静止土压力系数原位测试装置设计及应用研究

司壹恒,刘干斌,周 晔,叶荣华，张俊杰

(1.宁波大学岩土工程研究所，浙江 宁波 315211；2.宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315012；3.宁波冶金勘察设计研究股份有限公司，浙江 宁波 315041)

静止土压力系数(K0)是土体在无侧向变形条件下固结后的水平向应力与竖向应力之比[1]，其在基坑、挡土墙、堤坝、矿山、土体变形、隧道等实际工程设计中均有广泛应用，准确确定K0值直接影响到工程设计、工程造价、安全可靠性程度等，近年来越来越为国内外学者和岩土工程师所重视。

土的K0取值受土层土类、深度、应力历史、超固结比、土的结构性等多方面的影响。Jaky[2]对静止土压力系数研究后提出了用土体内摩擦角估算静止土压力系数的公式；Schmidt[3]研究了超固结土的静止土压力系数与超固结比之间关系，给出了一个表示二者之间关系的经验公式；Mayne等[4]也研究了超固结土的静止土压力系数与超固结比的关系，对Schmidt所提公式中的参数给出了一个建议取值公式；Brooker等[5]研究了应力历史对静止土压力系数的影响；杨慕怀等[6]通过一种简便的测定静止侧压力系数装置，根据数据研究了应力历史对K0的影响；王文丽等[7]以兰州黄土为研究对象，开展了不同加载速率下的K0压缩试验，得到了相关土体系数变化与实验加载速率的关系；王国富等[8]通过原位土体水平压力测定仪(KSB)对黄河冲积层K0值进行了测试，并结合其它测试方法所得数据分析了各试验方法的优缺点；宋飞等[9]研究了各项异性砂土的K0值，得出各向异性条件下的K0值比各向同性时明显偏大；肖先波[10]对非饱和含浅层气砂土的K0取值问题开展系统的室内K0固结实验研究，得到了砂土K0值随含水率的增大而增大，随密实度的增加而减小的结论；纠永志等[11]通过应力路径三轴试验对不同超固结比下饱和软黏土的K0系数及超固结软土的抗剪强度进行了研究，提出了超固结软土的K0系数计算公式；强越等[12]推导出了自然固结土的静止土压力系数的理论表达式，为静止土压力系数的试验和经验公式的推导提供了理论支撑；赵升峰等[13]进行了测定K0值加荷稳定时间的试验研究，得出了上海地区浅层地基土体K0值的实验加荷稳定时间。

本文结合宁波轨道交通工程实践，首先设计制作了一种静止土压力系数原位测试装置，并在宁波市轨道交通4号线东钱湖车辆段场地开展原位试验，利用该装置的测试结果以及室内三轴、扁铲侧胀等试验成果和相关经验公式，开展了宁波软土地层的静止土压力系数K0研究，验证了现场测试装置的合理性，并在其他地区经验公式的基础上，通过修正系数的方法，建立了适用于宁波软土地区浅层土静止土压力系数K0值的计算方法，可为今后宁波地区岩土工程相关设计提供一定的参考。

1 K0试验装置设计及测试方法

室内试验结果均依赖于所取的土样，土样的质量直接影响了测试结果。经验公式法、三轴仪法以及扁铲侧胀试验法三种试验方法均要求加载试验的土样性状均匀。但是实际土层往往土质分布不均，且掺杂各类杂质，因此室内试验结果仅适用于土层分布较为均匀的土层，且这三种试验方法不适用于可塑性较差的粉砂性土。此外，扁铲侧胀试验无法直接测定静止侧压力系数K0，且用于计算K0的经验公式及相关参数种类繁多。我国地域广阔，土层情况千差万别，故而以上所列的计算公式及K0确定方法不能应用于任意地区、任意土层。

针对现有测试方法的不足，本文设计制作了一种静止侧向土压力系数K0原位测试装置，建立了测试方法，操作简便，不易受人为因素的影响，测试装置如图1所示。

图1 K0试验装置

该装置由2个土压力计及1个孔隙水压力计通过一定的组合直接测试原位土体的侧向及竖向土压力。由于土压力计测试面与土体直接接触，测得的土压力大小与传感器测试面接触的土体有关，当土压力计测试面朝下时，其下部土体主要受到地层反力的作用，其测试得到的是地层的向上反力，即有效土压力。又因K0系数的计算需要测试埋深处的竖向土体总应力，故而在装置上安装了孔隙水压力传感器，由孔隙水压力传感器测试得到的孔隙水压为P，由装置底部土压力测试得到的有效土压力为σ′v，则竖向土体总应力为σv=σ′v+P。土压力计侧向放置时，测到的即为侧向土压力(σH)。将侧向土压力除以竖向土压力计与孔隙水压力之和，该比值即为K0系数。计算公式如下：

(1)

式中：σH——侧向土压力；

σ′v——有效竖向土压力；

kσ——土压力计率定参数；

f1——土压力计测试频率；

f0——土压力计初始频率；

P——孔隙水压力；

kw——孔隙水压力计的率定参数；

P1——孔隙水压力计测试频率；

P0——孔隙水压力计初始频率。

本次试验所选取场地为宁波市轨道交通4号线东钱湖车辆段，其地貌类型属于滨海淤积和冲湖积平原。对该场地的②2a淤泥、③2粉质黏土、④1a淤泥质粉质黏土和④2a黏土4个土层共分6个深度进行静止土压力系数测试，各土层力学指标如表1所示。

表1 各土层力学指标

K0试验装置测试数据如表2所示，表中底部土压为有效土压力，侧向土压为侧向有效土压力与孔隙水压力之和。由表2可以看出，除15 m深度外，底部有效土压力均小于侧向土压力，而实验地层15 m深度处为粉质黏土，受该深度土质影响，所测得的侧向土压力小于底部有效土压力。除此之外，不同时间所测得的各个土层的土压力以及孔隙水压力在传感器埋设完成后变化较小。由此可知，该现场测试装置埋设后及时进行土体回填，对试验地层所造成的扰动较小，可以测得较为稳定的实验数据。

将表2中所测数据计算得到本次试验场地6个不同深度土层处的K0值(表3)，表3中软土地层所测得的K0值均大于较硬土层，与常理相符。为了更直观地表示各地层深度的K0值变化，将表3中数据整理可得到不同深度处K0值时程变化曲线如图2所示，由图2可以看出，不同时间所测得的实验数据相对稳定,即K0值受时间变化的影响很小。因此该实验方法具有一定可取性。

2 讨论

2.1 常用实验方法

目前常用的获取静止土压力系数K0值的方法主要有经验公式法、三轴仪室内试验、扁铲侧胀试验(DMT)等。

(1)经验公式法

采用Jaky给出的有效内摩擦角计算K0值公式，在宁波市轨道交通4号线东钱湖车辆段场地勘察报告的基础上，获得6个深度土层的有效内摩擦角，即可计算得到各深度土层静止侧向土压力系数如表4所示。

表2 不同深度土层的K0装置测试数据

表3 各土层K0试验装置测试数据

图2 不同深度土层的K0系数时程曲线

表4 各土层内摩擦角及K0值

从表4可以看出，由经验公式法计算得到的各土层K0值最小为0.577。由于10 m以内浅部土层的强度小于深部土层，因此浅部土层的K0值应大于15 m深度以下的深部土层的K0值，但表4中10 m以内浅部土层的有效内摩擦角φ′大于15～20 m范围内土层的有效内摩擦角φ′，经计算可得浅部土层的K0值小于深部土层。由此可见，由经验公式法计算所得的K0值单一依赖于有效内摩擦角φ′，有时计算结果与实际测量数据相悖，所以利用经验公式法计算K0值不完全可取。

(2)三轴测试法

室内三轴试验测定静止侧压力系数K0值易于操作、测试方便。在围压恒定条件下调节轴向变形，模拟侧向不变形条件，测定各级侧压力下对应的轴向应力，即可得静止侧压力系数。

参考杨金钟[14]、徐志伟等[15]的方法，将试验所得数据以有效轴向压力为横坐标、有效侧向压力为纵坐标绘制曲线，其斜率即为静止侧压力系数K0。各土层K0值如表5所示。从表5中可以看出，浅部土层的K0值就大于深部土层的K0值，这样的规律遵循了常理，可见三轴测试数据有一定的可取性。

表5 三轴试验法K0值

(3)扁铲侧胀法

扁铲侧胀试验(DMT)是岩土工程勘察中一种常用的原位测试方法，该方法可根据经验公式间接计算得到静止侧压力系数K0。

国内外关于扁铲侧胀试验水平应力指数KD求解静止侧压力系数K0的经验公式较多，如李晓萍等[16]提出的天津浅层土经验公式；王佳卿等[17]、张道政等[18]提出的无锡地区经验公式；陈雪元[19]提出的苏州地区经验公式；唐世栋等[20]提出的杭州地区经验公式，等等。根据《工程地质手册》中上海地区已有经验公式[21]，对淤泥质土土体的修正为：

(2)

式中：KD——水平应力指数。

关于n的取值：淤泥质粉质黏土取0.44；淤泥质黏土取0.6。

利用式(2)计算宁波市轨道交通4号线东钱湖车辆段场地土层的K0，其中取n=0.6，计算结果如表6所示。

表6 扁铲侧胀法K0值

从表6可以看出，仅浅部②2a淤泥层的K0值大于0.5，以下土层的K0值均小于0.5。由此可以看出，浅部土层的K0值均大于深部土层，这样的测试结果遵循了常理，因此扁铲侧胀数据有一定的可取性。

2.2 不同方法数据分析

利用不同方法得到东钱湖车辆段场地各土层的K0值如表7所示，可以看出，除③2粉质黏土外，其余各深度土层三轴试验数据与K0测试装置测试数据较为一致。③2粉质黏土扁铲侧胀数据与K0测试装置测试数据较为一致。由对现场取样可知：③2粉质黏土土层均匀性较差，夹杂较多的粉砂，因此导致室内试验结果高于原位试验结果，从而使该深度处土层在不同试验方法时所测数据出现较大偏差。

对比表7中4种方法所得K0值，扁铲侧胀数据普遍小于其他三种方法，其原因主要与测试土体的软弱程度有关系。当扁铲插入土中时，扁铲周边的土体出现了挤压密实，使得测试点附近的土体改变了原有的性状，其结果是扁铲周边的土体在挤压排水后强度有所提升，这种强度提升使得扁铲测试得到的K0值比真实值偏小。但当扁铲在透水性较好的粉砂性土中插入时，挤压排水不会使得扁铲周边的土体强度得到提升，对K0值的影响也就不明显，因此实验中③2粉质黏土土层所测数据与试验装置实地测得的数据相近。除此之外，扁铲对土层土体的挤压效应会随着深度的加大而加大，因为土层越深，扁铲插入土层的力也就越大，对土体的挤压力也就越大。

表7 K0试验数据对比表

根据以上分析可知，三种试验方法所得结果不同，主要是受不同地层深度土体性质差异以及取样过程中土体扰动程度的影响，这也与前文中所述室内试验方法受均依赖于所取的土样、土样的质量直接影响了测试结果的设想相符。

2.3 公式系数修正

针对扁铲侧胀实验方法的缺点，并且考虑到不同地区经验公式及相关参数差异较大，因此此类经验公式也难以直接在本地区运用。

在上海经验公式[21]基础上，通过尝试改变公式中的系数：

(3)

当15 m以上土层时可取n=0.8，15 m以下土层时可取n=1，含粉砂性土的土层时可取n=0.5，从而得到系数改变后扁铲侧胀计算数据，并且将得到的数据与实验所测数据进行比较，结果如表8所示，K0测试装置、扁铲侧胀及系数改变后扁铲侧胀测试数据对比如图3所示，可以看出改变了系数后的扁铲侧胀数据与K0装置宁波地区现场测试数据吻合很好。

表8 修正系数后的扁铲侧胀数据对比

图3 不同方法的K0系数对比

3 结论

(1)经验公式法单纯依赖于所测得的内摩擦角。

(2)扁铲侧胀法受地层性质影响较大，不同的试验地层所测得的数据均有不同程度的偏差，因此在运用该方法时应结合实际地层状况综合考虑。

(3)与经验公式法、室内三轴法、扁铲侧胀法相比，K0测试装置采用原位测试，不受室内试验试样缺陷的限制，对测试的周边土层产生挤压扰动很小，原理简单，测试得到的K0值可靠程度较高。

(4)不同地区可以根据本地地层状况，通过修正各地区原有经验公式中系数，来得到与本地区原位试验所测数据相吻合的K0值计算方法。