昱創(chuàng)自動(dòng)靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀儀的研發(fā)

蘇州昱創(chuàng)流體科技有限公司，江蘇蘇州，215636

摘要

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

K₀＝σ₃/σ₁    或   K₀＝⊿σ₃/⊿σ₁

    隨著地下空間的開發(fā)，地下工程迅猛發(fā)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(shè)計(jì)，以及邊坡等土壓力的計(jì)算都需要提供靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀值。近幾年來由于計(jì)算技術(shù)不斷提高和應(yīng)用，本儀器在不斷改進(jìn)完善基礎(chǔ)上，雙聯(lián)應(yīng)變控制靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀自動(dòng)測試儀更適合于各試驗(yàn)單位使用，經(jīng)有關(guān)單位的實(shí)踐表明還能在卸荷條件下提供建立超固結(jié)比與K₀值關(guān)系，同時(shí)在K₀條件下研究三軸強(qiáng)度參數(shù)，以及在等應(yīng)變條件下壓縮系數(shù)和壓縮模量，自動(dòng)化程度高、結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可大大提高工效，因此廣受用戶歡迎。

關(guān)鍵詞：靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀、傳感器與變送器、主應(yīng)力、應(yīng)力歷史

一、引言

    靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀自動(dòng)測試儀在九十年代已經(jīng)研發(fā)成功，得到了同行專家的技術(shù)鑒定并且榮獲上海市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)，但由于在國內(nèi)勘測試驗(yàn)室的應(yīng)用與實(shí)踐，我們又做了很大的改進(jìn)。

首先采用步進(jìn)電機(jī)的無級變速的自動(dòng)控制，軸向加荷速率由人工排擋提升為無級變速。

    其次數(shù)據(jù)的采集采用單片機(jī)的自動(dòng)控制并通過無線傳輸進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。試驗(yàn)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(jié)果。

我們相信在進(jìn)一步的試驗(yàn)研究下，可以獲得在K₀條件的基床系數(shù)；應(yīng)變控制條件下的壓縮性指標(biāo)和在臨塑荷載條件下的強(qiáng)度參數(shù)。

二、儀器的主要組成部分與技術(shù)指標(biāo)

（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(huán)、容器底座、乳膠薄膜、兩通閥門等組成。

2.豎向加荷系統(tǒng)：由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)、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(shù)顯檢測儀：由開關(guān)電源提供穩(wěn)定的電壓和變送器輸出傳感器的各種信號經(jīng)過放大、采集、顯示，并經(jīng)無線傳輸發(fā)送至接收端輸入電腦。

5.軟件：本公司提供數(shù)據(jù)采集處理軟件可以對土樣在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄，并繪制K₀實(shí)時(shí)曲線。（電腦自配）

（2）主要技術(shù)指標(biāo)

1.土樣面積 30cm²（土樣直徑φ61.8mm）。

2.土樣高度 40mm，側(cè)壓力響應(yīng)有效高度30mm。

3.小主應(yīng)力 σ3 =0~800kPa。(精度小于0.3%)

4.大主應(yīng)力 σ1 =0~1000kPa。(精度小于0.3%)

5.大主應(yīng)力方向的應(yīng)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(shù)不小于n×10-3 cm/s 。壓力腔乳膠隔膜應(yīng)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(jù)用戶或?qū)嶒?yàn)需求自己設(shè)置）。

三、試驗(yàn)方法與注意事項(xiàng)

（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(nèi)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?dāng)?shù)次注入腔體，并同時(shí)將腔體內(nèi)空氣吸出（檢查乳膠膜內(nèi)有無氣泡），關(guān)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(chǎn)生內(nèi)凹，這樣裝土?xí)r土與乳膠膜減少摩擦，以免擾動(dòng)土樣。

（2）裝土

1.在土樣兩端貼上濾紙，將環(huán)刀刀口向上，對準(zhǔn)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(zhǔn)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(yù)熱10min進(jìn)入顯示界面。

5.在試驗(yàn)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(shí)將加荷系統(tǒng)提升適當(dāng)?shù)奈恢檬购芍貍鞲衅鳟a(chǎn)生初應(yīng)力為10kpa左右即可。

（3）試驗(yàn)

1.根據(jù)土性不同在文本觸摸屏上設(shè)定加荷速度驅(qū)動(dòng)加荷開關(guān)進(jìn)入試驗(yàn)。  

2.按兩端排水的試驗(yàn)要求，加荷速度原則上應(yīng)參照土工試驗(yàn)規(guī)程的三軸試驗(yàn)方法選擇。但也可根據(jù)有關(guān)單位的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：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(zhì)粘土按0.05mm/min左右選擇，對于粘土或者淤泥質(zhì)粘土可按0.02mm/min左右選擇。（僅供參考）使用單位可根據(jù)土的性質(zhì)做些比較試驗(yàn)而定。

3.試驗(yàn)過程中可在文本觸摸屏上看出σ3、σ1等物理量變化關(guān)系，也可在電腦上實(shí)時(shí)觀察相關(guān)物理量的變化曲線。

4.根據(jù)試驗(yàn)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(yàn)人員日期和K₀值打印出來。

5.等試驗(yàn)結(jié)束，使電動(dòng)機(jī)倒轉(zhuǎn)，卸載的速度可按1.5mm/min左右選擇，待土樣容器可以外移時(shí)，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(nèi)壁的殘留顆粒。

四、試驗(yàn)結(jié)果

（1）單向加載與卸載的試驗(yàn)結(jié)果

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

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

 

 

（2）多級加載與卸載的試驗(yàn)結(jié)果

 

（3）在等應(yīng)變條件下的壓縮試驗(yàn)

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

我們根據(jù)土在等應(yīng)變條件下獲得的變形量和豎向應(yīng)力， 即可求出在不通過荷載階段的壓縮模量。我們認(rèn)為這種試驗(yàn)條件與應(yīng)力控制的單向固結(jié)試驗(yàn)更貼近實(shí)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(qiáng)度指標(biāo)

所謂的臨塑荷載是指，在基礎(chǔ)上部施加的豎向荷載條件下，不會(huì)產(chǎn)生地基土的塑性變形區(qū)，因此這種應(yīng)力條件與K₀的應(yīng)力狀態(tài)幾乎接近。根據(jù)K₀試驗(yàn)的結(jié)果，提取不同的σ3與σ1繪制摩爾強(qiáng)度包線。由此得到在臨塑荷載條件下的強(qiáng)度參數(shù)。

（5）其他

可以對土的基床系數(shù)的試驗(yàn)研究，地基土深基坑開挖回彈模量試驗(yàn)研究等等。

五、上海淺層軟土K₀系數(shù)的實(shí)測與研究

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

表1.金山等三個(gè)地區(qū)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(zhì)粘土	0.47	0.44	0.51
第二層灰色粉質(zhì)粘土	0.50	0.54	0.51
第二層砂質(zhì)粉土	/	0.38	0.38
第三層淤泥質(zhì)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(qū)采用不同的試驗(yàn)方法獲得的K₀值。（見表2）

我們利用三種試驗(yàn)方法即：

1.不排水條件下的K₀試驗(yàn)：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(jìn)行K₀試驗(yàn)。理論上講對于飽和的軟粘土K₀值應(yīng)該接近于“1”。而實(shí)測結(jié)果略為偏低。

2.排水條件下的K₀試驗(yàn)即為有效應(yīng)力條件下的試驗(yàn)，并以0.02mm/min的速度進(jìn)行K₀試驗(yàn)。

3.在循環(huán)荷載條件下的K₀試驗(yàn)即為土樣按自重應(yīng)力條件在K₀容器里的固結(jié)，然后進(jìn)行加載卸載。其頻率為1次/秒。

4.由靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀可以換算成土的側(cè)膨脹系數(shù)μ。

μ=

 

 

 

表2.上海龍華地區(qū)土層的K₀平均值

 

土層	埋深（m）	不排水條件		排水條件		循環(huán)荷載條件
		K0μ	μμ	K0	μ	K0d	μd
褐黃色粉質(zhì)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(zhì)粘夾砂	10.5~14	0.97	0.49	0.61	0.38	0.76	0.43
灰色淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土互層	14~18	0.96	0.49	0.64	0.39	0.82	0.45

（3）根據(jù)上海地區(qū)的地基土樣的₀值和三軸有效強(qiáng)度參數(shù)ø(—)的統(tǒng)計(jì)分析，可以建立如下關(guān)系式：

粉質(zhì)粘土或粘砂互層，ø(—)（平均值）=29.3°

則  ₀=1-sinø(—)

粉質(zhì)粘土，ø(—)（平均值）=33.3°

則  ₀=0.93-sinø(—)

淤泥質(zhì)粘土，ø(—)（平均值）=20.3°

則   ₀=1.02- sinø(—)

根據(jù)上述四個(gè)地區(qū)土樣的塑形指數(shù)I_p與  ₀值，可以建立如下近似關(guān)系式：

    ₀=0.16+0.027I_p（當(dāng)I_p≥10%時(shí)）

根據(jù)超固結(jié)條件下的K₀試驗(yàn)結(jié)果，我們在卸荷支曲線上得到下述的   ₀與超固結(jié)比R_oc的相關(guān)關(guān)系經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式（見表3）。其中  ₀是用應(yīng)力的全量來計(jì)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(zhì)粘土夾砂	0=0.445（Roc）0.565
灰色淤泥質(zhì)粘土	0=0.648+0.105 Roc
灰綠色硬土層	0=0.485（Roc）0.222
砂質(zhì)粉土	0=0.335（Roc）0.517
	0=0.280+0.739 log Roc
細(xì)砂	0=0.330（Roc）0.565
粉砂	0=0.336（Roc）0.570
	0=0.260+0.883log Roc

 

六、國內(nèi)外學(xué)者的K₀系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果

為了便于參考和判斷，我們于下表4中列出國內(nèi)外學(xué)者對部分土類K₀系數(shù)的測定值。

表4

試驗(yàn)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(zhì)粘土	0.49~0.51
畢肖浦（1957年）	天然砂質(zhì)粘土	0.43
	淤質(zhì)有機(jī)質(zhì)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(zhì)粘土	0.49~0.59
	塑性粘土	0.61~0.82
華東水利學(xué)院（1958年）	天然淤質(zhì)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(guān)系，國內(nèi)尚未見有關(guān)成果。國外基本的看法是：

粘土   ₀=λ+α（R_oc -1）     λ，α—常數(shù)

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

或者，一般的則為   ₀=  _0n（R_oc）^m
六、結(jié)束語

靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀自動(dòng)測試儀經(jīng)過多次的優(yōu)化設(shè)計(jì)與進(jìn)一步完善，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)試驗(yàn)過程的智能化，目前主要應(yīng)用于測定靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀，但實(shí)際上這種結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)募舆m部件，就可以進(jìn)行土的基床系數(shù)的測定、壓縮模量的測定。如果試樣的高度加長還能進(jìn)行應(yīng)力路徑試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)的測試等特殊項(xiàng)目。由于它、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊具有一機(jī)多用的功能因此廣受用戶的歡迎。

 

 

參考文獻(xiàn)

1.土力學(xué)與環(huán)境土工學(xué)                      胡中雄  同濟(jì)出版社

2.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)                          高大釗、袁聚云  人民交通出版社

3.土工試驗(yàn)與原理                          楊熙章  同濟(jì)出版社

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

5.日本《土的K₀固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)規(guī)程》    馮銘章譯

6.軟土靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀值的試驗(yàn)探討        李濤 上海隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院

7.薄膜對軟粘土側(cè)壓力系數(shù)K₀測試結(jié)果的影響  楊斌娟 上海隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院