分析土體靜止側(cè)壓力系數(shù)引入合理性

吳錦鵬

(廣東有色工程勘察設(shè)計院，廣東廣州510080）

本文通過對基坑和隧道建設(shè)中土體受力的分析，從而建立了一種通用的土體相互作用模型。該模型通過引入土體靜止側(cè)壓力系數(shù)，對引入靜止側(cè)壓力系數(shù)的合理性進(jìn)行了研究。

1 概述

對于靜止側(cè)壓力系數(shù)K0而言，它是指土體在無側(cè)向變形條件下,側(cè)向有效應(yīng)力和軸向有效應(yīng)力之間存在的比值關(guān)系。K0是表征土體主要力學(xué)特性的一個指標(biāo)，它可以反映出地基中水平向應(yīng)力的變化情況,并且可以由此推算出作用在擋土結(jié)構(gòu)物上的應(yīng)力分布狀況以及工程安全性狀況。對一定的土體，K0會伴隨著土的物理性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)特性、應(yīng)力歷史出現(xiàn)變化，同時也會隨著加荷以及卸荷路徑的不同而出現(xiàn)一系列的改變。隨著地鐵領(lǐng)域、輕軌領(lǐng)域以及深基坑工程施工技術(shù)的不斷發(fā)展，需要準(zhǔn)確地測量出土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0，此外，土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0也會廣泛應(yīng)用于砂土液化中，樁的負(fù)摩擦力等等方面。因此，靜止側(cè)壓力系數(shù)K0測量越來越受到人們的關(guān)注?，F(xiàn)階段，靜止側(cè)壓力系數(shù)的確定方法主要有3種：其一，就是應(yīng)用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算或者是估算工作；其二，就是應(yīng)用室內(nèi)土工試驗進(jìn)行確定；其三，采用原位測試確定。本文僅研究室內(nèi)土工試驗方法。

2 試驗方法

現(xiàn)階段，室內(nèi)試驗測定靜止側(cè)壓力系數(shù)的主要方法主要分為2種：即三軸儀法以及K0固結(jié)儀法。其中，對于固結(jié)儀法K0固結(jié)儀容器來說，其使用的是2mm壓膜橡膠圈，膜在受力狀況下將產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，進(jìn)而將消耗部分的側(cè)壓力，使測出的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0值偏小，直接增加了設(shè)計的風(fēng)險。在這種情況下，研究靜止側(cè)壓力系數(shù)的測試方法是十分必要的。在靜止側(cè)壓力系數(shù)的測定中，主要應(yīng)力方向是水平以及垂直方向，這一過程中無剪應(yīng)力存在。因此，它是以測試樣品在測試過程中保持穩(wěn)定在應(yīng)力區(qū)為先決條件。在本文中采用三軸儀法，通過用應(yīng)變控制式靜三軸儀，選擇相應(yīng)數(shù)量的不同類型的土體樣品。伴隨著試樣排水，使得孔隙水壓力逐漸消散，并且這一過程中緩慢地施加軸向壓力，對排水量進(jìn)行控制。通過試驗得到的數(shù)值進(jìn)行分析，研究了應(yīng)用應(yīng)變控制式靜三軸儀測量靜側(cè)壓力系數(shù)的幾個關(guān)鍵點(diǎn)，并對其可靠性和精度進(jìn)行了評價。

3 靜止側(cè)壓力系數(shù)K0測定準(zhǔn)確性的影響因素

3.1 土的物理力學(xué)性質(zhì)的影響

（1）塑性指數(shù)Ip沖擊。對于塑性指數(shù)來說，它能夠反映出礦物的組成以及土顆粒的大小、形狀等特性，同時它也可以對水溶液組成以及粘性土性質(zhì)進(jìn)行綜合影響。塑性指數(shù)Ip越大，就表明土體的顆粒越小，并且粘粒含量也就越高；相反，相對應(yīng)的土體顆粒越粗。粗粒土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0小于細(xì)顆粒土，粘性土一般具有細(xì)顆粒，粘性土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0值往往大于非粘性土。同時，K0值隨粘粒含量或者是Ip值的增大而不斷增大，并且具有良好的線性關(guān)系。

（2）土的超固結(jié)比ORC效果。在垂直有效應(yīng)力條件作用下，水平有效應(yīng)力就會逐漸地增大，靜止側(cè)壓力系數(shù)K0值就會越大。對于超固結(jié)土而言，它具有較大的超固結(jié)比ORC，較小的土的壓縮性。通過進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可以表明，如果超固結(jié)比ORC=1～2.5、靜止側(cè)壓力系數(shù)K0將呈現(xiàn)出線性變化的趨勢，如果超固結(jié)比ORC＞2.5，那么靜止側(cè)壓力系數(shù)K0與泊松比之間不會呈現(xiàn)出線性變化的趨勢，可以表示為一個指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。因此，通過了解土應(yīng)力的歷史，有明確的具體原因，進(jìn)而可以提升試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（3）土體有效內(nèi)摩擦角。對于有效內(nèi)摩擦角來說，它可以對無粘性土內(nèi)部摩阻力的大小進(jìn)行較為精確地反映；同時，如果有效內(nèi)摩擦角愈大，那么土體就會愈密實(shí)，在側(cè)限條件下達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時，其豎向有效應(yīng)力也就會愈大，所以這種土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0值一般較??；反之有效內(nèi)摩擦角較小的無粘性土，其靜止側(cè)壓力系數(shù)K0較大。

3.2 孔隙水壓力的影響

經(jīng)過漫長時間的地質(zhì)時期的影響，形成了穩(wěn)定的應(yīng)力平衡關(guān)系。當(dāng)樣品從一定的土層中取出時，原狀土樣就會收到土體取樣以及試樣制備過程中不同因素的影響。初始應(yīng)力，包括豎向壓力以及側(cè)向壓力大部分的釋放，甚至伴隨著應(yīng)力狀態(tài)的變化而使飽和土負(fù)向。在靜止側(cè)壓力系數(shù)K0試驗低荷載段，由于初始壓力的損失以及負(fù)孔隙水壓力的出現(xiàn)，側(cè)向壓力將會變?yōu)樨?fù)值，價值很小。另一方面，如果地基承受到了附加荷載等因素的不同影響，將造成粘土層中的超孔隙水壓力出現(xiàn)消散的現(xiàn)象。在這一狀態(tài)之下，孔隙水壓力為正。當(dāng)孔隙水壓力存在時，靜止側(cè)壓力系數(shù)應(yīng)用有效應(yīng)力進(jìn)行相關(guān)的表示。

4 提高測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的措施

（1）試驗過程中，要提升相關(guān)實(shí)驗數(shù)據(jù)的精確性，試驗人員在進(jìn)行安裝橡膠圈和蓋上的壓力時，需要引起注意的是軸對稱問題，在接近固體時，以防橡膠圈傾斜以及局部應(yīng)力所導(dǎo)致的損壞，使系統(tǒng)封閉不嚴(yán)；

（2）在進(jìn)行儀器中心壓力室以及通道的基礎(chǔ)試驗之前，要確保充滿水；

（3）試驗進(jìn)行過程中，一定要確保試驗水的清潔效果，試驗人員可以選用純凈水或者是已經(jīng)冷卻了的開水，進(jìn)而提升試驗結(jié)果的精確性，同時也避免其他因素對于試驗結(jié)果的影響；

（4）每次試驗之后，工作人員都要對試驗過程中用到的設(shè)備儀器進(jìn)行嚴(yán)格、仔細(xì)的清洗。如果設(shè)備出現(xiàn)不干凈的問題，將導(dǎo)致土體樣品出現(xiàn)腐蝕等問題，這對于系統(tǒng)的氣密性將造成影響，進(jìn)而對實(shí)驗數(shù)據(jù)的精確性造成一定的影響；

（5）另外，工作人員還要定期地對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)工作，這樣一來才能有效地消除測試過程中出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，這對于提升試驗環(huán)境的質(zhì)量有著重要的意義。同時，試驗過程中一定要嚴(yán)格按照試驗規(guī)程進(jìn)行操作，以免對試驗結(jié)果造成影響。

5 結(jié)束語

通過進(jìn)行室內(nèi)試驗，可以明確靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的影響因素，對如何提升測試精度提出了一系列的措施。當(dāng)然，K0有很多種方法，比如說經(jīng)驗公式法，它有著較強(qiáng)的地域性，筆者認(rèn)為，在沒有相關(guān)信息或者是測試條件的情況下，可以作為一個參考值進(jìn)行使用。此外，就是原位測試方法，其中扁鏟側(cè)壓力測試更加接近于實(shí)際的場景，這里就不多做介紹。相比之下，室內(nèi)三軸儀的操作過程較為簡單，因此在生產(chǎn)過程中可以廣泛的應(yīng)用。靜止側(cè)壓力系數(shù)的K0，其準(zhǔn)確度有著較為重要的實(shí)踐價值以及理論意義，因而試驗中要對不同影響因素進(jìn)行考慮，進(jìn)而確保試驗的數(shù)據(jù)更加符合實(shí)際條件，以免對試驗造成相關(guān)不利的影響。同時，要確保試驗更好地滿足工程設(shè)計經(jīng)濟(jì)性、安全性以及可靠性等相關(guān)方面的要求。

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