司壹恒,劉干斌,周 曄,葉榮華，張俊杰

(1.寧波大學(xué)巖土工程研究所，浙江 寧波 315211；2.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315012；3.寧波冶金勘察設(shè)計研究股份有限公司，浙江 寧波 315041)

靜止土壓力系數(shù)(K0)是土體在無側(cè)向變形條件下固結(jié)后的水平向應(yīng)力與豎向應(yīng)力之比[1]，其在基坑、擋土墻、堤壩、礦山、土體變形、隧道等實際工程設(shè)計中均有廣泛應(yīng)用，準(zhǔn)確確定K0值直接影響到工程設(shè)計、工程造價、安全可靠性程度等，近年來越來越為國內(nèi)外學(xué)者和巖土工程師所重視。

土的K0取值受土層土類、深度、應(yīng)力歷史、超固結(jié)比、土的結(jié)構(gòu)性等多方面的影響。Jaky[2]對靜止土壓力系數(shù)研究后提出了用土體內(nèi)摩擦角估算靜止土壓力系數(shù)的公式；Schmidt[3]研究了超固結(jié)土的靜止土壓力系數(shù)與超固結(jié)比之間關(guān)系，給出了一個表示二者之間關(guān)系的經(jīng)驗公式；Mayne等[4]也研究了超固結(jié)土的靜止土壓力系數(shù)與超固結(jié)比的關(guān)系，對Schmidt所提公式中的參數(shù)給出了一個建議取值公式；Brooker等[5]研究了應(yīng)力歷史對靜止土壓力系數(shù)的影響；楊慕懷等[6]通過一種簡便的測定靜止側(cè)壓力系數(shù)裝置，根據(jù)數(shù)據(jù)研究了應(yīng)力歷史對K0的影響；王文麗等[7]以蘭州黃土為研究對象，開展了不同加載速率下的K0壓縮試驗，得到了相關(guān)土體系數(shù)變化與實驗加載速率的關(guān)系；王國富等[8]通過原位土體水平壓力測定儀(KSB)對黃河沖積層K0值進(jìn)行了測試，并結(jié)合其它測試方法所得數(shù)據(jù)分析了各試驗方法的優(yōu)缺點；宋飛等[9]研究了各項異性砂土的K0值，得出各向異性條件下的K0值比各向同性時明顯偏大；肖先波[10]對非飽和含淺層氣砂土的K0取值問題開展系統(tǒng)的室內(nèi)K0固結(jié)實驗研究，得到了砂土K0值隨含水率的增大而增大，隨密實度的增加而減小的結(jié)論；糾永志等[11]通過應(yīng)力路徑三軸試驗對不同超固結(jié)比下飽和軟黏土的K0系數(shù)及超固結(jié)軟土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，提出了超固結(jié)軟土的K0系數(shù)計算公式；強(qiáng)越等[12]推導(dǎo)出了自然固結(jié)土的靜止土壓力系數(shù)的理論表達(dá)式，為靜止土壓力系數(shù)的試驗和經(jīng)驗公式的推導(dǎo)提供了理論支撐；趙升峰等[13]進(jìn)行了測定K0值加荷穩(wěn)定時間的試驗研究，得出了上海地區(qū)淺層地基土體K0值的實驗加荷穩(wěn)定時間。

本文結(jié)合寧波軌道交通工程實踐，首先設(shè)計制作了一種靜止土壓力系數(shù)原位測試裝置，并在寧波市軌道交通4號線東錢湖車輛段場地開展原位試驗，利用該裝置的測試結(jié)果以及室內(nèi)三軸、扁鏟側(cè)脹等試驗成果和相關(guān)經(jīng)驗公式，開展了寧波軟土地層的靜止土壓力系數(shù)K0研究，驗證了現(xiàn)場測試裝置的合理性，并在其他地區(qū)經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上，通過修正系數(shù)的方法，建立了適用于寧波軟土地區(qū)淺層土靜止土壓力系數(shù)K0值的計算方法，可為今后寧波地區(qū)巖土工程相關(guān)設(shè)計提供一定的參考。

1 K0試驗裝置設(shè)計及測試方法

室內(nèi)試驗結(jié)果均依賴于所取的土樣，土樣的質(zhì)量直接影響了測試結(jié)果。經(jīng)驗公式法、三軸儀法以及扁鏟側(cè)脹試驗法三種試驗方法均要求加載試驗的土樣性狀均勻。但是實際土層往往土質(zhì)分布不均，且摻雜各類雜質(zhì)，因此室內(nèi)試驗結(jié)果僅適用于土層分布較為均勻的土層，且這三種試驗方法不適用于可塑性較差的粉砂性土。此外，扁鏟側(cè)脹試驗無法直接測定靜止側(cè)壓力系數(shù)K0，且用于計算K0的經(jīng)驗公式及相關(guān)參數(shù)種類繁多。我國地域廣闊，土層情況千差萬別，故而以上所列的計算公式及K0確定方法不能應(yīng)用于任意地區(qū)、任意土層。

針對現(xiàn)有測試方法的不足，本文設(shè)計制作了一種靜止側(cè)向土壓力系數(shù)K0原位測試裝置，建立了測試方法，操作簡便，不易受人為因素的影響，測試裝置如圖1所示。

圖1 K0試驗裝置

該裝置由2個土壓力計及1個孔隙水壓力計通過一定的組合直接測試原位土體的側(cè)向及豎向土壓力。由于土壓力計測試面與土體直接接觸，測得的土壓力大小與傳感器測試面接觸的土體有關(guān)，當(dāng)土壓力計測試面朝下時，其下部土體主要受到地層反力的作用，其測試得到的是地層的向上反力，即有效土壓力。又因K0系數(shù)的計算需要測試埋深處的豎向土體總應(yīng)力，故而在裝置上安裝了孔隙水壓力傳感器，由孔隙水壓力傳感器測試得到的孔隙水壓為P，由裝置底部土壓力測試得到的有效土壓力為σ′v，則豎向土體總應(yīng)力為σv=σ′v+P。土壓力計側(cè)向放置時，測到的即為側(cè)向土壓力(σH)。將側(cè)向土壓力除以豎向土壓力計與孔隙水壓力之和，該比值即為K0系數(shù)。計算公式如下：

(1)

式中：σH——側(cè)向土壓力；

σ′v——有效豎向土壓力；

kσ——土壓力計率定參數(shù)；

f1——土壓力計測試頻率；

f0——土壓力計初始頻率；

P——孔隙水壓力；

kw——孔隙水壓力計的率定參數(shù)；

P1——孔隙水壓力計測試頻率；

P0——孔隙水壓力計初始頻率。

本次試驗所選取場地為寧波市軌道交通4號線東錢湖車輛段，其地貌類型屬于濱海淤積和沖湖積平原。對該場地的②2a淤泥、③2粉質(zhì)黏土、④1a淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④2a黏土4個土層共分6個深度進(jìn)行靜止土壓力系數(shù)測試，各土層力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 各土層力學(xué)指標(biāo)

K0試驗裝置測試數(shù)據(jù)如表2所示，表中底部土壓為有效土壓力，側(cè)向土壓為側(cè)向有效土壓力與孔隙水壓力之和。由表2可以看出，除15 m深度外，底部有效土壓力均小于側(cè)向土壓力，而實驗地層15 m深度處為粉質(zhì)黏土，受該深度土質(zhì)影響，所測得的側(cè)向土壓力小于底部有效土壓力。除此之外，不同時間所測得的各個土層的土壓力以及孔隙水壓力在傳感器埋設(shè)完成后變化較小。由此可知，該現(xiàn)場測試裝置埋設(shè)后及時進(jìn)行土體回填，對試驗地層所造成的擾動較小，可以測得較為穩(wěn)定的實驗數(shù)據(jù)。

將表2中所測數(shù)據(jù)計算得到本次試驗場地6個不同深度土層處的K0值(表3)，表3中軟土地層所測得的K0值均大于較硬土層，與常理相符。為了更直觀地表示各地層深度的K0值變化，將表3中數(shù)據(jù)整理可得到不同深度處K0值時程變化曲線如圖2所示，由圖2可以看出，不同時間所測得的實驗數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定,即K0值受時間變化的影響很小。因此該實驗方法具有一定可取性。

2 討論

2.1 常用實驗方法

目前常用的獲取靜止土壓力系數(shù)K0值的方法主要有經(jīng)驗公式法、三軸儀室內(nèi)試驗、扁鏟側(cè)脹試驗(DMT)等。

(1)經(jīng)驗公式法

采用Jaky給出的有效內(nèi)摩擦角計算K0值公式，在寧波市軌道交通4號線東錢湖車輛段場地勘察報告的基礎(chǔ)上，獲得6個深度土層的有效內(nèi)摩擦角，即可計算得到各深度土層靜止側(cè)向土壓力系數(shù)如表4所示。

表2 不同深度土層的K0裝置測試數(shù)據(jù)

表3 各土層K0試驗裝置測試數(shù)據(jù)

圖2 不同深度土層的K0系數(shù)時程曲線

表4 各土層內(nèi)摩擦角及K0值

從表4可以看出，由經(jīng)驗公式法計算得到的各土層K0值最小為0.577。由于10 m以內(nèi)淺部土層的強(qiáng)度小于深部土層，因此淺部土層的K0值應(yīng)大于15 m深度以下的深部土層的K0值，但表4中10 m以內(nèi)淺部土層的有效內(nèi)摩擦角φ′大于15～20 m范圍內(nèi)土層的有效內(nèi)摩擦角φ′，經(jīng)計算可得淺部土層的K0值小于深部土層。由此可見，由經(jīng)驗公式法計算所得的K0值單一依賴于有效內(nèi)摩擦角φ′，有時計算結(jié)果與實際測量數(shù)據(jù)相悖，所以利用經(jīng)驗公式法計算K0值不完全可取。

(2)三軸測試法

室內(nèi)三軸試驗測定靜止側(cè)壓力系數(shù)K0值易于操作、測試方便。在圍壓恒定條件下調(diào)節(jié)軸向變形，模擬側(cè)向不變形條件，測定各級側(cè)壓力下對應(yīng)的軸向應(yīng)力，即可得靜止側(cè)壓力系數(shù)。

參考楊金鐘[14]、徐志偉等[15]的方法，將試驗所得數(shù)據(jù)以有效軸向壓力為橫坐標(biāo)、有效側(cè)向壓力為縱坐標(biāo)繪制曲線，其斜率即為靜止側(cè)壓力系數(shù)K0。各土層K0值如表5所示。從表5中可以看出，淺部土層的K0值就大于深部土層的K0值，這樣的規(guī)律遵循了常理，可見三軸測試數(shù)據(jù)有一定的可取性。

表5 三軸試驗法K0值

(3)扁鏟側(cè)脹法

扁鏟側(cè)脹試驗(DMT)是巖土工程勘察中一種常用的原位測試方法，該方法可根據(jù)經(jīng)驗公式間接計算得到靜止側(cè)壓力系數(shù)K0。

國內(nèi)外關(guān)于扁鏟側(cè)脹試驗水平應(yīng)力指數(shù)KD求解靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的經(jīng)驗公式較多，如李曉萍等[16]提出的天津淺層土經(jīng)驗公式；王佳卿等[17]、張道政等[18]提出的無錫地區(qū)經(jīng)驗公式；陳雪元[19]提出的蘇州地區(qū)經(jīng)驗公式；唐世棟等[20]提出的杭州地區(qū)經(jīng)驗公式，等等。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》中上海地區(qū)已有經(jīng)驗公式[21]，對淤泥質(zhì)土土體的修正為：

(2)

式中：KD——水平應(yīng)力指數(shù)。

關(guān)于n的取值：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土取0.44；淤泥質(zhì)黏土取0.6。

利用式(2)計算寧波市軌道交通4號線東錢湖車輛段場地土層的K0，其中取n=0.6，計算結(jié)果如表6所示。

表6 扁鏟側(cè)脹法K0值

從表6可以看出，僅淺部②2a淤泥層的K0值大于0.5，以下土層的K0值均小于0.5。由此可以看出，淺部土層的K0值均大于深部土層，這樣的測試結(jié)果遵循了常理，因此扁鏟側(cè)脹數(shù)據(jù)有一定的可取性。

2.2 不同方法數(shù)據(jù)分析

利用不同方法得到東錢湖車輛段場地各土層的K0值如表7所示，可以看出，除③2粉質(zhì)黏土外，其余各深度土層三軸試驗數(shù)據(jù)與K0測試裝置測試數(shù)據(jù)較為一致。③2粉質(zhì)黏土扁鏟側(cè)脹數(shù)據(jù)與K0測試裝置測試數(shù)據(jù)較為一致。由對現(xiàn)場取樣可知：③2粉質(zhì)黏土土層均勻性較差，夾雜較多的粉砂，因此導(dǎo)致室內(nèi)試驗結(jié)果高于原位試驗結(jié)果，從而使該深度處土層在不同試驗方法時所測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差。

對比表7中4種方法所得K0值，扁鏟側(cè)脹數(shù)據(jù)普遍小于其他三種方法，其原因主要與測試土體的軟弱程度有關(guān)系。當(dāng)扁鏟插入土中時，扁鏟周邊的土體出現(xiàn)了擠壓密實，使得測試點附近的土體改變了原有的性狀，其結(jié)果是扁鏟周邊的土體在擠壓排水后強(qiáng)度有所提升，這種強(qiáng)度提升使得扁鏟測試得到的K0值比真實值偏小。但當(dāng)扁鏟在透水性較好的粉砂性土中插入時，擠壓排水不會使得扁鏟周邊的土體強(qiáng)度得到提升，對K0值的影響也就不明顯，因此實驗中③2粉質(zhì)黏土土層所測數(shù)據(jù)與試驗裝置實地測得的數(shù)據(jù)相近。除此之外，扁鏟對土層土體的擠壓效應(yīng)會隨著深度的加大而加大，因為土層越深，扁鏟插入土層的力也就越大，對土體的擠壓力也就越大。

表7 K0試驗數(shù)據(jù)對比表

根據(jù)以上分析可知，三種試驗方法所得結(jié)果不同，主要是受不同地層深度土體性質(zhì)差異以及取樣過程中土體擾動程度的影響，這也與前文中所述室內(nèi)試驗方法受均依賴于所取的土樣、土樣的質(zhì)量直接影響了測試結(jié)果的設(shè)想相符。

2.3 公式系數(shù)修正

針對扁鏟側(cè)脹實驗方法的缺點，并且考慮到不同地區(qū)經(jīng)驗公式及相關(guān)參數(shù)差異較大，因此此類經(jīng)驗公式也難以直接在本地區(qū)運用。

在上海經(jīng)驗公式[21]基礎(chǔ)上，通過嘗試改變公式中的系數(shù)：

(3)

當(dāng)15 m以上土層時可取n=0.8，15 m以下土層時可取n=1，含粉砂性土的土層時可取n=0.5，從而得到系數(shù)改變后扁鏟側(cè)脹計算數(shù)據(jù)，并且將得到的數(shù)據(jù)與實驗所測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如表8所示，K0測試裝置、扁鏟側(cè)脹及系數(shù)改變后扁鏟側(cè)脹測試數(shù)據(jù)對比如圖3所示，可以看出改變了系數(shù)后的扁鏟側(cè)脹數(shù)據(jù)與K0裝置寧波地區(qū)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)吻合很好。

表8 修正系數(shù)后的扁鏟側(cè)脹數(shù)據(jù)對比

圖3 不同方法的K0系數(shù)對比

3 結(jié)論

(1)經(jīng)驗公式法單純依賴于所測得的內(nèi)摩擦角。

(2)扁鏟側(cè)脹法受地層性質(zhì)影響較大，不同的試驗地層所測得的數(shù)據(jù)均有不同程度的偏差，因此在運用該方法時應(yīng)結(jié)合實際地層狀況綜合考慮。

(3)與經(jīng)驗公式法、室內(nèi)三軸法、扁鏟側(cè)脹法相比，K0測試裝置采用原位測試，不受室內(nèi)試驗試樣缺陷的限制，對測試的周邊土層產(chǎn)生擠壓擾動很小，原理簡單，測試得到的K0值可靠程度較高。

(4)不同地區(qū)可以根據(jù)本地地層狀況，通過修正各地區(qū)原有經(jīng)驗公式中系數(shù)，來得到與本地區(qū)原位試驗所測數(shù)據(jù)相吻合的K0值計算方法。