時間愈長，如飽和軟黏土固結時間較長，而粉土固結時間較短[4]。

為了說明試驗過程和結果曲線特征，驗證了固結度達到90%所得K0與目前工程上的經驗值大致相同的觀點，作者用取自合肥地區黏性土土樣進行試驗，取樣深度5.6m～5.8m。塑性指數為16.4，灰黃色，狀態可塑，按不同加荷等級分別取40min、1h和達到穩定標準為每小時變形不大于0.01mm對應的圍壓，繪制有效軸壓與有效圍壓關系曲線。

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

表1為同一個土樣同一個試驗加荷時間分別為40min、1h和達到穩定標準為每小時變形不大于0.01mm在不同加荷等級下最終對應的每級有效圍壓。

不同加荷等級下對應的每級有效圍壓 表1

圖1為有效軸壓與有效圍壓關系曲線，40min 時 K0-40分鐘=0.48，1hK0-1小時=0.46，穩定標準為每小時變形不大于0.01mm對應K0-0.01mm=0.38，其大小順序為 K0-40分鐘＞K0-1小時＞K0-0.01mm，加荷讀數時間越長，K0越小。K0越偏小對于工程風險越大，且40min不能保證固結度達到90%，因此，建議時間為加載后1h。

圖1 有效軸壓與有效圍壓關系曲線

另外，該土樣經過三軸CU試驗得出有效內摩擦角為32.5°，根據經驗公式K0=1-sinφ′，得出K0-公式=0.463。根據經驗值，可塑狀態粉質黏土K0-經驗=0.43[5]發現K0-1小時與K0-公式、K0-經驗最為接近。當然三軸試驗確定的有效內摩擦角不一定準確，但在日常試驗生產中，大部分情況仍是 K0-1小時與 K0-公式、K0-經驗最為接近。

4 超固結土的K0

理論上試驗得到的五個點應該落在一條直線上，但通過圖1發現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土，平時現場取土后，再拿到實驗室做試驗，相當于卸載回彈再壓縮。

圖2 超固結土的K0試驗曲線

5 試驗結果的運用與取舍

靜止側壓力系數的測定方法，除了采用側壓力儀進行試驗，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值目前大多根據經驗公式及經驗值，試驗值為輔，“標準”中關于靜止側壓力系數的試驗步驟與操作方法的規定不是很詳細。試驗人員應結合經驗，仔細推敲試驗結果，提供可靠的K0值，保證工程的安全與節約。