自动静止侧压力系数K0仪的研发报告

昱创自动静止侧压力系数K₀仪的研发

苏州昱创流体科技有限公司，江苏苏州，215636

摘要

土的静止侧压力系数K₀，是指单元土体在无侧向应变(εx=εy=0)条件下，有效侧向压力σ₃（或称小主应力）与有效竖向压力σ₁（或称大主应力）的比值。

K₀＝σ₃/σ₁    或   K₀＝⊿σ₃/⊿σ₁

    随着地下空间的开发，地下工程迅猛发展，大量的高层建筑地下室、地下隧道、地铁工程、大中小水电站勘察设计，以及边坡等土压力的计算都需要提供静止侧压力系数K₀值。近几年来由于计算技术不断提高和应用，本仪器在不断改进完善基础上，双联应变控制静止侧压力系数K₀自动测试仪更适合于各试验单位使用，经有关单位的实践表明还能在卸荷条件下提供建立超固结比与K₀值关系，同时在K₀条件下研究三轴强度参数，以及在等应变条件下压缩系数和压缩模量，自动化程度高、结构简单，操作方便，可大大提高工效，因此广受用户欢迎。

关键词：静止侧压力系数K₀、传感器与变送器、主应力、应力历史

一、引言

    静止侧压力系数K₀自动测试仪在九十年代已经研发成功，得到了同行专家的技术鉴定并且荣获上海市科学技术进步三等奖，但由于在国内勘测试验室的应用与实践，我们又做了很大的改进。

首先采用步进电机的无级变速的自动控制，轴向加荷速率由人工排挡提升为无级变速。

    其次数据的采集采用单片机的自动控制并通过无线传输进入计算机进行处理。试验过程可以单向加荷也可以卸载，还可以多级的加载与卸载，组成了不同超压密条件下的K₀结果。

我们相信在进一步的试验研究下，可以获得在K₀条件的基床系数；应变控制条件下的压缩性指标和在临塑荷载条件下的强度参数。

二、仪器的主要组成部分与技术指标

（1）主要组成部分：

1．密封式的K₀容器：由液压腔、上下透水板、传压活塞、密封环、容器底座、乳胶薄膜、两通阀门等组成。

2.竖向加荷系统：由步进电机驱动的控制系统、加荷平台、受力柱、反力横梁等组成。

3.传感器：拉压力传感器（荷重）和压力传感器（液压）以及变送器等组成。

4.数显检测仪：由开关电源提供稳定的电压和变送器输出传感器的各种信号经过放大、采集、显示，并经无线传输发送至接收端输入电脑。

5.软件：本公司提供数据采集处理软件可以对土样在实验过程中实时记录，并绘制K₀实时曲线。（电脑自配）

（2）主要技术指标

1.土样面积 30cm²（土样直径φ61.8mm）。

2.土样高度 40mm，侧压力响应有效高度30mm。

3.小主应力 σ3 =0~800kPa。(精度小于0.3%)

4.大主应力 σ1 =0~1000kPa。(精度小于0.3%)

5.大主应力方向的应变 ε1最大为20％，即最大竖向变形8mm。

6.上下透水石的渗透系数不小于n×10-3 cm/s 。压力腔乳胶隔膜应透明，防老化，厚度约为0.4~0.5mm。

7.加荷装置最大出力8KN，最大位移80mm，最小加荷速度0.001mm/min（加荷速度根据用户或实验需求自己设置）。

三、试验方法与注意事项

（1）刚性密封容器与乳胶膜的安装

1．将透明薄壁具有良好延伸力的乳胶膜两端从液压腔由内向外翻起，使之形成液体密封腔。

2.通过液压腔的两通阀门用注射器装满无气泡水数次注入腔体，并同时将腔体内空气吸出（检查乳胶膜内有无气泡），关闭两通阀。

3.在装土之前先将乳胶膜的水通过两通阀和注射器抽取部分的水，使乳胶膜产生内凹，这样装土时土与乳胶膜减少摩擦，以免扰动土样。

（2）装土

1.在土样两端贴上滤纸，将环刀刀口向上，对准K₀容器中心定位槽，用传压活塞将土样推入K₀容器。

2.将K₀容器置于加荷平台上面，对准力传感器的中心。

3.连接检测仪的液压传感器、拉压力传感器各电缆线。

4.打开电脑预热10min进入显示界面。

5.在试验前先使土样周围乳胶膜和液体水贴紧，通过两通阀和注射器将无气泡水稍稍注入液压腔使σ3在5kPa左右，同时将加荷系统提升适当的位置使荷重传感器产生初应力为10kpa左右即可。

（3）试验

1.根据土性不同在文本触摸屏上设定加荷速度驱动加荷开关进入试验。  

2.按两端排水的试验要求，加荷速度原则上应参照土工试验规程的三轴试验方法选择。但也可根据有关单位的实践经验：对于砂性土或者粉性土加荷速度可按0.2~0.1mm/min选择。对于粉质粘土按0.05mm/min左右选择，对于粘土或者淤泥质粘土可按0.02mm/min左右选择。（仅供参考）使用单位可根据土的性质做些比较试验而定。

3.试验过程中可在文本触摸屏上看出σ3、σ1等物理量变化关系，也可在电脑上实时观察相关物理量的变化曲线。

4.根据试验要求按一定格式填入表格模板中，其中工程名称、工程编号、土样编号、取土深度、土的名称以及试验人员日期和K₀值打印出来。

5.等试验结束，使电动机倒转，卸载的速度可按1.5mm/min左右选择，待土样容器可以外移时，将注射器通过两通阀输入较大的无气泡的液体压力，使土样直径变小，这样可容易取出土样。

6.取出土样后用清水洗刷液压腔内壁的残留颗粒。

四、试验结果

（1）单向加载与卸载的试验结果

所谓的单向加载是指，在竖向应力条件下σ3与σ1的加载关系，可以获得加载条件下的K₀值。

所谓卸载是指，在向应力条件下逐步的卸载，卸载速率与加载时相同，可以获得不同超固结比条件下的K₀值，显然这个K₀值要大于加载条件下的K₀值，并且随着超固结比的增大而增大。

 

 

（2）多级加载与卸载的试验结果

 

（3）在等应变条件下的压缩试验

大家知道压缩试验的主要指标是压缩模量，用于计算建筑物的沉降。目前的压缩试验指标是通过应力控制的单向固结试验，逐级加荷得到的变形量来计算获得。在等应变控制条件下的压缩模量，它的竖向荷载是连续的，按照一定的加荷速率进行压缩试验，这种试验跟建筑物的施工加荷似乎匹配。

我们根据土在等应变条件下获得的变形量和竖向应力， 即可求出在不通过荷载阶段的压缩模量。我们认为这种试验条件与应力控制的单向固结试验更贴近实际，并且消除了土样周围的摩擦力存在。

（4）在临塑荷载条件下土的强度指标

所谓的临塑荷载是指，在基础上部施加的竖向荷载条件下，不会产生地基土的塑性变形区，因此这种应力条件与K₀的应力状态几乎接近。根据K₀试验的结果，提取不同的σ3与σ1绘制摩尔强度包线。由此得到在临塑荷载条件下的强度参数。

（5）其他

可以对土的基床系数的试验研究，地基土深基坑开挖回弹模量试验研究等等。

五、上海浅层软土K₀系数的实测与研究

（1）我们利用K₀系数自动测试仪对上海地区的宝钢、金山石化、高桥电厂以及龙华地区等工程开展了一系列的试验。（见表1）

表1.金山等三个地区的K₀平均值

土层	金山石化总厂	宝钢	高桥电厂
表层褐黄色粉质粘土	0.47	0.44	0.51
第二层灰色粉质粘土	0.50	0.54	0.51
第二层砂质粉土	/	0.38	0.38
第三层淤泥质粘土	0.74	0.67	0.68
第四层淤泥粘土夹砂互层	0.52	0.54	/

 

（2）上海龙华地区采用不同的试验方法获得的K₀值。（见表2）

我们利用三种试验方法即：

1.不排水条件下的K₀试验：我们先将土样两端贴上塑料薄膜以防止土样两端的排水，并以1mm/min的速度进行K₀试验。理论上讲对于饱和的软粘土K₀值应该接近于“1”。而实测结果略为偏低。

2.排水条件下的K₀试验即为有效应力条件下的试验，并以0.02mm/min的速度进行K₀试验。

3.在循环荷载条件下的K₀试验即为土样按自重应力条件在K₀容器里的固结，然后进行加载卸载。其频率为1次/秒。

4.由静止侧压力系数K₀可以换算成土的侧膨胀系数μ。

μ=

 

 

 

表2.上海龙华地区土层的K₀平均值

 

土层	埋深（m）	不排水条件		排水条件		循环荷载条件
		K0μ	μμ	K0	μ	K0d	μd
褐黄色粉质粘土	0.5~2.5	0.92	0.48	0.61	0.38	0.72	0.42
灰色淤泥粘土夹砂	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
灰色淤泥质粘夹砂	10.5~14	0.97	0.49	0.61	0.38	0.76	0.43
灰色淤泥质粘土、粉质粘土互层	14~18	0.96	0.49	0.64	0.39	0.82	0.45

（3）根据上海地区的地基土样的₀值和三轴有效强度参数ø(—)的统计分析，可以建立如下关系式：

粉质粘土或粘砂互层，ø(—)（平均值）=29.3°

则  ₀=1-sinø(—)

粉质粘土，ø(—)（平均值）=33.3°

则  ₀=0.93-sinø(—)

淤泥质粘土，ø(—)（平均值）=20.3°

则   ₀=1.02- sinø(—)

根据上述四个地区土样的塑形指数I_p与  ₀值，可以建立如下近似关系式：

    ₀=0.16+0.027I_p（当I_p≥10%时）

根据超固结条件下的K₀试验结果，我们在卸荷支曲线上得到下述的   ₀与超固结比R_oc的相关关系经验表达式（见表3）。其中  ₀是用应力的全量来计算的。

表3

土名	0~Roc
褐黄色表土层	0=0.533（Roc）0.371
	0=0.588+0.665 log Roc
灰色淤泥质粘土夹砂	0=0.445（Roc）0.565
灰色淤泥质粘土	0=0.648+0.105 Roc
灰绿色硬土层	0=0.485（Roc）0.222
砂质粉土	0=0.335（Roc）0.517
	0=0.280+0.739 log Roc
细砂	0=0.330（Roc）0.565
粉砂	0=0.336（Roc）0.570
	0=0.260+0.883log Roc

 

六、国内外学者的K₀系数的试验结果

为了便于参考和判断，我们于下表4中列出国内外学者对部分土类K₀系数的测定值。

表4

试验者	土类	K0
太沙基（1902年）	重塑粘土	0.70~0.75
贝尼（1941年）	天然粘土	0.50
柴勃脱列夫（1948年）	重塑粘土	0.50
	淤质粘土	0.49~0.51
毕肖浦（1957年）	天然砂质粘土	0.43
	淤质有机质粘土	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
马斯洛夫（1961年）	紧密粘土	0.33~0.45
	沙质粘土	0.49~0.59
	塑性粘土	0.61~0.82
华东水利学院（1958年）	天然淤质土	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与R_oc的关系，国内尚未见有关成果。国外基本的看法是：

粘土   ₀=λ+α（R_oc -1）     λ，α—常数

砂土   ₀=   _0n（R_oc）^m     _0n——正常固结下的K₀值

或者，一般的则为   ₀=  _0n（R_oc）^m
六、结束语

静止侧压力系数K₀自动测试仪经过多次的优化设计与进一步完善，实现了整个试验过程的智能化，目前主要应用于测定静止侧压力系数K₀，但实际上这种结构适当的加适部件，就可以进行土的基床系数的测定、压缩模量的测定。如果试样的高度加长还能进行应力路径试验、回弹模量试验的测试等特殊项目。由于它、性能稳定、结构紧凑具有一机多用的功能因此广受用户的欢迎。

 

 

参考文献

1.土力学与环境土工学                      胡中雄  同济出版社

2.土质学与土力学                          高大钊、袁聚云  人民交通出版社

3.土工试验与原理                          杨熙章  同济出版社

4.岩土体测试技术                          袁聚云等 中国水利水电出版社

5.日本《土的K₀固结不排水三轴试验规程》    冯铭章译

6.软土静止侧压力系数K₀值的试验探讨        李涛 上海隧道工程轨道交通设计研究院

7.薄膜对软粘土侧压力系数K₀测试结果的影响  杨斌娟 上海隧道工程轨道交通设计研究院