超固结粉质黏土静止土压力系数原位试验研究

陈树峰， 孔令伟， 李焕焕

(1.西京学院 陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室， 陕西 西安 710123； 2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 3.中国科学院大学，北京 100049)

1 研究背景

天然地层中的应力状态一直是岩土工程中关注的问题之一，其中竖向应力可由地层自重推算得到，而对于水平应力尚未形成广泛共识的获取方法。水平应力一般以静止土压力系数K0表示。就正常固结土而言，K0可使用简化Jaky公式估算[1]：

K0=1-sinφ′

(1)

式中：φ′为有效内摩擦角。

然而，K0易受地层土物理性质、结构特征以及应力历史等因素影响，且对测试扰动敏感。因而超固结土[2]、膨胀土[3]、黄土[4]等特殊土地层的K0值往往不能由式(1)简单估算或室内试验得到，原位试验仍是目前较为可靠的测试手段。

原位水平应力测量的技术难点在于，探头就位过程中土体一般经历复杂的加卸荷过程，而实际测试时难以恢复或保持土体初始应力历史和应力水平。对此，国内外学者经过大量研究，发展了多种直接或间接的原位测试K0方法。目前，K0间接测试法以其便捷、经济、灵活等特点广泛应用于岩土工程研究与实践中，诸如预钻式旁压试验(pressuremeter test，PMT)[5]、扁铲侧胀(dilatometer test，DMT)[6]、静力触探(cone penetration test，CPT)[7]、波速测试(wave velocity test, WVT)[8]等。然而，间接法忽略了水平应力测试难题，根据既有试验成果，直接通过经验归纳建立测试参数与K0之间的联系，因而不同地区结论不宜随意借鉴，这类方法在国内应用的经验仍有待积累、完善和提升。

原位K0直接测试法主要包括自钻式旁压试验(self-boring pressuremeter test，SBPT)[9]、水压致裂法[10]以及采用不同类型的原位K0测试设备[11]。原位水平应力仪(K0stepped blade，KSB)作为一种新型“压入式”设备[12]，可达到与SBPT相同的较高测试精度，同时兼具便捷易用、成本较低的特点，常替代SBPT作为参照试验，用于建立CPT、DMT等间接测试法的经验关系中[13]。近年来，随着其在国内应用的进一步推广，KSB也被用于黄河冲积层[14]、超固结土地层[15]等条件的水平应力测试中，取得了良好效果。

目前，超固结粉质黏土原位水平应力特征尚未得到充分的认识。KSB作为一种便捷、易用、精度较高的现场土体水平应力专用测试设备，为相关研究、实践提供了新的途径。本文依托哈佳快速铁路工程，选取沿线超固结粉质黏土路堑边坡场地，开展原位KSB试验、扁铲侧胀试验、旁压试验以及室内K0固结试验，研究哈尔滨超固结粉质黏土地层K0分布规律，分析多种试验方法在超固结土K0测试中的相关性、差异性和适用性，为超固结土静止土压力系数测试方法选择和成果分析提供技术支撑。

2 场地概况与试验方案

2.1 场地工程地质条件

试验场地位于哈尔滨市宾西镇哈佳快速铁路沿线(里程桩号DK38+120)宾西北站以西凤凰山大型铁路堑坡坡顶(127°10′23″E，45°47′36″N)，场地属粉质黏土丘陵地貌。钻探揭露试验场地为较均匀的粉质黏土地层，未见地下水出露，试验场地粉质黏土物理性质指标与矿物成分见表1。从表1中可见，粉质黏土以粉粒为主，粒径0.05～0.005 mm颗粒占比达52%；矿物组成以石英、长石与白云母为主，含少量绿泥石，亲水性较弱，液塑限较低。

为了解场地地层特性，开展扁铲侧胀试验，根据《工程地质手册》[16]处理实验数据，获得扁铲材料指数ID、侧胀模量ED、水平应力指数KD和超固结比OCR(over consolidation ratio)沿深度变化规律，如图1所示(DMT1、DMT2两组实验)。由图1可知，ID基本介于0.6～1.8之间，据此判定场地为粉质黏土或粉质砂土，与液塑限判定结果基本吻合，但更偏向于砂土。水平应力指数KD沿深度方向逐渐减小，均值约为3.0，差异值百分比低于40%。超固结比OCR介于0.68～12.5之间，均值约为3.25，说明地层具有一定的超固结性；OCR整体沿深度方向逐渐降低，地层深度11 m处已接近正常固结土(OCR=1)。

2.2 试验方案

场地范围内开展原位水平应力试验(KSB)、旁压试验(PMT)和扁铲侧胀试验(DMT)各2组，试验场地呈线性布置，水平间距3.0 m(见图2)；KSB、PMT沿深度方向间隔1.0 m进行测试，DMT间隔0.2 m。辅助钻机采用XP-100型钻机，干钻法作业，并通过薄壁取土器取原状样，以供室内K0固结试验使用。

表1 试验场地粉质黏土物理性质指标与矿物成分

图1 扁铲侧胀试验成果

图2 原位试验场地布置图(单位：m)

KSB试验设备采用美国Handy Geotechnical Instruments公司生产的原位水平应力仪。设备关键部位为阶梯式水平应力探头，厚度逐阶增大。各阶探头中心设有气动反压式测力单元，以测量侧向土体接触应力。此外，DMT测试设备选用意大利Marchetti公司生产的地震波扁铲侧胀仪，PMT设备为法国APAGEO Menard GA型预钻式旁压仪；室内试验仪器采用南京土壤仪器厂GJY型K0固结仪，试样为天然含水状态原状土样，直径61.8 mm、高40.0 mm，轴向压力依据取土深度自重应力施加。测试严格按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行。试验设备见图3。

图3 原位试验设备

2.3 KSB试验原理与方法

KSB工作原理如图4所示，阶梯式探头各阶厚度分别为3.0、4.5、6.0、7.5 mm，测得对应的接触应力值分别为p1、p2、p3、p4，根据接触应力随探头厚度的变化趋势，获得厚度为0对应的原位水平应力p0。类比有限应力范围内e-lgp压缩曲线局部线性特征，一般可采用指数型模型描述探头厚度d与接触应力p的关系：

p=p0·exp(kd)

(2)

式中：k为拟合参数。

图4 原位水平应力仪工作原理示意图[12]

王国富等[14]尝试引入3种分析模型与之对比：(1)直线型p=kd+p0；(2)抛物线型p=kd2+p0；(3)指数+截距型p=p01exp(kd)+p0，p0=p01+p02。结果显示，传统指数型模型在数据有效性、成果合理性方面仍有优势。因此，文中采用传统指数型模型进行成果分析。

3 KSB成果与差异性分析

3.1 KSB成果与分析

KSB得出接触应力p1、p2、p3、p4以及静止土压力系数K0随土层深度的变化规律如图5所示。由图5(a)可以看到，接触应力整体沿深度方向逐渐增加，应力值介于39～193 kPa之间。不同深度接触应力均随探头厚度增加而增大，未出现因应力集中、应力松弛而导致的p1>p2或p4

图5 原位水平应力KSB试验结果

通过KSB测试探明了哈尔滨超固结粉质黏土原位水平应力特征，与室内K0固结试验、现场旁压试验和扁铲侧胀试验进行对比分析，以期优化修正参数，指导工程设计与施工。

3.2 KSB与K0室内固结试验差异分析

不同深度天然含水状态原状土样K0室内固结试验与KSB成果对比如图6所示。

图6 室内K0固结试验与KSB成果对比

由图6可见，超固结粉质黏土室内测试K0值介于0.12～0.28之间，显著低于KSB测试结果，且总体上随深度增加而增大，与KSB试验变化趋势相反。Grønbech等[18]认为，室内K0测试再加荷过程难以恢复原始水平应力中非自重引起的部分，而该部分在超固结地层中不可忽略，这也是导致超固结土室内与原位测试结果差异较大的主要原因。另一方面，超固结作用下产生的结构性特征使室内再加载过程中K0值偏低，而这一效应随应力水平的增大(即超固结水平的降低)而减弱[19]，因此，室内K0值出现沿深度方向逐渐增大的现象。

3.3 KSB与旁压试验差异分析

基于旁压试验PMT得到土体K0值随深度变化曲线与KSB成果对比如图7所示。由图7可以看到，PMT测试结果间差异较大，9 m深度处水平应力差异达32 kPa，差异百分比达103.12%；PMT测得的K0值介于0.17～0.80之间，显著小于KSB结果，仅为后者的41%～85%。总体看来，PMT过低地估计了超固结粉质黏土地层的水平应力。究其原因，一方面是PMT测试预成孔过程对孔壁土体扰动程度不一，表现为数据差异性较大；另一方面地层原始水平应力在预成孔过程中得以释放，而现有基于PMT的K0分析方法尚无法对其进行有效估算[5]。因此，在超固结土场地水平应力勘测中，应慎重选用预钻式旁压试验，同时重视SBPT、KSB等先进的原位测试方法在勘察工作中发挥的作用。

图7 旁压试验K0值与KSB成果对比

3.4 KSB与扁铲侧胀试验差异分析

基于扁铲侧胀试验(DMT)的K0分析方法目前仍以经验归纳为主， 国内外学者针对不同地区的不同土类提出多种计算分析方法，如表2所示。下面以KSB测试结果作为参考，与表2中所列各经验公式计算结果进行比较分析，研究适用于哈尔滨超固结粉质黏土的分析方法，结果见图8。

由图8可见，不同经验公式分析结果在K0预测值和变化趋势两方面均存在较大差异。经对比可知，《铁路工程地质原位测试规程》(TB 10018—2018)[20]公式预测值与KSB结果较为接近，但在2 m深度范围内预估值偏低；Marchetti公式整体高估了土体的K0值，而上海、苏州、西安以及杭州地区的经验公式预测结果整体偏低，土体的区域性差异是导致此类问题的主要原因。

表2 基于DMT的K0确定方法

图8 扁铲侧胀试验不同经验公式的K0计算结果与KSB成果对比

通过上述分析，现有DMT经验公式在该地区应用时应作适当调整，故本文在经典Marhchetti公式基础上经过试算，得到了针对哈尔滨超固结粉质黏土的修正经验公式：

(3)

采用公式(3)分析DMT试验数据所得结果见图8。由图8可见，公式(3)的预估值接近原位KSB测试结果，平均误差仅为5.68%。

4 K0测试方法适用性分析与讨论

天然地层中静止土压力系数K0易受物质组成、应力历史等多种因素影响，测试过程中不可避免地改变其中一项或多项因素，导致常规试验结果的可靠性欠佳。确定静止土压力系数K0的测试方法需综合考虑时间、费用、地层土性、精度要求等多项客观条件，对测试设备扰动程度、分析方法、适用性等进行调查分析，选择适当的方法是合理确定水平应力设计值的关键。

KSB是一种新型专用的土体水平应力测试设备，通过主动引入不同等级的扰动变形，获得相应接触应力，通过分析获得原位土体水平应力。KSB探头厚度较薄，相较于DMT探头(15 mm)，KSB最薄第一级厚度仅3 mm，加之外推分析方法的进一步修正，使其很大程度上避免了常规“压入式”测试方法对土体扰动的问题，具备较高的测试精度。同时，KSB兼具“压入式”测试方法操作简便、可重复性好等特点，在岩土工程水平应力测试与监测方面应用前景广泛。

DMT是一种多用途的“压入式”土体原位测试方法，其操作简单，可重复性高，可用于分析静止土压力系数、超固结比、不排水抗剪强度、侧限压缩模量等多项土性参数[21]。然而，DMT分析机制主要依据基于有限测试数据建立的经验模型，造成其在缺乏经验地区应用中的可靠性难以保证。因此，国内应用中DMT试验结果受测试过程和数据解译方法的影响较大，对试验人员综合素质有较高的要求。在试验条件有限、待测参数多、且精度要求不高的情况下建议使用。

PMT作为水平应力直接测量法的一种，在国内应用较广，其试验结果精度很大程度上取决于成孔的质量和土体对预成孔扰动的敏感度。自钻式旁压SBPT作为PMT的改进型，成孔质量好，精度较高，但技术复杂、成本较高，至今仍未广泛应用。相较而言，KSB试验方法简单、灵活，且具有与SBPT相近的测试精度，试验结果总体精度和稳定性较PMT更高。但由于KSB探头较薄，如遇碎石易导致贯入受阻，通常应用于黏土、粉土、砂土等地层；而PMT、SBPT还可用于残积土、碎石土和软岩等含砾石或较硬土层，适用范围更广。

综上所述，DMT、PMT等间接K0测试法便捷、易用、成本低的特点使其在工程中得到广泛应用。然而，此类方法的经验性分析路径，决定了不同地区的分析方法不能随意借鉴，应用前须根据区域条件对现有分析方法作适用性评价。本文开展多种原位与室内K0试验，获得了哈尔滨超固结粉质黏土地层K0分布特征，同时基于高精度KSB测试结果，对DMT、PMT和室内K0固结试验进行了适用性分析，进而针对哈尔滨超固结粉质黏土地层，提出了相应的DMT水平应力分析方法，并给出了PMT和室内K0固结试验的应用建议。

5 结 论

(1)原位水平应力试验KSB是一种土体原位K0直接测试方法，纤薄的阶梯式探头较大程度降低了传统原位测试对土体的扰动，结合独特的分析方法，避免了传统“压入式”测试方法经验性和扰动性问题，具有试验便捷、维护简单、经济性好等特点。在黏土、粉土、砂土地层中，建议优先选用。

(2)K0固结试验取样和PMT预成孔过程引起原始水平应力释放，而再加载过程无法恢复非自重引起的部分，导致测试结果偏低，这一效应在超固结地层中尤为明显。同时，旁压试验测试结果离散型偏大，反映了预成孔过程中孔壁扰动对试验结果的影响。

(3)基于DMT预测K0的可靠性很大程度上取决于经验公式的适用性。对于哈尔滨超固结粉质黏土场地，Marchetti方法整体高估了土体K0值，而上海、苏州、西安以及杭州地区的经验关系则存在K0值的低估问题。通过修正Marchetti公式，给出适应于哈尔滨超固结粉质黏土的K0计算方法，可供勘察设计人员参考使用。