工程勘察報(bào)告中壓縮指標(biāo)存在的問題、應(yīng)用現(xiàn)狀及改進(jìn)建議

覃震林

(柳州市勘察測(cè)繪研究院，廣西 柳州 545006)

1 引 言

使土產(chǎn)生壓縮或固結(jié)的應(yīng)力有兩種:其一是土的自重應(yīng)力;其二是外荷在地基內(nèi)部引起的附加應(yīng)力。對(duì)于新近沉積土或填土，起初土顆粒尚處于懸浮狀態(tài)，土的自重應(yīng)力由孔隙水承擔(dān)，有效應(yīng)力為零。隨著時(shí)間的推移，土在自重作用下逐漸沉降固結(jié)，最后自重應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，故這類土的自重應(yīng)力就是固結(jié)應(yīng)力。對(duì)于很多天然土層，其自重作用下已完全固結(jié)，則自重應(yīng)力不再使土產(chǎn)生固結(jié)，只是在外加的荷載下產(chǎn)生附加應(yīng)力才能使土產(chǎn)生固結(jié)，把天然土層在歷史上受到的最大固結(jié)應(yīng)力(指豎向有效應(yīng)力)稱為先期固結(jié)應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力歷史將土層分為正常固結(jié)土、固結(jié)土和欠固結(jié)土。

將先期固結(jié)壓力與現(xiàn)有覆蓋土之比值定義為超固結(jié)比OCR:

OCR=PC/PZ

PC——先期固結(jié)應(yīng)力

PZ——土的有效自重應(yīng)力

當(dāng)OCR=1 時(shí)，為正常固結(jié)土;當(dāng)OCR ＞1 時(shí)為超固結(jié)土;當(dāng)OCR ＜1 時(shí)為欠固結(jié)土。在實(shí)踐中考慮到取樣、封裝、運(yùn)輸、保存、制樣等擾動(dòng)及其他人為影響因素條件，在工程實(shí)踐中一般按超固結(jié)比略大于理論取值，通常當(dāng)OCR=1.0 ～1.2 時(shí)，視為正常固結(jié)土，如在《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》JGJ72 －2004 就是如此規(guī)定。當(dāng)前在勘察工程實(shí)踐中對(duì)土的應(yīng)力歷史普遍存在一定程度的忽視，不重視提供準(zhǔn)確合理的壓縮曲線、OCR 指標(biāo)，對(duì)工程建設(shè)可能有較大不良影響。

2 關(guān)于e ～p 室內(nèi)壓縮曲線

在一般的工程勘察中，勘察單位只提供各個(gè)土樣的e ～p 室內(nèi)壓縮曲線圖，甚至不提供該類壓縮曲線圖而僅提供各土樣的壓縮系數(shù)和壓縮模量。但按室內(nèi)e～p 曲線未考慮土層的應(yīng)力歷史，而在取原狀土樣時(shí)，應(yīng)力已經(jīng)釋放，按天然含水量W、土粒比重GS、土的天然重度γ 計(jì)算得出土樣的天然孔隙比e0，此e0即是e～p 曲線圖中對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)所施加的應(yīng)力p =0 時(shí)的孔隙比，即視為土已有回彈，如果是正常固結(jié)土，其即從自重應(yīng)力pz1=γz1解除為PZ=0 時(shí)，孔隙比由e1回彈至e0，試驗(yàn)時(shí)從壓力p=0 加荷至pz1時(shí)，此段變形實(shí)際上是土的再壓縮過程，當(dāng)壓力p ＞pz1時(shí)，才是土正常的壓縮曲線。由于近年來高層建筑普遍采用筏板基礎(chǔ)，需要勘察報(bào)告提供關(guān)于土的壓縮性指標(biāo)，對(duì)于正常固結(jié)土，勘察單位分別按各個(gè)土樣提供各土樣的e ～p 室內(nèi)壓縮曲線，由于在不同深度采樣，一個(gè)場(chǎng)地同一個(gè)土層可能有多達(dá)數(shù)十個(gè)樣，提供數(shù)十個(gè)曲線圖，各曲線未能有效統(tǒng)一整合，令設(shè)計(jì)人員難以應(yīng)用此成果，且天然土層是一個(gè)空間分布不太均勻的地質(zhì)體，必須有相當(dāng)數(shù)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、取舍、統(tǒng)計(jì)方能得到一個(gè)能滿足工程安全要求可靠度的代表值——勘察報(bào)告的巖土參數(shù)建議值，壓縮指標(biāo)也不例外。此外，有的勘察單位僅提供E100－200、E200－300、E300－400、E400－5400，如此壓縮模量建議值難以滿足設(shè)計(jì)計(jì)算需要，如計(jì)算需要E200－400值呢，總不能想當(dāng)然的按E200－300與E300－400平均取值吧?這也是一個(gè)問題。又如，需要E150－300值呢?更不能從以上所列壓模值計(jì)算出來。因此，無論是從統(tǒng)計(jì)學(xué)保證可靠性的角度，還是便于應(yīng)用壓縮指標(biāo)的角度看，都應(yīng)該有一個(gè)合理的方法對(duì)如此多個(gè)的曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，本人認(rèn)為，應(yīng)最終提供一條代表性壓縮曲線才能較好解決這個(gè)問題。

如何對(duì)同一土層提供一個(gè)代表性e ～p 壓縮曲線，其又有什么不足呢?我們從圖1～圖4結(jié)合上述論述進(jìn)行分析，為便于論述，舉一個(gè)簡(jiǎn)單的工程示例:在一個(gè)大筏基下為一層正常固結(jié)土層，現(xiàn)分別在基底下深度3 m、6 m、9 m處取樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得到a、b、c 三條壓縮曲線，則各曲線表示含意為:

圖1 3 m 深度土樣的室內(nèi)壓縮曲線圖(e ～p)

圖2 6 m 深度土樣的室內(nèi)壓縮曲線圖(e ～p)

圖3 9 m 深度土樣的室內(nèi)壓縮曲線圖(e ～p)

圖4 同一層土不同深度(3 m、6 m、9 m)土樣的室內(nèi)壓縮曲線合圖(e ～p)

(1)a 曲線，如圖1所示:土在3 m 處自重應(yīng)力P1(3)，圖上P1(3)壓力左側(cè)即P ＜P1(3)的曲線實(shí)際上是再壓縮段(取樣時(shí)土樣所受應(yīng)力從P1(3)減至0，在曲線圖上表示也可視為回彈至0 kPa時(shí)此樣的孔隙比，記為e0(3))，對(duì)于該土樣而言(注意，是針對(duì)該土樣而非該土層)，P ＜P1(3)時(shí)，曲線實(shí)際上為再壓縮段，P ＞P1(3)時(shí)，曲線為壓縮段。

(2)b 曲線，如圖2所示:土在6 m 處自重應(yīng)力P1(6)，圖上P1(6)壓力左側(cè)即P ＜P1(6)的曲線實(shí)際上是再壓縮段(取樣時(shí)土樣所受應(yīng)力從P1(6)減至0，在曲線圖上表示也可視為回彈至0 kPa時(shí)此樣的孔隙比，記為e0(6))，對(duì)于該土樣而言(注意，是針對(duì)該土樣而非該土層)，P ＜P1(6)時(shí)，曲線實(shí)際上為再壓縮段，P ＞P1(6)時(shí)，曲線為壓縮段。

(3)c 曲線，如圖3所示:土在9 m 處自重應(yīng)力P1(9)，圖上P1(3)壓力左側(cè)即P ＜P1(9)的曲線實(shí)際上是再壓縮段(取樣時(shí)土樣所受應(yīng)力從P1(9)減至0，在曲線圖上表示也可視為回彈至0 kPa時(shí)此樣的孔隙比，記為e0(9))，對(duì)于該土樣而言(注意，是針對(duì)該土樣而非該土層)，P ＜P1(9)時(shí)，曲線實(shí)際上為再壓縮段，P ＞P1(9)時(shí)，曲線為壓縮段。

由于土是彈塑性體，且殘余變形大于彈性變形，故容易理解理論上6 m處(自重應(yīng)力P1(6))回彈至P=0 的e0(6)＜e0(3)，而P=0 處的e0(9)＜e0(6)。或者換個(gè)思路，將三條曲線放在同一個(gè)曲線圖中比較，如圖4，由于為同一土層，此a、b、c 三條曲線應(yīng)大致在P1(9)點(diǎn)重合，向右側(cè)重合為一條曲線;同理，在P1(6)右側(cè)a、b 兩條線重合，在此圖中，對(duì)于b 線而言，P1(6)左側(cè)為b 線的再壓縮段，又因P1(6)＞P1(3)，對(duì)于a 曲線而言，此段卻為壓縮段，從土工原理中可知，再壓縮曲線緩于壓縮段(因前期已經(jīng)過壓縮)，依此類推，可知在小于P1(6)壓力段c 線緩于b線，b 線緩于a 線，過P1(9)后三線重合。

由上述分析可知，同一層土在不同深度取樣得出的壓縮試驗(yàn)結(jié)果是不一樣的，如果要統(tǒng)計(jì)成一條代表性曲線，會(huì)使a 線前部壓緩，而c 線前部抬高，為避免此不合理的統(tǒng)計(jì)，故在提供每一層正常固結(jié)土的代表性壓縮曲線時(shí)，應(yīng)將同一層土按深度分為厚度不太大的分層，即力學(xué)分層，再按每一層試驗(yàn)所得的e0取平均值，e0按式，各分層P1取同一分層的中間深度的自重壓力為宜，再取P1平均值。P2亦如此取值，即可得每一力學(xué)分層的各一條代表性室內(nèi)壓縮曲線。對(duì)一個(gè)場(chǎng)地來說，先按地質(zhì)成因、土的狀態(tài)等劃分土層(地質(zhì)分類)，在按每一土層劃分亞層(力學(xué)分層)，按每一亞層進(jìn)行壓縮性試驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)一條代表性e ～p 壓縮曲線。如此，勘察報(bào)告可提供不同土層、不同力學(xué)分層的代表性e ～p 壓縮曲線，極大地方便設(shè)計(jì)應(yīng)用，而不是面對(duì)可能多達(dá)數(shù)十條的曲線而難以取舍，合理地簡(jiǎn)化正常固結(jié)土的壓縮沉降計(jì)算問題。

圖5 先期固結(jié)壓力對(duì)實(shí)際壓縮段影響關(guān)系示意圖(e ～p)

但如果工程面對(duì)的是超固結(jié)土，欠固結(jié)土，則以上方法不適用，如果按上述方法計(jì)算，對(duì)于超固結(jié)土，其計(jì)算結(jié)果大于實(shí)際值，而對(duì)于欠固結(jié)土，其計(jì)算結(jié)果小于實(shí)際值。其原因亦可用土的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)曲線圖解釋(如圖5所示):

(1)如果先期固結(jié)壓力PC＜PZ自重壓力，即圖中PC在自重壓力PZ左側(cè)，此土實(shí)為欠固結(jié)土。該沉降計(jì)算壓力段取值應(yīng)為PC～PZ+P0，即壓力段為先期固結(jié)壓力至土的自重壓力與附加壓力之和。

(2)如果先期固結(jié)壓力PC＞PZ自重壓力，即圖中PC在自重壓力PZ右側(cè)，此土實(shí)為超固結(jié)土。該沉降計(jì)算壓力段取值應(yīng)為PZ～PZ+P0，即壓力段為土和自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和，但此段已包含了再壓縮段沉降，具體在e ～logp 曲線圖中分析。

(3)如果先期固結(jié)壓力PC=PZ自重壓力，即圖中PC與自重壓力PZ重合，此土即為正常固結(jié)土。該沉降計(jì)算壓力段取值應(yīng)為PZ～PZ+P0，即壓力段為土和自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和。

但實(shí)際上此先期固結(jié)壓力不知道是多少，是大于還是小于土的自重壓力同樣不知道，即并不能從e ～p室內(nèi)壓縮曲線圖中知道PC值，也就意味著面對(duì)勘察報(bào)告提供的e ～p 曲線圖，如果想當(dāng)然地將其當(dāng)作正常固結(jié)土按《建筑地基基設(shè)計(jì)規(guī)范》分層總和法計(jì)，則產(chǎn)生如下后果:

①如果該土實(shí)際上其為欠固結(jié)土，則計(jì)算結(jié)果是沉降計(jì)算值小于實(shí)際沉降值，偏不安全。

②如果該土實(shí)際上其為超固結(jié)土，則計(jì)算結(jié)果是沉降計(jì)算值大于實(shí)際沉降值，可能導(dǎo)致按沉降控制原本應(yīng)該可行的筏基方案因計(jì)算不合理而使合理的方案不成立，造成地基基礎(chǔ)方案選擇上的被動(dòng)。

③如果該土實(shí)際上其為正常固結(jié)土，則計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

可見，僅憑e ～p 圖不能理所當(dāng)然地進(jìn)行沉降計(jì)算，它是有前提條件的，但即使是勘察人員都不可能僅憑e ～p 圖就知道如何計(jì)算，更遑論設(shè)計(jì)人員，故此，可采用e ～logp 曲線。

3 關(guān)于e ～logp 室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線

按《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》8.2.11 －1 ～8.2.11 ～11 －4。

(1)正常固結(jié)土的固結(jié)沉降量

(2)超固結(jié)土的固結(jié)沉降量

(3)欠固結(jié)土的固結(jié)沉降量

計(jì)算示意圖如圖6～圖9所示。

圖6 正常固結(jié)土現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線(e ～logp)沉降計(jì)算示意圖

圖7 超固結(jié)土現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線在Pzi +P0i ＞Pci時(shí)沉降計(jì)算示意圖

圖8 超固結(jié)土現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線在Pzi +P0i ＜Pci時(shí)沉降計(jì)算示意圖

圖9 欠固結(jié)土現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線沉降計(jì)算示意圖

si—第i 層土的固結(jié)沉降量(mm);

hi—第i 層土的平均厚度(mm);

e0i—第i 層土的初始孔隙比平均值;

Cri—第i 層土的回彈再壓縮指數(shù)平均值;

PZi—第i 層土有效自重壓力平均值(kPa);

P0．i—對(duì)應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合時(shí)，第i 層土有效附加壓力平均值(kPa);

pc．i—第i 層土的先期固結(jié)壓力平均值(kPa);

以上3 種土4 種應(yīng)力狀態(tài)下的沉降計(jì)算如同e ～p曲線圖分析一樣表明不同土類、不同應(yīng)力狀態(tài)下其沉降是不一樣的，如果不考慮應(yīng)力歷史，均按正常固結(jié)以室內(nèi)壓縮曲線e ～p 計(jì)算，是完全不合理的，且可能不安全。

由于判斷土層超固結(jié)比對(duì)沉降計(jì)算的合理性有重要影響，因此得到土層超固結(jié)比是勘察工作的一個(gè)重要內(nèi)容，而按室內(nèi)試驗(yàn)確定前期固結(jié)應(yīng)力準(zhǔn)確性受取樣、制樣等影響很大，故此，非常強(qiáng)調(diào)必須采取高質(zhì)量Ⅰ級(jí)原狀土試樣，對(duì)取土器的要求，取樣的注意事項(xiàng)，包括封樣、運(yùn)輸、保存一系列環(huán)節(jié)，都必須嚴(yán)格按相關(guān)要求進(jìn)行，這一問題對(duì)勘察單位、勘察人員及土試人員提出了相當(dāng)高的要求，而非輕取樣、重原位測(cè)試(指標(biāo)貫)的習(xí)慣所能擔(dān)當(dāng)。另外，勘察工作前尚需巖土工程師對(duì)場(chǎng)地的地形、地貌、地層組成、土層沉積、剝蝕歷史等有一個(gè)宏觀把握，搜集、分析鄰近已有勘察資料，了解土層的應(yīng)力歷史，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析才能得出較為準(zhǔn)確合理的前期固結(jié)應(yīng)力值，如一個(gè)大面積人工剝蝕場(chǎng)地，則需勘察人員對(duì)比新老地形圖了解剝蝕厚度，對(duì)土試曲線最大曲率點(diǎn)的選擇和適合作圖比例尺的選擇都有對(duì)比、參照作用，提高作圖的準(zhǔn)確性。

推求現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線的大致步驟為:通過搜集區(qū)域地質(zhì)資料及鄰近勘察資料，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，大致了解推測(cè)土的應(yīng)力歷史后，制定勘察方案，包括土工試驗(yàn)要求，在獲得初步的鉆探資料后劃分出場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)代表性地層剖面，此后，要求實(shí)驗(yàn)室在試驗(yàn)過程中隨時(shí)繪制e～logp 曲線，待壓縮曲線出現(xiàn)急轉(zhuǎn)折后，立即逐級(jí)缷荷至P0(P0為前期最大固結(jié)壓力)，讓回彈穩(wěn)定，再分級(jí)加荷，則可得如下曲線ADFC，如圖10所示，以備推測(cè)超固結(jié)土的現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線。具體過程在《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》已有具體步驟，不再此一一贅述，如果PZ=PC，即為正常固結(jié)土，PZ＜PC為欠固結(jié)土，PC＞PZ，即為超固結(jié)土。

圖10 超固結(jié)土現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線(e ～logp)推求方法示意圖

4 結(jié) 語

通過以上分析，勘察方須重視取樣質(zhì)量，在提供各壓縮曲線時(shí)應(yīng)明確其應(yīng)用條件(固結(jié)、超固結(jié)、欠固結(jié))，切實(shí)了解壓縮指標(biāo)的含義和應(yīng)用。

［1］華東水利學(xué)院土力學(xué)教研室．土工原理與計(jì)算［M］．水利電力出版社，1984．

［2］錢家歡．土力學(xué)［M］．河海大學(xué)出版社，1988．

［3］GB/T50123 －1999．土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［4］JGJ72 －2004．高層建筑巖土工程勘察規(guī)程［S］．

［5］SDS 01 －79．土工試驗(yàn)規(guī)程［S］．