基于扁铲侧胀试验计算黏性土的超固结比与静止土压力系数

夏军1

湖北中江建筑设计院有限公司 湖北 武汉 430000

摘要：依托某城市地铁区间岩土工程勘察项目，通过数值模拟方法建立扁铲侧胀探头贯入土体的三维有限元模拟，采用总应力法进行分析，尝试研究侧胀水平应力指数K_D与静止土压力系数k₀、超固结比OCR的相互关系，提出了适用于黏性土的静止土压力系数k₀、超固结比OCR的计算公式，并将计算结果与现场实测数据进行比较。研究表明：使用弹塑性本构模型和遵循最大切应力失效准则的总应力分析方法可以很好地模拟扁铲侧胀的贯入过程；经验公式获得的计算结果与现场数据具有良好的一致性。

关键词 扁铲侧胀试验；黏性土；超固结比；侧胀水平应力指数；静止侧压力系数

0 引言

20世纪70年代，意大利阿奎拉大学Silvano Marchetti教授发明了扁铲侧胀试验设备。试验时，将带有圆形钢膜片的铲形探头压入土中预定深度，充气使膜片侧向膨胀，测量两个主要压力值，即接触压力p₀、膜片膨胀至1.1mm的压力p₁。由这两个测量值可换算成3个最为重要的中间指标：侧胀土性指数I_D、侧胀模量E_D及侧胀水平应力指数K_D。基于这些指标可建立各种经验关系，以解释各类土体的物理力学参数。扁铲侧胀试验方法可以应用于非常软、高灵敏的淤泥、淤泥质土，也可以应用于坚硬、超固结的老黏土。现有研究所提出经验公式应用范围较窄，超固结比OCR值变化范围一般小于5，侧胀水平应力指数K_D则小于10，且未将超固结比OCR值、静止土压力系数k₀统一地用共用参数（侧胀水平应力指数K_D）进行表达，不利于科学研究的计算和土层性质一般规律的解释。

2 数值模型的建立

模拟使用最小尺寸为5mm×10mm×25mm的方块单元，方块单元选取C3D20单元和C3D8单元，在满足计算精度同时也减少计算时间成本。土体尺寸为500mm×600mm×500mm，为弹塑性实体；钢制铲形探头为线弹性实体，宽度为95mm，厚度为15mm，铲角为30°，铲形高50mm；圆形钢薄膜为线弹性实体，直径为60mm，厚度为1.5mm（Marchetti et al.,2001）。

3 土体超固结比OCR、静止侧压力系数k₀及与现场实测数据的比较

和现场实测数据进行比较，如图1和2所示。

图1 土体超固结比OCR模拟值与现场实测数据的比较 图2 土体超固结比OCR模拟值与现场实测数据的比较

从图中可以看出，无论何种经验表达式的，无法统一地对黏性土的侧胀水平应力指数K_D-超固结比OCR的相关性进行描述。对于小于10的超固结比OCR模拟值，K_D-OCR的相关性与Lacasse & Lunne 提出的黏土超固结比表达式较为一致，如下式：OCR=0.225K_D^1.35对于超固结比OCR≥10，K_D-OCR的相关性则与Marchetti提出的黏土超固结经验公式较为一致，如下式：OCR=0.34K_D^1.56

为此，基于侧胀水平应力指数K_D，提出拟合方程式（来计算黏性土的超固结比OCR，两者的确定系数为0.9526。依托广州地铁18号线横沥站～番禺广场站区间进行扁铲侧胀试验实测数据分析，结果表明方程式（3）的预测结果与现场实测数据也具有良好的一致性，如图1所示。OCR=0.913e^0.182KD

5 结论

本文某地铁区间岩土工程勘察项目，通过数值模拟方法建立扁铲侧胀探头贯入土体的三维有限元模拟，采用总应力法进行分析，得到以下几个结论：

（1）使用弹塑性本构模型和遵循最大切应力失效准则的总应力分析方法可以很好地模拟扁铲侧胀的贯入过程；采用C3D20单元比C3D8单元对网格划分，更有利于描述模型的应力-应变场，可有效降低单元畸变；

（2）目前的文献记录中，无统一的黏性土的侧胀水平应力指数K_D-超固结比OCR、黏性土的侧胀水平应力指数K_D-静止侧压力系数k₀经验公式，因此，建立K_D-OCR、K_D-k₀经验公式分别如方程式（8）、方程式（11）所示，经验公式获得的计算结果与现场数据具有良好的一致性。

参考文献：

[1]Baligh M M, 1985. Strain path method[J]. ASCE. International Journal of Geomechanics, (9): 1108-1136.

[2]Chang M, 1991. Interpretation of over-consolidation ratio from in-situ tests in recent clay deposits in Singapore and Malaysia[J]. Canada Geotechnical Journal, 28(2): 210-255.

[3]Finno R J, 1993.Analytical interpretation of dilatometer penetration though saturated cohesive soils[J]. Geotechnique, 43(2): 241-254.

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