静止侧压力系数及其试验方法的探讨-

1、2007年8月第8期(总107铁道工程学报JOURNAL OF RA I L WAY E NGI N EER I N G S OC I ETY Aug 2007NO.8(Ser .107收稿日期:2007-06-15作者简介:李晓萍,1974年出生,女,工程师;赵亚品,1967年出生,女,高级工程师。文章编号:1006-2106(200708-0020-03静止侧压力系数及其试验方法的探讨李晓萍赵亚品(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津300251摘要:研究目的:通过对确定静止侧压力系数K 0值的方法、影响K 0值的因素以及室内试验过程中需要考虑的问题等进行探讨,提出室内试验测定K 0值的建

2、议和适用天津地区浅层土K 0值的经验公式。研究方法:对确定K 0值的各种方法进行对比介绍,分析影响K 0值的因素和试验中应考虑的问题,并通过大量试验数据分析天津地区浅层土质K 0值的规律。研究结果:提出了适合天津地区浅层土K 0值的经验公式,以及室内试验测定K 0的建议。研究结论:室内K 0仪测定静止侧压力系数K 0值易于操作、测试方便,为保证试验数据的可靠性,在试验过程中应尽量消除测量系统的密闭性以及侧向压力消散造成的系统误差。在缺少试验条件或工期紧的情况下,可采用本文回归的经验公式K 0=0.0171I p +0.1745对天津地区浅层土的K 0值进行估算。关键词:静止侧压力系数;侧压力仪

3、;试验方法中图分类号:P642文献标识码:AD iscussi on on the Still Lateral Pressure Coeffi c i ent and Testi n g M ethodL I X i a o -p i n g,ZHAO Ya -p i n(The 3rd Rail w ay Survey &Design I nstitute Gr oup Cor porati on,Tianjin 200251,China Abstract:Research purposes:This paper discusses the calculating methods,i

4、nfecti on fet or and indoor test p r ogress of Still -lateral -p ressure -coefficient K 0,t o put f or ward the suggesti on of mensurati on and app licable experience f or mula of Tianjin shall ow layer s oil K 0.Research m ethods:This paper intr oduces the kinds of K 0calculating methods,and analyz

5、es the influence fact or,questi on in test and l ots of experi m entati on data t o receive the Tianjin shall o w layer s oil K 0rule .Research results:This paper puts f or ward the experience for mula of K 0which is agree ment with Tianjin shall ow layer s oil,and the suggesti on of indoor test men

6、surati on .Research conclusi on s:I ndoor K 0instrument is easy mani pulati on and test convenience .I n order t o ensure theexperi m entati on data reliability and reduce the syste m err or,which av oid the lateral p ress scattering and assure the instrument air p r oof is necessary .On the e merge

7、ncy,lacking of test conditi on,we can use this recursive experience for mula t o esti m ate the Tianjin shall ow layer s oil K 0.Key words:still lateral p ressure coefficient;lateral p ressure instrument;testing method随着城市人口的迅速增加,交通问题日益突出。地铁、轻轨以其运量大、速度快、安全可靠、运行准时等特点成为解决城市交通的重要手段。在地铁、轻轨的勘察设计中,各土层的静止侧

8、压力系数K 0(K 0是土体无侧向变形条件下,侧向有效应力和轴向有效应力之比,K 0=3/1能够反映出地基中水平向应力的变化,由此可直接推算出作用在挡土结构物上的压力分布及工程安全性。所以地铁、轻轨、基坑工程勘察中一般都要求测试静止侧压力系数K 0值。本文就测定土的静止侧压力系数的室内试验方法及影响试验数据的因素进行了探讨。1确定静止侧压力系数的方法1.1经验公式K0=1-sin(粘性土(1K0=0.95-sin(砂性土(2式中土的内摩擦角。Koc=(OCRK o(3式中Koc超压密土的静止侧压力系数;K0正常固结土的静止侧压力系数;OCR土的超固结比;与砂土的内摩擦角或与粘性土的塑性指数Ip

9、有关的参数。K=0.19+0.233l og I p(4 1.2原位测试确定原位测试是在地层或土体的原位应力状态和天然含水率保持不变,原生结构不受或少受扰动的条件下,直接或间接地测定岩石、土体各种工程特性、参数的试验方法。测定静止侧压力系数的原位测试方法主要有扁铲侧胀试验和旁压试验。扁铲侧胀试验是将局部具有松胀功能的近似矩形的扁板贯入土中,测定地基土工程特性的试验方法,最适应在软弱、松散土中进行,随着土的坚硬程度或密实程度的增加,适应性渐差,当采用加强型膜片时,也可应用于较密实的砂土。根据扁铲侧胀试验指标和地区经验,可用于判定土层名称及状态,确定饱和粘性土的不排水杨氏模量、静止侧压力系数、水平

10、基床系数等。其设备包括测量系统、贯入系统和压力源。对于侧胀水平应力指数KD为1.54.0的一般饱和粘性土,静止侧压力系数K可按式(5计算。KD(5旁压试验是利用旁压器(探头对钻孔内壁施加横向水平压力,使孔壁向外膨胀,直至破坏,从而得到压力p和水管水位下沉量s之间的关系,由P-S曲线(即旁压曲线可以求出静止侧压力系数K0。旁压试验适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土、残积土、极软岩和软岩等。在地层土颗粒较粗的地区应用较多,与土工试验相比,没有取土样的扰动过程,并且大大缩短了试验周期。1.3室内试验确定室内土工试验直接测定K系数的方法主要有侧向变形指示器法和侧压力仪法等。侧向变形指示器法是利用三轴剪切

11、仪在试样侧面安装侧向变形指示器,用来反映在施加轴向压力时是否会发生侧向变形,若有侧向变形的趋势,立即增大侧向压力或减小轴向压力,保持试样在轴向加压过程中不发生侧向变形,此时施加的侧向压力即为静止侧压力,静止侧压力与轴向压力的比值即为静止侧压力系数。侧压力仪法是试样在施加垂直压力后不允许发生侧向变形,即垂直向应变和体积应变相等,在此条件下试样侧面所承受的压力即为静止侧压力。本次研究以侧压力仪法为主,所用侧压力仪是生产厂家针对K试验开发的,较为常见的是JCY型静止侧压力系数固结仪,能够测定直径61.8mm、高40mm的土样的静止侧压力系数。2影响静止侧压力系数K0的因素影响静止侧压力系数K值大小的

12、主要因素是土本身的性质。其中,土的压缩系数越高,K值越大。对于超固结的土,OCR愈大,土的压缩系数愈小,K值越小;对于正常固结土,K与泊松比之间存在一一对应关系,通常愈大,K值愈大;对于超固结的土,不同土的变化不大,而K值变化较大。为找出天津地区浅层土K试验数据的规律,在对天津站综合交通枢纽工程中的上百组土样进行分析后,发现静止侧压力系数K值的大小与土的物理性质密切相关。各种土的物理力学试验数据如表1所示。表1天津站地区土的指标统计表岩性颗粒组成粉粒含量/%黏粒含量/%天然含水率/%天然密度/(gc m-3孔隙比e塑性指数I p液性指数I1侧压力系数K对其中有代表性的土样进行了粘粒含量和塑性指

13、数与K值关系分析,其结果如图1、图2所示。在试验中发现,相同的土类所测得的K值变化不大,在双面排水条件下,经过一定时间后,孔隙压力基本消散,K0值仅与粘粒含量或Ip有关,且随粘粒含量或Ip值的增大而增大,具有较好的线性关系。相关关系式如下:K=0.0171I p+0.1745(6R2=0.8668同时,通过对土样进行三轴固结不排水剪切试验12第8期李晓萍赵亚品:静止侧压力系数及其试验方法的探讨 图1粘粒含量与K 0 值的关系图2塑性指数与K 0值的关系发现,有效内摩擦角较大的土,其K 0值较小,反之,愈小,K 0值愈大。3试验过程中需要考虑的问题3.1在试验中发现,有些土样的数据与经验值相比偏

14、小,其中的原因是与测量系统的密闭性、橡胶膜的厚度有关的,在仪器使用过程中要注意以下几点:(1仪器底座、中环、上环三者连接时,拧螺钉要对称均匀施力,以免偏斜和局部受力。(2试验时所用的水必须是清洁的无气水或冷却沸水,以免水中溶解空气压缩性增大,受压后引起试样产生侧向变形。(3中环压力腔和底座通道部分要进行认真的充水排气。(4装粘性土样时一定要使橡胶套处在微鼓状态缓缓推入,这样以利土样紧贴侧壁。(5避免试验过程中试验环境温差过大引起密闭受压室中水压力的变化。3.2部分土样3-1曲线不通过原点在对一些超固结土和软土试验中发现,其3-1曲线不通过原点,起始两三个点线性较差,其K 0固结曲线如图3所示。

15、 经过分析,软土试样在试验过程中不能与橡皮膜完全贴紧,试样受力后会产生一定的侧向变形,实测的侧应力变小,随着轴向应力的增大,试样与膜逐渐贴紧,曲线会呈现较好的线性。因此,增加轴向应力至图3轴向压力与侧压力的关系600800kPa,取直线段上的增量计算K 0值可以得到较为稳定的线性值。而对于超压密土在抽真空饱和方法下无法达到理想的饱和度,这也是这种土样的3-1曲线不通过原点的原因。试验室所用的K 0仪容器,采用侧壁厚2mm 的压膜橡胶圈,膜在受力时会产生弹性变形,会消耗部分侧压力,使测出的K 0值偏小,而且膜是固定在受压室中的,如果找到一种比较薄且有很好弹性的乳胶膜,并且能够通过手工操作将土膜之间的空气排尽,K 0值将会更加趋于合理。4结论测定K 0的方法很多,主要有原位测试和室内试验。其中扁铲侧胀和旁压试验更接近于现场实际,而室内K 0仪使用方便,易于操作,可以在较短时间内进行大量试验,因此在生产中也得到了广泛使用。在试验中我们发现现场试验中求得的K 0值要稍高于室内测定值,这与试验方法本身以及取土过程中对土的扰动有一定关系。在工作实际中,应综合考虑这几种方法得出的数据,结合地区经验,给出较为合理的K 0值。天津