昱創自動靜止側壓力系數K₀儀的研發

蘇州昱創流體科技有限公司，江蘇蘇州，215636

摘要

土的靜止側壓力系數K₀，是指單元土體在無側向應變(εx=εy=0)條件下，有效側向壓力σ₃（或稱小主應力）與有效豎向壓力σ₁（或稱大主應力）的比值。

K₀＝σ₃/σ₁    或   K₀＝⊿σ₃/⊿σ₁

    隨著地下空間的開發，地下工程迅猛發展，大量的高層建筑地下室、地下隧道、地鐵工程、大中小水電站勘察設計，以及邊坡等土壓力的計算都需要提供靜止側壓力系數K₀值。近幾年來由于計算技術不斷提高和應用，本儀器在不斷改進完善基礎上，雙聯應變控制靜止側壓力系數K₀自動測試儀更適合于各試驗單位使用，經有關單位的實踐表明還能在卸荷條件下提供建立超固結比與K₀值關系，同時在K₀條件下研究三軸強度參數，以及在等應變條件下壓縮系數和壓縮模量，自動化程度高、結構簡單，操作方便，可大大提高工效，因此廣受用戶歡迎。

關鍵詞：靜止側壓力系數K₀、傳感器與變送器、主應力、應力歷史

一、引言

    靜止側壓力系數K₀自動測試儀在九十年代已經研發成功，得到了同行專家的技術鑒定并且榮獲上海市科學技術進步三等獎，但由于在國內勘測試驗室的應用與實踐，我們又做了很大的改進。

首先采用步進電機的無級變速的自動控制，軸向加荷速率由人工排擋提升為無級變速。

    其次數據的采集采用單片機的自動控制并通過無線傳輸進入計算機進行處理。試驗過程可以單向加荷也可以卸載，還可以多級的加載與卸載，組成了不同超壓密條件下的K₀結果。

我們相信在進一步的試驗研究下，可以獲得在K₀條件的基床系數；應變控制條件下的壓縮性指標和在臨塑荷載條件下的強度參數。

二、儀器的主要組成部分與技術指標

（1）主要組成部分：

1．密封式的K₀容器：由液壓腔、上下透水板、傳壓活塞、密封環、容器底座、乳膠薄膜、兩通閥門等組成。

2.豎向加荷系統：由步進電機驅動的控制系統、加荷平臺、受力柱、反力橫梁等組成。

3.傳感器：拉壓力傳感器（荷重）和壓力傳感器（液壓）以及變送器等組成。

4.數顯檢測儀：由開關電源提供穩定的電壓和變送器輸出傳感器的各種信號經過放大、采集、顯示，并經無線傳輸發送至接收端輸入電腦。

5.軟件：本公司提供數據采集處理軟件可以對土樣在實驗過程中實時記錄，并繪制K₀實時曲線。（電腦自配）

（2）主要技術指標

1.土樣面積 30cm²（土樣直徑φ61.8mm）。

2.土樣高度 40mm，側壓力響應有效高度30mm。

3.小主應力 σ3 =0~800kPa。(精度小于0.3%)

4.大主應力 σ1 =0~1000kPa。(精度小于0.3%)

5.大主應力方向的應變 ε1最大為20％，即最大豎向變形8mm。

6.上下透水石的滲透系數不小于n×10-3 cm/s 。壓力腔乳膠隔膜應透明，防老化，厚度約為0.4~0.5mm。

7.加荷裝置最大出力8KN，最大位移80mm，最小加荷速度0.001mm/min（加荷速度根據用戶或實驗需求自己設置）。

三、試驗方法與注意事項

（1）剛性密封容器與乳膠膜的安裝

1．將透明薄壁具有良好延伸力的乳膠膜兩端從液壓腔由內向外翻起，使之形成液體密封腔。

2.通過液壓腔的兩通閥門用注射器裝滿無氣泡水數次注入腔體，并同時將腔體內空氣吸出（檢查乳膠膜內有無氣泡），關閉兩通閥。

3.在裝土之前先將乳膠膜的水通過兩通閥和注射器抽取部分的水，使乳膠膜產生內凹，這樣裝土時土與乳膠膜減少摩擦，以免擾動土樣。

（2）裝土

1.在土樣兩端貼上濾紙，將環刀刀口向上，對準K₀容器中心定位槽，用傳壓活塞將土樣推入K₀容器。

2.將K₀容器置于加荷平臺上面，對準力傳感器的中心。

3.連接檢測儀的液壓傳感器、拉壓力傳感器各電纜線。

4.打開電腦預熱10min進入顯示界面。

5.在試驗前先使土樣周圍乳膠膜和液體水貼緊，通過兩通閥和注射器將無氣泡水稍稍注入液壓腔使σ3在5kPa左右，同時將加荷系統提升適當的位置使荷重傳感器產生初應力為10kpa左右即可。

（3）試驗

1.根據土性不同在文本觸摸屏上設定加荷速度驅動加荷開關進入試驗。  

2.按兩端排水的試驗要求，加荷速度原則上應參照土工試驗規程的三軸試驗方法選擇。但也可根據有關單位的實踐經驗：對于砂性土或者粉性土加荷速度可按0.2~0.1mm/min選擇。對于粉質粘土按0.05mm/min左右選擇，對于粘土或者淤泥質粘土可按0.02mm/min左右選擇。（僅供參考）使用單位可根據土的性質做些比較試驗而定。

3.試驗過程中可在文本觸摸屏上看出σ3、σ1等物理量變化關系，也可在電腦上實時觀察相關物理量的變化曲線。

4.根據試驗要求按一定格式填入表格模板中，其中工程名稱、工程編號、土樣編號、取土深度、土的名稱以及試驗人員日期和K₀值打印出來。

5.等試驗結束，使電動機倒轉，卸載的速度可按1.5mm/min左右選擇，待土樣容器可以外移時，將注射器通過兩通閥輸入較大的無氣泡的液體壓力，使土樣直徑變小，這樣可容易取出土樣。

6.取出土樣后用清水洗刷液壓腔內壁的殘留顆粒。

四、試驗結果

（1）單向加載與卸載的試驗結果

所謂的單向加載是指，在豎向應力條件下σ3與σ1的加載關系，可以獲得加載條件下的K₀值。

所謂卸載是指，在向應力條件下逐步的卸載，卸載速率與加載時相同，可以獲得不同超固結比條件下的K₀值，顯然這個K₀值要大于加載條件下的K₀值，并且隨著超固結比的增大而增大。

 

 

（2）多級加載與卸載的試驗結果

 

（3）在等應變條件下的壓縮試驗

大家知道壓縮試驗的主要指標是壓縮模量，用于計算建筑物的沉降。目前的壓縮試驗指標是通過應力控制的單向固結試驗，逐級加荷得到的變形量來計算獲得。在等應變控制條件下的壓縮模量，它的豎向荷載是連續的，按照一定的加荷速率進行壓縮試驗，這種試驗跟建筑物的施工加荷似乎匹配。

我們根據土在等應變條件下獲得的變形量和豎向應力， 即可求出在不通過荷載階段的壓縮模量。我們認為這種試驗條件與應力控制的單向固結試驗更貼近實際，并且消除了土樣周圍的摩擦力存在。

（4）在臨塑荷載條件下土的強度指標

所謂的臨塑荷載是指，在基礎上部施加的豎向荷載條件下，不會產生地基土的塑性變形區，因此這種應力條件與K₀的應力狀態幾乎接近。根據K₀試驗的結果，提取不同的σ3與σ1繪制摩爾強度包線。由此得到在臨塑荷載條件下的強度參數。

（5）其他

可以對土的基床系數的試驗研究，地基土深基坑開挖回彈模量試驗研究等等。

五、上海淺層軟土K₀系數的實測與研究

（1）我們利用K₀系數自動測試儀對上海地區的寶鋼、金山石化、高橋電廠以及龍華地區等工程開展了一系列的試驗。（見表1）

表1.金山等三個地區的K₀平均值

土層	金山石化總廠	寶鋼	高橋電廠
表層褐黃色粉質粘土	0.47	0.44	0.51
第二層灰色粉質粘土	0.50	0.54	0.51
第二層砂質粉土	/	0.38	0.38
第三層淤泥質粘土	0.74	0.67	0.68
第四層淤泥粘土夾砂互層	0.52	0.54	/

 

（2）上海龍華地區采用不同的試驗方法獲得的K₀值。（見表2）

我們利用三種試驗方法即：

1.不排水條件下的K₀試驗：我們先將土樣兩端貼上塑料薄膜以防止土樣兩端的排水，并以1mm/min的速度進行K₀試驗。理論上講對于飽和的軟粘土K₀值應該接近于“1”。而實測結果略為偏低。

2.排水條件下的K₀試驗即為有效應力條件下的試驗，并以0.02mm/min的速度進行K₀試驗。

3.在循環荷載條件下的K₀試驗即為土樣按自重應力條件在K₀容器里的固結，然后進行加載卸載。其頻率為1次/秒。

4.由靜止側壓力系數K₀可以換算成土的側膨脹系數μ。

μ=

 

 

 

表2.上海龍華地區土層的K₀平均值

 

土層	埋深（m）	不排水條件		排水條件		循環荷載條件
		K0μ	μμ	K0	μ	K0d	μd
褐黃色粉質粘土	0.5~2.5	0.92	0.48	0.61	0.38	0.72	0.42
灰色淤泥粘土夾砂	2.5~8.0	0.92	0.48	0.55	0.36	0.77	0.44
灰色淤泥粘土	7~10.5	0.93	0.48	0.70	0.41	0.83	0.45
灰色淤泥質粘夾砂	10.5~14	0.97	0.49	0.61	0.38	0.76	0.43
灰色淤泥質粘土、粉質粘土互層	14~18	0.96	0.49	0.64	0.39	0.82	0.45

（3）根據上海地區的地基土樣的₀值和三軸有效強度參數ø(—)的統計分析，可以建立如下關系式：

粉質粘土或粘砂互層，ø(—)（平均值）=29.3°

則  ₀=1-sinø(—)

粉質粘土，ø(—)（平均值）=33.3°

則  ₀=0.93-sinø(—)

淤泥質粘土，ø(—)（平均值）=20.3°

則   ₀=1.02- sinø(—)

根據上述四個地區土樣的塑形指數I_p與  ₀值，可以建立如下近似關系式：

    ₀=0.16+0.027I_p（當I_p≥10%時）

根據超固結條件下的K₀試驗結果，我們在卸荷支曲線上得到下述的   ₀與超固結比R_oc的相關關系經驗表達式（見表3）。其中  ₀是用應力的全量來計算的。

表3

土名	0~Roc
褐黃色表土層	0=0.533（Roc）0.371
	0=0.588+0.665 log Roc
灰色淤泥質粘土夾砂	0=0.445（Roc）0.565
灰色淤泥質粘土	0=0.648+0.105 Roc
灰綠色硬土層	0=0.485（Roc）0.222
砂質粉土	0=0.335（Roc）0.517
	0=0.280+0.739 log Roc
細砂	0=0.330（Roc）0.565
粉砂	0=0.336（Roc）0.570
	0=0.260+0.883log Roc

 

六、國內外學者的K₀系數的試驗結果

為了便于參考和判斷，我們于下表4中列出國內外學者對部分土類K₀系數的測定值。

表4

試驗者	土類	K0
太沙基（1902年）	重塑粘土	0.70~0.75
貝尼（1941年）	天然粘土	0.50
柴勃脫列夫（1948年）	重塑粘土	0.50
	淤質粘土	0.49~0.51
畢肖浦（1957年）	天然砂質粘土	0.43
	淤質有機質粘土	0.57
	重塑粘土	0.70
西蒙斯（1958年）	天然粘土	0.48
孟得哥夫（1960年）	塑性粘土	0.40
馬斯洛夫（1961年）	緊密粘土	0.33~0.45
	沙質粘土	0.49~0.59
	塑性粘土	0.61~0.82
華東水利學院（1958年）	天然淤質土	0.50
（1964年）	重塑粘土	0.64
（1976年）	天然粘土	0.57
	天然壤土	0.48
南京水利研究所（1974年）	天然粘土	0.54

 

至于K₀與R_oc的關系，國內尚未見有關成果。國外基本的看法是：

粘土   ₀=λ+α（R_oc -1）     λ，α—常數

砂土   ₀=   _0n（R_oc）^m     _0n——正常固結下的K₀值

或者，一般的則為   ₀=  _0n（R_oc）^m
六、結束語

靜止側壓力系數K₀自動測試儀經過多次的優化設計與進一步完善，實現了整個試驗過程的智能化，目前主要應用于測定靜止側壓力系數K₀，但實際上這種結構適當的加適部件，就可以進行土的基床系數的測定、壓縮模量的測定。如果試樣的高度加長還能進行應力路徑試驗、回彈模量試驗的測試等特殊項目。由于它、性能穩定、結構緊湊具有一機多用的功能因此廣受用戶的歡迎。

 

 

參考文獻

1.土力學與環境土工學                      胡中雄  同濟出版社

2.土質學與土力學                          高大釗、袁聚云  人民交通出版社

3.土工試驗與原理                          楊熙章  同濟出版社

4.巖土體測試技術                          袁聚云等 中國水利水電出版社

5.日本《土的K₀固結不排水三軸試驗規程》    馮銘章譯

6.軟土靜止側壓力系數K₀值的試驗探討        李濤 上海隧道工程軌道交通設計研究院

7.薄膜對軟粘土側壓力系數K₀測試結果的影響  楊斌娟 上海隧道工程軌道交通設計研究院