静止侧压力系数试验变形稳定标准的研究

朱 力（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）



静止侧压力系数试验变形稳定标准的研究

朱 力
（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

摘 要：静止侧压力系数（K0）的室内测定还没有明确的国家标准，导致所得试验K0值缺乏统一性，进而影响工程的设计与质量。通过在不同稳定标准下的静止侧压力系数的试验和研究，及与其他相关试验得出的K0值数据相比较，探寻更符合土样实际应力状况下的K0值测试方法，并分析误差原因，得出建议的稳定标准时间。

关键词：土力学；岩土工程；土工测试；静止侧压力系数；变形稳定标准

静止侧压力系数（K0）是岩土工程中一个重要的土力学指标，实际应用范围广泛，如确定水平场地中的应力状态、计算静止侧压力土坝施工期的孔隙水压力、桩侧向摩擦力以及地下洞室边墙、隧道衬砌和土中填埋管道等地下结构的设计等；而对于难以直接测定的土体泊松比，也可通过其与K0的关系加以确定。

目前，K0的室内测定还没有国家标准，长期以来各试验室基本参照水利部编制的《土工试验规程》[1]，其中加荷历时的规定为：施加一级轴向压力至变形稳定，试样变形稳定标准为每小时变形不大于0.01mm，再加下一级轴向压力。但在实际的试验中难以操作，尤其对软黏性土而言，试验周期过长，难以满足工程工期要求。故上海相关单位按各自的经验性稳定标准进行试验，如采用0.5小时或1小时一级，以及采用t90时间（即土体固结度达到90%时的时间）等，导致所得出的K0值缺乏可靠性和统一性，也给设计单位对参数的使用带来混乱，进而影响工程质量。

本文结合对此开展的专题科研项目，通过在不同稳定标准下的静止侧压力系数测定的对比研究，探寻符合土体实际应力状况下的K0值测试方法，并分析误差原因，得出建议的稳定标准时间。

1　试验原理

根据毕肖普（Bishop）静止侧压力系数的定义，在轴对称试验中ε2=ε3时，K0=σ3’/σ1’=(σ3-u)/(σ1-u)，如果施加在试样上的轴向总应力σ1保持不变，对于饱和土来说，开始时试样上的侧向总应力σ3与σ1之比接近于1，随着排水固结的过程，总应力逐渐转换为有效应力。因此，用总应力表示的比值是逐渐变小的，但在整个试验过程中，有效应力的比值基本保持常数，所以用有效应力定义静止侧压力系数。基于以上原理，采用上下排水试样在变形相对稳定情况下测得σ1’和σ3’数据，从而求得静止侧压力系数K0值。

2　样品选取

样品取自上海市区内的地层，取样深度为地下工程影响范围内的软黏性土地层，包括②层褐黄色黏性土、③层灰色淤泥质粉质黏土、③t层灰色黏（砂）质粉土、④层灰色淤泥质黏土、⑤1-1层灰色黏土、⑤1-2层灰色粉质黏土[2～5]，每个层位采样数约为10个。

在现场采用薄壁取土器等方式采集原状土样，并在封装、运输等环节切实减小扰动对土体结构的破坏影响。室内试验时为保证样品的均匀性，每次在同一个试样中切取三、四块样品[6,7]，分别在不同的稳定标准下进行测试。

3　试验方法

3.1 主要步骤

（1）用环刀将试样制备后，将环刀两端用透水石贴紧并牢固扎紧放入容器内进行1小时以上的抽气，并注水浸泡一昼夜，使试样充分饱和。

（2）在K0容器的橡皮膜上涂一层薄硅油，然后将试样从环刀中推入K0容器内。对侧压力室施加约5kPa压力后关闭阀门，调整侧压力和垂直变形的量测设备，按要求施加压力进行试验，施加垂直压力时上下排水。

（3）按预定的变形稳定时间标准测记第一级σ1’和σ3’的值，再施加第二级荷载并测记第二级的σ1’和σ3’的值，依次类推，共需四级完成最后试验。

3.2 试验设备

为利试验结果具有可比性和统一性，采用目前我国产品已定型和实际应用较为普遍的侧压力仪进行试验。分别从同济大学及北京华勘科技有限责任公司购买相关仪器设备和数据自动采集系统。

（1）数据自动采集系统KTG-9[8]，购于北京华勘科技有限公司，该系统在上海各大试验室均有使用。

（2）侧压力仪安装有两个传感器，位移传感器SY-10和压力传感器BY-16C，均购于北京华勘科技有限公司。

（3）压力腔体购自同济大学杨熙章教授研制的新产品，采用不锈钢和高质量脚垫材料，密封性能出色，另外，水作为试验时围压和压力的载体，充入和排出腔体也很方便。

（4）试验时采用橡皮膜包裹样品，否则样品直接在水中易散落和局部损坏而无法试验，但这样橡皮膜自身的张力对试样侧向压力（即σ3’）就有限制作用，往往使所测得的静止侧压力系数值变得偏小。橡皮膜的阻力问题，目前尚无更好的解决方法。

3.3 试验说明

分别按24小时（软黏性土接近每小时变形量小于0.01mm）、0.5小时稳定、1小时稳定和2小时稳定（并在2小时稳定标准中测读t90时的K0值）的标准进行试验。

选用t90时间做稳定标准，由同济大学教授推荐，类似于固结试验中的固结系数的测定。求t90采用时间平方根法[9]，即：对某一级压力，以试样的变形为纵坐标，时间平方根为横坐标，绘制变形与时间平方根关系曲线（图1），延长曲线开始段的直线，交纵坐标于ds为理论零点，过ds作另一直线，令其横坐标为前一直线横坐标的1.15倍，则后一直线与曲线交点所对应的时间的平方即为试样固结度达90%所需的时间t90。

图1　时间平方根法求t90Fig.1 Square root of time method for acquiring t90

24小时稳定标准下试验的子样数偏少，原因有二：一是以往试验经验得出此稳定标准所得K5值偏离较大，不适合于此试验；二是按24小时稳定标准完成一个样的试验时间需要一星期，周期偏长。

4　结果分析

4.1 对比分析

将0.5小时、1小时、2 小时、24小时、t90这5种不同稳定时间标准下的K0值试验数据，与已有的各层土资料统计值[10]及经验公式(1-sinφ’) 值[11]相比较，其与此两组对照值最接近者即为所要寻找的稳定时间试验标准。

试验测试的对比分析见表1。

表1　测试汇总统计Table 1 The testing statistics

从表1可知：

（1）稳定时间愈长，K0值愈小，其中24小时稳定标准所得K0值是最小的，偏离(1-sinφ’)值及资料统计值最远。而t90稳定标准所得的K0值最接近(1-sinφ’)值和资料统计值。

（2）土性不同，主固结完成的时间是不一样的，即各层土t90时间不同。土质愈软，t90时间愈长，其中饱和软黏土④层与⑤1-1层时间较长，平均t90时间约为1小时。而粉性土t90时间较短，如粉性土③t层平均t90时间仅为4.4分钟。

4.2 误差分析

不同稳定标准下K0值及t90稳定时间的统计误差分析见表2。

从表2可以看出：

（1）不同稳定标准下的K0值的变异系数，②层0.06～0.11、③层0.04～0.10、③t层0.14～0.15、④层0.03～0.06、⑤1-1层0.06～0.11、⑤1-2层0.10～0.12。各层变异系数的变化范围和数值都很小，说明各稳定标准下的K0值相对稳定和均匀。

（2）t90稳定时间的变异系数，②层0.50、③层0.48、③t层0.50、④层0.30、⑤1-1层0.30、⑤1-2层0.44。以上各层的变异系数值在0.30～0.50之间，其中④层和⑤1-1层均为0.30，②层、③层、③t层和⑤1-2层在0.47～0.50之间。由此也可看出，土质均匀，土性稳定的④层和⑤1-1层变异系数值较小。②层、③层、③t层和⑤1-2层变异系数值偏大，其原因为：②层土为褐黄色黏性土，其中还可分为黏土和粉质黏土两种，且有由上而下渐变的特性，其土质与土性稍有差别，但工程上基本合并作一层处理，故数值离散性大一些。而③层、③t层和⑤1-2层，这三层土黏土与粉土互夹很不均匀，所以t90时间值离散性偏大。

4.3 建议标准

根据测试结果及对比分析，具备数据自动采集系统的可按t90稳定标准来确定；不具备者可按不同的土性结合可操作性予以确定，即饱和软黏性土④层和⑤1-1层采用1小时加荷稳定标准，其余土层采用0.5小时加荷稳定标准（②层、③层、⑤1-2层当土性较软时也应采用1小时加荷稳定标准），其中③t层虽然t90时间很短，但从表1可看出此层的K0值在不同的稳定标准下变化很小，再加上考虑试验操作性，此层也采用0.5小时加荷稳定标准。不可不加区分所有土性均按0.5小时或1小时或其它时间作为稳定标准，以免带来系统误差和试验值的不统一性。

针对上海浅部土层，K0测试的稳定标准时间建议值见表3。

表2　不同稳定标准下K0及t90稳定时间统计Table 2 Statistical table of K0value under different stability standard and stability time of t90

表3　稳定标准时间推荐表Table 3 Recommendation table of the time of the stability criteria

5　基本结论

（1）文献[1]中的K0值测试以每小时0.01mm作为稳定标准（一般以24小时一级来代替），对上海软黏性土而言是不合适的。因为按此标准，随着稳定时间越长排水固结越充分，土体由主固结完成再到次固结完成，土体密度逐渐提高，因而K0值必然越来越小。但实际土体在地层中并非与试验室环境中那样充分固结，特别是③层和④层淤泥质黏性土，不是上下排水条件，土体自重加上荷载也很难达到次固结完成，从试验结果也可看出24小时稳定标准所得K0值偏离最大。

（2）K0试验国家标准未推出之前，建议具备数据自动采集系统的试验室按t90稳定标准来确定；不具备者可按不同的土性结合可操作性予以确定，即饱和软黏性土采用1小时加荷稳定标准，其余土层采用0.5小时加荷稳定标准。

参考文献(References)

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Study on deformation-stability standard of soil static lateral pressure coefficient test

ZHU Li
(Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration,Shanghai 200072,China)

Abstract:There is no clear national standard for the determination of the soil static lateral pressure coefficient during laboratory soil tests.It leads to the lack of uniformity of the K0value derived from the test,which affects a construction project’s quality.By comparing the static lateral pressure coefficient under different stability standards to the K0value data in other related experiments,we chose the K0value test method that more closely resembled the actual loading conditions of soil samples.Analysis of the cause of the error allows us to suggest the time of the stability criteria.

Key words:soil mechanics;geotechnical engineering;soil tests;static lateral pressure coefficient;deformation-stablity standard

基金项目:上海市规划和国土资源管理局科研项目(fdz2007057)

作者简介:朱力(1986-),男,学士,助理工程师,主要从事岩土工程土工测试研究.

修订日期:2016-01-25

收稿日期:2015-11-11

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.022

中图分类号：P642.12

文献标志码：A

文章编号：2095-1329(2016)01-0094-03

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