静止侧压力系数及其试验方法.pdf

2 0 0 4年 l 2 月 第 l 8 卷第4期 南昌航空工业学院学报 自然科学版 J o u r n a l o f N a n c h a n g I n s t i t u t e o f A e r o n a u ti c a l T e c h n o l o g y N a t u r a l S c i e n c e De c． 2 O o 4 V0 1 ． 1 8 No ． 4 静止侧压 力 系数及其试 验方法 姜安龙 ， 张少钦 ， 曹慧兰， 郭云英 ， 高大钊 南昌航空工业学院， 江西 南昌3 3 0 0 3 4 [ 关键词] 静止侧压力系数； 土工试验； 试验仪器 【 摘要] 静止侧压力系数是岩土工程中一个非常重要的参数， 本文分析和讨论静止侧压力定义及其试验方法 以及相关试验设备， 以便引起广大学者关注静止侧压力系数确定法及其选取等方面的研究。 [ 中图分类号】 T U 4 1 [ 文献标识码】 B [ 文章编号】 】 0 0 】 一 4 9 2 6 { 200 4 1 0 4 一 {3 0 5 7 0 5 COEF FI CⅡ￡ NT OF EARTH P RES S URE AT RES T AND I TS TE S T 匝 HoDS J I A NG A nl o n g Z h a n g S h a oq i n C a o Hu e i l a n G u o Y u ny i n g G AO D az h a o N a n c h a n g l n s t ／ t u t e o fA e r o n a u t i c a l T e c h n o l o g y ，N c m x h a n g， 3 3 0 0 34， c h ／ n a Ke y wo r d s c o e ff i c i e n t o f e a r t h p r e s s u r e a t r e s t ； s o i l t est s ；t est i n g e q u i p me n t ； A b s t r a c t C o e ffic i e n t o f e a r t h p r e s s u r e a t r e s t i s a n i mp o r t a n t c o mp u t a ti o n p a r a me t e r i n g e o t ech n i c a l e n g i n e e r i n g ．I n t h i s p a p e r a u t h o r s s t u d - l e d t h e c o n c e p t o f K o a t r e s t and a n a l y z e d t h e t est i n g me t h o d and t est e ,vl p m ． t o f K o i n o r d e r t o p r o m o t e s t u d y o f K o 静止侧压力系数是岩土工程中一个非常重要的参数， 实际应用范围愈来愈广。如确定水平场地中的应 力状态 、 计算静止侧压力 、 土坝施工期的孔隙水压力 、 桩侧 向摩擦力等需要准确 的静止侧压力系数； 地下洞室 边墙、 隧道衬砌和土中填埋管道等地下结构物设计也需要准确的静止侧压力系数 ； 在土工室 内试验 中， 为了 更好地反映土体的应力历史和土体的应力状态， 常需对土样进行不等向固结试验， 同样需要准确的静止侧压 力系数； 土的泊松比是土的一个重要而难于直接测定的参数。 但可以通过它与静止侧压力系数的关系而加以 确定。 随着土工试验与土力学计算技术的发展， 必将越来越需要准确地测定土的静止侧压力系数。本文分析 和讨论测算静止侧压力定义、 试验方法以及相关试验设备， 以便引起广大学者关注静止侧压力系数确定方法 及其选取等方面的研究。 1 静止侧压力系数定义 土的静止侧压力系数为土体在无侧向变形条件下固结后的水平向主应力与竖向主应力之比， 即原始应 力状态下的水平向主应力与竖向主应力之比。 1 ． 1 采用总应力来定义 太沙基 T e r z a g h i 采用总应力来定义静止侧压力系数 l o K oO h ／ O 1 1 ． 2 采用有效应力来定义 毕肖甫 B is h o p 采用有效应力定义静止侧压力系数 K o K o a h ／ 6 2 [ 收稿 日 期] 2 0 0 4 0 9 2 0 [ 作者简介] 姜安龙 1 9 7 6 一 ， 男， 江西进贤人， 硕士， 主要从事岩土工程教学科研与生产工作。 维普资讯 南昌航空工业学院学报 自然科学版 2 O O 4 年 1 ． 3 采用有效应力增量形式来定义 任一土体都经受过一定的应力历史， 为了克服由于应力变化而引起的侧向变位， 静止侧压力系数又被定 义为有效应力增量的形式 K o ／ A a v 3 2 测算静止侧压力系数 l o 的试验及其设备 2 ． 1 固结仪法 侧压力仪 【 l J 【 2 J 【 3 在装有测量侧向压力传感器或应变片的 l 0 仪 图 1 中可分别测得土在无侧胀压缩时的轴向压力和侧 向压力， 然后根据 O h ～ O “v 关系， 利用式 1 则可求得 l 0 值。 图 1 a 是把单向固结仪 图 1 C 中的盛土环沿着环的直径劈开， 并用两块薄的钢片联接起来， 再在钢 片贴电阻应变丝片。图 1 b 是 K o m o r o n ik和 Z e i fl e n 1 9 6 5 年 改装而成的 采用壁厚仅 0 ． 3 m m的盛土环， 并在 环壁外贴三个电阻应变丝片， 在薄环的外面再套一个加固环， 仪器事先应率定 ； B r o o k e r 和 I r e l a n d 1 9 6 5 年 在 K o m o r o n i k 的基础上再配备了液体压力设备 ， 以便在盛土环的外壁施加液体压力， 当试样的侧压力促使电阻 应变丝发生应变时， 在环的外壁施加液体压力， 务使电阻应变读数恢复到起始值， 这时候的液体压力就等于 试样作用在环壁的侧压力。A b d e lh a m i d 和 K r i z e k 1 9 7 6 年 设计出由不锈钢圆筒、 顶盖、 底板和加压活塞组成 的可以测定 l 0 值的固结仪 圆筒内径 2 0 厘米， 高 5 0 厘米， 壁厚0 ． 6 厘米， 垂直压力是用活塞施加的， 活塞与 筒身之间用橡皮环密封， 试样中的孔隙水可以通过底板和活塞中的透水板排到仪器外， 在筒的侧壁、 离试样 底面 6 ． 5 厘米处， 装有两只压力盒和两只孔隙压力测头， 直接量测侧向压力； 图 1 D 是同济大学地下系改装 而成的刚性密封式 l 0 仪 。 A l 一水溶； 2 -护环； 3 一环刀； 4 一加压上盏； 5 一透水石； 6 - - 量表导杆； 7 - 一 量表架； 8 -试样 C 图 1 K 0 试验仪 器构造 示意图 D 2 ． 2 三轴仪法 2 ． 2 ． 1 侧向变形限制法【 ] 在三轴试验中， 施加轴向压力时， 同时增加侧向压力， 使试样不产生侧向变形， 根据测得的轴向压力、 侧 维普资讯 第 4 期 姜安龙张少钦曹慧兰郭云英高大钊 静止侧压力系数及其试验方法 5 9 向压力和孔隙水压力， 可求得土的l 0 值 o 3 l 0 口 l 4 对试验过程中试样侧向变形的监控有下述几种方法 a ． 在土样的中部放置一侧向应变仪 或传感器 图2 图4 o加载过程中， 不断观察侧向应变仪 或传 感器 读数， 并不断调整容室压力以保持侧向应变读数为常数。 b ． 对于饱和土样的排水试验， 则可通过量测土样的排水量来控制侧向变形 图5 。 c ． 通过测定三轴室的体积变化来控制侧向变形， 这种方法可在 l 0 三轴仪的中进行。 图2 L V D T夹钳式传感器控制侧向应变方法 图 3 K o B e l l 控制侧向应变方法 图4 悬臂式传感器控制侧向应变方法 2 ． 2 ． 2 P o u l o s 和 Da v i s 法 P o u l o s 和 D a v is 法是一种在普通三轴仪中， 不用控制侧向变形来测定土 l 0 值的特殊试验方法； 其过程如 下 a ． 在轴向上施加应力等于现场垂直有效应力 a ， v f ； b ． 分级施加围压， 各级围压增量要小 ， 每次增加围压时， 均保持轴向应力不变， 待各级固结稳定后， 测量 固结引起的体积变形； 当围压略大于轴向应力后， 终止试验。 c ． 绘制各级压力下土样的体积变形增量 u 与有效围压 a h 的关系曲线。曲线分为两段， 转折明显。 这两段曲线的拟合直线交于一点， 该点的应力等于现场的水平有效应力 a ， }If 。 d ． 根据式 2 可计算出土的 l 0 值， 即 l 0 a ， v f 5 维普资讯 6 0 南昌航空工业学院学报 自然科学版 2 0 0 4焦 图 5 量测土样排 水量控制侧 向变形方法 间接法 2 ． 3 扁铲侧胀试验 迈切帝 Ma r c h e t t i 【 5 ] 于 1 9 8 0年建议下式 K o K D ／ 1 ． 5 。 钾 一 0 ． 6 I D 1 ． 2 6 式中 K D为侧胀水平应力指数 ； I D为侧胀土性指数 ； 路尼 L u n n e 认为 K D 与 I o 的关系对新近粘土 7千万年 是不同的 ， 并 于 1 9 8 9年提出补允 新粘性土 I 0 ． 8 8 杰米尔考斯克 J a m i o l k o w s k i 1 9 9 5年提出 了砂土 K D与 I 0 的关系式 I o 0 ． 3 7 6 0 ． 0 9 5 K D 一 0 ． 0 0 4 8 q 。 ／ o ； o 9 R 2 ． 4 旁压试验 图6 扁铲侧胀仪 根据 自 钻式得到的旁压曲线可以得到土的原始水平应力 P 0 ， 据此， 就可用下式推求土的静止侧压力系 数 I o P o u ／ r h 1 O 式中 P o 为土的原始水平应力， K ； u为孑 L 隙水压力， K 阳； 一土重度 ， 水下要用浮重度 ， K N ／ m 3 ． h 测 试点 的深度 ， m 。 2 ． 5 原位应力铲试验[ ] I o T h e U w ／ z 一u w 1 1 式 中 d h 。 为应力铲测得水平衰减后稳定值 ； 天然应力状态下的竖向总应力 ； u w 为静止水压力。 2 ． 6 载荷试验[ 8 ] I o [ 一 E o E 9 E 一1 0 E E o E o ] ／ 4 E 1 2 E 1 e 1 ／ a 1 3 式中 E 。 为侧限压缩模量； E o 为土的变形模量， 对于浅层平板载荷试验 E o 1 0 1 一 p d ／ s， 对于深层平 板载荷试验 E o d ／ s ； 1 0 为刚性承压板的形态系数 ， 圆形承压板取 O ． 7 8 5 ， 方形承压板取 0 ． 8 8 6 ； 为 土的泊 松比； D为承压板直径或边长； P为P s 曲线线性段的压力； S 为与 P 对应的沉降； ∞为与试验深度和土类有 关的系数。 维普资讯 第 4期 姜安龙张少钦曹慧兰郭云英高大钊 静止侧压力系数及其试验方法 6 1 3 结论 图 7 旁压测试示意图 图 8 应力铲示意图 本文较详尽地分析和讨论测算静止侧压力系数的定义、 试验方法以及相关试验设备， 为工程技术人员和 研究人员准确测算 I 0 值和研制 或改装 测算 I 0 仪提供一些参考， 目的是引起广大学者和技术人员关注静 止侧压力系数确定法及其选取等方面的研究、 规范或统一测算 I 0 值的实验规程和仪器， 使得测算的 I 0 值便 于大家交流和探讨。以上是作者们对静止侧压力系数问题的理解， 不妥之处请批评指正。 [参 考 文 献 ] [ 1 ] K e m o r o n i k ， A 。 a n d Z e i t l e n ， J ， G ． ， A n A p p a r t u s f o r M e a s u r i n g L a t e r a l s o i l S w e l l i n g P r e s s u r e i n t h e L a b o r a t o r y ， P r o c 。 6 t h I C S M F E， V o l 。 1 ， 1 9 6 5。 [ 2 ]B r o o k e r ， E 。 Q．a n d I r e l a n d ， H． O。 ，E a r t h P r e s u i A t R e s t R e l a t e d t o S t r e s s H i s t o r y， C a n a d i a n G e o t e c h n i c a l J o u r n a l V O L ． 2 ， N o 。 1 ， 1 9 6 5． [ 3 ] A b d e l h a m i d ， S ． a n d K r i z e k ， R ． J 。 ， A t R e s t L a t e r a l E a r l P r e s s u r e o f C o n s o l i d a ti o n aa y ， P r o c 。 A S C E ， J G E D ， V o 1 ． 1 0 2 ， N o 。 G T 7 ， 1 9 7 6。 【 4 ]R 。 N． Y o n g ，F ． C ． T o w n s e n d 。L a b o r a t o r y s h e a r s n g 【 l 1 o f o a S T P 7 4 0 ． A S r M． 1 9 8 1 [ 5 ]M a r c h e t t i S ． I n s i t u t e s t s b y fi a t D i l a t o m e t e r ． J o u r n a l o f t h e G e o t e c t m i c a l E n g i n e e r i n g D i v i s i o n ，A S C E ， J u n e ，1 9 8 0 ； 1 0 6 G T 4 2 9 9 3 2 1 [ 6 ]南京水科院土工所。 土工试验技术手册[ z ] ． 人民交通出版社， 2 0 0 2 。 [ 7 ] 孟高头． 土体原位测试机理 、 方法及其工程应用[ J ] ． 地质出版社． 1 9 9 7 ． 8 ]姜安龙， 郭云英， 高大钊 ． 静止土压力系数研究 J 。 岩土工程技术， 2 0 0 3 6 。 3 5 43 5 9 维普资讯