劉 勇

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

0 引言

隨著人類(lèi)文明的進(jìn)步，以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的不斷發(fā)展，使得城市人口進(jìn)一步增長(zhǎng)，土地資源日益枯竭的問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重。特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)沉積了深厚的海相軟弱土層，如長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲地區(qū)，其土地資源利用率之高，使許多重大工程在選取建設(shè)地址時(shí)無(wú)法避免軟弱土層，如寧波軌道交通車(chē)站深基坑、盾構(gòu)區(qū)間大多位于軟土層中。

軟土地基排水固結(jié)緩慢，穩(wěn)定性差，沉降問(wèn)題突出等特點(diǎn)，在外荷載作用下土體破壞表現(xiàn)出較大的突發(fā)性，給工程建設(shè)造成極大危害，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種巖土工程難題。如對(duì)軟土的工程特性認(rèn)識(shí)不足，將給工程建設(shè)帶來(lái)潛在的危險(xiǎn)，結(jié)果將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。軟土存在一定區(qū)域特性特征，不同地區(qū)軟土由于其沉積環(huán)境的差異而具有不同的成分、結(jié)構(gòu)特性、力學(xué)狀態(tài)及環(huán)境荷載，導(dǎo)致其工程性質(zhì)不同于其他地區(qū)，因此有必要對(duì)一定區(qū)域軟土的工程性質(zhì)展開(kāi)研究。

1 地質(zhì)條件與軟土工程性質(zhì)

寧波位于東海之濱、長(zhǎng)江三角洲的東南隅，地處寧紹平原東部，東臨東海，北瀕杭州灣，與上海隔海相望。在經(jīng)過(guò)多次海陸變遷過(guò)程中，寧波平原淺部地層主要由海陸交錯(cuò)、海積黏土反復(fù)沉積形成，第四紀(jì)地層發(fā)育，厚度較大、層位分布較穩(wěn)定，厚度約80 m～100 m。

寧波地區(qū)屬于典型的軟土場(chǎng)地，廣泛分布厚層狀軟土，具有“天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低、靈敏度高、透水性低”等特點(diǎn)。根據(jù)寧波地區(qū)大量的巖土工程勘察資料，如寧波軌道交通1號(hào)線(xiàn)～5號(hào)線(xiàn)、櫟社國(guó)際機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程、環(huán)城南路、北環(huán)快速路、世紀(jì)大道快速路等較大型建設(shè)工程所在地區(qū)的軟土主要由淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土組成。軟土層一般分布在地表硬殼層之下，層頂埋深一般為2～4 m，厚度大多為10～20 m，局部地區(qū)最大厚度可達(dá)25 m以上，其下臥層為稍密狀砂土層，或軟塑～可塑狀黏性土層，呈厚層狀大面積分布。

寧波地區(qū)典型軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1所列。

2 確定靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的常用方法

靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的定義為：在不允許有側(cè)向變形的情況下，土樣受到的軸向壓力增量Δσ1將會(huì)引起側(cè)向壓力的相應(yīng)增量Δσ3，土的靜止側(cè)壓力系數(shù) K0為 Δσ3與 Δσ1的比值（K0=Δσ3/Δσ1）。靜止側(cè)壓力系數(shù)K0是土體的一個(gè)重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，在實(shí)際工程中如深基坑、隧道、地下洞室、堤壩、擋土結(jié)構(gòu)、樁基等應(yīng)用十分廣泛，因此K0取值的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到工程的安全可靠性與工程造價(jià)等，目前已受到相關(guān)行業(yè)的高度重視。

靜止側(cè)壓力系數(shù)K0與土的有效內(nèi)摩擦角φ’、孔隙比e有較大的關(guān)系，另還與土的彈性模量、顆粒組成等有關(guān)。影響土的靜止側(cè)壓力系數(shù)有較多的因素，其中主要有物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特性、應(yīng)力歷史、應(yīng)力路徑等[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)K0的研究已取得大量的成果，并且有的研究獲得了認(rèn)可，但由于土體的復(fù)雜性、區(qū)域性等特點(diǎn)，故在不同地區(qū)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，采用多種方法相互印證。確定土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的方法主要有：（1）通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式估算；（2）室內(nèi)土工試驗(yàn)法；（3）利用原位測(cè)試間接測(cè)定。

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

根據(jù)土的變形機(jī)理，各指標(biāo)之間并非獨(dú)立存在，而是存在一定的關(guān)系，因此可利用理論或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系估算某未知的指標(biāo)。

（1）利用土層有效內(nèi)摩擦角估算正常固結(jié)黏性土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0[2]：

式中：φ’為土的有效內(nèi)摩擦角。

（2）塑性指數(shù)Ip是黏性土的一個(gè)基本指標(biāo)，與土的力學(xué)性質(zhì)關(guān)系較大，Alpan（1967）提出了正常固結(jié)黏性土K0與Ip的關(guān)系式[2]：

2.2 室內(nèi)土工試驗(yàn)

室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)定土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的方法有側(cè)壓力儀法和三軸試驗(yàn)法。側(cè)壓力儀法是試樣在無(wú)側(cè)向變形壓縮時(shí)，分別測(cè)得側(cè)向壓力σh和軸向壓力σv，所測(cè)得的側(cè)向壓力即為靜止側(cè)壓力，根據(jù)σh～σv的關(guān)系曲線(xiàn)計(jì)算K0。三軸試驗(yàn)則是通過(guò)施加軸向壓力時(shí)，控制圍壓使試樣不產(chǎn)生側(cè)向變形，此時(shí)圍壓與軸向壓力之比即為土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0。

2.3 原位測(cè)試法

室內(nèi)試驗(yàn)由于取樣擾動(dòng)、應(yīng)力釋放、人為試驗(yàn)操作等因素影響，使其測(cè)試的土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)常常失真，但原位測(cè)試法在適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件下可以克服上述缺點(diǎn)，并且可大量縮短試驗(yàn)周期，如沈珠江認(rèn)為只有通過(guò)原位測(cè)試才能獲得可靠度高的巖土物理力學(xué)參數(shù)[3]。原位測(cè)試是在原始復(fù)雜應(yīng)力條件下的試驗(yàn)，因此不能從試驗(yàn)結(jié)果直接給出某一參數(shù)，而需通過(guò)反饋分析的方法間接或擴(kuò)展求出參數(shù)，原位測(cè)試的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

2.3.1 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)

表1 軟土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)一覽表

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn) DMT（flat dilatometer test）是意大利教授Silvano Marchetti于20世紀(jì)70年代創(chuàng)立的一種新興原位測(cè)試方法[4]。試驗(yàn)時(shí)，將帶有膜片的扁鏟壓入土中預(yù)定深度，充氣使膜片向孔壁土中側(cè)向擴(kuò)張，測(cè)定土的壓力與變形的關(guān)系，從而獲得某些巖土參數(shù)。

利用扁鏟側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)KD確定土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0有良好的效果[5]。由于扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)在我國(guó)開(kāi)展應(yīng)用的時(shí)間較晚，目前的試驗(yàn)成果應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)尚不豐富，故應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，并與其他測(cè)試方法相互配合、印證。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)最適宜在軟弱、松散土中進(jìn)行，隨著土層堅(jiān)硬或密實(shí)程度的增加，測(cè)試的效果逐漸變差。

Marchetti通過(guò)對(duì)軟土地區(qū)的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)與其他試驗(yàn)的對(duì)比研究，建立了K0與KD之間的關(guān)系式如下[4]：

Lunne根據(jù)對(duì)新近黏性土的試驗(yàn)研究提出K0與KD的關(guān)系為[6]：

式中：Cu為土的黏聚力；σv0’為有效上覆應(yīng)力。

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)可以比較準(zhǔn)確地反應(yīng)小應(yīng)變的應(yīng)力關(guān)系，測(cè)試的重復(fù)性較好，引入我國(guó)后受到高度重視。許多學(xué)者和單位進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用，并于2003年首次列入鐵道部相關(guān)規(guī)范[7]，飽和黏性土K0的計(jì)算公式如下：

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)在上海地區(qū)取得了一定的研究成果和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并已列入了當(dāng)?shù)氐膸r土工程勘察規(guī)范[8]。流塑黏性土計(jì)算K0的經(jīng)驗(yàn)公式為：

2.3.2 旁壓試驗(yàn)

旁壓試驗(yàn)PMT（pressuremeter test）是采用可側(cè)向膨脹的旁壓器對(duì)鉆孔孔壁周?chē)耐馏w施加水平向壓力的測(cè)試方法，使孔壁向外膨脹直至破壞，從而得到壓力與變形的關(guān)系，根據(jù)相關(guān)曲線(xiàn)可求出靜止側(cè)壓力系數(shù)K0：

式中：σh’為原位水平有效應(yīng)力；σv’為有效上覆應(yīng)力；p0為初始?jí)毫?；u為孔隙水壓力。

旁壓試驗(yàn)對(duì)操作工藝、經(jīng)驗(yàn)要求較高，成孔質(zhì)量是試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵，成孔垂直度、孔壁的擾動(dòng)、軟弱土層的縮孔、坍孔、加荷等級(jí)的選擇等都是重要的技術(shù)性問(wèn)題。在試驗(yàn)過(guò)程中，容易出現(xiàn)差錯(cuò)，獲取的靜止側(cè)壓力系數(shù)有較大的離散性，在該方面的應(yīng)用較少。

3 軟土靜止側(cè)壓力系數(shù)K0不同確定方法的對(duì)比分析

靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式多為學(xué)者針對(duì)某一特定區(qū)域或某一特定土性的研究成果，特別是扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)引入我國(guó)的時(shí)間并不長(zhǎng)，在有些地區(qū)的應(yīng)用尚未建立較好的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，應(yīng)用時(shí)應(yīng)慎重考慮。

確定靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的各種方法在寧波地區(qū)都有不同程度的應(yīng)用，但以室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)試方法為主。K0的各種確定方法各有其優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一定的局限性和不足之處。比如：室內(nèi)試驗(yàn)無(wú)法避免取樣擾動(dòng)、人為試驗(yàn)操作的影響，但可以較好地控制試驗(yàn)邊界條件；原位測(cè)試具有擾動(dòng)小、操作便利等優(yōu)點(diǎn)，但各種原位測(cè)試有一定的適用條件，有些理論建立在統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系上，使得對(duì)測(cè)定值的準(zhǔn)確判斷有較大困難。

根據(jù)寧波地區(qū)的巖土工程勘察資料（寧波軌道交通1號(hào)線(xiàn)～5號(hào)線(xiàn)、櫟社國(guó)際機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程、環(huán)城南路、北環(huán)快速路、世紀(jì)大道快速路等），對(duì)淺部軟土進(jìn)行了許多室內(nèi)土工試驗(yàn)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多種原位測(cè)試工作，通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究，K0值與塑性指數(shù)Ip的大小密切相關(guān)，具有較好的線(xiàn)性關(guān)系如圖1所示，統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式如下：

圖1 軟土K0與Ip的關(guān)系曲線(xiàn)圖

綜合室內(nèi)土工試驗(yàn)，并利用土層有效內(nèi)摩擦角φ’、塑性指數(shù)Ip經(jīng)驗(yàn)公式等不同方法獲得的軟土靜止側(cè)壓力系數(shù)K0平均值如表2所列。軟土層的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)相關(guān)指標(biāo)及由上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的軟土層靜止側(cè)壓力系數(shù)K0平均值如表3所列。由于Lunne經(jīng)驗(yàn)公式（4）與上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式（6）計(jì)算的結(jié)果較接近，且上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)在寧波具有一定的參考價(jià)值，故表3中未列出經(jīng)驗(yàn)公式（4）的計(jì)算結(jié)果。

由表2、表3獲取的K0值可知，不同方法確定的K0存在一定差異。室內(nèi)土工試驗(yàn)側(cè)壓力儀法比三軸試驗(yàn)法測(cè)定的K0偏小，其中淤泥質(zhì)黏土的K0值差異最大；經(jīng)驗(yàn)公式（1）、（2）、（8）確定的 K0比室內(nèi)三軸試驗(yàn)法也偏??；公式（8）計(jì)算結(jié)果與三軸試驗(yàn)法較為接近，可用于估算該地區(qū)軟土的K0值；由于軟土的區(qū)域性特點(diǎn)，公式（2）計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)土工試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式確定的K0值差異最大。

表2 室內(nèi)土工試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的K0值一覽表

表3 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)成果計(jì)算的K0值一覽表

根據(jù)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)成果計(jì)算的K0值除個(gè)別數(shù)據(jù)外，比室內(nèi)三軸試驗(yàn)法偏小，公式（3）在計(jì)算淤泥、淤泥質(zhì)黏土的K0值時(shí)與三軸試驗(yàn)法較為接近，公式（6）次之，公式（5）計(jì)算的結(jié)果差異最大。

為提出寧波地區(qū)軟土靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的準(zhǔn)確值，可參考上海地區(qū)利用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)計(jì)算K0值的經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式（6）稍加修訂以符合寧波地區(qū)軟土K0的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：

淤泥、淤泥質(zhì)黏土：n=0.7～0.8

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：n=0.5～0.6

經(jīng)過(guò)對(duì)上述K0值各種確定方法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比研究，并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，給出寧波地區(qū)軟土層靜止側(cè)壓力系數(shù)K0建議值如表4所列。

表4 靜止側(cè)壓力系數(shù)K0建議值一覽表

4 結(jié)論

根據(jù)寧波地區(qū)大量的巖土工程勘察資料，分別基于經(jīng)驗(yàn)公式、室內(nèi)土工試驗(yàn)、原位測(cè)試等多種方法分析討論寧波地區(qū)淺層軟土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0值，參考其他地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)公式稍加修訂提出了符合寧波地區(qū)軟土K0的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，得到以下主要結(jié)論：

（1）結(jié)合寧波地區(qū)軟土的工程特性，建立了靜止側(cè)壓力系數(shù)K0與塑性指數(shù)Ip的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，可較好地估算該地區(qū)軟土的K0值。

（2）室內(nèi)土工試驗(yàn)側(cè)壓力儀法較三軸試驗(yàn)法測(cè)定的K0偏小，不同經(jīng)驗(yàn)公式與扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)成果計(jì)算的K0值均存在一定的差異。

（3）參考上海地區(qū)利用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)成果計(jì)算K0值的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)修訂提出符合寧波地區(qū)軟土K0的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。

（4）經(jīng)過(guò)對(duì)K0值各種確定方法的對(duì)比分析和研究，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)提出了適合寧波地區(qū)淺層軟土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0建議值，供參考應(yīng)用于該地區(qū)的軟土工程設(shè)計(jì)。

[1]李作勤，影響粘土靜止側(cè)壓力的一些問(wèn)題[J]，巖土力學(xué)，1995（1）：9-16.

[2]Hayat T M.The coefficient of earth pressure at rest[D].Urbana:University of Illinois at Urbana-Champaign,1992.

[3]沈珠江，原狀取土還是原位測(cè)試--土質(zhì)參數(shù)測(cè)試技術(shù)發(fā)展方向芻議[J]，巖土工程學(xué)報(bào)，1996，18(5)：90-91.

[4]Marchetti S.In-Situ Tests by Flat Dilatometer [J].Journal of Geotechnical Engineering ASCE,1980,107(3):832-837.

[5]GB50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范，（2009年版）[S].

[6]Lunne T,Powell J J M，Hauge E A,et al.1990.Correlation of dilatometer readings with lateral stress in clays [J].Transport Research Record,1990,1278:183-193.

[7]TB10018-2003，鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程[S].

[8]DGJ08-37-2012，巖土工程勘察規(guī)范[S].