佘紅+謝焰云

摘 要：在土的沉降計算、考慮土體強度增長計算中，超固結(jié)土與正常固結(jié)土（包括欠固結(jié)土）的計算方法是不一樣的，因此判定土的固結(jié)狀態(tài)是十分重要的。目前先期固結(jié)壓力的確定基本通過室內(nèi)一維固結(jié)試驗。本文討論了通過不同固結(jié)狀態(tài)土在試驗中表現(xiàn)的特征簡單判定固結(jié)狀態(tài)方法、傳統(tǒng)試驗求先期固結(jié)應(yīng)力方法、先期固結(jié)壓力與相關(guān)物理力學(xué)指標相關(guān)經(jīng)驗關(guān)系法。結(jié)論表明：采用綜合方法判斷飽和粘性土的先期固結(jié)壓力更為合理。

關(guān)鍵詞：先期固結(jié)壓力；固結(jié)狀態(tài)；特征曲線；相關(guān)性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.093

1 前言

土在歷史上所經(jīng)受過的最大豎向有效應(yīng)力稱為先期固結(jié)壓力（或前期固結(jié)壓力），常用表示。土的先期固結(jié)壓力與土現(xiàn)在所受的壓力的比值定義為土的超固結(jié)比OCR，即OCR=/。當OCR>1時，土為超固結(jié)狀態(tài)；OCR=1時，土為正常固結(jié)狀態(tài)；OCR<1時，土為欠固結(jié)狀態(tài)。在飽和粘性土的沉降計算、考慮土體強度增長計算中，超固結(jié)土與正常固結(jié)土（包括欠固結(jié)土）的計算方法是不一樣的，因此判定飽和粘性土的固結(jié)狀態(tài)是十分重要的。本文討論了通過不同固結(jié)狀態(tài)土在試驗中表現(xiàn)的特征簡單判定固結(jié)狀態(tài)方法、傳統(tǒng)試驗求先期固結(jié)應(yīng)力方法、先期固結(jié)壓力與相關(guān)物理力學(xué)指標相關(guān)經(jīng)驗關(guān)系法等方法判斷飽和粘性土的先期固結(jié)壓力。

2 特征曲線簡單判定法

在三軸剪切試驗與測孔壓靜力觸探試驗中，超固結(jié)飽和粘性土與正常固結(jié)飽和粘性土（欠固結(jié)飽和粘性土）會表現(xiàn)出不一樣的特性，基于這些特性曲線，我們就可以判斷土體的固結(jié)狀態(tài)。

2.1 三軸剪切試驗曲線

2.1.1 基于剪應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線

在三軸固結(jié)不排水試驗（測孔壓）中，以剪應(yīng)力（kPa）為縱軸，軸向應(yīng)變ξ（%）為橫軸得到剪應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線，如圖1所示。

對于正常固結(jié)飽和粘性土或欠固結(jié)飽和粘性土，剪應(yīng)力隨軸向應(yīng)變增大而增大，最終趨于穩(wěn)定，如圖1中曲線b。對于超固結(jié)飽和土，隨軸向應(yīng)變增大，剪應(yīng)力先增大，達到一個峰值后會減小，并趨于穩(wěn)定，如圖1中曲線a所示。

2.1.2 基于孔隙水壓力與軸向應(yīng)變曲線

在三軸固結(jié)不排水試驗（測孔壓）中，以孔隙水壓力（kPa）為縱軸，軸向應(yīng)變ξ（%）為橫軸得到孔隙水壓力與軸向應(yīng)變曲線，如圖2所示。

對于正常固結(jié)飽和粘性土或欠固結(jié)飽和粘性土，孔隙水壓力隨軸向應(yīng)變增大而增大，最終趨于穩(wěn)定，如圖2中曲線b。對于超固結(jié)飽和土，隨軸向應(yīng)變增大，孔隙水壓力先增大，隨后會減小，然后在增大，如圖2中曲線a所示。因為對于超固結(jié)土，土體在被剪切過程中，會發(fā)生剪脹效應(yīng)，會造成孔隙水壓力減??；強超固結(jié)土受剪切時，會出現(xiàn)孔隙水壓力為負的現(xiàn)象。

2.1.3 基于應(yīng)力路徑曲線

在三軸固結(jié)不排水試驗（測孔壓）中，以P=（σ1-σ3）/2為縱坐標，Q=（σ1+σ3）/2為橫坐標得到應(yīng)力路徑曲線，如圖3所示。

由于超固結(jié)土在剪切時會發(fā)生剪脹，會造成孔隙水壓力減小。因此，對于正常固結(jié)飽和土或欠固結(jié)飽和土，應(yīng)力路徑曲線如圖3中曲線b所示，Q=（σ1+σ3）/2會先增大，后減小并小于σ3（總應(yīng)力）。對于超固結(jié)土，應(yīng)力路徑曲線如圖3中曲線a所示。

2.2 基于孔壓靜力觸探（CPTU）中消散試驗曲線

孔壓靜力觸探試驗可用消散試驗得到飽和粘性土的水平固結(jié)系數(shù)。消散試驗是當帶有測孔壓功能的探頭貫入土體某一深度時，量測孔隙水壓力隨時間變化的試驗。消散試驗中，以孔隙水壓力為縱軸，以時間為橫軸，得到孔隙水壓力隨時間變化的曲線，如圖4所示。

對于正常固結(jié)飽和粘性土或欠固結(jié)飽和粘性土，探頭貫入土體時，會在土體周圍產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，超靜孔隙水壓力隨時間會慢慢消散，如圖4曲線b所示。對應(yīng)超固結(jié)土，探頭貫入土體時，土體會發(fā)生剪脹效應(yīng)，因此土體內(nèi)超靜孔隙水壓力會比較小，但隨時間增加，孔隙水壓力會回升，當孔隙水壓力回升達到峰值后，然后又會隨時間慢慢消散，如圖4曲線a所示。

3 室內(nèi)試驗方法

室內(nèi)一維固結(jié)試驗常采用應(yīng)力控制法，應(yīng)變控制法較少采用。通過室內(nèi)一維固結(jié)試驗，可以得到孔隙比與壓力對數(shù)的曲線，e-logp曲線。Casagrande提出了確定先期固結(jié)壓力的方法，步驟如下：

（1）在孔隙比與壓力對數(shù)的曲線彎曲段確定曲率最大點并做出該點的切線；

（2）過該點做一條水平線，然后做切線與水平線夾角的角平分線；

（3）延遲e-logp曲線的直線段，與第2步的角平分線相交；

（4）取第3步交點的橫坐標作為先期固結(jié)壓力。

Casagrande確定先期固結(jié)壓力的方法現(xiàn)廣泛應(yīng)用于世界各地。Becker等（1987）提出了功法；Jose（1989）和Sridharan（1991）等提出了雙對數(shù)法，但這兩種方法在實際工作中很少被使用。

通過室內(nèi)一維固結(jié)試驗求飽和粘性土的先期固結(jié)壓力很多時候也并不可靠，如：①當土體受取樣、制樣等擾動較大；②e-logp曲線有一個較長的平緩彎曲段的情形，很難確定彎曲段曲率最大點。

4 經(jīng)驗關(guān)系法

4.1 基于物理指標

根據(jù)天然含水量與阿太堡試驗（Atterberg）（不同于國內(nèi)液塑限試驗）的液限、塑限的相對關(guān)系就可大致估算飽和粘性土的固結(jié)狀態(tài)。

（1）若天然含水量接近于液限，那么飽和粘性土可能處于正常固結(jié)狀態(tài)；

（2）若天然含水量更為接近于塑限，那么飽和粘性土可能處于超固結(jié)狀態(tài)。

但以上規(guī)律不適用于分析因收縮或化學(xué)作用而引起的超固結(jié)狀態(tài)。

Nagaraj和Srinivasa Murthy（1985，1986）提出了一個用物理指標簡單估算先期固結(jié)壓力的關(guān)系式，它適應(yīng)于在上覆土層壓力（與收縮或化學(xué)因素不同）作用下先期固結(jié)的飽和粘性土，為天然含水量，為阿太堡試驗（Atterberg）的塑限：

4.2 基于不排水強度

對于正常固結(jié)飽和粘性土，先期固結(jié)壓力就等于現(xiàn)場上覆土層壓力，現(xiàn)場上覆土層壓力值與不排水抗剪強度有一定的關(guān)系。如果我們知道了正常固結(jié)土的不排水抗剪強度，那么我們就可以估算正常固結(jié)土體的先期固結(jié)壓力。

（1）Bjerrum和Simons（1960）提出了與塑性指數(shù)與液限指數(shù)的關(guān)系式。

上述公式中塑性指數(shù)與液性指數(shù)均采用小數(shù)形式表示，兩個公式的離散度約為30%。

（2）Skempton和Henkel（1953）建議：

式中IP為百分數(shù)形式而不是小數(shù)形式。

（3）Karlsson和Viberg（1967）建議：

式中液限為小數(shù)形式，此式離散性約為30%。

4.3 基于靜力觸探試驗

孔壓靜力觸探試驗?zāi)芡瑫r測的三個有用參數(shù)：錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力及孔隙水壓力。基于這個三個參數(shù)，業(yè)界已經(jīng)提出了很多方法來估算飽和粘性土的先期固結(jié)壓力（或超固結(jié)比）。但常用的主要有三種方法①基于錐尖阻力的方法；②基于孔隙水壓力的方法；③聯(lián)合錐尖阻力與孔隙水壓力的方法。劉松玉③等人研究表明采用凈錐尖阻力確定先期固結(jié)壓力比另外兩種方法更可靠。

式中（）為凈錐尖阻力；為豎向總應(yīng)力；為經(jīng)孔壓修正的錐尖阻力；為實測錐尖阻力；為探頭量測的孔壓；為探頭有效面積比；為試驗參數(shù)，平均值為2.5。

5 結(jié)論

室內(nèi)一維固結(jié)試驗求飽和粘性土的先期固結(jié)壓力有時并不可靠，而不同固結(jié)狀態(tài)的飽和粘性土在一些試驗中會表現(xiàn)出不同的特性，飽和土的先期固結(jié)壓力與物理力學(xué)性指標也具有一定的相關(guān)性。掌握這些特性及相關(guān)性，可以更容易、準確的判定飽和土的固結(jié)狀態(tài)及先期固結(jié)壓力。

參考文獻：

[1]Joseph E.Bowles，P.E.，S.E.FOUNDATION ANALYSIS AND DESIGN（Fifth Edition），1997.

[2]BRITISH STANDARD BS1377-6 Consolidation and permeability tests in hydraulic cells and with pore pressure measurement

[3]劉松玉等.基于CPTU測試的先期固結(jié)壓力確定方法試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2007（04）.

[4]龔曉南.土力學(xué)，2002.

[5]土工試驗方法標準（Standard for test method）[S].GB/T 50123-1999.

[6]工程地質(zhì)手冊（第四版）[M].2007.

作者簡介：佘紅（1984-），男，本科，工程師，主要從事國內(nèi)外港口碼頭等項目工程勘察工作。