崔文良 （安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

1 靜止側(cè)壓力系數(shù)K0含義

靜止側(cè)壓力系數(shù)又稱靜止土壓力系數(shù)，是巖土工程中一個(gè)非常重要的參數(shù)，用于確定場(chǎng)地中的應(yīng)力狀態(tài)、計(jì)算靜止土壓力、地下結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)、對(duì)土樣進(jìn)行不等向固結(jié)試驗(yàn)等[1]。

靜止側(cè)壓力系數(shù)是土體在無側(cè)向變形條件下，有效側(cè)向應(yīng)力與有效軸向應(yīng)力之比[2]。K0基本為常數(shù)，一般小于1。

靜止側(cè)壓力系數(shù)與土的性質(zhì)及應(yīng)力歷史有很大的關(guān)系，其大小可根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，如《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019）（以下簡(jiǎn)稱“標(biāo)準(zhǔn)”）28章中采用側(cè)壓力儀進(jìn)行試驗(yàn)，此外還有三軸儀法、原位測(cè)試法等。

靜止側(cè)壓力系數(shù)也可用經(jīng)驗(yàn)公式求得對(duì)于無粘性土及正常固結(jié)黏土，K0=1-sinφ′[3]。式中 φ′為土的有效內(nèi)摩擦角。

有效內(nèi)摩擦角反映了土體內(nèi)部摩擦力的大小。有效內(nèi)摩擦角越大，土體越密實(shí)，在側(cè)限條件下達(dá)穩(wěn)定時(shí)，其豎向有效應(yīng)力也就越大，所以這種土的K0往往較??；反之有效內(nèi)摩擦角較小的無粘性土，其K0較大。

2 試驗(yàn)原理與過程

本文采用側(cè)壓力儀法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)所用主要儀器有側(cè)壓力儀、軸向加壓設(shè)備及壓力傳感器。

試驗(yàn)第一級(jí)開始施加軸向壓力的一瞬間，產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，有效應(yīng)力為0，數(shù)值上總軸壓σ1與總側(cè)壓σ3均等于超靜孔隙水壓力μ，總側(cè)壓力系數(shù)K總為1。

隨著固結(jié)不斷進(jìn)行，孔隙水壓力μ不斷減小，有效軸壓力σ1’和有效側(cè)壓力σ3’出現(xiàn)，并不斷增加。

每級(jí)試驗(yàn)中施加的總軸壓σ1是保持不變的，固結(jié)完成后，總軸壓力σ1完全轉(zhuǎn)化為有效軸壓力σ1’，總側(cè)壓力σ3部分轉(zhuǎn)化為有效側(cè)壓力σ3’。二者相除，得到本級(jí)K0。

可以看出，每級(jí)試驗(yàn)時(shí)，由于σ1完全轉(zhuǎn)化為σ1’，屬于已知條件，試驗(yàn)?zāi)康淖兂闪藴y(cè)σ3’。周圍壓力傳感器測(cè)量的是總側(cè)壓σ3，只有當(dāng)固結(jié)完成后，μ變?yōu)?，這時(shí)儀器測(cè)量的側(cè)壓才是有效側(cè)壓σ3’。

從第二級(jí)開始，總側(cè)壓力系數(shù)K總小于1。

試驗(yàn)將施加的幾級(jí)軸向壓力為橫坐標(biāo)，將每級(jí)固結(jié)穩(wěn)定后的周圍壓力為縱坐標(biāo)，繪制二者關(guān)系曲線，其斜率為靜止側(cè)壓力系數(shù)。

3 不同穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)下的K0

“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的試樣固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)變形不應(yīng)大于0.01mm，而同行中一般認(rèn)為，加荷時(shí)間為達(dá)到固結(jié)度90%為宜，一般為讀數(shù)時(shí)間為加載后一個(gè)小時(shí)。作者發(fā)現(xiàn)，一般加荷讀數(shù)時(shí)間越短，K0越大，達(dá)到固結(jié)度90%所得K0與經(jīng)驗(yàn)公式K0=1-sinφ′的計(jì)算值最為靠近，與目前工程上的經(jīng)驗(yàn)值大致相同，而采用穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)變形不應(yīng)大于0.01mm，測(cè)得的K0偏小。

另外，土的性質(zhì)不同，主固結(jié)完成的時(shí)間是不一樣的，即固結(jié)度達(dá)到90%時(shí)間不同。土質(zhì)愈軟，固結(jié)時(shí)間愈長(zhǎng)，如飽和軟黏土固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，而粉土固結(jié)時(shí)間較短[4]。

為了說明試驗(yàn)過程和結(jié)果曲線特征，驗(yàn)證了固結(jié)度達(dá)到90%所得K0與目前工程上的經(jīng)驗(yàn)值大致相同的觀點(diǎn)，作者用取自合肥地區(qū)黏性土土樣進(jìn)行試驗(yàn)，取樣深度5.6m～5.8m。塑性指數(shù)為16.4，灰黃色，狀態(tài)可塑，按不同加荷等級(jí)分別取40min、1h和達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)變形不大于0.01mm對(duì)應(yīng)的圍壓，繪制有效軸壓與有效圍壓關(guān)系曲線。

讀數(shù)過程可以發(fā)現(xiàn)，每級(jí)荷載開始加載的短時(shí)間內(nèi)圍壓數(shù)值與軸向變形變化非?？?，需要兩人同時(shí)進(jìn)行讀數(shù)。從第二級(jí)開始，以后的每級(jí)軸壓加載一瞬間產(chǎn)生的圍壓等于新增軸壓部分與上一級(jí)最后的圍壓讀數(shù)之和。

表1為同一個(gè)土樣同一個(gè)試驗(yàn)加荷時(shí)間分別為40min、1h和達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)變形不大于0.01mm在不同加荷等級(jí)下最終對(duì)應(yīng)的每級(jí)有效圍壓。

不同加荷等級(jí)下對(duì)應(yīng)的每級(jí)有效圍壓 表1

圖1為有效軸壓與有效圍壓關(guān)系曲線，40min 時(shí) K0-40分鐘=0.48，1hK0-1小時(shí)=0.46，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)變形不大于0.01mm對(duì)應(yīng)K0-0.01mm=0.38，其大小順序?yàn)?K0-40分鐘＞K0-1小時(shí)＞K0-0.01mm，加荷讀數(shù)時(shí)間越長(zhǎng)，K0越小。K0越偏小對(duì)于工程風(fēng)險(xiǎn)越大，且40min不能保證固結(jié)度達(dá)到90%，因此，建議時(shí)間為加載后1h。

圖1 有效軸壓與有效圍壓關(guān)系曲線

另外，該土樣經(jīng)過三軸CU試驗(yàn)得出有效內(nèi)摩擦角為32.5°，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式K0=1-sinφ′，得出K0-公式=0.463。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，可塑狀態(tài)粉質(zhì)黏土K0-經(jīng)驗(yàn)=0.43[5]發(fā)現(xiàn)K0-1小時(shí)與K0-公式、K0-經(jīng)驗(yàn)最為接近。當(dāng)然三軸試驗(yàn)確定的有效內(nèi)摩擦角不一定準(zhǔn)確，但在日常試驗(yàn)生產(chǎn)中，大部分情況仍是 K0-1小時(shí)與 K0-公式、K0-經(jīng)驗(yàn)最為接近。

4 超固結(jié)土的K0

理論上試驗(yàn)得到的五個(gè)點(diǎn)應(yīng)該落在一條直線上，但通過圖1發(fā)現(xiàn)并非所有點(diǎn)均落在一條直線上。這是因?yàn)楣こ讨型脸槌探Y(jié)土，平時(shí)現(xiàn)場(chǎng)取土后，再拿到實(shí)驗(yàn)室做試驗(yàn)，相當(dāng)于卸載回彈再壓縮。

圖2 超固結(jié)土的K0試驗(yàn)曲線

5 試驗(yàn)結(jié)果的運(yùn)用與取舍

靜止側(cè)壓力系數(shù)的測(cè)定方法，除了采用側(cè)壓力儀進(jìn)行試驗(yàn)，還有三軸儀法、原位測(cè)試法等。每種試驗(yàn)方法得到的K0值大小有較大差異，用同種試驗(yàn)方法對(duì)同一個(gè)土樣進(jìn)行試驗(yàn)也有些出入。影響因素很多，儀器型號(hào)不同，壓力室橡膠膜的厚度，試樣高度直徑，儀器是否存在無法察覺的漏水，試驗(yàn)人員的操作水平等等。K0值目前大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及經(jīng)驗(yàn)值，試驗(yàn)值為輔，“標(biāo)準(zhǔn)”中關(guān)于靜止側(cè)壓力系數(shù)的試驗(yàn)步驟與操作方法的規(guī)定不是很詳細(xì)。試驗(yàn)人員應(yīng)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，仔細(xì)推敲試驗(yàn)結(jié)果，提供可靠的K0值，保證工程的安全與節(jié)約。