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摘要
土的靜止側壓力系數K0,是指單元土體在無(wú)側向應變(εx=εy=0)條件下,有效側向壓力σ3(或稱(chēng)小主應力)與有效豎向壓力σ1(或稱(chēng)大主應力)的比值。
K0=σ3/σ1 或 K0=⊿σ3/⊿σ1
隨著(zhù)地下空間的開(kāi)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計,以及邊坡等土壓力的計算都需要提供靜止側壓力系數K0值。近幾年來(lái)由于計算技術(shù)不斷提高和應用,本儀器在不斷改進(jìn)完善基礎上,雙聯(lián)應變控制靜止側壓力系數K0自動(dòng)測試儀更適合于各試驗單位使用,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比與K0值關(guān)系,同時(shí)在K0條件下研究三軸強度參數,以及在等應變條件下壓縮系數和壓縮模量,自動(dòng)化程度高、結構簡(jiǎn)單,操作方便,可大大提高工效,因此廣受用戶(hù)歡迎。
關(guān)鍵詞:靜止側壓力系數K0、傳感器與變送器、主應力、應力歷史
一、引言
靜止側壓力系數K0自動(dòng)測試儀在九十年代已經(jīng)研發(fā)成功,得到了同行專(zhuān)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,但由于在國內勘測試驗室的應用與實(shí)踐,我們又做了很大的改進(jìn)。
首先采用步進(jìn)電機的無(wú)級變速的自動(dòng)控制,軸向加荷速率由人工排擋提升為無(wú)級變速。
其次數據的采集采用單片機的自動(dòng)控制并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸進(jìn)入計算機進(jìn)行處理。試驗過(guò)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結果。
我們相信在進(jìn)一步的試驗研究下,可以獲得在K0條件的基床系數;應變控制條件下的壓縮性指標和在臨塑荷載條件下的強度參數。
二、儀器的主要組成部分與技術(shù)指標
(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(mén)等組成。
2.豎向加荷系統:由步進(jìn)電機驅動(dòng)的控制系統、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.數顯檢測儀:由開(kāi)關(guān)電源提供穩定的電壓和變送器輸出傳感器的各種信號經(jīng)過(guò)放大、采集、顯示,并經(jīng)無(wú)線(xiàn)傳輸發(fā)送至接收端輸入電腦。
5.軟件:本公司提供數據采集處理軟件可以對土樣在實(shí)驗過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄,并繪制K0實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。(電腦自配)
(2)主要技術(shù)指標
1.土樣面積 30cm2(土樣直徑φ61.8mm)。
2.土樣高度 40mm,側壓力響應有效高度30mm。
3.小主應力 σ3 =0~800kPa。(精度小于0.3%)
4.大主應力 σ1 =0~1000kPa。(精度小于0.3%)
5.大主應力方向的應變 ε1為20%,即豎向變形8mm。
6.上下透水石的滲透系數不小于n×10-3 cm/s 。壓力腔乳膠隔膜應透明,防老化,厚度約為0.4~0.5mm。
7.加荷裝置出力8KN,位移80mm,加荷速度0.001mm/min(加荷速度根據用戶(hù)或實(shí)驗需求自己設置)。
三、試驗方法與注意事項
(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向外翻起,使之形成液體密封腔。
2.通過(guò)液壓腔的兩通閥門(mén)用注射器裝滿(mǎn)無(wú)氣泡水數次注入腔體,并同時(shí)將腔體內空氣吸出(檢查乳膠膜內有無(wú)氣泡),關(guān)閉兩通閥。
3.在裝土之前先將乳膠膜的水通過(guò)兩通閥和注射器抽取部分的水,使乳膠膜產(chǎn)生內凹,這樣裝土時(shí)土與乳膠膜減少摩擦,以免擾動(dòng)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(xiàn)。
4.打開(kāi)電腦預熱10min進(jìn)入顯示界面。
5.在試驗前先使土樣周?chē)槟z膜和液體水貼緊,通過(guò)兩通閥和注射器將無(wú)氣泡水稍稍注入液壓腔使σ3在5kPa左右,同時(shí)將加荷系統提升適當的位置使荷重傳感器產(chǎn)生初應力為10kpa左右即可。
(3)試驗
1.根據土性不同在文本觸摸屏上設定加荷速度驅動(dòng)加荷開(kāi)關(guān)進(jìn)入試驗。
2.按兩端排水的試驗要求,加荷速度原則上應參照土工試驗規程的三軸試驗方法選擇。但也可根據有關(guān)單位的實(shí)踐經(jīng)驗: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)使用單位可根據土的性質(zhì)做些比較試驗而定。
3.試驗過(guò)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(shí)觀(guān)察相關(guān)物理量的變化曲線(xiàn)。
4.根據試驗要求按一定格式填入表格模板中,其中工程名稱(chēng)、工程編號、土樣編號、取土深度、土的名稱(chēng)以及試驗人員日期和K0值打印出來(lái)。
5.等試驗結束,使電動(dòng)機倒轉,卸載的速度可按1.5mm/min左右選擇,待土樣容器可以外移時(shí),將注射器通過(guò)兩通閥輸入較大的無(wú)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壁的殘留顆粒。
四、試驗結果
(1)單向加載與卸載的試驗結果
所謂的單向加載是指,在豎向應力條件下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,在向應力條件下逐步的卸載,卸載速率與加載時(shí)相同,可以獲得不同超固結比條件下的K0值,顯然這個(gè)K0值要大于加載條件下的K0值,并且隨著(zhù)超固結比的增大而增大。
(2)多級加載與卸載的試驗結果
(3)在等應變條件下的壓縮試驗
大家知道壓縮試驗的主要指標是壓縮模量,用于計算建筑物的沉降。目前的壓縮試驗指標是通過(guò)應力控制的單向固結試驗,逐級加荷得到的變形量來(lái)計算獲得。在等應變控制條件下的壓縮模量,它的豎向荷載是連續的,按照一定的加荷速率進(jìn)行壓縮試驗,這種試驗跟建筑物的施工加荷似乎匹配。
我們根據土在等應變條件下獲得的變形量和豎向應力, 即可求出在不通過(guò)荷載階段的壓縮模量。我們認為這種試驗條件與應力控制的單向固結試驗更貼近實(shí)際,并且消除了土樣周?chē)哪Σ亮Υ嬖凇?/span>
(4)在臨塑荷載條件下土的強度指標
所謂的臨塑荷載是指,在基礎上部施加的豎向荷載條件下,不會(huì )產(chǎn)生地基土的塑性變形區,因此這種應力條件與K0的應力狀態(tài)幾乎接近。根據K0試驗的結果,提取不同的σ3與σ1繪制摩爾強度包線(xiàn)。由此得到在臨塑荷載條件下的強度參數。
(5)其他
可以對土的基床系數的試驗研究,地基土深基坑開(kāi)挖回彈模量試驗研究等等。
五、上海淺層軟土K0系數的實(shí)測與研究
(1)我們利用K0系數自動(dòng)測試儀對上海地區的寶鋼、金山石化、高橋電廠(chǎng)以及龍華地區等工程開(kāi)展了一系列的試驗。(見(jiàn)表1)
表1.金山等三個(gè)地區的K0平均值
土層 | 金山石化總廠(chǎng) | 寶鋼 | 高橋電廠(chǎng) |
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 | / |
我們利用三種試驗方法即:
1.不排水條件下的K0試驗: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。理論上講對于飽和的軟粘土K0值應該接近于“1"。而實(shí)測結果略為偏低。
2.排水條件下的K0試驗即為有效應力條件下的試驗,并以0.02mm/min的速度進(jìn)行K0試驗。
3.在循環(huán)荷載條件下的K0試驗即為土樣按自重應力條件在K0容器里的固結,然后進(jìn)行加載卸載。其頻率為1次/秒。
4.由靜止側壓力系數K0可以換算成土的側膨脹系數μ。
μ=
表2.上海龍華地區土層的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)根據上海地區的地基土樣的0值和三軸有效強度參數?(—)的統計分析,可以建立如下關(guān)系式:
粉質(zhì)粘土或粘砂互層,?(—)(平均值)=29.3°
則 0=1-sin?(—)
粉質(zhì)粘土,?(—)(平均值)=33.3°
則 0=0.93-sin?(—)
淤泥質(zhì)粘土,?(—)(平均值)=20.3°
則 0=1.02- sin?(—)
根據上述四個(gè)地區土樣的塑形指數Ip與 0值,可以建立如下近似關(guān)系式:
0=0.16+0.027Ip(當Ip≥10%時(shí))
根據超固結條件下的K0試驗結果,我們在卸荷支曲線(xiàn)上得到下述的 0與超固結比Roc的相關(guān)關(guān)系經(jīng)驗表達式(見(jiàn)表3)。其中
0是用應力的全量來(lái)計算的。
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