利用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)測定靜止側(cè)壓力系數(shù)

楊 明 臻

(紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院,浙江 紹興 312000)

利用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)測定靜止側(cè)壓力系數(shù)

楊 明 臻

(紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院,浙江 紹興 312000)

靜止側(cè)壓力系數(shù)k0作為巖土工程設(shè)計中一個重要的參數(shù)，因?yàn)榈赜虻牟町悾こ讨型鶡o法提供統(tǒng)一的k0值，各地需要通過試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)值來確定。室內(nèi)試驗(yàn)存在一定的“失真”，所以利用原位測試獲得較為準(zhǔn)確地數(shù)據(jù)是十分必要的。結(jié)合了柯橋區(qū)某工程的勘察資料，開展該地區(qū)典型土層的靜止側(cè)壓力系數(shù)k0值的研究，以室內(nèi)試驗(yàn)測定的k0值為參考，并結(jié)合現(xiàn)場的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)(DMT)數(shù)據(jù)，建立靜止側(cè)壓力系數(shù)k0和水平應(yīng)力指數(shù)KD的關(guān)系式。

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)，靜止側(cè)壓力系數(shù)，水平應(yīng)力指數(shù)，經(jīng)驗(yàn)公式

0 引言

靜止側(cè)壓力系數(shù)k0是巖土設(shè)計中的一個非常重要的參數(shù)，在確定水平場地中的應(yīng)力狀態(tài)、靜止土壓力和樁側(cè)向摩擦力等地方都需要準(zhǔn)確地靜止側(cè)壓力系數(shù)。目前，k0的測定方式主要有旁壓施壓、扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)三種試驗(yàn)方法及經(jīng)驗(yàn)公式法。旁壓試驗(yàn)的操作要求較高，同時測得的靜止側(cè)壓力系數(shù)離散性較大，所以應(yīng)用較少。工程師一般都是通過室內(nèi)試驗(yàn)獲得該參數(shù)，但室內(nèi)試驗(yàn)得到的k0值，由于受擾動大、人為干擾等原因無法真實(shí)反映現(xiàn)場土體的原始應(yīng)力特點(diǎn)，因此引入一個有效可行的現(xiàn)場原位測試來獲得靜止側(cè)壓力系數(shù)k0就顯得十分重要了[1]。

本文根據(jù)紹興市柯橋區(qū)某工程的巖土勘察資料，先從室內(nèi)三軸試驗(yàn)中獲得靜止側(cè)壓力系數(shù)k0，再利用現(xiàn)場扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)并根據(jù)公式求得水平應(yīng)力指數(shù)KD，然后運(yùn)用SPSS軟件中的相關(guān)回歸分析，得到k0和KD的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

1 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)原理及方法

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)多在軟土、一般黏性土、粉土和稍密的砂土中進(jìn)行。該試驗(yàn)的操作步驟：

1)空氣中反復(fù)加荷卸荷，消除膜片的殘余應(yīng)力。

2)標(biāo)定一起，測出側(cè)脹器在空氣中自由膨脹時的膜片中心外移0.05 mm和1.10 mm所需的壓力A0和B0。

3)將扁鏟以20±5 mm/s的速率貫入到地層中預(yù)定的深度，然后立即勻速加壓、減壓，膜片開始向外擴(kuò)張。

4)當(dāng)膜片中心外移0.05 mm,1.10 mm時，分別測讀該時氣壓A，氣壓B；當(dāng)膜片內(nèi)縮到開始的位置，測讀該時氣壓C。三個壓力讀數(shù)A,B,C應(yīng)在貫入停止后2 min內(nèi)完成。

在處理數(shù)據(jù)之前，應(yīng)先確定公式B-A=ΔA+ΔB是成立的，否則檢查儀器并重新進(jìn)行率定或更換膜片，重新試驗(yàn)。

P0=1.05(A-Zm+ΔA)-0.05(B-Zm-ΔB)

(1)

P1=B-Zm-ΔB

(2)

P2=C-Zm+ΔA

(3)

其中，Zm為未加壓時儀表的壓力初讀數(shù)；P0為A點(diǎn)土體所受的側(cè)壓力；P1為B點(diǎn)土體所受的側(cè)壓力；P2為C點(diǎn)土體所受的側(cè)壓力；ΔA為A點(diǎn)時的實(shí)測氣壓值；ΔB為B點(diǎn)時的實(shí)測氣壓值。

假定扁脹試驗(yàn)時的介質(zhì)是無線彈性的，荷載是均勻的施加在圓形面積上的[2]。我們可以通過式(1)～式(3)得到扁脹試驗(yàn)統(tǒng)計指標(biāo)：

ID=(P1-P0)/(P0-U0)

(4)

KD=(P0-U0)/σν0

(5)

ED=34.7(P1-P0)

(6)

UD=(P2-u0)/(P0-u0)

(7)

其中，ID為扁脹指數(shù)(材料指數(shù))；KD為水平應(yīng)力指數(shù)；ED為側(cè)脹(扁脹)模量；UD為孔隙水壓力指數(shù)；u0為靜水壓力；σν0為試驗(yàn)點(diǎn)有效上覆土壓力。

2 國內(nèi)外已有的研究成果

1980年Marchetti教授提出的經(jīng)驗(yàn)公式：

(8)

這是最早的公式，后經(jīng)過許多工程實(shí)踐，學(xué)者們根據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際情況，在式(8)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了補(bǔ)充和修正。在1988年，Uglow和Powell根據(jù)英國地區(qū)黏性土的特征，得到了式(9)。

(9)

同年，挪威的學(xué)者Lacasse和Lunne根據(jù)挪威地區(qū)的實(shí)際情況，對此關(guān)系式進(jìn)行了修正，得到式(10)，在式(10)中，KD<4，對于高塑性黏土m=0.44；對低塑性土m=0.64。

(10)

國內(nèi)學(xué)者針對不同地區(qū)的土性特征，提出不同的經(jīng)驗(yàn)公式。童立元[3]等得到了上海地區(qū)的修正公式；唐世棟教授[4]提出了杭州的經(jīng)驗(yàn)公式；張道政[5]和黃勇[6]等人分別針對無錫和寧波地區(qū)的土性進(jìn)行分析，得到相應(yīng)的關(guān)系式。

3 研究區(qū)域的土層特性

工程位于浙江省紹興市柯橋區(qū)，場區(qū)第四紀(jì)地層稍發(fā)育，平原區(qū)厚度較大，厚度一般約為50.0 m～75.0 m，主要成因類型為湖沼相、河流相，海相沉積。線路沿線地貌形態(tài)為平原區(qū)，局部位于丘陵區(qū)。由該工程的鉆孔資料得到，在本次的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的范圍是35 m以上的土層，主要是由粉質(zhì)黏土②1層,③5層,④2層，黏質(zhì)粉土②2層，淤泥質(zhì)黏土③1層及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土③2層組成。表1是各土層的基本物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表。

根據(jù)表1可以看出，影響土的靜止側(cè)壓力系數(shù)大小的主要因素是土本身的性質(zhì)。土體的孔隙率越小，密度越大，內(nèi)摩擦角就越大，而內(nèi)摩擦角偏大，土體的靜止側(cè)壓力系數(shù)就偏小。

表1 各土層基本物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的數(shù)據(jù)整理與分析

該工程中的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)范圍從地面到深約35 m內(nèi)的土層，測點(diǎn)間距0.5 m。利用式(4),式(5)計算DMT數(shù)據(jù)，得到各試驗(yàn)深度的中間參數(shù)——材料指數(shù)ID和水平應(yīng)力指數(shù)KD，如表2所示。

表2 各土層扁鏟參數(shù)統(tǒng)計表

Marchetti教授依據(jù)ID將土類進(jìn)行了劃分，ID≤0.6時為黏性土；0.6≤ID≤1.8時為粉土；ID>1.8時為砂土。而且也有實(shí)踐證明，這一劃分與土工試驗(yàn)和靜探成果基本一致。但在具體用材料指數(shù)ID來劃分土類時，應(yīng)結(jié)合本地區(qū)的土質(zhì)情況和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正。如在上海地區(qū)黏土和粉質(zhì)黏土分界值約為0.29，黏質(zhì)粉土與砂質(zhì)的分界值約為1.0，砂質(zhì)粉土與粉砂的分界約在3.0。由表3可知工程區(qū)域內(nèi)的黏質(zhì)粉土的材料指數(shù)ID遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述的劃分范圍，這可能是該區(qū)巖土黏性土中夾有粉土或砂土，才導(dǎo)致材料指數(shù)ID偏大。而淤泥質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的材料指數(shù)ID都在正常范圍之內(nèi)。

4.2靜止側(cè)壓力系數(shù)k0和水平應(yīng)力指數(shù)KD的相關(guān)性分析

(②1)(11)

(②2)(12)

(③1)(13)

(③2)(14)

(③5)(15)

(④2)(16)

4.3各土層k0范圍和建議值

結(jié)合工程扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用式(11)～式(16)對各土層k0進(jìn)行計算，并對不同土層的靜止側(cè)壓力系數(shù)進(jìn)行分析，得到研究范圍內(nèi)各土層的靜止側(cè)壓力系數(shù)k0的分布頻率：②1層分布在0.58～0.62的k0值占總數(shù)的比例為0.9；②2層分布在0.56～0.61的k0值占總數(shù)的比例為0.8；③1層分布在0.57～0.61的k0值占總數(shù)的比例為0.93；③2層分布在0.56～0.62的k0值占總數(shù)的比例為0.97；③5層分布在0.56～0.61的k0值占總數(shù)的比例為0.898；④2層分布在0.58～0.62的k0值占總數(shù)的比例為0.86。

利用式(11)～式(16)的結(jié)果及各土層k0值的分布范圍，給出紹興柯橋區(qū)典型土層的靜止側(cè)壓力系數(shù)的取值范圍和建議值，詳見表3。

表3 各土層靜止側(cè)壓力系數(shù)的取值

5 結(jié)語

結(jié)合該工程的巖土工程勘察數(shù)據(jù)，分別通過三軸試驗(yàn)和扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)分析得到紹興柯橋區(qū)典型土層的靜止側(cè)壓力系數(shù)k0，建立各層土的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)參數(shù)KD和靜止側(cè)壓力系數(shù)k0的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，詳見式(11)～式(16)。同時也提出了該地區(qū)各地層k0值的取值范圍和建議值。

[1] 謝 勛.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)計算靜止側(cè)壓力系數(shù)k0的應(yīng)用研究[A].紀(jì)念地質(zhì)學(xué)家朱庭祜先生誕辰120周年——浙江省地質(zhì)學(xué)會2015年學(xué)術(shù)年會論文集[C].浙江省地質(zhì)學(xué)會，2015:5.

[2] 地質(zhì)工程手冊編委會.工程地質(zhì)手冊[M].第4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007:263-268.

[3] 童立元,劉松玉,張煥榮,等.應(yīng)用SCPTu確定靜止土壓力系數(shù)的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報,2013,46(4):117-123.

[4] 唐世棟,肖 勇,王松平.杭州地區(qū)用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)求解靜止側(cè)壓力系數(shù)k0的研究[J].工程勘察,2009,37(7):5-9.

[5] 張道政,段永強(qiáng),蔡 君.無錫地區(qū)靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2014,11(6):78-81.

[6] 黃 勇,劉干斌,陳 斌,等.寧波地區(qū)淺層土靜止土壓力系數(shù)k0的確定方法[J].工程勘察,2016,44(6):11-17.

Acquisitionoflateralearthpressurecoefficientbyfladilatometertests

YangMingzhen

(CollegeofCivilEngineering,ShaoxingUniversity,Shaoxing312000,China)

The static lateral earth pressure coefficientk0is a indispensable important parameter in geotechnical design. Due to the difference of the soil, thek0value should be determined by experiment or experience. However, there is some distortion in laboratory, so it is necessary to obtain more accurate data by in-situ test. The earth pressure coefficientk0of the typica soil static in Keqiao is studied in the geotechnical investigation works for a project in this area. Refereed to the empirical formula, combining the data of the flat dilatomerter test.

flat dilatometer test, static lateral earth pressure coefficient, horizontal stress index, empirical formula

1009-6825(2017)30-0061-02

2017-08-12

楊明臻(1992- ),女,在讀碩士

TU411

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