扁铲侧胀试验确定软土静止侧压力系数.doc

扁铲侧胀试验确定软土静止侧压力系数朱帆济 於李军 (武汉市政工程设计研究院有限责任公司 湖北 武汉430015) 摘 要：常用的静止侧压力系数的测试方法有土工试验和原位测试方法。本文针对南京的软土层，展开侧压仪试验和扁铲侧胀试验，对比分析试验结果，提出利用扁铲数据计算静止侧压力系数的公式。关键词：软土；静止侧压力系数；侧压仪；扁铲侧胀试验中图分类号：TU413 文献标识码：A Soft Soils Coefficient of Earth Pressure at rest Calculation Using the Flat Dilatometer TestZhu Fan-ji Liu Ya-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 compare 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 test41 概述 静止侧压力系数（K0）是一个重要的岩土参数，实际应用范围广泛。如顶埋管道、地下洞室边墙和隧道衬砌等地下结构物设计都需要准确的静止侧压力系数。静止侧压力系数一般通过室内土工试验求得，水利部土工试验规程介绍了静止侧压力系数的试验方法【1】。原位测试也可用于确定静止侧压力系数，岩土工程勘察规范指出【2】，结合扁铲侧胀试验指标和地区经验，可以确定静止侧压力系数。由于扁铲侧胀试验经验的相对不足，因此，须将室内土工试验和扁铲侧胀试验接合使用，以便准确获得静止侧压力系数。2土工试验确定静止侧压力系数室内土工试验测定K0系数的方法和仪器主要有侧压力仪法和三轴仪法。侧压仪法是国内应用较早的一种静止侧压力系数的试验方法。随测试方法不同,侧压力系数试验分三种情况,即不考虑孔隙水压力、考虑孔隙水压力和动荷载下的试验,随工程设计需要选用。比较常用的是在排水条件下的静止侧压力系数K0：土体在无侧向变形的条件下,侧向有效应力与轴向有效应力之比, 即。2.1 侧压仪的试验方法侧压仪测试的基本原理十分直观,即要求试样在侧向不变形的条件下,增加轴向应力，量测轴向应力和侧向应力（）的增量。 侧压力仪是在固结仪基础上改装的，试验时将6.18cm4cm环刀制备的饱和试样推入容器的环形膜中,再将K0容器置于固结仪加压框架下, 按固结试验的方法逐级施加轴向力,量测侧向力。各级荷载下土的侧向有效应力由仪器壁上压力传感器测得。试样的装配情况参见图1。图1 侧压力仪结构示意图Fig1 General layout of the lateral pressure apparatus2.2 试验的注意事项试样顶、底二端处于排水状态,并保持土样在试验过程中无侧向变形。由于受压室中的膜是固定在容器中的,膜土之间不可避免地存在着间隙,因此，试验的关键,是将膜与试样紧贴、受压室中无气。试验时选用薄的乳胶膜。因橡胶膜过厚、且硬,在受压时产生的压缩变形明显,侧压力损失很大，致使所测K0值偏小。按理论要求应取土样固结完成后的值。本试验中，土样受压后其侧向应力随着土样的固结度增高而逐渐减少,最后趋于稳定。对于粘性土，由于其渗透性差，后期固结速率甚慢,而后期的减少量又不明显。因此，当土样固结度达到90%时读数取值。2.3 数据的整理及校验试验开始时,由于试样与膜不能贴紧,试样受力后会产生一定的侧向变形,所测得静止侧压力系数偏低。随着轴向应力的增大，试样与膜逐渐贴紧,试验曲线开始呈线性。因此取直线段上的增量计算K0值，如图2所示。图2 K0曲线试验Fig2 the curve of the K0 test 目前, K0数据大多用经验公式作为校验【3】，其中, 为软土的有效内摩擦角。对于软土, 塑性指数IP与力学性质密切相关, 阿班(Alpan)于1967年提出正常固结粘性土的K0与土的塑性指数IP 的关系【4】为：。这也是检验K0的方法之一。3原位测试确定静止侧压力系数土工试验规程给出了K0值的确定方法。但测压仪的操作相对繁琐，试验周期很长。因此，如何通过原位测试技术获取静止侧压力系数是岩土工程界的难题之一。扁铲侧胀试验(The Flat Dilatometer Test，简称DMT)是由意大利人Silvano Marchetti发明的一种原位测试方法【5】，扁铲侧胀试验是利用静力或锤击动力将一扁平铲形探头贯入土中，达到预定深度后，利用气压使扁铲探头侧面的弹性圆形膜片向外膨胀，从而获得土体受力与变形关系的一种试验。扁铲侧胀试验使得土体水平向受力，并可测得其对应于不同水平位移时反力大小的原位测试手段，因此在求解如K0这样和土体水平方向应力有关的参数时有着独特的优势。3.1 扁铲侧胀仪器的组成、工作原理扁铲侧胀试验仪器的基本组成包括：扁铲探头、钻杆、气电管路、测控箱、输气线和气源六部分，图示见文献【6】。工作原理见文献【6】。3.2 数据的整理水平应力指数KD是扁铲试验的一个非常重要的指标，它可以被认为是一个由贯入所导致放大的静止侧压力系数。Marchetti最初于1980年通过对软土地区的扁铲侧胀试验与其它试验的对比研究，建立了水平应力指数KD与K0之间的关系式【5】： （ID1.2） (3)Lunne(1988年)根据试验结果提出【7】：KD与K0的关系对新近粘土(7千万年)是不同的, 并于1989年提出补充:对新粘性土 （/0.5） (4)4工程实例南京河西新城区建设开发指挥部拟在滨江大道东侧向阳河与红旗河之间铺设两根平行雨水管道。管道里程K0+000K1+820，两管中心距为7.0m，管径2000mm。管道铺设拟采用顶管法施工，沿线共布置工作井（接受井）5个，拟采用沉井施工。顶管管道预计位于-1层淤泥质粉质粘土中，灰色，流塑，含腐植物，局部夹薄层粉土，属高压缩性土。为准确提供该层的静止侧压力系数，在勘察阶段采用了扁铲侧胀试验，并在试验孔附近作钻孔取样，用侧压仪的结果对比扁铲侧胀试验的数据，为工程设计提供参考。室内完成该层土样的侧压试验12组。试验结果见表1。土工试验指标验算结果见表1。现场共完成扁铲侧胀试验孔三个，K0曲线见图3图5。据侧压仪的试验结果，淤泥质粉质粘土层K0值的变化范围从0.540.57，平均值为0.56。据土的有效内摩擦角的验算结果，淤泥质粉质粘土层K0值的变化范围从0.480.53，平均值为0.50。据土的塑性指数的验算结果，淤泥质粉质粘土层K0值的变化范围从0.450.47，平均值为0.46。扁铲侧胀试验按式3和式4计算的K0平均值见表2。从图3图5看出：（1）式3和式4计算的K0值随深度的变化趋势一致，从统计结果看，Marchetti 推荐公式计算的结果与式4的计算结果基本一致。表1 K0值及验算结果Table 1 the result of lab test to calculate K0编号取样深度（m）K0（侧压仪试验结果）校验方法1校验方法2（）K0IPK0G5-14.000.5729.70.5014.40.46G5-26.000.5630.90.4915.20.47G5-38.000.5429.70.5014.60.46G5-410.000.5531.20.4813.20.45G7-14.000.5629.10.5115.20.47G7-26.000.5528.30.5313.70.45G7-38.000.5631.20.4814.90.46G7-410.000.5629.80.5013.30.45G9-14.000.5530.10.5014.50.46G9-26.000.5729.40.5115.90.47G9-38.000.5528.10.5315.20.47G9-410.000.5730.60.4913.90.46软粘土层K0平均值0.560.500.46表2 扁铲侧胀试验K0结果Table 2 the K0 result of the DMT test 孔 号Marchetti推荐公式Lunne推荐公式G50.400.43G70.490.47G90.460.47软粘土层K0平均值0.450.46（2）K0值有随深度增加逐渐变小的趋势，但变化幅度不一样。对G5孔，式3计算的K0值变幅为0.300.56，式4的变幅为0.370.5。对G7孔，式3计算的K0值变幅为0.390.65，式4计算K0的值从0.410.55。对G9孔，式3计算的K0值变幅为0.370.55，式4计算K0的值从0.440.50。从图中看出，式4计算结果随深度的变化幅度小些，曲线变化平缓。图3 G5孔扁铲侧胀试验K0曲线 图4 G7孔扁铲侧胀试验K0曲线Fig3 the K0curve of the DMT test Fig4 the K0curve of the DMT test 图5 G9孔扁铲侧胀试验K0曲线 图6 修正方法计算结果散点图Fig5 the K0 curve of the DMT test Fig6 the scatter point graph of correction method式4计算结果比侧压仪的平均值普遍偏小0.1左右。鉴于此，笔者提出了计算软土的K0值的修正方法。见式5。图6为修正方法计算结果的散点图。 （5）从图6看出：修正公式的计算结果落在0.490.67的窄状条带内，平均值为0.56，与侧压仪的实验结果基本吻合。因此，笔者推荐采用式5计算软土的静止侧压力系数。 5结论扁铲侧胀试验操作简单、经济、可重复性好,可以更好地反映出土性随深度的变化情况。扁铲侧胀试验在原位土体中进行试验，其结果更能反映土体的实际应力状态，而且避免了侧压仪试验时，因为软土的固结时间很长带来的不利影响。因此扁铲侧胀试验在求取软土层静止侧压力系数方面有着独特的优势。然而，扁铲侧胀试验也存在着许多不足，大多数成果是建立在和其它相关试验统计经验的基础上，导致其成果的应用不具有相当的普遍性，各地区需要根据各自的经验加以调整以满足工程实际需求。参考文献1 SL237-1999.土工试验规程S. 中华人民共和国行业标准.2 GB500212001,岩土工程勘察规范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南光地质仪器厂.DMT-W1型扁铲侧胀仪用户使用手册.7Lunne, T., J.J.M. Powell, E.A. Ha