利用扁铲侧胀试验测定静止侧压力系数

杨 明 臻

(绍兴文理学院土木工程学院,浙江 绍兴 312000)

利用扁铲侧胀试验测定静止侧压力系数

杨 明 臻

(绍兴文理学院土木工程学院,浙江 绍兴 312000)

静止侧压力系数k0作为岩土工程设计中一个重要的参数，因为地域的差异，工程中往往无法提供统一的k0值，各地需要通过试验或经验值来确定。室内试验存在一定的“失真”，所以利用原位测试获得较为准确地数据是十分必要的。结合了柯桥区某工程的勘察资料，开展该地区典型土层的静止侧压力系数k0值的研究，以室内试验测定的k0值为参考，并结合现场的扁铲侧胀试验(DMT)数据，建立静止侧压力系数k0和水平应力指数KD的关系式。

扁铲侧胀试验，静止侧压力系数，水平应力指数，经验公式

0 引言

静止侧压力系数k0是岩土设计中的一个非常重要的参数，在确定水平场地中的应力状态、静止土压力和桩侧向摩擦力等地方都需要准确地静止侧压力系数。目前，k0的测定方式主要有旁压施压、扁铲侧胀试验和室内土工试验三种试验方法及经验公式法。旁压试验的操作要求较高，同时测得的静止侧压力系数离散性较大，所以应用较少。工程师一般都是通过室内试验获得该参数，但室内试验得到的k0值，由于受扰动大、人为干扰等原因无法真实反映现场土体的原始应力特点，因此引入一个有效可行的现场原位测试来获得静止侧压力系数k0就显得十分重要了[1]。

本文根据绍兴市柯桥区某工程的岩土勘察资料，先从室内三轴试验中获得静止侧压力系数k0，再利用现场扁铲侧胀试验并根据公式求得水平应力指数KD，然后运用SPSS软件中的相关回归分析，得到k0和KD的经验关系式。

1 扁铲侧胀试验原理及方法

扁铲侧胀试验多在软土、一般黏性土、粉土和稍密的砂土中进行。该试验的操作步骤：

1)空气中反复加荷卸荷，消除膜片的残余应力。

2)标定一起，测出侧胀器在空气中自由膨胀时的膜片中心外移0.05 mm和1.10 mm所需的压力A0和B0。

3)将扁铲以20±5 mm/s的速率贯入到地层中预定的深度，然后立即匀速加压、减压，膜片开始向外扩张。

4)当膜片中心外移0.05 mm,1.10 mm时，分别测读该时气压A，气压B；当膜片内缩到开始的位置，测读该时气压C。三个压力读数A,B,C应在贯入停止后2 min内完成。

在处理数据之前，应先确定公式B-A=ΔA+ΔB是成立的，否则检查仪器并重新进行率定或更换膜片，重新试验。

P0=1.05(A-Zm+ΔA)-0.05(B-Zm-ΔB)

(1)

P1=B-Zm-ΔB

(2)

P2=C-Zm+ΔA

(3)

其中，Zm为未加压时仪表的压力初读数；P0为A点土体所受的侧压力；P1为B点土体所受的侧压力；P2为C点土体所受的侧压力；ΔA为A点时的实测气压值；ΔB为B点时的实测气压值。

假定扁胀试验时的介质是无线弹性的，荷载是均匀的施加在圆形面积上的[2]。我们可以通过式(1)～式(3)得到扁胀试验统计指标：

ID=(P1-P0)/(P0-U0)

(4)

KD=(P0-U0)/σν0

(5)

ED=34.7(P1-P0)

(6)

UD=(P2-u0)/(P0-u0)

(7)

其中，ID为扁胀指数(材料指数)；KD为水平应力指数；ED为侧胀(扁胀)模量；UD为孔隙水压力指数；u0为静水压力；σν0为试验点有效上覆土压力。

2 国内外已有的研究成果

1980年Marchetti教授提出的经验公式：

(8)

这是最早的公式，后经过许多工程实践，学者们根据不同地区的实际情况，在式(8)的基础上进行了补充和修正。在1988年，Uglow和Powell根据英国地区黏性土的特征，得到了式(9)。

(9)

同年，挪威的学者Lacasse和Lunne根据挪威地区的实际情况，对此关系式进行了修正，得到式(10)，在式(10)中，KD<4，对于高塑性黏土m=0.44；对低塑性土m=0.64。

(10)

国内学者针对不同地区的土性特征，提出不同的经验公式。童立元[3]等得到了上海地区的修正公式；唐世栋教授[4]提出了杭州的经验公式；张道政[5]和黄勇[6]等人分别针对无锡和宁波地区的土性进行分析，得到相应的关系式。

3 研究区域的土层特性

工程位于浙江省绍兴市柯桥区，场区第四纪地层稍发育，平原区厚度较大，厚度一般约为50.0 m～75.0 m，主要成因类型为湖沼相、河流相，海相沉积。线路沿线地貌形态为平原区，局部位于丘陵区。由该工程的钻孔资料得到，在本次的扁铲侧胀试验的范围是35 m以上的土层，主要是由粉质黏土②1层,③5层,④2层，黏质粉土②2层，淤泥质黏土③1层及淤泥质粉质黏土③2层组成。表1是各土层的基本物理力学参数统计表。

根据表1可以看出，影响土的静止侧压力系数大小的主要因素是土本身的性质。土体的孔隙率越小，密度越大，内摩擦角就越大，而内摩擦角偏大，土体的静止侧压力系数就偏小。

表1 各土层基本物理力学参数统计表

4 试验结果与分析

4.1扁铲侧胀试验的数据整理与分析

该工程中的扁铲侧胀试验范围从地面到深约35 m内的土层，测点间距0.5 m。利用式(4),式(5)计算DMT数据，得到各试验深度的中间参数——材料指数ID和水平应力指数KD，如表2所示。

表2 各土层扁铲参数统计表

Marchetti教授依据ID将土类进行了划分，ID≤0.6时为黏性土；0.6≤ID≤1.8时为粉土；ID>1.8时为砂土。而且也有实践证明，这一划分与土工试验和静探成果基本一致。但在具体用材料指数ID来划分土类时，应结合本地区的土质情况和经验进行修正。如在上海地区黏土和粉质黏土分界值约为0.29，黏质粉土与砂质的分界值约为1.0，砂质粉土与粉砂的分界约在3.0。由表3可知工程区域内的黏质粉土的材料指数ID远远大于上述的划分范围，这可能是该区岩土黏性土中夹有粉土或砂土，才导致材料指数ID偏大。而淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土的材料指数ID都在正常范围之内。

4.2静止侧压力系数k0和水平应力指数KD的相关性分析

(②1)(11)

(②2)(12)

(③1)(13)

(③2)(14)

(③5)(15)

(④2)(16)

4.3各土层k0范围和建议值

结合工程扁铲侧胀试验数据，利用式(11)～式(16)对各土层k0进行计算，并对不同土层的静止侧压力系数进行分析，得到研究范围内各土层的静止侧压力系数k0的分布频率：②1层分布在0.58～0.62的k0值占总数的比例为0.9；②2层分布在0.56～0.61的k0值占总数的比例为0.8；③1层分布在0.57～0.61的k0值占总数的比例为0.93；③2层分布在0.56～0.62的k0值占总数的比例为0.97；③5层分布在0.56～0.61的k0值占总数的比例为0.898；④2层分布在0.58～0.62的k0值占总数的比例为0.86。

利用式(11)～式(16)的结果及各土层k0值的分布范围，给出绍兴柯桥区典型土层的静止侧压力系数的取值范围和建议值，详见表3。

表3 各土层静止侧压力系数的取值

5 结语

结合该工程的岩土工程勘察数据，分别通过三轴试验和扁铲侧胀试验分析得到绍兴柯桥区典型土层的静止侧压力系数k0，建立各层土的扁铲侧胀试验参数KD和静止侧压力系数k0的经验关系式，详见式(11)～式(16)。同时也提出了该地区各地层k0值的取值范围和建议值。

[1] 谢 勋.扁铲侧胀试验计算静止侧压力系数k0的应用研究[A].纪念地质学家朱庭祜先生诞辰120周年——浙江省地质学会2015年学术年会论文集[C].浙江省地质学会，2015:5.

[2] 地质工程手册编委会.工程地质手册[M].第4版.北京：中国建筑工业出版社,2007:263-268.

[3] 童立元,刘松玉,张焕荣,等.应用SCPTu确定静止土压力系数的试验研究[J].土木工程学报,2013,46(4):117-123.

[4] 唐世栋,肖 勇,王松平.杭州地区用扁铲侧胀试验求解静止侧压力系数k0的研究[J].工程勘察,2009,37(7):5-9.

[5] 张道政,段永强,蔡 君.无锡地区静止侧压力系数试验研究[J].现代交通技术,2014,11(6):78-81.

[6] 黄 勇,刘干斌,陈 斌,等.宁波地区浅层土静止土压力系数k0的确定方法[J].工程勘察,2016,44(6):11-17.

Acquisitionoflateralearthpressurecoefficientbyfladilatometertests

YangMingzhen

(CollegeofCivilEngineering,ShaoxingUniversity,Shaoxing312000,China)

The static lateral earth pressure coefficientk0is a indispensable important parameter in geotechnical design. Due to the difference of the soil, thek0value should be determined by experiment or experience. However, there is some distortion in laboratory, so it is necessary to obtain more accurate data by in-situ test. The earth pressure coefficientk0of the typica soil static in Keqiao is studied in the geotechnical investigation works for a project in this area. Refereed to the empirical formula, combining the data of the flat dilatomerter test.

flat dilatometer test, static lateral earth pressure coefficient, horizontal stress index, empirical formula

1009-6825(2017)30-0061-02

2017-08-12

杨明臻(1992- ),女,在读硕士

TU411

A