自動(dòng)靜止側(cè)壓力系數(shù)K0儀的研發(fā)報(bào)告

摘要

土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0，是指單元土體在無(wú)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(kāi)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(lái)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(guó)內(nèi)勘測(cè)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(wú)級(jí)變速的自動(dòng)控制，軸向加荷速率由人工排擋提升為無(wú)級(jí)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(guò)無(wú)線傳輸進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。試驗(yàn)過(guò)程可以單向加荷也可以卸載，還可以多級(jí)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(mén)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(tái)、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(cè)儀：由開(kāi)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(hào)經(jīng)過(guò)放大、采集、顯示，并經(jīng)無(wú)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(duì)土樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)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為20％，即豎向變形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.加荷裝置出力8KN，位移80mm，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(guò)液壓腔的兩通閥門(mén)用注射器裝滿無(wú)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(wú)氣泡），關(guān)閉兩通閥。

3.在裝土之前先將乳膠膜的水通過(guò)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(duì)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(tái)上面，對(duì)準(zhǔn)力傳感器的中心。

3.連接檢測(cè)儀的液壓傳感器、拉壓力傳感器各電纜線。

4.打開(kāi)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(guò)兩通閥和注射器將無(wú)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(kāi)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(duì)于砂性土或者粉性土加荷速度可按0.2~0.1mm/min選擇。對(duì)于粉質(zhì)粘土按0.05mm/min左右選擇，對(duì)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(guò)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(hào)、土樣編號(hào)、取土深度、土的名稱以及試驗(yàn)人員日期和K0值打印出來(lái)。

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(guò)兩通閥輸入較大的無(wú)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(jí)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(guò)應(yīng)力控制的單向固結(jié)試驗(yàn)，逐級(jí)加荷得到的變形量來(lái)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(guò)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(duì)土的基床系數(shù)的試驗(yàn)研究，地基土深基坑開(kāi)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(cè)與研究

（1）我們利用K0系數(shù)自動(dòng)測(cè)試儀對(duì)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(kāi)展了一系列的試驗(yàn)。（見(jiàn)表1）

表1.金山等三個(gè)地區(qū)的K0平均值

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(duì)于飽和的軟粘土K0值應(yīng)該接近于“1"。而實(shí)測(cè)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

（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)?(—)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，?(—)（平均值）=29.3°

則  0=1-sin?(—)

粉質(zhì)粘土，?(—)（平均值）=33.3°

則  0=0.93-sin?(—)

淤泥質(zhì)粘土，?(—)（平均值）=20.3°

則   0=1.02- sin?(—)

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

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

根據(jù)超固結(jié)條件下的K0試驗(yàn)結(jié)果，我們?cè)谛逗芍€上得到下述的   0與超固結(jié)比Roc的相關(guān)關(guān)系經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式（見(jiàn)表3）。其中  0是用應(yīng)力的全量來(lái)計(jì)算的。