34
文章编号：1672-7479（2014）01-0034-02
铁道勘察2014年第1期
静止侧压力系数测试方法的探讨
曹晓娟
（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251）
Study of the Testing Methods of Soil Static Lateral Pressure Coefficient
CAO Xiaojuan
通过试验数据分析，研究应用应变控制式静三轴仪测定静止侧压力系数的方法，并评价其
可靠性和准确性。
摘
要关键词
静止侧压力系数
中图分类号：P642. 12
应变式静三轴仪文献标识码：A
试验方法
1概述
土的静止侧压力系数K 0是土体在无侧向变形条
分侧压力：（1）用钢试样校正膜消耗的部分侧压力；（2）制样时不要偏心，轴向变形为零时，预加侧压力；（3）测试样中的孔隙水压力。但侧压力仪由于种种原因，实际测得的试验数据偏小，直接加大了设计的风险性。对于其他仪器和方法，国内尚没有可以使用的规范和规程，在这种现状下，研究测定静止侧压力系数的测试方法很有必要。
在进行静止侧压力系数测定时，要求主应力方向是水平向和垂直向，即试样的上、下面和侧面都是主应力面，不存在剪应力。因此，在试验过程中控制样品的受力面积保持不变是试验的前提条件。本文中主要利选取一定数量的不同种类土用应变控制式静三轴仪，
样，随着试样排水，使孔隙压力消散，同时缓慢施加轴控制排水量等于轴向变形量与试样初始面积向压力，的乘积，保证试样在试验过程中初始面积不变，使有效侧向压力与有效轴向压力之比等于静止侧压力系数值，从而测定静止侧压力系数。通过试验数值分析，研究应用应变控制式静三轴仪测定静止侧压力系数的方法要点，并评价其可靠性和准确性。
侧向有效应力与轴向有效应力之比值。K 0是土件下，
K 0的主要力学特征指标之一，对于一定的土层来说，是一个稳定值。随着土工试验技术的发展，常常需要
其值直接影响到土的准确测定土的静止侧压力系数，
强度特征、有效应力和应力路径等，尤其是在有限元法
应用于土力学问题以后，正确确定土的力学指标问题就更为突出。此外，在砂土液化、桩的负摩阻力等方
K 0也都有着十分广泛的应用。因此，K 0的测定问面，
题日益得到重视。目前，确定静止侧压力系数的方法有以下三种：用经验公式求算或估算；利用室内土工试验确定；利用原位测试确定。本文仅就室内土工试验法进行研究。
2试验方法
目前，国内测定静止侧压力系数的仪器，仅有侧压力仪；方法上，仅有水利部的行业标准《土工试验规SL237—1999中的静止侧压力系数试验方法。通程》
过对国内较大的试验室进行的调研和与一些土工试验专家的探讨，通常采用以下几方面措施减少消耗的部
10-28收稿日期：2013-E-mail ：2007－peggy @作者简介：曹晓娟（1971—），女，高级工程师，163．com 。
33. 1
对比试验结果分析对比试验
研究采用对比试验进行。（1）仪器
应变式三轴仪和静止侧压力仪进行对比试验。
静止侧压力系数测试方法的探讨：曹晓娟
35
表1
试验数据
经验值
K 0与经验值相对误差/%4. 77. 016. 318. 614. 018. 69. 325. 630. 227. 917. 220. 85. 735. 832. 118. 94. 79. 311. 623. 327. 918. 614. 025. 618. 66. 19. 121. 224. 272. 712. 129. 238. 951. 444. 443. 155. 627. 841. 526. 424. 513. 234. 018. 923. 412. 145. 59. 10. 021. 217. 6
K 三轴与经验值相对误差/%23. 316. 34. 70. 025. 616. 39. 332. 69. 30. 012. 87. 50. 09. 41. 91. 93. 44. 720. 916. 311. 62. 30. 02. 36. 312. 10. 09. 19. 130. 312. 112. 59. 75. 69. 78. 325. 018. 112. 717. 07. 518. 95. 71. 96. 490. 9103. 0100. 072. 778. 889. 1
（2）试验方法
分别采用本研究中的三轴法和SL239－1999中的K 0测定法。
（3）样品
采用同一种土类，分别进行试验。（4）试验时间
样品取样和饱和的时间是一样的，具体试验时间SL239－1999中的K 0测定法一般需要10 20h ，试验过程中五级轴向加荷（一般每级加荷变形稳定时间为2 5h ）；本研究中的三轴法一般需要2 4h 。试验研究的前提是试验过程中确保样品的截面积不变，通过加压过程中控制剪切速率和排水率来控制。实践证明，通过有效的控制，可以使样品的截面积保持不变。在饱和后和试验后分别对样品的直径进行了测量，试验前后样品的情况如图1所示。
三轴法K 0试验记录
工程编号：周围压力读数/kPa
[***********]0240270300
体变读数/mL0. 03. 54. 24. 45. 25. 45. 76. 16. 26. 46. 8
试样编号：
主应力差/kPa[***********][1**********]0
大主应力/kPa[***********][1**********]10
试样编号
I p
I L
K 0
K 三轴0. 330. 360. 450. 430. 320. 360. 390. 290. 390. 430. 380. 490. 530. 480. 540. 520. 510. 410. 520. 500. 480. 440. 430. 420. 460. 370. 330. 360. 360. 430. 370. 630. 650. 680. 650. 660. 540. 590. 630. 620. 490. 630. 560. 520. 560. 630. 670. 660. 570. 590. 62
轴向位移测力传感计读数/mm器读数/N
0. 03. 64. 44. 65. 45. 65. 96. 36. 46. 77. 1
[***********][1**********]8
静止侧压力系数ξ=0. 5172r =0. 997横坐标轴上截距=31. 4
图1三轴法K 0试验记录
3. 2对比试验结果分析
由于时间和样品上的限制，本次研究共对44组样品进行了以上内容的试验。样品基本上分为粉土、粉质黏土、黏土三类，其中粉土10组、粉质黏土17组、黏土17组。具体试验数据如表1所示。
71558. 21. 0271578. 41. 1771638. 00. 8071987. 70. 8772008. 81. 3272029. 50. 8772069. 70. 7072109. 00. 0372247. 3－0. 1472339. 70. 26粉土试验数据平均值715310. 91. 34715110. 11. 40716712. 00. 57719610. 70. 55716110. 90. 86粉质黏土（软塑）试验数据平均值717112. 90. 05721216. 20. 28721610. 50. 20721814. 50. 12522013. 60. 44522215. 50. 36522411. 20. 39粉质黏土（可塑）试验数据平均值525511. 5－0. 01525612. 5－0. 06522613. 4－0. 10522815. 7－0. 09723115. 9－0. 08粉质黏土（坚硬）试验数据平均值714718. 01. 07522318. 11. 12522519. 01. 50525118. 71. 24525321. 01. 13235819. 50. 57236018. 40. 52黏土（软塑）试验数据平均值715919. 10. 50716918. 10. 35720818. 00. 24496920. 50. 38241817. 40. 23黏土（可塑）试验数据平均值722220. 3－0. 05722717. 3－0. 12722919. 6－0. 19522718. 0－0. 07522918. 6－0. 10黏土（坚硬）试验数据平均值
0. 410. 400. 360. 350. 370. 350. 390. 320. 300. 310. 360. 420. 500. 340. 360. 430. 410. 390. 380. 330. 310. 350. 370. 320. 350. 310. 300. 400. 250. 570. 370. 510. 440. 350. 400. 410. 320. 520. 420. 390. 400. 460. 350. 430. 410. 370. 480. 360. 330. 400. 39
0. 43
0. 53
0. 43
0. 33
0. 72
0. 53
0. 33
36
文章编号：1672-7479（2014）01-0036-03
铁道勘察2014年第1期
基于渗漏水的隧道渗流场有限差分法分析
豆海涛
（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）
Analysis of Seepage Fields Based on Water Leakage in
Tunnel Lining with Finite Difference Method
DOU Haitao
建立FLAC 有限差分计算模型，模拟隧道围岩、地下水、初期支护和二次衬砌，探讨在不
同的渗漏水位置和地下水位条件下隧道衬砌结构的各种内力及参数响应。数值模拟计算结果显示：当
摘
要
拱顶渗漏水对结构影响最大；当水压力逐渐增大时，拱腰渗漏水对结构的影响逐渐显现，水压力较小时，
而且结构出现不对称的内力及参数响应，分析结果可为渗漏水病害条件下隧道结构安全评估提供判断基础。
关键词
隧道衬砌渗漏水渗流场有限差分法
中图分类号：U459. 5文献标识码：A
近几年来，随着国家加强对基础设施建设的投入，
我国已成为世界上隧道工程数量最多、最复杂、发展最快的国家。经过多年运营，早期修建的隧道经常出现多种病害，其中渗漏水是最为普遍的一种病害，在隧道“十洞九漏”界常有的说法，一方面危害隧道结构和周围环境，另一方面影响行车和洞内设施安全。由于以“以排为主”往的修建原则，大量排水造成部分隧道地
11-27收稿日期：2013-E-mail ：503434165@qq．com 。作者简介：豆海涛（1983—），男，工程师，
3D
FLAC 3D
工农业生产生活用水缺失、地表沉降、岩表井泉干枯、
溶塌陷、水土流失、土壤沙化等系列环境问题，所以“限量排放”、“以堵为主”、“控制排放”等新的隧道防排水原则
［1］
开始被提出，并逐渐得到广泛应用，已成
为隧道工程界的主流认识。山岭隧道是在岩体中建造的，其穿越的岩体多数为裂隙型和裂隙岩溶型。围绕裂隙岩体渗流，国内外学者
［2-7］
进行了大量的研究。
而衬砌材料（如混凝土）具有一定渗透性时，隧道衬砌和围岩结合紧密，可以认为，地下水的渗流运动是连续
櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆
容易掌握，不仅适用于科研也能满足生产需要。通过
4结论和建议
数据对比，本研究中的三轴法与SL239－1999中的K 0
本研究中三轴法做出来的K 0值有一定的规律性，基本符合粉土、粉质黏土、黏土经验值的变化；与
SL239－1999中的K 0测定法做出来的数据基本一致，甚至更接近土的经验值。坚硬状态的黏土与经验值相差较多，考虑为土质较硬，制件成型尺寸不规范和饱和后样品端部有扰动现象造成，试验中应该严格控制制件尺寸和避免饱和时扰动试件。
通过对试验数据的总结和分析，得出了三轴法测定土的静止侧压力系数试验的方法，该方法操作简单，
测定法都能够测定土的K 0值，但前者更接近土的经验值，而且大大缩短了试验时间，提高了试验效率。
参
考
文
献
［1］国家质量技术监督局，GB /T50123—中华人民共和国建设部，
1999土工试验方法标准［S ］．北京：中国计划出版社，1999［2］中华人民共和国水利部．SL237—1999土工试验规程［S ］．北京：
1999中国水利水电出版社，
［3］中华人民共和国铁道部．TB10102—2010铁路工程土工试验规
．北京：中国铁道出版社，2010程［S ］
［4］常士骠，张苏民．工程地质手册（第四版）［M ］．北京：中国建筑工
2007业出版社，
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文章编号：1672-7479（2014）01-0034-02
铁道勘察2014年第1期
静止侧压力系数测试方法的探讨
曹晓娟
（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251）
Study of the Testing Methods of Soil Static Lateral Pressure Coefficient
CAO Xiaojuan
通过试验数据分析，研究应用应变控制式静三轴仪测定静止侧压力系数的方法，并评价其
可靠性和准确性。
摘
要关键词
静止侧压力系数
中图分类号：P642. 12
应变式静三轴仪文献标识码：A
试验方法
1概述
土的静止侧压力系数K 0是土体在无侧向变形条
分侧压力：（1）用钢试样校正膜消耗的部分侧压力；（2）制样时不要偏心，轴向变形为零时，预加侧压力；（3）测试样中的孔隙水压力。但侧压力仪由于种种原因，实际测得的试验数据偏小，直接加大了设计的风险性。对于其他仪器和方法，国内尚没有可以使用的规范和规程，在这种现状下，研究测定静止侧压力系数的测试方法很有必要。
在进行静止侧压力系数测定时，要求主应力方向是水平向和垂直向，即试样的上、下面和侧面都是主应力面，不存在剪应力。因此，在试验过程中控制样品的受力面积保持不变是试验的前提条件。本文中主要利选取一定数量的不同种类土用应变控制式静三轴仪，
样，随着试样排水，使孔隙压力消散，同时缓慢施加轴控制排水量等于轴向变形量与试样初始面积向压力，的乘积，保证试样在试验过程中初始面积不变，使有效侧向压力与有效轴向压力之比等于静止侧压力系数值，从而测定静止侧压力系数。通过试验数值分析，研究应用应变控制式静三轴仪测定静止侧压力系数的方法要点，并评价其可靠性和准确性。
侧向有效应力与轴向有效应力之比值。K 0是土件下，
K 0的主要力学特征指标之一，对于一定的土层来说，是一个稳定值。随着土工试验技术的发展，常常需要
其值直接影响到土的准确测定土的静止侧压力系数，
强度特征、有效应力和应力路径等，尤其是在有限元法
应用于土力学问题以后，正确确定土的力学指标问题就更为突出。此外，在砂土液化、桩的负摩阻力等方
K 0也都有着十分广泛的应用。因此，K 0的测定问面，
题日益得到重视。目前，确定静止侧压力系数的方法有以下三种：用经验公式求算或估算；利用室内土工试验确定；利用原位测试确定。本文仅就室内土工试验法进行研究。
2试验方法
目前，国内测定静止侧压力系数的仪器，仅有侧压力仪；方法上，仅有水利部的行业标准《土工试验规SL237—1999中的静止侧压力系数试验方法。通程》
过对国内较大的试验室进行的调研和与一些土工试验专家的探讨，通常采用以下几方面措施减少消耗的部
10-28收稿日期：2013-E-mail ：2007－peggy @作者简介：曹晓娟（1971—），女，高级工程师，163．com 。
33. 1
对比试验结果分析对比试验
研究采用对比试验进行。（1）仪器
应变式三轴仪和静止侧压力仪进行对比试验。
静止侧压力系数测试方法的探讨：曹晓娟
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表1
试验数据
经验值
K 0与经验值相对误差/%4. 77. 016. 318. 614. 018. 69. 325. 630. 227. 917. 220. 85. 735. 832. 118. 94. 79. 311. 623. 327. 918. 614. 025. 618. 66. 19. 121. 224. 272. 712. 129. 238. 951. 444. 443. 155. 627. 841. 526. 424. 513. 234. 018. 923. 412. 145. 59. 10. 021. 217. 6
K 三轴与经验值相对误差/%23. 316. 34. 70. 025. 616. 39. 332. 69. 30. 012. 87. 50. 09. 41. 91. 93. 44. 720. 916. 311. 62. 30. 02. 36. 312. 10. 09. 19. 130. 312. 112. 59. 75. 69. 78. 325. 018. 112. 717. 07. 518. 95. 71. 96. 490. 9103. 0100. 072. 778. 889. 1
（2）试验方法
分别采用本研究中的三轴法和SL239－1999中的K 0测定法。
（3）样品
采用同一种土类，分别进行试验。（4）试验时间
样品取样和饱和的时间是一样的，具体试验时间SL239－1999中的K 0测定法一般需要10 20h ，试验过程中五级轴向加荷（一般每级加荷变形稳定时间为2 5h ）；本研究中的三轴法一般需要2 4h 。试验研究的前提是试验过程中确保样品的截面积不变，通过加压过程中控制剪切速率和排水率来控制。实践证明，通过有效的控制，可以使样品的截面积保持不变。在饱和后和试验后分别对样品的直径进行了测量，试验前后样品的情况如图1所示。
三轴法K 0试验记录
工程编号：周围压力读数/kPa
[***********]0240270300
体变读数/mL0. 03. 54. 24. 45. 25. 45. 76. 16. 26. 46. 8
试样编号：
主应力差/kPa[***********][1**********]0
大主应力/kPa[***********][1**********]10
试样编号
I p
I L
K 0
K 三轴0. 330. 360. 450. 430. 320. 360. 390. 290. 390. 430. 380. 490. 530. 480. 540. 520. 510. 410. 520. 500. 480. 440. 430. 420. 460. 370. 330. 360. 360. 430. 370. 630. 650. 680. 650. 660. 540. 590. 630. 620. 490. 630. 560. 520. 560. 630. 670. 660. 570. 590. 62
轴向位移测力传感计读数/mm器读数/N
0. 03. 64. 44. 65. 45. 65. 96. 36. 46. 77. 1
[***********][1**********]8
静止侧压力系数ξ=0. 5172r =0. 997横坐标轴上截距=31. 4
图1三轴法K 0试验记录
3. 2对比试验结果分析
由于时间和样品上的限制，本次研究共对44组样品进行了以上内容的试验。样品基本上分为粉土、粉质黏土、黏土三类，其中粉土10组、粉质黏土17组、黏土17组。具体试验数据如表1所示。
71558. 21. 0271578. 41. 1771638. 00. 8071987. 70. 8772008. 81. 3272029. 50. 8772069. 70. 7072109. 00. 0372247. 3－0. 1472339. 70. 26粉土试验数据平均值715310. 91. 34715110. 11. 40716712. 00. 57719610. 70. 55716110. 90. 86粉质黏土（软塑）试验数据平均值717112. 90. 05721216. 20. 28721610. 50. 20721814. 50. 12522013. 60. 44522215. 50. 36522411. 20. 39粉质黏土（可塑）试验数据平均值525511. 5－0. 01525612. 5－0. 06522613. 4－0. 10522815. 7－0. 09723115. 9－0. 08粉质黏土（坚硬）试验数据平均值714718. 01. 07522318. 11. 12522519. 01. 50525118. 71. 24525321. 01. 13235819. 50. 57236018. 40. 52黏土（软塑）试验数据平均值715919. 10. 50716918. 10. 35720818. 00. 24496920. 50. 38241817. 40. 23黏土（可塑）试验数据平均值722220. 3－0. 05722717. 3－0. 12722919. 6－0. 19522718. 0－0. 07522918. 6－0. 10黏土（坚硬）试验数据平均值
0. 410. 400. 360. 350. 370. 350. 390. 320. 300. 310. 360. 420. 500. 340. 360. 430. 410. 390. 380. 330. 310. 350. 370. 320. 350. 310. 300. 400. 250. 570. 370. 510. 440. 350. 400. 410. 320. 520. 420. 390. 400. 460. 350. 430. 410. 370. 480. 360. 330. 400. 39
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0. 43
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文章编号：1672-7479（2014）01-0036-03
铁道勘察2014年第1期
基于渗漏水的隧道渗流场有限差分法分析
豆海涛
（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）
Analysis of Seepage Fields Based on Water Leakage in
Tunnel Lining with Finite Difference Method
DOU Haitao
建立FLAC 有限差分计算模型，模拟隧道围岩、地下水、初期支护和二次衬砌，探讨在不
同的渗漏水位置和地下水位条件下隧道衬砌结构的各种内力及参数响应。数值模拟计算结果显示：当
摘
要
拱顶渗漏水对结构影响最大；当水压力逐渐增大时，拱腰渗漏水对结构的影响逐渐显现，水压力较小时，
而且结构出现不对称的内力及参数响应，分析结果可为渗漏水病害条件下隧道结构安全评估提供判断基础。
关键词
隧道衬砌渗漏水渗流场有限差分法
中图分类号：U459. 5文献标识码：A
近几年来，随着国家加强对基础设施建设的投入，
我国已成为世界上隧道工程数量最多、最复杂、发展最快的国家。经过多年运营，早期修建的隧道经常出现多种病害，其中渗漏水是最为普遍的一种病害，在隧道“十洞九漏”界常有的说法，一方面危害隧道结构和周围环境，另一方面影响行车和洞内设施安全。由于以“以排为主”往的修建原则，大量排水造成部分隧道地
11-27收稿日期：2013-E-mail ：503434165@qq．com 。作者简介：豆海涛（1983—），男，工程师，
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工农业生产生活用水缺失、地表沉降、岩表井泉干枯、
溶塌陷、水土流失、土壤沙化等系列环境问题，所以“限量排放”、“以堵为主”、“控制排放”等新的隧道防排水原则
［1］
开始被提出，并逐渐得到广泛应用，已成
为隧道工程界的主流认识。山岭隧道是在岩体中建造的，其穿越的岩体多数为裂隙型和裂隙岩溶型。围绕裂隙岩体渗流，国内外学者
［2-7］
进行了大量的研究。
而衬砌材料（如混凝土）具有一定渗透性时，隧道衬砌和围岩结合紧密，可以认为，地下水的渗流运动是连续
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容易掌握，不仅适用于科研也能满足生产需要。通过
4结论和建议
数据对比，本研究中的三轴法与SL239－1999中的K 0
本研究中三轴法做出来的K 0值有一定的规律性，基本符合粉土、粉质黏土、黏土经验值的变化；与
SL239－1999中的K 0测定法做出来的数据基本一致，甚至更接近土的经验值。坚硬状态的黏土与经验值相差较多，考虑为土质较硬，制件成型尺寸不规范和饱和后样品端部有扰动现象造成，试验中应该严格控制制件尺寸和避免饱和时扰动试件。
通过对试验数据的总结和分析，得出了三轴法测定土的静止侧压力系数试验的方法，该方法操作简单，
测定法都能够测定土的K 0值，但前者更接近土的经验值，而且大大缩短了试验时间，提高了试验效率。
参
考
文
献
［1］国家质量技术监督局，GB /T50123—中华人民共和国建设部，
1999土工试验方法标准［S ］．北京：中国计划出版社，1999［2］中华人民共和国水利部．SL237—1999土工试验规程［S ］．北京：
1999中国水利水电出版社，
［3］中华人民共和国铁道部．TB10102—2010铁路工程土工试验规
．北京：中国铁道出版社，2010程［S ］
［4］常士骠，张苏民．工程地质手册（第四版）［M ］．北京：中国建筑工
2007业出版社，