浸湿条件下湖区地表硬壳层黏土侧压力系数K₀变化规律的试验研究

贺炜，王芳洪，付宏渊

(长沙理工大学 公路工程省部共建教育部重点实验室，湖南 长沙，410114)

摘要：为了研究土样含水率等因素对黏土侧压力系数K₀的影响，自行研制可考虑土体浸湿过程的实验仪器，采用气缸对试样施加竖向荷载，并在侧壁环上粘贴电阻应变片测定试验过程中试样的侧向应力。在洞庭湖区汉寿仓儿总大桥桥台处地表以下2 m处取工程土样进行分析。在试验过程中，采用蠕动泵对仪器底座通水，使试样在较小流量作用下均匀浸湿，模拟实际工程中的浸湿条件，分别测试试样的竖向应力、竖向应变、侧向压力等随时间的变化规律，以此为基础对试样的应力状态、应力路径、K₀在试验过程中的变化规律及其与试样干密度之间的关系进行分析。研究结果表明：干燥湖区地表硬壳层黏土K₀随密度的增大而减小，由初始的0.40减小至0.21，但其减小的速度随密度的增大而有所减缓；在竖向恒定荷载σ₁=655 kPa作用下，完全干燥的湖区地表硬壳层黏土在浸湿后会发生较大竖向变形，且K₀从0.21逐渐减小，最后趋于稳定值0.16。

关键词：岩土工程；侧压力系数K₀；洞庭湖区地表硬壳层黏土；浸湿条件

中图分类号：TU433            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)01-0351-05

Experimental study on behavior of coefficient K₀ of Dongting Lake clay in wetting process

HE Wei, WANG Fanghong, FU Hongyuan

(School of Civil & Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

Abstract: In order to study the effect of factors such as water content on the coefficient of lateral earth pressure at rest K₀ of clay, the test apparatus taken into account wetting process of sample was designed, in which samples were vertically loaded by cylinder, and the lateral earth pressure was measured by strain gauges glued at three levels on the side ring. Undisturbed soil sample was gotten at 2 m below the ground around abutment of Cangerzong bridge in Hanshou county in Dongting Lake district. In the test, the relationship among vertical stress, vertical strain, lateral earth pressure and time were studied, and stress condition, stress path and behavior of K₀ were analyzed. The results show that K₀ of totally dry clay decreases from 0.40 to 0.21 with the increase of dry density of sample, and the larger the density, the lower the rate of decrease of K₀. When the constant vertically load σ₁ is 655 kPa, a large settlement in the sample occurs in wetting processs, and K₀ finally decreases to 0.16.

Key words: geotechnical engineering; coefficient of lateral earth pressure at rest K₀; Dongting Lake clay; wetting conditions

土体在无侧向变形条件下的静止侧压力系数K₀表示土体水平有效应力与竖向有效应力的比值，被广泛用于确定土压力及初始应力场，是工程中极为重要的参数之一。在工程中通常认为，正常固结土的K₀为常数，而超固结土的K₀与固结比有关^[1-2]，且不同文献推荐了不同种类土的K₀参考值。但在实际工程中，土体含水率等也对K₀有较大影响^[3]。在蓄洪区等具有浸湿条件的地区进行工程下部结构设计时，必须计入该因素的影响，因此，对浸湿条件下土体K₀变化规律进行试验研究具有重要的工程参考价值。最早在室内测试土体K₀的是Terzaghi，其采用测量土样中钢片抽出力的方式间接测量K₀^[4]，但这种方法在理论上仅适用于无黏性土。之后，各国学者相继对土体K₀展开研究，如杨慕怀等^[5]自行研制了K₀试验设备；在水利规范中推荐“侧压力仪”测试K₀^[6]。使用常规三轴仪，在试件中部安装侧向变形指示器亦可测得K₀^[7]，但这种方法较难控制，难以精确保证试件无侧向变形。在影响机理方面，目前进行的研究主要集中于考虑固结历史、应力等因素的影响，如Zhao等^[8]研究了高应力水平下固结应力对正常固结饱和淤泥K₀系数的影响规律。目前，考虑含水率等因素影响的研究较少，仅见杨和平等^[9]采用GDS非饱和三轴系统对宁明非饱和膨胀土K₀随着含水量的变化规律进行试验研究。为此，本文作者拟自行研制可考虑浸湿条件的室内试验仪器，测定洞庭湖区地表硬壳层黏土在浸湿条件下K₀及应力状态的变化规律。

1  试验装置与方法

1.1  试验装置

本文作者自行研制了岩土体风化力学特性测试仪，其装置如图1所示。为使仪器装置对试验过程中所通入的溶液具有足够的适应性，测试仪采用强度和刚度较高以及抗腐蚀能力较强的黄铜制作^[10]。为保证仪器侧壁环能提供接近于完全侧限的边界条件，且其受力后发生的应变量在应变片可测的范围内，经计算侧壁环的厚度设计为0.36 mm。该仪器主体部分由下支座、上支座及侧壁环组成，在上、下支座中设置出入水孔并各设置2个密封圈，以保证在试样中通入溶液时与外界完全隔离。侧壁环外径为49.91 mm，高为65.24 mm，可放置高度为(25.00±0.50) mm的试样，环外壁设置上、中、下3组电阻应变片。试验时，采用气缸对试样进行加载，并在反力架上安装百分表和荷载传感器实测试样所受的荷载及产生的变形量(如图1(b)所示)。

图1  试验装置示意图

Fig.1  Sketch map of test apparatus

由于黄铜的弹性模量和泊松比测试较困难，在试验进行之前，首先施加气压对侧壁环外部黏贴的3组应变片进行标定。中间组应变片的标定结果如图2所示。从图2可知：气压与应变之间具有良好的线性关系。3组应变片经线性拟合后所得气压与应变之间的关系为：

           (1)

式中：ε_上，ε_中和ε_下分别为上、中、下组应变片实测的环向应变，单位为με；σ_3上，σ_3中和σ_3下分别为上、中、下组应变片处试样的侧向应力(kPa)。

图2  应变片标定结果

Fig.2  Calibration results of strain gauge

1.2  试验方法

准备试样时，先对所取土样进行烘干、碾散，将侧壁环与刚性底座装配好，再把干土分层填入侧壁环内。将每一层土铺平后，用铜质锤击实10次，然后，在表面拉毛继续填入下一层。完成试样填筑后，可实测试样高度和质量，由此计算试样的初始干密度。然后，将加载系统和静态应变测试仪装配好进行调试。试验分为2个阶段：第1阶段是压缩变形，开始试验前，首先对仪器施加约5.0 kPa的竖向荷载，消除仪器的装配间隙，正式加载时采用气压表控制，按150，250，350，500和650 kPa共5个荷载级别逐级加载，由压力传感器实测传递至试样上的竖向荷载，每施加一级荷载，由于荷载刚施加时试样的变形较快，记录百分表和静态应变测试仪数据的频率先密后疏，等试样的沉降停止或稳定后，增加至下一级荷载，试样沉降稳定的标准为1 h的沉降量不超过0.01 mm^[11]；当试验的荷载达到650 kPa附近且试样的竖向变形稳定时，进行试验的第2阶段，即浸湿变形阶段。在该阶段，开启与刚性底座连接的蠕动泵，以较小的恒定流量向黏土试样通水，时间持续40 min，通水结束后，关闭蠕动泵，并关阀门使刚性底座不排水，由于加载试样底部的水头较小，加之通水时间较长，可认为通水结束后试样的含水率分布均匀。此外，由于在第1阶段压力作用下，试样的压缩变形已经完成，因而不会对第2阶段的浸湿过程造成影响。

试验结束后，保持所施加的荷载，待试样竖向变形稳定后取出试样测试其最终含水率。

2  土样基本物理性质

在常德汉寿蓄洪区内仓儿总大桥桥台处地表下2 m左右取工程土样(该深度为湖区地表硬壳层范围内)，在实验室内根据相关规范测试土体基本物理特 性^[11]，得土样土粒相对密度为2.64，天然含水率(质量分数)为17.92%，天然试样的干密度ρ_d=1.35 g/cm³，塑限w_p=23.3%，液限w_L=43.8%，塑性指数I_p=20.5%。土样的颗粒级配曲线如图3所示。分析图3可知：土样不均匀系数C_u=38.8 (C_u=D₆₀/D₁₀，D₁₀是黏土颗粒质量分数为10%时所对应的粒径，D₆₀是黏土颗粒质量分数为60%时所对应的粒径）。

图3  试样颗粒级配曲线

Fig.3  Distribution curve of particle size

采用前面所述方法制备试验试样。试样填筑完成后可测得其高度为24.94 mm，所填土颗粒的质量为67.74 g。由于所填土为完全干燥土，含水率为0，再由试样的初始干密度为1.43 g/cm³，可计算得到试样孔隙比e为0.846。

3  试验成果及分析

3.1  试样竖向应力与应变变化规律

在试验过程中，试样的竖向应力和竖向应变变化分别见图4和图5，采用压力传感器实测的竖向荷载为150，225，320，493和655 kPa。干燥黏土试样在第5级荷载作用下，变形稳定后的竖向应变仅为0.08 με，通水浸湿后黏土试样的竖向应变增大至0.19 με，比干燥时增加了137.5%。

图4  试样竖向荷载与时间的关系

Fig.4  Relationship between vertical load of sample soil and time

图5  竖向应变与时间的关系

Fig.5  Relationship between vertical strain of sample soil and time

3.2  试验过程中试样的应力状态

试验过程中试样水平侧向压力σ₃变化情况见图6。从图6可见：试样通水前、后的径向应力分别为137.7 kPa和142.25 kPa，在通水过程中达到峰值334.3 kPa，较通水前增大了196.6 kPa：因此，可认为通水过程中所施加的外部水头峰值达到了196.6 kPa，停止通水后试样内部的孔隙水压力迅速回落至初始应力 附近。

图6  试验过程中试样水平侧向压力变化规律

Fig.6  Change of lateral earth pressure of sample soil during test

根据试验过程中实测的应力计算试样的球应力和偏应力，结果见图7。从图7 可见：黏土试样在干燥状态下逐渐施加恒定竖向荷载，试样的球应力和偏应力呈线性增加；在通水过程中，受施加外部水头的影响，试样的总球应力p迅速增大，总偏应力q迅速减小；通水结束后，试验所测定应力可视为有效应力，外部水头消失，试样内部的孔隙水压力迅速减小，试样的应力状态立即恢复至开始通水时刻的应力状态。但由于黏土试样已处于浸湿状态下，其力学性质有所变化，距离停止通水约3 h，试样的应力状态达到稳定。对比试样最终的应力状态和开始通水时的应力状态可知：试样的有效球应力减小，而有效偏应力增加，即湖相黏土在浸湿状态下有可能发生剪切破坏。

图7  试验过程中试样的应力路径

Fig.7  Stress path of sample soil during test

3.3  K₀变化规律

试验过程中K₀随时间的变化见图8。从图8可见：黏土试样在干燥状态下，从承受第1级荷载150 kPa至第5级荷载655 kPa的作用。通过分析可知：在试验过程中，K₀在试样压密之后达到0.40，并随着试验进行逐渐变小，最后稳定至0.21。图8中的A点对应开始通水时刻，受外部施加水头的影响，通水阶段测得的应力较大，K₀亦急剧增大。B点对应停止通水的时刻，外部施加的水头消失，黏土试样内部的孔隙水压力可忽略不计；在竖向恒定荷载作用下，黏土浸湿后的K₀逐渐减小，并在约1 h后达到稳定值。

图8  K₀随时间的变化

Fig.8  Relationship between coefficient K₀ and time during test

通水结束后，保持施加的荷载不变，待试样竖向的变形稳定后取出试样测得含水率为24.9%。由此可知：本试验黏土试样浸湿的过程可认为是由完全干燥状态(含水率为0)变为含水率为24.9%的非饱和状态，导致黏土试样的K₀减小。本次试验实测了浸水过程中土样K₀的变化趋势，而试验的定量分析以及引起该变化的机理有待进一步研究。

4  结论

(1) 完全干燥的湖相黏土K₀随着荷载的增大而逐渐减小，但其减小的速率亦降低，有可能会收敛至某一极限值。

(2) 在竖向恒定荷载作用下，干燥的湖区地表硬壳层黏土浸湿后发生较大的竖向变形，说明湖区地表硬壳层可能由于浸湿而产生较大的沉降量。

(3) 湖区地表硬壳层黏土受到竖向恒定荷载作用，且密度和K₀均处于稳定状态时，若使该黏土浸湿，则试样所受球应力会减小，偏应力会增大，有可能导致试样发生剪切破坏。

(4) 湖区地表硬壳层黏土由完全干燥状态浸湿变为非饱和状态后，其K₀会变小，并在一段时间后趋于稳定。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-01-13；修回日期：2012-03-24

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50908024)；西部交通建设科技项目(2009318000048)；湖南省交通科技项目(200904)

通信作者：贺炜(1982-)，男，湖南株洲人，副教授，从事岩土工程防灾减灾、非饱和土理论与应用、深基础工程等研究；电话：13755048868；E-mail: heweicslg@yahoo.com.cn