分析土體靜止側壓力系數引入合理性

吳錦鵬

(廣東有色工程勘察設計院，廣東廣州510080）

本文通過對基坑和隧道建設中土體受力的分析，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壓力系數，對引入靜止側壓力系數的合理性進行了研究。

1 概述

對于靜止側壓力系數K0而言，它是指土體在無側向變形條件下,側向有效應力和軸向有效應力之間存在的比值關系。K0是表征土體主要力學特性的一個指標，它可以反映出地基中水平向應力的變化情況,并且可以由此推算出作用在擋土結構物上的應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以及結構特性、應力歷史出現變化，同時也會隨著加荷以及卸荷路徑的不同而出現一系列的改變。隨著地鐵領域、輕軌領域以及深基坑工程施工技術的不斷發展，需要準確地測量出土的靜止側壓力系數K0，此外，土的靜止側壓力系數K0也會廣泛應用于砂土液化中，樁的負摩擦力等等方面。因此，靜止側壓力系數K0測量越來越受到人們的關注。現階段，靜止側壓力系數的確定方法主要有3種：其一，就是應用經驗公式進行計算或者是估算工作；其二，就是應用室內土工試驗進行確定；其三，采用原位測試確定。本文僅研究室內土工試驗方法。

2 試驗方法

現階段，室內試驗測定靜止側壓力系數的主要方法主要分為2種：即三軸儀法以及K0固結儀法。其中，對于固結儀法K0固結儀容器來說，其使用的是2mm壓膜橡膠圈，膜在受力狀況下將產生相應的彈性變形，進而將消耗部分的側壓力，使測出的靜止側壓力系數K0值偏小，直接增加了設計的風險。在這種情況下，研究靜止側壓力系數的測試方法是十分必要的。在靜止側壓力系數的測定中，主要應力方向是水平以及垂直方向，這一過程中無剪應力存在。因此，它是以測試樣品在測試過程中保持穩定在應力區為先決條件。在本文中采用三軸儀法，通過用應變控制式靜三軸儀，選擇相應數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，對排水量進行控制。通過試驗得到的數值進行分析，研究了應用應變控制式靜三軸儀測量靜側壓力系數的幾個關鍵點，并對其可靠性和精度進行了評價。

3 靜止側壓力系數K0測定準確性的影響因素

3.1 土的物理力學性質的影響

（1）塑性指數Ip沖擊。對于塑性指數來說，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進行綜合影響。塑性指數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，相對應的土體顆粒越粗。粗粒土的靜止側壓力系數K0小于細顆粒土，粘性土一般具有細顆粒，粘性土的靜止側壓力系數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系。

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

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

3.2 孔隙水壓力的影響

經過漫長時間的地質時期的影響，形成了穩定的應力平衡關系。當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。初始應力，包括豎向壓力以及側向壓力大部分的釋放，甚至伴隨著應力狀態的變化而使飽和土負向。在靜止側壓力系數K0試驗低荷載段，由于初始壓力的損失以及負孔隙水壓力的出現，側向壓力將會變為負值，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消散的現象。在這一狀態之下，孔隙水壓力為正。當孔隙水壓力存在時，靜止側壓力系數應用有效應力進行相關的表示。

4 提高測試數據準確性的措施

（1）試驗過程中，要提升相關實驗數據的精確性，試驗人員在進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力所導致的損壞，使系統封閉不嚴；

（2）在進行儀器中心壓力室以及通道的基礎試驗之前，要確保充滿水；

（3）試驗進行過程中，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冷卻了的開水，進而提升試驗結果的精確性，同時也避免其他因素對于試驗結果的影響；

（4）每次試驗之后，工作人員都要對試驗過程中用到的設備儀器進行嚴格、仔細的清洗。如果設備出現不干凈的問題，將導致土體樣品出現腐蝕等問題，這對于系統的氣密性將造成影響，進而對實驗數據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進行校準工作，這樣一來才能有效地消除測試過程中出現的系統誤差，這對于提升試驗環境的質量有著重要的意義。同時，試驗過程中一定要嚴格按照試驗規程進行操作，以免對試驗結果造成影響。

5 結束語

通過進行室內試驗，可以明確靜止側壓力系數K0的影響因素，對如何提升測試精度提出了一系列的措施。當然，K0有很多種方法，比如說經驗公式法，它有著較強的地域性，筆者認為，在沒有相關信息或者是測試條件的情況下，可以作為一個參考值進行使用。此外，就是原位測試方法，其中扁鏟側壓力測試更加接近于實際的場景，這里就不多做介紹。相比之下，室內三軸儀的操作過程較為簡單，因此在生產過程中可以廣泛的應用。靜止側壓力系數的K0，其準確度有著較為重要的實踐價值以及理論意義，因而試驗中要對不同影響因素進行考慮，進而確保試驗的數據更加符合實際條件，以免對試驗造成相關不利的影響。同時，要確保試驗更好地滿足工程設計經濟性、安全性以及可靠性等相關方面的要求。

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