侧压力仪测定静止侧压力系数K0试验的研究

崔文良 （安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

1 静止侧压力系数K0含义

静止侧压力系数又称静止土压力系数，是岩土工程中一个非常重要的参数，用于确定场地中的应力状态、计算静止土压力、地下结构物设计、对土样进行不等向固结试验等[1]。

静止侧压力系数是土体在无侧向变形条件下，有效侧向应力与有效轴向应力之比[2]。K0基本为常数，一般小于1。

静止侧压力系数与土的性质及应力历史有很大的关系，其大小可根据试验测定，如《土工试验方法标准》（GB/T50123—2019）（以下简称“标准”）28章中采用侧压力仪进行试验，此外还有三轴仪法、原位测试法等。

静止侧压力系数也可用经验公式求得对于无粘性土及正常固结黏土，K0=1-sinφ′[3]。式中 φ′为土的有效内摩擦角。

有效内摩擦角反映了土体内部摩擦力的大小。有效内摩擦角越大，土体越密实，在侧限条件下达稳定时，其竖向有效应力也就越大，所以这种土的K0往往较小；反之有效内摩擦角较小的无粘性土，其K0较大。

2 试验原理与过程

本文采用侧压力仪法进行试验，试验所用主要仪器有侧压力仪、轴向加压设备及压力传感器。

试验第一级开始施加轴向压力的一瞬间，产生超静孔隙水压力，有效应力为0，数值上总轴压σ1与总侧压σ3均等于超静孔隙水压力μ，总侧压力系数K总为1。

随着固结不断进行，孔隙水压力μ不断减小，有效轴压力σ1’和有效侧压力σ3’出现，并不断增加。

每级试验中施加的总轴压σ1是保持不变的，固结完成后，总轴压力σ1完全转化为有效轴压力σ1’，总侧压力σ3部分转化为有效侧压力σ3’。二者相除，得到本级K0。

可以看出，每级试验时，由于σ1完全转化为σ1’，属于已知条件，试验目的变成了测σ3’。周围压力传感器测量的是总侧压σ3，只有当固结完成后，μ变为0，这时仪器测量的侧压才是有效侧压σ3’。

从第二级开始，总侧压力系数K总小于1。

试验将施加的几级轴向压力为横坐标，将每级固结稳定后的周围压力为纵坐标，绘制二者关系曲线，其斜率为静止侧压力系数。

3 不同稳定标准下的K0

“标准”规定的试样固结稳定标准为每小时变形不应大于0.01mm，而同行中一般认为，加荷时间为达到固结度90%为宜，一般为读数时间为加载后一个小时。作者发现，一般加荷读数时间越短，K0越大，达到固结度90%所得K0与经验公式K0=1-sinφ′的计算值最为靠近，与目前工程上的经验值大致相同，而采用稳定标准为每小时变形不应大于0.01mm，测得的K0偏小。

另外，土的性质不同，主固结完成的时间是不一样的，即固结度达到90%时间不同。土质愈软，固结时间愈长，如饱和软黏土固结时间较长，而粉土固结时间较短[4]。

为了说明试验过程和结果曲线特征，验证了固结度达到90%所得K0与目前工程上的经验值大致相同的观点，作者用取自合肥地区黏性土土样进行试验，取样深度5.6m～5.8m。塑性指数为16.4，灰黄色，状态可塑，按不同加荷等级分别取40min、1h和达到稳定标准为每小时变形不大于0.01mm对应的围压，绘制有效轴压与有效围压关系曲线。

读数过程可以发现，每级荷载开始加载的短时间内围压数值与轴向变形变化非常快，需要两人同时进行读数。从第二级开始，以后的每级轴压加载一瞬间产生的围压等于新增轴压部分与上一级最后的围压读数之和。

表1为同一个土样同一个试验加荷时间分别为40min、1h和达到稳定标准为每小时变形不大于0.01mm在不同加荷等级下最终对应的每级有效围压。

不同加荷等级下对应的每级有效围压 表1

图1为有效轴压与有效围压关系曲线，40min 时 K0-40分钟=0.48，1hK0-1小时=0.46，稳定标准为每小时变形不大于0.01mm对应K0-0.01mm=0.38，其大小顺序为 K0-40分钟＞K0-1小时＞K0-0.01mm，加荷读数时间越长，K0越小。K0越偏小对于工程风险越大，且40min不能保证固结度达到90%，因此，建议时间为加载后1h。

图1 有效轴压与有效围压关系曲线

另外，该土样经过三轴CU试验得出有效内摩擦角为32.5°，根据经验公式K0=1-sinφ′，得出K0-公式=0.463。根据经验值，可塑状态粉质黏土K0-经验=0.43[5]发现K0-1小时与K0-公式、K0-经验最为接近。当然三轴试验确定的有效内摩擦角不一定准确，但在日常试验生产中，大部分情况仍是 K0-1小时与 K0-公式、K0-经验最为接近。

4 超固结土的K0

理论上试验得到的五个点应该落在一条直线上，但通过图1发现并非所有点均落在一条直线上。这是因为工程中土常为超固结土，平时现场取土后，再拿到实验室做试验，相当于卸载回弹再压缩。

图2 超固结土的K0试验曲线

5 试验结果的运用与取舍

静止侧压力系数的测定方法，除了采用侧压力仪进行试验，还有三轴仪法、原位测试法等。每种试验方法得到的K0值大小有较大差异，用同种试验方法对同一个土样进行试验也有些出入。影响因素很多，仪器型号不同，压力室橡胶膜的厚度，试样高度直径，仪器是否存在无法察觉的漏水，试验人员的操作水平等等。K0值目前大多根据经验公式及经验值，试验值为辅，“标准”中关于静止侧压力系数的试验步骤与操作方法的规定不是很详细。试验人员应结合经验，仔细推敲试验结果，提供可靠的K0值，保证工程的安全与节约。