地基基礎設計要考慮地基土體的先期固結壓力

陳賢挺 陳潔榮

(1.廣西電力工業勘察設計研究院地質部，廣西南寧 530023; 2.大唐巖灘水力發電有限責任公司計劃經營部，廣西南寧 530811)

0 引言

天然土層在歷史上所受過的包括自重和其他荷載作用形成的最大豎向有效固結壓力稱為土體的先前固結壓力(又稱為前期固結壓力)，用Pc表示。將地基中土體的先前固結壓力Pc與現有上覆土層壓力P0進行對比的比值定義為超固結比OCR。

依據土體的超固結比OCR值可以將土體分為三種:若地基土體歷史上曾在比現有上覆壓力P0還要大的壓力下固結，即OCR＞1.0，這類地基土稱為超固結土;若地基土體歷史上沒有受過比現有上覆壓力P0更大的壓力，且在P0作用下地基土固結已經完成，即OCR=1.0，為正常固結土;若地基土體在上覆壓力P0作用下固結尚未完成，土層還在繼續固結過程中，即OCR＜1.0，為欠固結土。

正常固結狀態土經卸荷可以進入超固結狀態，成為超固結土。超固結土經加荷，當壓力超過歷史上最大的固結壓力，土體進入正常固結狀態，成為正常固結土。超固結狀態和正常固結狀態兩者在一定條件下是可以相互轉變的［1］。

1 先前固結壓力對地基基礎設計的重要性

應力歷史對土的壓縮性有顯著的影響，以下就分別對在這三類地基土上建造工程時可能出現的土體變形現象進行分析。

1.1 超固結土

由于超固結土歷史上曾在比現有上覆壓力還要大的壓力下固結，在這種地基土體上建造建筑物時:

1)如果上覆土體自重和基礎及建筑物重量始終小于土體的先前固結壓力Pc，則反映到土的壓縮和回彈曲線上將出現應力點沿著回彈曲線向上走，并最終停在回彈曲線上對應于現有上覆壓力P0及相應的孔隙比e的點處，這樣的規律對工程的影響就是由于建筑物地基土體孔隙比e的增大，建筑物不斷被抬升，直至地基土體孔隙比e達到穩定值，造成建筑物的基礎及本身與周圍地基土及相連接的地表建筑連接的破壞，同時也破壞埋設于地下的管道，也可能造成建筑物本身的傾斜和結構的破壞。這樣的超固結土包括在城市建設中拆除原大建筑建造小建筑的地基土體及土地開發時將高海拔平整為相對低海拔地域并建造小于原上覆壓力的建筑物的地基土體等;

2)如果上覆土體自重和基礎及建筑物重量先小于后大于土體的先前固結壓力Pc，則反映到土的壓縮和回彈曲線上將出現首先應力點沿著回彈曲線向上走，再沿著回彈壓縮曲線下降至交接點并繼續沿壓縮曲線下降，并最終停在壓縮曲線上對應于現有上覆壓力P0及相應的孔隙比e的點處，這樣的規律對工程的影響就是工程在建造過程中先隨著孔隙比e的增大而上升，再隨著孔隙比e的降低而沉降，同樣會造成建筑物的基礎及本身與周圍地基土及相連接的地表建筑連接的破壞，同時也破壞埋設于地下的管道，也可能造成建筑物本身的傾斜和結構的破壞。這樣的超固結土包括在城市建設中拆除原小建筑建造大建筑的地基土體及土地開發時將高海拔平整為相對低海拔地域并建造大于原上覆壓力的建筑物的地基土體等［2］。

1.2 正常固結土

由于正常固結土是地基土體歷史上沒有受過比現有上覆壓力P0更大的壓力，且在P0作用下地基土固結已經完成的土體。在這種地基土體上建造建筑物時，建造過程中地基土體上覆壓力一旦超過建造前的先前固結壓力，反映到土的壓縮和回彈曲線上將出現應力點沿壓縮曲線下降，并最終停在壓縮曲線上對應于建造后現有上覆壓力及相應的孔隙比e的點處，這樣的規律對工程的影響就是工程在建造過程中隨著孔隙比e的降低而沉降，假如在設計時合適的考慮了建筑物的沉降這個問題不難解決，如果未能合適考慮建筑物的沉降也會造成建筑物的基礎及本身與周圍地基土及相連接的地表建筑連接的破壞，同時也破壞埋設于地下的管道，也可能造成建筑物本身的傾斜和結構的破壞。這樣的情況尤其在高孔隙的土體中要引起重視，比如軟粘土。

1.3 欠固結土

欠固結土是指地基土體在上覆壓力P0作用下固結尚未完成，土層還在繼續固結的土體。在這種地基土體上建造建筑物時，由于地基土體本身就在繼續固結，隨著建筑物的建造，其上覆壓力逐漸增大，反映到土的壓縮和回彈曲線上將出現應力點沿壓縮曲線以比建造前更快的速度下降，并最終停在壓縮曲線上對應于建造后現有上覆壓力P0及相應的孔隙比e的點處，這樣的規律對工程的影響就是工程在建造過程中隨著孔隙比e的降低而沉降。在欠固結地基土上建造工程其沉降量一般是較大的，需要重點考慮，假如在設計時合適的考慮了建筑物的沉降這個問題不難解決，如果未能合適考慮建筑物的沉降也會造成建筑物的基礎及本身與周圍地基土及相連接的地表建筑連接的破壞，同時也破壞埋設于地下的管道，也可能造成建筑物本身的傾斜和結構的破壞。這樣的情況尤其在高孔隙的土體中要引起重視，比如軟粘土。

從以上分析中可以得出以土體的超固結比OCR劃分出的三種土的壓縮特性是不同的，因此在進行地基基礎的設計過程中要將地基土體的先前固結壓力和超固結比作為一個重要的影響因素進行考慮，超固結土尤為必要。

1.4 先前固結壓力Pc的測定方法

先前固結壓力Pc取決于土層的受力歷史(長期自然地質作用)，目前還沒有針對獲取Pc的現場試驗方法，也沒有發展具體的計算理論，工程中只能根據原狀土樣的e—logP曲線推求，這樣推求出的結果只是一種經驗的估計，原狀土的擾動及其擾動程度對結果的可靠度和準確度影響很大，工程應用最多的還是Casagrande 作圖法［3］。

2 考慮先前固結壓力沉降的計算方法

考慮先前固結壓力沉降的計算方法也稱為超固結土地基沉降計算方法。目前對土層復雜的地基土體沉降的計算一般都采用分層總和法。

考慮先前固結壓力沉降的計算方法首先應分析土體的OCR值［4］:

如果土體處于超固結狀態:

如果土體由超固結狀態已轉變為正常固結狀態:

得到各土層壓縮量后，再求和得到總沉降量。考慮先前固結壓力沉降的計算方法適用于計算超固結土地基以及加載—卸載—再加載的情況。

對正常固結土:

［1］龔曉南.高等土力學［M］.杭州：浙江大學出版社，1996.

［2］盧廷浩.土力學［M］.南京：河海大學出版社，2002.

［3］陳仲頤，周景星，王洪瑾，等.土力學［M］.北京：清華大學出版社，1994.

［4］顧慰慈.滲流計算原理及應用［M］.北京：中國建材工業出版社，2000.