自動靜止側(cè)壓力系數(shù)K0儀的研發(fā)報告
昱創(chuàng)自動靜止側(cè)壓力系數(shù)K0儀的研發(fā)
蘇州昱創(chuàng)流體科技有限公司,江蘇蘇州,215636
摘要
土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0,是指單元土體在無側(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,以及邊坡等土壓力的計算都需要提供靜止側(cè)壓力系數(shù)K0值。近幾年來由于計算技術(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自動測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,自動化程度高、結(jié)構(gòu)簡單,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自動測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,但由于在國內(nèi)勘測試驗(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)的無級變速的自動控制,軸向加荷速率由人工排擋提升為無級變速。
其次數(shù)據(jù)的采集采用單片機(jī)的自動控制并通過無線傳輸進(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行處理。試驗(yàn)過程可以單向加荷也可以卸載,還可以多級的加載與卸載,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、兩通閥門等組成。
2.豎向加荷系統(tǒng):由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的控制系統(tǒng)、加荷平臺、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)顯檢測儀:由開關(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經(jīng)過放大、采集、顯示,并經(jīng)無線傳輸發(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土樣在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時記錄,并繪制K0實(shí)時曲線。(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最大為20%,即最大豎向變形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.加荷裝置最大出力8KN,最大位移80mm,最小加荷速度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.通過液壓腔的兩通閥門用注射器裝滿無氣泡水?dāng)?shù)次注入腔體,并同時將腔體內(nèi)空氣吸出(檢查乳膠膜內(nèi)有無氣泡),關(guān)閉兩通閥。
3.在裝土之前先將乳膠膜的水通過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,以免擾動土樣。
(2)裝土
1.在土樣兩端貼上濾紙,將環(huán)刀刀口向上,對準(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容器置于加荷平臺上面,對準(zhǔn)力傳感器的中心。
3.連接檢測儀的液壓傳感器、拉壓力傳感器各電纜線。
4.打開電腦預(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,通過兩通閥和注射器將無氣泡水稍稍注入液壓腔使σ3在5kPa左右,同時將加荷系統(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)動加荷開關(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):對于砂性土或者粉性土加荷速度可按0.2~0.1mm/min選擇。對于粉質(zhì)粘土按0.05mm/min左右選擇,對于粘土或者淤泥質(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、土樣編號、取土深度、土的名稱以及試驗(yàn)人員日期和K0值打印出來。
5.等試驗(yàn)結(jié)束,使電動機(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,將注射器通過兩通閥輸入較大的無氣泡的液體壓力,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,卸載速率與加載時相同,可以獲得不同超固結(jié)比條件下的K0值,顯然這個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,用于計算建筑物的沉降。目前的壓縮試驗(yàn)指標(biāo)是通過應(yīng)力控制的單向固結(jié)試驗(yàn),逐級加荷得到的變形量來計算獲得。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
可以對土的基床系數(shù)的試驗(yàn)研究,地基土深基坑開挖回彈模量試驗(yàn)研究等等。
五、上海淺層軟土K0系數(shù)的實(shí)測與研究
(1)我們利用K0系數(shù)自動測試儀對上海地區(qū)的寶鋼、金山石化、高橋電廠以及龍華地區(qū)等工程開展了一系列的試驗(yàn)。(見表1)
表1.金山等三個地區(qū)的K0平均值
土層 |
金山石化總廠 |
寶鋼 |
高橋電廠 |
表層褐黃色粉質(zhì)粘土 |
0.47 |
0.44 |
0.51 |
第二層灰色粉質(zhì)粘土 |
0.50 |
0.54 |
0.51 |
第二層砂質(zhì)粉土 |
/ |
0.38 |
0.38 |
第三層淤泥質(zhì)粘土 |
0.74 |
0.67 |
0.68 |
第四層淤泥粘土夾砂互層 |
0.52 |
0.54 |
/ |
(2)上海龍華地區(qū)采用不同的試驗(yàn)方法獲得的K0值。(見表2)
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)。理論上講對于飽和的軟粘土K0值應(yīng)該接近于“1”。而實(shí)測結(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
土層 |
埋深(m) |
不排水條件 |
排水條件 |
循環(huán)荷載條件 |
|||
K0μ |
μμ |
K0 |
μ |
K0d |
μd |
||
褐黃色粉質(zhì)粘土 |
0.5~2.5 |
0.92 |
0.48 |
0.61 |
0.38 |
0.72 |
0.42 |
灰色淤泥粘土夾砂 |
2.5~8.0 |
0.92 |
0.48 |
0.55 |
0.36 |
0.77 |
0.44 |
灰色淤泥粘土 |
7~10.5 |
0.93 |
0.48 |
0.70 |
0.41 |
0.83 |
0.45 |
灰色淤泥質(zhì)粘夾砂 |
10.5~14 |
0.97 |
0.49 |
0.61 |
0.38 |
0.76 |
0.43 |
灰色淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土互層 |
14~18 |
0.96 |
0.49 |
0.64 |
0.39 |
0.82 |
0.45 |
(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)ø(—)的統(tǒng)計分析,可以建立如下關(guān)系式:
粉質(zhì)粘土或粘砂互層,ø(—)(平均值)=29.3°
則 0=1-sinø(—)
粉質(zhì)粘土,ø(—)(平均值)=33.3°
則 0=0.93-sinø(—)
淤泥質(zhì)粘土,ø(—)(平均值)=20.3°
則 0=1.02- sinø(—)
根據(jù)上述四個地區(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)
根據(jù)超固結(jié)條件下的K0試驗(yàn)結(jié)果,我們在卸荷支曲線上得到下述的 0與超固結(jié)比Roc的相關(guān)關(guān)系經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式(見表3)。其中 0是用應(yīng)力的全量來計算的。
表3
土名 |
0~Roc |
褐黃色表土層 |
0=0.533(Roc)0.371 |
|
0=0.588+0.665 log Roc |
灰色淤泥質(zhì)粘土夾砂 |
0=0.445(Roc)0.565 |
灰色淤泥質(zhì)粘土 |
0=0.648+0.105 Roc |
灰綠色硬土層 |
0=0.485(Roc)0.222 |
砂質(zhì)粉土 |
0=0.335(Roc)0.517 |
|
0=0.280+0.739 log Roc |
細(xì)砂 |
0=0.330(Roc)0.565 |
粉砂 |
0=0.336(Roc)0.570 |
|
0=0.260+0.883log Roc |
六、國內(nèi)外學(xué)者的K0系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果
為了便于參考和判斷,我們于下表4中列出國內(nèi)外學(xué)者對部分土類K0系數(shù)的測定值。
表4
試驗(yàn)者 |
土類 |
K0 |
太沙基(1902年) |
重塑粘土 |
0.70~0.75 |
貝尼(1941年) |
天然粘土 |
0.50 |
柴勃脫列夫(1948年) |
重塑粘土 |
0.50 |
|
淤質(zhì)粘土 |
0.49~0.51 |
畢肖浦(1957年) |
天然砂質(zhì)粘土 |
0.43 |
|
淤質(zhì)有機(jī)質(zhì)粘土 |
0.57 |
|
重塑粘土 |
0.70 |
西蒙斯(1958年) |
天然粘土 |
0.48 |
孟得哥夫(1960年) |
塑性粘土 |
0.40 |
馬斯洛夫(1961年) |
緊密粘土 |
0.33~0.45 |
|
沙質(zhì)粘土 |
0.49~0.59 |
|
塑性粘土 |
0.61~0.82 |
華東水利學(xué)院(1958年) |
天然淤質(zhì)土 |
0.50 |
(1964年) |
重塑粘土 |
0.64 |
(1976年) |
天然粘土 |
0.57 |
|
天然壤土 |
0.48 |
南京水利研究所(1974年) |
天然粘土 |
0.54 |
至于K0與Roc的關(guān)系,國內(nèi)尚未見有關(guān)成果。國外基本的看法是:
粘土 0=λ+α(Roc -1) λ,α—常數(shù)
砂土 0= 0n(Roc)m 0n——正常固結(jié)下的K0值
或者,一般的則為 0= 0n(Roc)m
六、結(jié)束語
靜止側(cè)壓力系數(shù)K0自動測試儀經(jīng)過多次的優(yōu)化設(shè)計與進(jìn)一步完善,實(shí)現(xiàn)了整個試驗(yàn)過程的智能化,目前主要應(yīng)用于測定靜止側(cè)壓力系數(shù)K0,但實(shí)際上這種結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)募舆m部件,就可以進(jìn)行土的基床系數(shù)的測定、壓縮模量的測定。如果試樣的高度加長還能進(jìn)行應(yīng)力路徑試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)的測試等特殊項(xiàng)目。由于它、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊具有一機(jī)多用的功能因此廣受用戶的歡迎。
參考文獻(xiàn)
1.土力學(xué)與環(huán)境土工學(xué) 胡中雄 同濟(jì)出版社
2.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) 高大釗、袁聚云 人民交通出版社
3.土工試驗(yàn)與原理 楊熙章 同濟(jì)出版社
4.巖土體測試技術(shù) 袁聚云等 中國水利水電出版社
5.日本《土的K0固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)規(guī)程》 馮銘章譯
6.軟土靜止側(cè)壓力系數(shù)K0值的試驗(yàn)探討 李濤 上海隧道工程軌道交通設(shè)計研究院
7.薄膜對軟粘土側(cè)壓力系數(shù)K0測試結(jié)果的影響 楊斌娟 上海隧道工程軌道交通設(shè)計研究院