分析土体静止侧压力系数引入合理性

吴锦鹏

(广东有色工程勘察设计院，广东广州510080）

本文通过对基坑和隧道建设中土体受力的分析，从而建立了一种通用的土体相互作用模型。该模型通过引入土体静止侧压力系数，对引入静止侧压力系数的合理性进行了研究。

1 概述

对于静止侧压力系数K0而言，它是指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间存在的比值关系。K0是表征土体主要力学特性的一个指标，它可以反映出地基中水平向应力的变化情况,并且可以由此推算出作用在挡土结构物上的应力分布状况以及工程安全性状况。对一定的土体，K0会伴随着土的物理性质以及结构特性、应力历史出现变化，同时也会随着加荷以及卸荷路径的不同而出现一系列的改变。随着地铁领域、轻轨领域以及深基坑工程施工技术的不断发展，需要准确地测量出土的静止侧压力系数K0，此外，土的静止侧压力系数K0也会广泛应用于砂土液化中，桩的负摩擦力等等方面。因此，静止侧压力系数K0测量越来越受到人们的关注。现阶段，静止侧压力系数的确定方法主要有3种：其一，就是应用经验公式进行计算或者是估算工作；其二，就是应用室内土工试验进行确定；其三，采用原位测试确定。本文仅研究室内土工试验方法。

2 试验方法

现阶段，室内试验测定静止侧压力系数的主要方法主要分为2种：即三轴仪法以及K0固结仪法。其中，对于固结仪法K0固结仪容器来说，其使用的是2mm压膜橡胶圈，膜在受力状况下将产生相应的弹性变形，进而将消耗部分的侧压力，使测出的静止侧压力系数K0值偏小，直接增加了设计的风险。在这种情况下，研究静止侧压力系数的测试方法是十分必要的。在静止侧压力系数的测定中，主要应力方向是水平以及垂直方向，这一过程中无剪应力存在。因此，它是以测试样品在测试过程中保持稳定在应力区为先决条件。在本文中采用三轴仪法，通过用应变控制式静三轴仪，选择相应数量的不同类型的土体样品。伴随着试样排水，使得孔隙水压力逐渐消散，并且这一过程中缓慢地施加轴向压力，对排水量进行控制。通过试验得到的数值进行分析，研究了应用应变控制式静三轴仪测量静侧压力系数的几个关键点，并对其可靠性和精度进行了评价。

3 静止侧压力系数K0测定准确性的影响因素

3.1 土的物理力学性质的影响

（1）塑性指数Ip冲击。对于塑性指数来说，它能够反映出矿物的组成以及土颗粒的大小、形状等特性，同时它也可以对水溶液组成以及粘性土性质进行综合影响。塑性指数Ip越大，就表明土体的颗粒越小，并且粘粒含量也就越高；相反，相对应的土体颗粒越粗。粗粒土的静止侧压力系数K0小于细颗粒土，粘性土一般具有细颗粒，粘性土的静止侧压力系数K0值往往大于非粘性土。同时，K0值随粘粒含量或者是Ip值的增大而不断增大，并且具有良好的线性关系。

（2）土的超固结比ORC效果。在垂直有效应力条件作用下，水平有效应力就会逐渐地增大，静止侧压力系数K0值就会越大。对于超固结土而言，它具有较大的超固结比ORC，较小的土的压缩性。通过进行数据分析可以表明，如果超固结比ORC=1～2.5、静止侧压力系数K0将呈现出线性变化的趋势，如果超固结比ORC＞2.5，那么静止侧压力系数K0与泊松比之间不会呈现出线性变化的趋势，可以表示为一个指数函数的关系。因此，通过了解土应力的历史，有明确的具体原因，进而可以提升试验数据的准确性。

（3）土体有效内摩擦角。对于有效内摩擦角来说，它可以对无粘性土内部摩阻力的大小进行较为精确地反映；同时，如果有效内摩擦角愈大，那么土体就会愈密实，在侧限条件下达稳定状态时，其竖向有效应力也就会愈大，所以这种土的静止侧压力系数K0值一般较小；反之有效内摩擦角较小的无粘性土，其静止侧压力系数K0较大。

3.2 孔隙水压力的影响

经过漫长时间的地质时期的影响，形成了稳定的应力平衡关系。当样品从一定的土层中取出时，原状土样就会收到土体取样以及试样制备过程中不同因素的影响。初始应力，包括竖向压力以及侧向压力大部分的释放，甚至伴随着应力状态的变化而使饱和土负向。在静止侧压力系数K0试验低荷载段，由于初始压力的损失以及负孔隙水压力的出现，侧向压力将会变为负值，价值很小。另一方面，如果地基承受到了附加荷载等因素的不同影响，将造成粘土层中的超孔隙水压力出现消散的现象。在这一状态之下，孔隙水压力为正。当孔隙水压力存在时，静止侧压力系数应用有效应力进行相关的表示。

4 提高测试数据准确性的措施

（1）试验过程中，要提升相关实验数据的精确性，试验人员在进行安装橡胶圈和盖上的压力时，需要引起注意的是轴对称问题，在接近固体时，以防橡胶圈倾斜以及局部应力所导致的损坏，使系统封闭不严；

（2）在进行仪器中心压力室以及通道的基础试验之前，要确保充满水；

（3）试验进行过程中，一定要确保试验水的清洁效果，试验人员可以选用纯净水或者是已经冷却了的开水，进而提升试验结果的精确性，同时也避免其他因素对于试验结果的影响；

（4）每次试验之后，工作人员都要对试验过程中用到的设备仪器进行严格、仔细的清洗。如果设备出现不干净的问题，将导致土体样品出现腐蚀等问题，这对于系统的气密性将造成影响，进而对实验数据的精确性造成一定的影响；

（5）另外，工作人员还要定期地对系统进行校准工作，这样一来才能有效地消除测试过程中出现的系统误差，这对于提升试验环境的质量有着重要的意义。同时，试验过程中一定要严格按照试验规程进行操作，以免对试验结果造成影响。

5 结束语

通过进行室内试验，可以明确静止侧压力系数K0的影响因素，对如何提升测试精度提出了一系列的措施。当然，K0有很多种方法，比如说经验公式法，它有着较强的地域性，笔者认为，在没有相关信息或者是测试条件的情况下，可以作为一个参考值进行使用。此外，就是原位测试方法，其中扁铲侧压力测试更加接近于实际的场景，这里就不多做介绍。相比之下，室内三轴仪的操作过程较为简单，因此在生产过程中可以广泛的应用。静止侧压力系数的K0，其准确度有着较为重要的实践价值以及理论意义，因而试验中要对不同影响因素进行考虑，进而确保试验的数据更加符合实际条件，以免对试验造成相关不利的影响。同时，要确保试验更好地满足工程设计经济性、安全性以及可靠性等相关方面的要求。

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