关于提高静止侧压力系数K0测定准确性的体会

沈 昕

随着国民经济的快速发展,城市中机动车高速增长,带来城市交通拥堵、环境恶化等诸多问题,因此,大力发展城市地铁、轻轨建设已经成为许多城市发展公共交通的根本方针。在地铁、轻轨的勘察设计中,由于K0值能体现出地层在上部荷载的作用下,其水平方向的应力状态,对作用在挡土结构物上的压力分布、安全性以及工程措施的制定和工程造价等均有直接影响。因此在地铁、轻轨以及高层建筑的基坑等工程勘察中是很重要的试验指标。静止侧压力系数K0是土体在无侧向变形条件下,侧向有效应力和轴向有效应力之比,即K0=σ3/σ1。静止侧压力系数 K0如何测定准确,目前国内也有许多计算静止土侧压力系数的经验公式和实测方法,下面就室内土工试验确定方法及影响因素逐一进行阐述。

1 静止侧压力系数室内试验方法

1.1 固结仪法

固结仪法是在传统的固结仪上施加轴向垂直压力,侧向安装压力传感器。试验可测得土在无侧限压缩时的轴向压力和侧向压力。然后计算K0=σh/σv。此种方法由于套在试样外部的膜本身不易与土完全贴紧,造成中间留有空隙,使得力在传递过程中有一定损失,另外膜在受压时产生的弹性形变要消耗掉部分侧压力,造成试验结果往往偏小。可以采取如下措施来纠正,以提高试验的精度:1)用钢块校正未消耗的部分侧压力;2)制样时应该保持轴向同心,轴向变形为零时,预加侧压力;3)样品饱和时,应保持试样不变形或塌落。

1.2 三轴仪法

利用应变式静三轴仪控制侧向不发生形变,这可以通过在试样内部安装侧向应变仪或传感器加以监控。在施加轴向压力的同时,增加侧向压力,并不断观察侧向应变仪读数,调整围压以保持侧向应变读数为常数。这样便可测得侧向压力及孔隙水压力,以此求得土的静止侧压力系数。需要注意的是,对于饱和土样的排水试验,则可通过测量排水量来控制侧向变形。另外也可以通过测定三轴室的体积变化达到控制侧向变形的目的,这种方法可以在K0三轴仪中进行。三轴仪法得出的试验数据相比于固结仪法更加准确,接近经验值,但此种方法操作繁琐,不易控制。

1.3 侧压力仪法

侧压力仪法与固结仪法类似,这一方法是厂家针对静止侧压力系数K0开发的专用仪器,较为常见的是JCY型静止侧压力系数固结仪,能够测定直径61.8 mm、高40 mm的土样的静止侧压力系数。在施加轴向压力后试样不允许发生侧向变形,即轴向应变和体积应变相等。它与三轴仪的差别主要体现在以下两个方面:1)在试验过程中受压室的阀门关闭,液体密闭在受压室中,当增大轴向压力时,由于保持侧向不允许变形,受压室的液体压力也增大;2)加轴向压力的传压板与试样直径相等,试样受力发生压缩后,由于密闭受压室容积仍保持不变,试样不可能侧向变形,轴向应变等于体积应变。用这种仪器密闭压力室必须密封不漏水。密封压力室外罩,量测密封受压室液体压力的管路等装置,在承受压力后不应发生变形,否则引起试样侧向变形。密闭受压室的液体需用纯水,防止水中溶解空气压缩性增大。

2 影响静止侧压力系数 K0测定准确性的影响因素

2.1 土的物理力学性质的影响

1)塑性指数 Ip的影响。塑性指数反映了黏性土的矿物组成、粒径大小、颗粒形状、水溶液组成对黏性土性质的综合影响。Ip越大,表明土的颗粒愈细小,粘粒含量越多;反之,则说明土的颗粒愈粗。粗粒土的K0往往低于细粒土的;黏性土一般颗粒较细,黏性土的 K0值常常大于无黏性土的 K0值。2)超固结比OCR的影响。根据以往的经验表明,压缩系数和K0的关系为土的压缩系数越高,证明土的强度越低,在受到竖向有效应力的情况下,其水平向有效应力越大,K0值也愈大。对于超固结的土,OCR愈大,土的压缩系数愈小,K0愈大。有数据分析显示,当超固结比 OCR=1～2.5时,静止土压力系数 K0与超固结比 OCR近似成线性关系,当超固结比OCR＞2.5时,静止土压力系数K0与超固结比的关系不成线性变化,可用指数函数来表示。因此,要了解土层的应力历史,明确具体成因,才能提高测试数据的准确性。3)土的有效内摩擦角φ′。土体孔隙水压力有固定的变化规律,土体受力与孔隙水压力的变化通过三轴固结不排水试验能体现,通过该试验可以得出土的有效内摩擦角φ′,有效内摩擦角愈大,土体愈密实,K0值一般偏小;反之有效内摩擦角愈小,K0值愈大。4)含水量及固结度的影响。一般来讲,土的静止侧压力系数除主要是和土的结构、密实度有关外,还与土的孔隙比、含水量等有关系。对黏性土而言,还和土的固结度有关。黏性土的K0值随含水量的降低而降低,随固结度的增加而减小。因为黏性土的侧压力如同垂直压力一样,可分为有效压力和孔隙水压力两部分,在固结过程中,孔隙水压力逐渐消失,因而侧向压力和侧压力系数也逐渐降低。5)泊松比μ的影响。泊松比μ是土体承受荷载时其横向应变与竖向应变的比值。对于正常固结土,K0与μ之间存在一一对应关系,通常μ愈大,K0值愈大。泊松比μ并非常量,K0值也不是常量。对于超固结的土,其K0与 μ之间不再是一一对应关系;不同土的μ变化不大,K0值变化较大。

2.2 孔隙水压力的影响

地表下某一深度具有天然结构的原状土样,经过漫长的地质年代,已经形成稳定的应力平衡关系,当试样从地层某一深度取出后,原状土样经取土、制样等过程,原有的应力,包括垂直压力及侧向压力大部分释放,甚至由于应力状态改变使饱和土产生负的孔隙水压力,在K0试验的低荷载段,侧压力呈现负值,由于原始侧压力的丧失及负孔隙水压力的出现,最终K0值偏小。反之,若地基受到附加荷重,会在黏土层内引起逐渐消散的超静孔隙水压力,这时的孔隙水压力是正的。当孔隙水压力存在时,静止侧压力系数应以有效应力表示。

2.3 土的扰动程度的影响

原状土样,静止侧压力系数随塑性指数 Ip的增加而增大;重塑土,静止侧压力系数随塑性指数 Ip的增加而减小。

3 提高测试数据准确性的措施

1)在制取试样时,要保证试样的完整性,侧壁不能有残缺和空隙;2)安装橡胶圈和上压盖板时,注意轴向对称,紧贴牢固,防止橡胶圈倾斜和局部受力,以免损坏,使系统密封不严;3)仪器中部压力室和底座的通道在试验前要仔细的进行充水排气;4)试验用水必须是清洁的无气水或者是冷却的煮沸水;5)每次试验结束后,要认真清洁仪器设备,否则时间长后土样中的盐分会对仪器产生腐蚀作用,影响系统的密闭性;6)系统要定期进行标定,以尽可能消除试验过程中的系统误差。

4 结语

以上简要阐述了通过室内试验求取静止侧压力系数K0的方法和影响因素,对于如何提高测试准确性提出了相应的措施。当然,测定K0的方法还有很多,比如经验公式法,它带有很强的地区性,作者认为在没有相关资料或没有试验条件的前提下不得已方可使用,或者作为室内测定值的参考。此外,还有原位测试方法,其中扁铲侧胀和旁压试验更接近于现场实际,这里就不做介绍了,相比之下,室内K0三轴仪操作简便,在生产中也得到广泛应用。静止侧压力系数K0,其准确性有重要的工程实践价值和理论研究意义,要合理的确定K0值,除了弄清土体的应力历史、结构特征等因素外,还必须通过室内试验加以验证,综合考虑这几种方法得出的数据,使实测值更符合工程实践,更好地满足工程设计经济性、安全性、可靠性的要求。

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