扁鏟側(cè)脹試驗確定軟土靜止側(cè)壓力系數(shù)

1、扁鏟側(cè)脹試驗確定軟土靜止側(cè)壓力系數(shù)朱帆濟 於李軍 (武漢市政工程設(shè)計研究院有限責任公司 湖北 武漢430015) 摘 要：常用的靜止側(cè)壓力系數(shù)的測試方法有土工試驗和原位測試方法。本文針對南京的軟土層，展開側(cè)壓儀試驗和扁鏟側(cè)脹試驗，對比分析試驗結(jié)果，提出利用扁鏟數(shù)據(jù)計算靜止側(cè)壓力系數(shù)的公式。關(guān)鍵詞：軟土；靜止側(cè)壓力系數(shù)；側(cè)壓儀；扁鏟側(cè)脹試驗中圖分類號：TU413 文獻標識碼：A Soft Soils Coefficient of Earth Pressure at rest Calculation Using the Flat Dilatometer TestZhu Fan-ji Liu Ya-

2、zhou Yu Li-jun (Wuhan Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Hubbei,Wuhan, 430015)Abstract：The common method to test the Coefficient of earth pressure at rest has soil test and in-situ testing. In order to test this parameter of soft soil in Nanjing area , this article comp

3、are and analyze the result of lateral pressure apparatus and the flat dilatometer test, recommending a new method to test this parameter by the DMT test.key words： soft soil；Coefficient of earth pressure at rest; lateral pressure apparatus; flat dilatometer test1 概述 靜止側(cè)壓力系數(shù)（K0）是一個重要的巖土參數(shù)，實際應(yīng)用范圍廣泛。如頂

4、埋管道、地下洞室邊墻和隧道襯砌等地下結(jié)構(gòu)物設(shè)計都需要準確的靜止側(cè)壓力系數(shù)。靜止側(cè)壓力系數(shù)一般通過室內(nèi)土工試驗求得，水利部土工試驗規(guī)程介紹了靜止側(cè)壓力系數(shù)的試驗方法【1】。原位測試也可用于確定靜止側(cè)壓力系數(shù)，巖土工程勘察規(guī)范指出【2】，結(jié)合扁鏟側(cè)脹試驗指標和地區(qū)經(jīng)驗，可以確定靜止側(cè)壓力系數(shù)。由于扁鏟側(cè)脹試驗經(jīng)驗的相對不足，因此，須將室內(nèi)土工試驗和扁鏟側(cè)脹試驗接合使用，以便準確獲得靜止側(cè)壓力系數(shù)。2土工試驗確定靜止側(cè)壓力系數(shù)室內(nèi)土工試驗測定K0系數(shù)的方法和儀器主要有側(cè)壓力儀法和三軸儀法。側(cè)壓儀法是國內(nèi)應(yīng)用較早的一種靜止側(cè)壓力系數(shù)的試驗方法。隨測試方法不同,側(cè)壓力系數(shù)試驗分三種情況,即不考慮孔隙水壓

5、力、考慮孔隙水壓力和動荷載下的試驗,隨工程設(shè)計需要選用。比較常用的是在排水條件下的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0：土體在無側(cè)向變形的條件下,側(cè)向有效應(yīng)力與軸向有效應(yīng)力之比, 即。2.1 側(cè)壓儀的試驗方法側(cè)壓儀測試的基本原理十分直觀,即要求試樣在側(cè)向不變形的條件下,增加軸向應(yīng)力，量測軸向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力（）的增量。 側(cè)壓力儀是在固結(jié)儀基礎(chǔ)上改裝的，試驗時將6.18cm×4cm環(huán)刀制備的飽和試樣推入容器的環(huán)形膜中,再將K0容器置于固結(jié)儀加壓框架下, 按固結(jié)試驗的方法逐級施加軸向力,量測側(cè)向力。各級荷載下土的側(cè)向有效應(yīng)力由儀器壁上壓力傳感器測得。試樣的裝配情況參見圖1。圖1 側(cè)壓力儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig1

6、General layout of the lateral pressure apparatus2.2 試驗的注意事項試樣頂、底二端處于排水狀態(tài),并保持土樣在試驗過程中無側(cè)向變形。由于受壓室中的膜是固定在容器中的,膜土之間不可避免地存在著間隙,因此，試驗的關(guān)鍵,是將膜與試樣緊貼、受壓室中無氣。試驗時選用薄的乳膠膜。因橡膠膜過厚、且硬,在受壓時產(chǎn)生的壓縮變形明顯,側(cè)壓力損失很大，致使所測K0值偏小。按理論要求應(yīng)取土樣固結(jié)完成后的值。本試驗中，土樣受壓后其側(cè)向應(yīng)力隨著土樣的固結(jié)度增高而逐漸減少,最后趨于穩(wěn)定。對于粘性土，由于其滲透性差，后期固結(jié)速率甚慢,而后期的減少量又不明顯。因此，當土樣固結(jié)度達

7、到90%時讀數(shù)取值。2.3 數(shù)據(jù)的整理及校驗試驗開始時,由于試樣與膜不能貼緊,試樣受力后會產(chǎn)生一定的側(cè)向變形,所測得靜止側(cè)壓力系數(shù)偏低。隨著軸向應(yīng)力的增大，試樣與膜逐漸貼緊,試驗曲線開始呈線性。因此取直線段上的增量計算K0值，如圖2所示。圖2 K0曲線試驗Fig2 the curve of the K0 test 目前, K0數(shù)據(jù)大多用經(jīng)驗公式作為校驗【3】，其中, 為軟土的有效內(nèi)摩擦角。對于軟土, 塑性指數(shù)IP與力學性質(zhì)密切相關(guān), 阿班(Alpan)于1967年提出正常固結(jié)粘性土的K0與土的塑性指數(shù)IP 的關(guān)系【4】為：。這也是檢驗K0的方法之一。3原位測試確定靜止側(cè)壓力系數(shù)土工試驗規(guī)程給出

8、了K0值的確定方法。但測壓儀的操作相對繁瑣，試驗周期很長。因此，如何通過原位測試技術(shù)獲取靜止側(cè)壓力系數(shù)是巖土工程界的難題之一。扁鏟側(cè)脹試驗(The Flat Dilatometer Test，簡稱DMT)是由意大利人Silvano Marchetti發(fā)明的一種原位測試方法【5】，扁鏟側(cè)脹試驗是利用靜力或錘擊動力將一扁平鏟形探頭貫入土中，達到預(yù)定深度后，利用氣壓使扁鏟探頭側(cè)面的彈性圓形膜片向外膨脹，從而獲得土體受力與變形關(guān)系的一種試驗。扁鏟側(cè)脹試驗使得土體水平向受力，并可測得其對應(yīng)于不同水平位移時反力大小的原位測試手段，因此在求解如K0這樣和土體水平方向應(yīng)力有關(guān)的參數(shù)時有著獨特的優(yōu)勢。3.1 扁

9、鏟側(cè)脹儀器的組成、工作原理扁鏟側(cè)脹試驗儀器的基本組成包括：扁鏟探頭、鉆桿、氣電管路、測控箱、輸氣線和氣源六部分，圖示見文獻【6】。工作原理見文獻【6】。3.2 數(shù)據(jù)的整理水平應(yīng)力指數(shù)KD是扁鏟試驗的一個非常重要的指標，它可以被認為是一個由貫入所導(dǎo)致放大的靜止側(cè)壓力系數(shù)。Marchetti最初于1980年通過對軟土地區(qū)的扁鏟側(cè)脹試驗與其它試驗的對比研究，建立了水平應(yīng)力指數(shù)KD與K0之間的關(guān)系式【5】： （ID1.2） (3)Lunne(1988年)根據(jù)試驗結(jié)果提出【7】：KD與K0的關(guān)系對新近粘土(<6萬年)和老粘土(>7千萬年)是不同的, 并于1989年提出補充:對新粘性土 （/0

10、.5） (4)4工程實例南京河西新城區(qū)建設(shè)開發(fā)指揮部擬在濱江大道東側(cè)向陽河與紅旗河之間鋪設(shè)兩根平行雨水管道。管道里程K0+000K1+820，兩管中心距為7.0m，管徑2000mm。管道鋪設(shè)擬采用頂管法施工，沿線共布置工作井（接受井）5個，擬采用沉井施工。頂管管道預(yù)計位于-1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中，灰色，流塑，含腐植物，局部夾薄層粉土，屬高壓縮性土。為準確提供該層的靜止側(cè)壓力系數(shù)，在勘察階段采用了扁鏟側(cè)脹試驗，并在試驗孔附近作鉆孔取樣，用側(cè)壓儀的結(jié)果對比扁鏟側(cè)脹試驗的數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計提供參考。室內(nèi)完成該層土樣的側(cè)壓試驗12組。試驗結(jié)果見表1。土工試驗指標驗算結(jié)果見表1。現(xiàn)場共完成扁鏟側(cè)脹試驗孔三個

11、，K0曲線見圖3圖5。據(jù)側(cè)壓儀的試驗結(jié)果，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層K0值的變化范圍從0.540.57，平均值為0.56。據(jù)土的有效內(nèi)摩擦角的驗算結(jié)果，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層K0值的變化范圍從0.480.53，平均值為0.50。據(jù)土的塑性指數(shù)的驗算結(jié)果，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層K0值的變化范圍從0.450.47，平均值為0.46。扁鏟側(cè)脹試驗按式3和式4計算的K0平均值見表2。從圖3圖5看出：（1）式3和式4計算的K0值隨深度的變化趨勢一致，從統(tǒng)計結(jié)果看，Marchetti 推薦公式計算的結(jié)果與式4的計算結(jié)果基本一致。表1 K0值及驗算結(jié)果Table 1 the result of lab test to calcu

12、late K0編號取樣深度（m）K0（側(cè)壓儀試驗結(jié)果）校驗方法1校驗方法2（°）K0IPK0G5-14.000.5729.70.5014.40.46G5-26.000.5630.90.4915.20.47G5-38.000.5429.70.5014.60.46G5-410.000.5531.20.4813.20.45G7-14.000.5629.10.5115.20.47G7-26.000.5528.30.5313.70.45G7-38.000.5631.20.4814.90.46G7-410.000.5629.80.5013.30.45G9-14.000.5530.10.5014.

13、50.46G9-26.000.5729.40.5115.90.47G9-38.000.5528.10.5315.20.47G9-410.000.5730.60.4913.90.46軟粘土層K0平均值0.560.500.46表2 扁鏟側(cè)脹試驗K0結(jié)果Table 2 the K0 result of the DMT test 孔 號Marchetti推薦公式Lunne推薦公式G50.400.43G70.490.47G90.460.47軟粘土層K0平均值0.450.46（2）K0值有隨深度增加逐漸變小的趨勢，但變化幅度不一樣。對G5孔，式3計算的K0值變幅為0.300.56，式4的變幅為0.370.

14、5。對G7孔，式3計算的K0值變幅為0.390.65，式4計算K0的值從0.410.55。對G9孔，式3計算的K0值變幅為0.370.55，式4計算K0的值從0.440.50。從圖中看出，式4計算結(jié)果隨深度的變化幅度小些，曲線變化平緩。圖3 G5孔扁鏟側(cè)脹試驗K0曲線 圖4 G7孔扁鏟側(cè)脹試驗K0曲線Fig3 the K0curve of the DMT test Fig4 the K0curve of the DMT test 圖5 G9孔扁鏟側(cè)脹試驗K0曲線 圖6 修正方法計算結(jié)果散點圖Fig5 the K0 curve of the DMT test Fig6 the scatter p

15、oint graph of correction method式4計算結(jié)果比側(cè)壓儀的平均值普遍偏小0.1左右。鑒于此，筆者提出了計算軟土的K0值的修正方法。見式5。圖6為修正方法計算結(jié)果的散點圖。 （5）從圖6看出：修正公式的計算結(jié)果落在0.490.67的窄狀條帶內(nèi)，平均值為0.56，與側(cè)壓儀的實驗結(jié)果基本吻合。因此，筆者推薦采用式5計算軟土的靜止側(cè)壓力系數(shù)。 5結(jié)論扁鏟側(cè)脹試驗操作簡單、經(jīng)濟、可重復(fù)性好,可以更好地反映出土性隨深度的變化情況。扁鏟側(cè)脹試驗在原位土體中進行試驗，其結(jié)果更能反映土體的實際應(yīng)力狀態(tài)，而且避免了側(cè)壓儀試驗時，因為軟土的固結(jié)時間很長帶來的不利影響。因此扁鏟側(cè)脹試驗在求取

16、軟土層靜止側(cè)壓力系數(shù)方面有著獨特的優(yōu)勢。然而，扁鏟側(cè)脹試驗也存在著許多不足，大多數(shù)成果是建立在和其它相關(guān)試驗統(tǒng)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，導(dǎo)致其成果的應(yīng)用不具有相當?shù)钠毡樾?，各地區(qū)需要根據(jù)各自的經(jīng)驗加以調(diào)整以滿足工程實際需求。參考文獻1 SL237-1999.土工試驗規(guī)程S. 中華人民共和國行業(yè)標準.2 GB500212001,巖土工程勘察規(guī)范S,2001.3Schmidt B. Discussion on Earth pressure at Rest Related to Stress HistoryJ. Canadian Getchnic Journal,1996,3(4).239242.4I Alpan. The Empirical Evaluation of the Coefficient K0 and K0RJ. Soils and Foundation, 1967,7 (1):31-405 Marchetti, S. (1980). In-Situ Tests by Flat Dilatometer. Journal of Geotechnical EngineeringJ, ASCE, VoI.107, Ho. 3,832-837.6南光地質(zhì)儀器廠.DMT-W1型扁鏟側(cè)脹儀用戶使用手冊.7