土体静止侧压力系数定义及其确定方法综述

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'土体静止侧压力系数定义及其确定方法综述'
第3 1卷第7期 2 0 1 3年7月 水 电 能 源 科 学 W a t e r R e s o u r c e s a n d P o w e r V o l . 3 1N o . 7 J u l . 2 0 1 3 文章编号:1 0 0 0-7 7 0 9( 2 0 1 3)0 7-0 1 1 1-0 4 土体静止侧压力系数定义及其确定方法综述 王俊杰1 ,2, 郝建云1,2 (1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心,重庆4 0 0 0 7 4; 2.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室,重庆4 0 0 0 7 4) 摘要:在比较总应力法、 有效应力法、 有效应力增量法的静止土侧压力(K0) 系数定义差异基础上, 简述了影 响K0系数的主要影响因素( 如物理力学性质、 应力历史、 土体结构、 土样受扰动程度、 孔隙水压力、 土体固结程 度) 的研究现状, 综述了室内试验、 原位测试试验、 经验公式、 本构模型、 数值仿真试验确定K0系数的方法的研 究进展, 可为未来K0系数的深入研究提供借鉴。 关键词:静止侧压力系数;定义;影响因素;确定方法;综述 中图分类号:TU 4 3 2 文献标志码:A 收稿日期:2 0 1 3-0 3-2 2, 修回日期:2 0 1 3 -0 4-2 9 基金项目:“ 十二五” 国家科技支撑计 划 课 题 基 金 资 助 项 目 (2 0 1 2 B A B 0 5 B 0 4) ; 重庆市科技攻关基金资助项目 (C S T S 2 0 1 1 G GA 3 0 0 0 1) 作者简介:王俊杰(1 9 7 3-) , 男, 教授、 博导, 研究方向为岩土工程、 水利工程等, E-m a i l:w a n g j u n j i e h h u @1 6 3. c o m 土体静止侧压力(K0) 系数是土体中的一个 重要弹性参数, 可反映土体中水平向应力的变化, 也可直接计算作用于挡土结构物上的土压力分布 及工程的安全性, 如计算作用于挡土墙上的静止 土压力、 土石坝施工期间的孔隙水压力、 桩侧向摩 擦力、 确定场地中初始的水平应力状态等, 以及计 算分析隧道衬砌、 地下洞室边墙、 土中填埋管道等 地下结构物等。但在具体工程应用中, 由于土体 受到一系列复杂因素( 如土体类型、 应力历史等) 的影响, 目前尚无法根据经验公式准确计算K0 系数, 试验法因受试验仪器、 试验条件等因素的影 响也很难求得精确可靠的土体静止侧压力系数。 鉴此, 本文分析了影响土体K0系数的主要因素, 总结了K0系数的确定方法, 探讨了K0系数与土 体物理性质指标的关系。 1 K0系数定义 K0系数定义为土体在无侧向变形条件下固 结后的水平向应力与竖向应力之比, 即原始应力 状态下的水平向应力与竖向应力之比[ 1]。土体总 应力包括孔隙水应力等, 当有孔隙水压力时K0 系数用有效应力表示; 考虑到土体应力历史, 为克 服由应力变化引起的侧向变位, 此时采用有效应 力增量表示。K0系数表示方法主要有总应力法、 有效应力法及有效应力增量法[ 2]。总应力法定义 的K0系数[ 3]为: K0=σh/σv ( 1) 式中, σh为水平向总应力;σv为竖向总应力。 有效应力法定义的K0系数[ 3]为: K0= σ ′ h/ σ ′ v ( 2) 式中, σ ′ h为水平向有效应力; σ ′ v为竖向有效应力。 有效应力增量法定义的K0 [1]为: K0= Δ σ ′ h/Δ σ ′ v ( 3) 式中, Δσ′h为水平向有效应力增量;Δσ′v为竖向有效 应力增量。 2 K0系数的影响因素 ( 1) 土体物理力学性质。土体有效内摩擦角 φ ′可反映土体内部的实际摩阻力情况。土体在 有侧限压缩条件下达到稳定时, φ ′值越大, 竖向 有效应力就越大,K0系数就越小, 反之则越大。 文献[ 4] 给出的考虑土体物理力学性质的K0系 数的经验公式为: K0=1-s i n φ ′ ( 4) 实际上K0系数并非φ′的单一函数, 除φ′ 外, 土体的泊松比、 塑性指数、 弹性模量、 土壤颗粒 大小、 压缩指数等对其也有一定程度的影响[ 1]。 ( 2) 应力历史。假定土体为弹性体, 对正常的 固结土体,K0系数与土体的泊松比μ之间存在一 一对应的关系[ 5]。对超固结土体, 若超固结比越 大, 土体的压缩系数越小,K0系数越小[ 3]。 ( 3) 土体结构。粘性土的结构强度使土体具 有一些特殊性质, 也使K0系数有一定差异。当 土体为各向同性时, 考虑土体结构的K0系数经 验公式[ 5]为: K0=μ/ (1-μ) ( 5) 当土体为轴对称的正交各向异性, 考虑土体 结构的K0系数经验公式[ 5]为: K0=μ2/ (1-μ1)或K0=Ehμ3/ [Ev(1-μ1) ] ( 6) 式中, Eh为水平方向弹性模量;Ev为垂直方向弹 性模量; μ1 为水平应力对水平应变的影响; μ2 为 水平应力对垂直应变的影响; μ3 为垂直应力对水 平应变的影响。 ( 4) 土样受扰动程度。对原状土样,K0系数 将随塑性指数的增加而增加; 对重塑土样,K0系 数则随塑性指数的增加而减少。 ( 5) 孔隙水压力。当孔隙水压力存在时,K0 系数应用有效应力表示; 若加载, 粘性土中的超静 孔隙水压力就会逐渐减小, 此时的孔隙水压力为 正,K0系数偏大; 若卸载, 粘性土中就会出现负孔 隙水压力, 加上丧失土中原始侧向压力, 也会使 K0系数偏大 [1]。对无粘性土, 受荷载作用之后超 静孔隙水压力会在短时间内迅速消散, 以有效应 力形式表达, 对K0系数的影响可忽略不计。 ( 6) 土体固结程度。土体在自然固结或荷载 作用下固结时, 土体中水分逐渐渗出, 土体颗粒间 更为密实, 进而提高了土体强度, K0系数就会增大。 3 K0系数的确定方法 3. 1 室内试验 ( 1) 压缩仪法。压缩仪法 [1]是指在无侧向变 形条件下, 在试样表面施加垂向压力, 此时试样侧 面所承载的压力即为静止侧压力, 再根据式( 2 ) 求 K0系数。 ( 2) 三轴仪法。主要有两种方法:①侧向变形 限制法[ 1]。是在三轴剪切过程中, 当施加轴压时, 通过控制围压大小, 以便使测量试样侧向变形的 指示器显示为0, 此时的围压与轴压之比即为K0 系数( 同式( 2) ) 。目前, 测定K0系数常用该法。 ②P o u l o s和 D a v i s法。该法试验步骤如下。 步骤1 在轴向上施加与现场垂直有效应力 相等的应力。 步骤2 在保持轴向应力恒定不变条件下, 分级加载围压, 等各级固结稳定后, 再测量由固结 引起的体积变形。 步骤3 绘制每级压力下试样的体积变形增 量与有效围压的关系曲线。一般曲线分为两段且 转折明显, 两段曲线的拟合直线交汇于一点, 该点 应力等于现场水平有效应力。 步骤4 现场水平有效应力与现场垂直有效 应力的比值即为K0系数( 同式(2) ) 。 3. 2 原位测试试验 ( 1) 扁铲侧胀试验。扁铲侧胀试验适用于软 土、 粘性土、 黄土、 粉土、 粉砂、 中砂地层。该试验 就是将扁铲
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