太原地铁2号线K0试验分析

田 立

（山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司），山西 太原 030006）

1 概述

静止土压力系数K0是岩土工程中一个非常重要的参数，它与土的结构性质、物理性质、应力历史等因素有关。前人进行了大量的室内和现场试验，并在此基础上提出了几种计算K0的经验公式。其中，正常固结的无黏性土根据Jaky于1944年提出的公式K0=1-sinφ计算，式中φ为土的有效内摩擦角。

随着地铁开始修建，开挖土层埋置深度不断增加，有些埋置较深的样品是超压密土，甚至出现超固结状态，现场取样过程中，容易造成扰动和应力释放等问题，给我们室内试验提出了新的问题——如何做好超固结土的K0试验及确定K0值和土的超固结比OCR的关系值得我们研究和讨论。

2 静止侧压力系数试验方法

目前，用于确定K0值的室内试验方法有静止侧压力系数K0仪法和全自动三轴仪法。我们此次试验采用TSZ-2型全自动三轴仪进行检测分析，全自动三轴仪通过程序设置完全实现侧向压力σx=σy，当轴向力p施加到土壤样品的表面时，土样中某点的垂直应力 σz=p，受限制的侧面侧向力 σx=σy=K0σz，且连续采集需要的点数据，实现试验进程的自动化，方便快捷，结果较为可靠。

试验过程中有各种样品，土样按照超固结比可分为正常固结土、超固结土和欠固结土（或称正常压密、超压密和欠压密），它们与超固结比OCR之间有如下关系：OCR=1正常固结土，OCR＞1超固结土，OCR＜1欠固结土[1]。

3 正常固结土（OCR=1）静止侧压力系数的确定

图1 轴向压力-侧向压力关系曲线（K0=0.481）

图2 轴向压力-侧向压力关系曲线（K0=0.482）

当试样的前期压力无限趋近有效自重力时,试样的状态为正常固结，如图1所示，在K0线趋势上，都表现出低压条件下曲线是平缓的并且高压条件下曲线是陡峭的。相对于理论曲线上的两个直线段交点的轴向压力值即为前期压力，实测散点图也具有突变点，此突变点可能是也可能不是前期压力点。一般位于前一个压力点之前，在此之后每个测试点都有比较好的线性相关特性。从理论曲线可以看出K0曲线是连续的曲线，并且K0曲线在超固结段曲线和正常固结段曲线交点呈左连续及右连续，理论曲线的正常连接段K0曲线的延长线通过原点，可以通过一元线性回归的方法对轴向压力大于试样的天然有效自重压力的试验点进行计算，其斜率即为正常固结土的K0值[2]。对正常固结（OCR=1）的原状及重塑土进行回归，得出 K0=0.482，其原状土为 K0=0.481，由此可认为重塑土和天然土的正常固结段的K0值是一致的。

4 超固结土（OCR=1）静止侧压力系数的确定

由于超固结土（OCR=1）普遍存在于各个地层，确定超固结土的K0值有重要意义。产生超固结的原因多种多样，如：地壳运动、天然土的次固结效应、冰川、河流剥蚀、其他外力作用等[2]，目前已有的试验报告显示，太原市部分天然土为超固结土，一些以往认为是正常固结土（OCR=1）或欠固结土（OCR＜1）的淤泥也具有超固结土（OCR＞1）的特性，为轻超固结土，超固结比在1～3之间，虽然具有同样物理性质，但超固结土较正常固结土的K0值大，因此，如果使用K0值法来计算超固结土的K0值，出现不准确的结果是不可避免的。

根据上述分析可知，所有试验土样，均先要确定其前期压力Pc来划分土的类型，然后再计算Pc值。如何确定Pc，第一种方法是取同一样品的试样分别进行Pc固结试验和平行的前期压力试验，可以认为Pc值一样；第二种方法是直接利用K0试验小应变法测得变形量，用卡氏法求得Pc值，第二种方法将延长K0固结试验周期，在精度上不如第一种方法高，因此推荐使用第一种方法。模拟再现超固结土（OCR＞1）实际的轴向与侧向应力关系曲线，则可从曲线方便地求出K0值[3]。

5 太原地铁2号线样品检测分析

太原地铁2号线某标段样品K0值及超固结比OCR等相关数据如表1。

表1 天然试样参数表

试验发现，有些土样的试验值明显偏离经验值，造成这种结果的原因很多，其与试验设备的密封性、操作的规范性、土样的初始状态、加载时间、扰动程度等都存在着密切关系，但大多数结果与超固结OCR越大，K0值越大的规则一致。

在室内测试中，要测量项目所需的K0值，必须了解土的应力历史，恢复到现场原位应力状态下施加符合工程实际的荷载才能反映出真实的K0结果。对于正常固结土，恢复到原位上覆土压力状态便可测得，但对于超固结土，必须先求出先期固结压力Pc，再确定现场上覆土压力σ1，保持K0条件，逐渐加荷σV，当σ1=σV时，可测得上覆土压力状态的K0R，然后按照工程实际荷载增加σV，测出重新加荷的超固结土K0值。

针对原状土的试验结果进行验证比对试验，同一种黏性土进行重塑后，再进行静止侧压力系数K0试验，分别制备了欠固结土样和超固结土样，试验所得数据如表2。

表2 重塑试样参数表

前人经验表明超固结作用对沙土影响不大，黏性土静止侧压力系数K0与超固结比的关系如下：

式中：m为经验指数，与塑性指数Ip有关，一般土Ip小于 20，m=0.41，当 Ip=40时 m=0.37，上海地区 m=0.5[2]。

由表2内插求得此重塑样品正常固结OCR=1时K0=0.526，对照经验公式太原地区以上土样试验结果可取m=0.42更接近实测试验结果。

6 结语

a）目前各测试单位提供的K0试验结果大多向经验数据靠拢，忽视了样品超固结的情况，使测试结果完全偏离工程应用，值得我们注意和重视。

b）对于正常固结土，土的压缩性越高，K0值越大，但对于OCR＞1的超固结土则恰好相反，OCR越大，土的压缩性越低，K0值越大。

c）太原地区地铁2号线超固结土的K0值基本符合超固结比越大，静止侧压力系数K0值越大的规律。

d）太原地区超固结黏性土超固结经验公式(K0)OC=K0(OCR)m，塑性指数IP小于20时可取m=0.42。