1、土木工程DOI:10.15961/j.jsuese.202200082粗粒料静止侧压力系数及其变形特性试验朱俊高1，蒯青青1*，王思睿2，褚福永3(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.镇江电力设计院，江苏 镇江 212000；3.丽水学院，浙江 丽水 323000)摘要：土体的静止侧压力系数K0是其重要的力学参数之一，合理地确定土体的K0系数对土工结构应力变形的准确计算有重要的理论意义与实用价值。然而，准确测量土体的K0系数并不容易，对粗颗粒土则更加困难。目前，能研究粗颗粒土K0的试验仪器极少，对K0系数的研究成果相应地也很少，而关于粗颗粒土在不同初
2、始孔隙比下K0系数的变化规律的研究几乎空白。为研究粗颗粒土的静止侧压力系数在不同初始孔隙比下的变化规律，研制了一种新型K0试验仪。该仪器既能用于测定粗颗粒土的K0系数，也可用于一般黏土或砂土K0的测定，且可用于高应力条件下。对某级配粗粒料进行了不同初始孔隙比状态下的K0压缩试验。试验粗颗粒土的母岩为似斑花岗岩，颗粒粒径范围20 mm。试样高度为8 cm，直径为10 cm，初始孔隙比为0.3、0.4、0.5、0.6，试验最大竖向压力为3.7 MPa。结果表明：当对试验粗粒料在K0状态下加载时，侧向应力与竖向应力之间呈现较好的线性关系，K0为常数。初始孔隙比为0.3、0.4、0.5、0.6时，K0
3、的范围为0.300.45，孔隙比对K0系数的影响显著；粗粒料的静止侧压力系数随着初始孔隙比的增加而增加，且两者之间近似呈直线关系；不同初始孔隙比条件下，试样的体积应变与平均正应力（或竖向应力）之间可用幂函数拟合；提出能够反映不同初始孔隙比的粗粒料K0条件下的应力应变关系经验公式。关键词：静止侧压力系数；粗粒料；初始孔隙比；体积应变；平均正应力中图分类号：TU43文献标志码：A文章编号：2096-3246（2023）04-0162-07Experiment of Coefficient of Earth Pressure At-rest of Coarse-Grained Soil and It
4、s Deformation BehaviorZHU Jungao1，KUAI Qingqing1*，WANG Sirui2，CHU Fuyong3(1.Key Lab.of Geomechanics and Embankment Eng.of Ministry of Education,Hohai Univ.,Nanjing 210098,China;2.Zhenjiang Electric Power Design Inst.,Zhenjiang 212000,China;3.Lishui Univ.,Lishui 323000,China)Abstract:The coefficient
5、of earth pressure at rest,K0,of soil is one of its important mechanical parameters,and it is of important theoretical signi-ficance and practical value to accurately determine the coefficient K0.However,it is difficult to measure this coefficient,and much more difficultfor coarse-grained soils.There
6、 are few apparatuses that can be used for studying K0 of coarse-grained soils so far,and there is almost no researchon the variation law of K0 of coarse-grained soils under different initial void ratios.To investigate the variation law of the at-rest earth pressurecoefficient of coarse-grained soil
7、under different initial void ratios,a new type of apparatus K0 for the test was developed.This apparatus can beused to determine the K0 of coarse-grained soil,as well as clay or sand,and can work under high-stress conditions.Several K0 tests were carriedout on coarse-grained soil with different init
8、ial void ratios using this new apparatus.The parent rock of the tested coarse-grained soil was a por-phyritic granite,and the particle size was less than 20 mm.The sample was 8 cm in height and 10 cm in diameter with initial void ratios of 0.3,0.4,0.5 and 0.6.The maximum vertical pressure was 3.7 MP
9、a.The test results showed that when the soil was loaded under the K0 state,therewas a good linear relationship between lateral stress and vertical stress,and thus K0 could be taken as a constant.With the initial void ratios of 0.3,收稿日期:2022 01 27基金项目:长江水科学研究联合基金重点支持项目（U2040221）；河海大学大型仪器设备共享基金（GX2022
10、05B；GX202204B）作者简介:朱俊高（1964），男，教授，博士.研究方向：土石坝.E-mail：*通信作者:蒯青青，E-mail：qqqK网络出版时间:2022 09 16 16:56:42 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 4 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.42023 年 7 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESJuly 20230.4,0.5 and 0.6,the K0 ranged roughly from 0.30 to 0.45,and the effect of the void rati
11、o on the K0 coefficient was evident.The at-rest earth pres-sure coefficient of the coarse-grained soil increased with the increase of the initial void ratio,and there was an approximately linear relationshipbetween the two parameters.A power function could be fitted between the volumetric strain and
12、 the average normal stress(or vertical stress)ofthe samples under different initial void ratio conditions,and an empirical formula that could reflect the stress-strain relationship of coarse-grained soil under K0 conditions with different initial void ratios was proposed.Key words:coefficient of at-
13、rest earth pressure;coarse-grained soil;initial void ratio;volumetric strain;average normal stress 土体的静止侧压力系数K0是土体在没有侧向变形的情况下受到的侧向有效应力与竖向有效应力的比值。K0在实际工程中主要用于确定土体（如地基）的应力状态，从而为准确计算土工结构的应力变形提供基础。粗颗粒土具有较高的抗剪强度和较小的压缩性，以及中等或较强的透水性，目前对其相关物理力学性质的研究较多12。然而，准确测量粗粒土K0比较困难，且测试手段较少，导致对粗粒土K0的相关研究很少。实际上，粗颗粒土应用十分广
14、泛，诸如土石坝、山区机场、填海造地、道路、护岸抛石体、河堤、江堤、海湾防波堤等填方工程，因此，深入研究粗粒土K0对预测这些工程的变形及稳定性有重要的理论意义和实用价值。土体静止侧压力系数可通过原位试验和室内试验测得。原位试验不仅试验技术较为复杂、成本高，其准确性也难以保证3。目前，常用特制的三轴剪切仪和固结仪开展室内试验测定静止侧压力系数。姜朴等4在三轴剪切仪上安装特殊的传感器监测侧向变形，调整侧向应力或轴向应力控制侧向应变为0，此时受到的侧向应力与轴向应力的比值即为K0。虽然，三轴仪测量K0的测试技术不断完善5，测量K0值的精确水平大大提升，但此类试验仪器操作较复杂，设备特殊，难以推广应用，
15、而且用于测量粗颗粒土K0试验的类似设备也未见报道。目前，可用于测定K0值的固结仪有刚性壁和柔性壁两种。刚性壁固结仪67的工作原理是在盛土环外壁粘贴应变片，试验时通过测量盛土环的变形间接获得侧向压力。这就要求盛土环既能够随试样侧向应变发生侧壁膨胀，又要求侧壁膨胀不能过大。柔性壁固结仪89的工作原理是利用侧壁橡皮囊之间的水压力间接确定侧向压力。但这类仪器的缺陷是加载时橡皮膜会嵌入粗颗粒土试样表面，导致较大的试验误差，且目前没有可靠的方法进行修正，故不适用于粗颗粒土的K0试验。近年来，研究测量K0值的试验方法在不断发展，以提高土体的静止侧压力系数精确度。朱俊高等1011研制了新型大型K0试验仪，该仪
16、器与单向压缩固结仪类似，可用于研究粗粒土，但该仪器侧壁与试样之间的摩擦力在一定程度上影响了测试的准确性。蔡正银等12采用离心模型试验的方法，研究了砂土颗粒粒径和密实度对砂土K0值的影响，该方法考虑了真实还原土体侧限状态，但对试验设备有较高的要求，其性能对K0的准确性也有直接影响。关于K0系数影响因素的研究，相关成果较少。Lee13、Wang14等通过试验研究发现黏土和砂土初始相对密实度Dr0增大时，K0有减小的趋势；Shi等15通过试验研究了钙质砂K0系数的影响因素及规律，但因其颗粒较小，与粗颗粒土性质差异大；Qian等16利用离散元方法研究了散粒体材料K0的影响因素。但本文认为，数值分析只能定性说明，目前还做不到准确定量。至于堆石料等粗颗粒土的K0系数相关研究成果更少。朱俊高等10研究认为，土体的初始相对密实度Dr0对其力学性质影响较大，尤其是粗颗粒土；蒋明杰等17研究表明，粗颗粒土K0随初始相对密实度Dr0的增加近乎线性减小，并建立了两者之间的经验公式。二者都认为土体Dr0增加（即初始孔隙比e0减小）会导致K0有减小的趋势。但是，蔡正银等12认为砂土K0值随Dr0增加而逐渐增加。由
