宁波地区深厚软土静止侧压力系数对比研究

刘 勇

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引言

随着人类文明的进步，以及我国经济形势的不断发展，使得城市人口进一步增长，土地资源日益枯竭的问题变得越来越严重。特别是经济发达的沿海地区沉积了深厚的海相软弱土层，如长江三角洲、珠江三角洲地区，其土地资源利用率之高，使许多重大工程在选取建设地址时无法避免软弱土层，如宁波轨道交通车站深基坑、盾构区间大多位于软土层中。

软土地基排水固结缓慢，稳定性差，沉降问题突出等特点，在外荷载作用下土体破坏表现出较大的突发性，给工程建设造成极大危害，经常会出现各种岩土工程难题。如对软土的工程特性认识不足，将给工程建设带来潜在的危险，结果将造成巨大的经济损失。软土存在一定区域特性特征，不同地区软土由于其沉积环境的差异而具有不同的成分、结构特性、力学状态及环境荷载，导致其工程性质不同于其他地区，因此有必要对一定区域软土的工程性质展开研究。

1 地质条件与软土工程性质

宁波位于东海之滨、长江三角洲的东南隅，地处宁绍平原东部，东临东海，北濒杭州湾，与上海隔海相望。在经过多次海陆变迁过程中，宁波平原浅部地层主要由海陆交错、海积黏土反复沉积形成，第四纪地层发育，厚度较大、层位分布较稳定，厚度约80 m～100 m。

宁波地区属于典型的软土场地，广泛分布厚层状软土，具有“天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、灵敏度高、透水性低”等特点。根据宁波地区大量的岩土工程勘察资料，如宁波轨道交通1号线～5号线、栎社国际机场扩建工程、环城南路、北环快速路、世纪大道快速路等较大型建设工程所在地区的软土主要由淤泥、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土组成。软土层一般分布在地表硬壳层之下，层顶埋深一般为2～4 m，厚度大多为10～20 m，局部地区最大厚度可达25 m以上，其下卧层为稍密状砂土层，或软塑～可塑状黏性土层，呈厚层状大面积分布。

宁波地区典型软土物理力学性质指标统计如表1所列。

2 确定静止侧压力系数K0的常用方法

静止侧压力系数K0的定义为：在不允许有侧向变形的情况下，土样受到的轴向压力增量Δσ1将会引起侧向压力的相应增量Δσ3，土的静止侧压力系数 K0为 Δσ3与 Δσ1的比值（K0=Δσ3/Δσ1）。静止侧压力系数K0是土体的一个重要力学性质指标，在实际工程中如深基坑、隧道、地下洞室、堤坝、挡土结构、桩基等应用十分广泛，因此K0取值的准确与否直接关系到工程的安全可靠性与工程造价等，目前已受到相关行业的高度重视。

静止侧压力系数K0与土的有效内摩擦角φ’、孔隙比e有较大的关系，另还与土的弹性模量、颗粒组成等有关。影响土的静止侧压力系数有较多的因素，其中主要有物理力学性质、结构特性、应力历史、应力路径等[1]。目前国内外对K0的研究已取得大量的成果，并且有的研究获得了认可，但由于土体的复杂性、区域性等特点，故在不同地区应用时，应结合当地经验，采用多种方法相互印证。确定土的静止侧压力系数K0的方法主要有：（1）通过经验公式估算；（2）室内土工试验法；（3）利用原位测试间接测定。

2.1 经验公式法

根据土的变形机理，各指标之间并非独立存在，而是存在一定的关系，因此可利用理论或经验关系估算某未知的指标。

（1）利用土层有效内摩擦角估算正常固结黏性土的静止侧压力系数K0[2]：

式中：φ’为土的有效内摩擦角。

（2）塑性指数Ip是黏性土的一个基本指标，与土的力学性质关系较大，Alpan（1967）提出了正常固结黏性土K0与Ip的关系式[2]：

2.2 室内土工试验

室内土工试验测定土的静止侧压力系数K0的方法有侧压力仪法和三轴试验法。侧压力仪法是试样在无侧向变形压缩时，分别测得侧向压力σh和轴向压力σv，所测得的侧向压力即为静止侧压力，根据σh～σv的关系曲线计算K0。三轴试验则是通过施加轴向压力时，控制围压使试样不产生侧向变形，此时围压与轴向压力之比即为土的静止侧压力系数K0。

2.3 原位测试法

室内试验由于取样扰动、应力释放、人为试验操作等因素影响，使其测试的土层物理力学性质指标常常失真，但原位测试法在适当的操作条件下可以克服上述缺点，并且可大量缩短试验周期，如沈珠江认为只有通过原位测试才能获得可靠度高的岩土物理力学参数[3]。原位测试是在原始复杂应力条件下的试验，因此不能从试验结果直接给出某一参数，而需通过反馈分析的方法间接或扩展求出参数，原位测试的应用将会越来越广泛。

2.3.1 扁铲侧胀试验

表1 软土层物理力学性质指标一览表

扁铲侧胀试验 DMT（flat dilatometer test）是意大利教授Silvano Marchetti于20世纪70年代创立的一种新兴原位测试方法[4]。试验时，将带有膜片的扁铲压入土中预定深度，充气使膜片向孔壁土中侧向扩张，测定土的压力与变形的关系，从而获得某些岩土参数。

利用扁铲侧胀水平应力指数KD确定土的静止侧压力系数K0有良好的效果[5]。由于扁铲侧胀试验在我国开展应用的时间较晚，目前的试验成果应用经验尚不丰富，故应用时应结合当地经验，并与其他测试方法相互配合、印证。扁铲侧胀试验最适宜在软弱、松散土中进行，随着土层坚硬或密实程度的增加，测试的效果逐渐变差。

Marchetti通过对软土地区的扁铲侧胀试验与其他试验的对比研究，建立了K0与KD之间的关系式如下[4]：

Lunne根据对新近黏性土的试验研究提出K0与KD的关系为[6]：

式中：Cu为土的黏聚力；σv0’为有效上覆应力。

扁铲侧胀试验可以比较准确地反应小应变的应力关系，测试的重复性较好，引入我国后受到高度重视。许多学者和单位进行了深入的试验研究和工程应用，并于2003年首次列入铁道部相关规范[7]，饱和黏性土K0的计算公式如下：

扁铲侧胀试验在上海地区取得了一定的研究成果和工程应用经验，并已列入了当地的岩土工程勘察规范[8]。流塑黏性土计算K0的经验公式为：

2.3.2 旁压试验

旁压试验PMT（pressuremeter test）是采用可侧向膨胀的旁压器对钻孔孔壁周围的土体施加水平向压力的测试方法，使孔壁向外膨胀直至破坏，从而得到压力与变形的关系，根据相关曲线可求出静止侧压力系数K0：

式中：σh’为原位水平有效应力；σv’为有效上覆应力；p0为初始压力；u为孔隙水压力。

旁压试验对操作工艺、经验要求较高，成孔质量是试验成败的关键，成孔垂直度、孔壁的扰动、软弱土层的缩孔、坍孔、加荷等级的选择等都是重要的技术性问题。在试验过程中，容易出现差错，获取的静止侧压力系数有较大的离散性，在该方面的应用较少。

3 软土静止侧压力系数K0不同确定方法的对比分析

静止侧压力系数K0的计算经验公式多为学者针对某一特定区域或某一特定土性的研究成果，特别是扁铲侧胀试验引入我国的时间并不长，在有些地区的应用尚未建立较好的经验关系，应用时应慎重考虑。

确定静止侧压力系数K0的各种方法在宁波地区都有不同程度的应用，但以室内土工试验测试方法为主。K0的各种确定方法各有其优点，但同时也存在一定的局限性和不足之处。比如：室内试验无法避免取样扰动、人为试验操作的影响，但可以较好地控制试验边界条件；原位测试具有扰动小、操作便利等优点，但各种原位测试有一定的适用条件，有些理论建立在统计经验的关系上，使得对测定值的准确判断有较大困难。

根据宁波地区的岩土工程勘察资料（宁波轨道交通1号线～5号线、栎社国际机场扩建工程、环城南路、北环快速路、世纪大道快速路等），对浅部软土进行了许多室内土工试验，并在现场进行了多种原位测试工作，通过对大量试验数据的分析研究，K0值与塑性指数Ip的大小密切相关，具有较好的线性关系如图1所示，统计经验公式如下：

图1 软土K0与Ip的关系曲线图

综合室内土工试验，并利用土层有效内摩擦角φ’、塑性指数Ip经验公式等不同方法获得的软土静止侧压力系数K0平均值如表2所列。软土层的扁铲侧胀试验相关指标及由上述经验公式计算的软土层静止侧压力系数K0平均值如表3所列。由于Lunne经验公式（4）与上海地区经验公式（6）计算的结果较接近，且上海地区经验在宁波具有一定的参考价值，故表3中未列出经验公式（4）的计算结果。

由表2、表3获取的K0值可知，不同方法确定的K0存在一定差异。室内土工试验侧压力仪法比三轴试验法测定的K0偏小，其中淤泥质黏土的K0值差异最大；经验公式（1）、（2）、（8）确定的 K0比室内三轴试验法也偏小；公式（8）计算结果与三轴试验法较为接近，可用于估算该地区软土的K0值；由于软土的区域性特点，公式（2）计算结果与室内土工试验、经验公式确定的K0值差异最大。

表2 室内土工试验及经验公式计算的K0值一览表

表3 扁铲侧胀试验成果计算的K0值一览表

根据扁铲侧胀试验成果计算的K0值除个别数据外，比室内三轴试验法偏小，公式（3）在计算淤泥、淤泥质黏土的K0值时与三轴试验法较为接近，公式（6）次之，公式（5）计算的结果差异最大。

为提出宁波地区软土静止侧压力系数K0的准确值，可参考上海地区利用扁铲侧胀试验计算K0值的经验，可对经验公式（6）稍加修订以符合宁波地区软土K0的计算经验公式：

淤泥、淤泥质黏土：n=0.7～0.8

淤泥质粉质黏土：n=0.5～0.6

经过对上述K0值各种确定方法计算结果的对比研究，并结合当地经验，给出宁波地区软土层静止侧压力系数K0建议值如表4所列。

表4 静止侧压力系数K0建议值一览表

4 结论

根据宁波地区大量的岩土工程勘察资料，分别基于经验公式、室内土工试验、原位测试等多种方法分析讨论宁波地区浅层软土的静止侧压力系数K0值，参考其他地区的经验，对已有经验公式稍加修订提出了符合宁波地区软土K0的计算经验公式，得到以下主要结论：

（1）结合宁波地区软土的工程特性，建立了静止侧压力系数K0与塑性指数Ip的统计经验公式，可较好地估算该地区软土的K0值。

（2）室内土工试验侧压力仪法较三轴试验法测定的K0偏小，不同经验公式与扁铲侧胀试验成果计算的K0值均存在一定的差异。

（3）参考上海地区利用扁铲侧胀试验成果计算K0值的经验，经修订提出符合宁波地区软土K0的计算经验公式。

（4）经过对K0值各种确定方法的对比分析和研究，结合当地经验提出了适合宁波地区浅层软土的静止侧压力系数K0建议值，供参考应用于该地区的软土工程设计。

[1]李作勤，影响粘土静止侧压力的一些问题[J]，岩土力学，1995（1）：9-16.

[2]Hayat T M.The coefficient of earth pressure at rest[D].Urbana:University of Illinois at Urbana-Champaign,1992.

[3]沈珠江，原状取土还是原位测试--土质参数测试技术发展方向刍议[J]，岩土工程学报，1996，18(5)：90-91.

[4]Marchetti S.In-Situ Tests by Flat Dilatometer [J].Journal of Geotechnical Engineering ASCE,1980,107(3):832-837.

[5]GB50021-2001，岩土工程勘察规范，（2009年版）[S].

[6]Lunne T,Powell J J M，Hauge E A,et al.1990.Correlation of dilatometer readings with lateral stress in clays [J].Transport Research Record,1990,1278:183-193.

[7]TB10018-2003，铁路工程地质原位测试规程[S].

[8]DGJ08-37-2012，岩土工程勘察规范[S].