飽和粘性土先期固結壓力的判定方法

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，超固結土與正常固結土（包括欠固結土）的計算方法是不一樣的，因此判定土的固結狀態是十分重要的。目前先期固結壓力的確定基本通過室內一維固結試驗。本文討論了通過不同固結狀態土在試驗中表現的特征簡單判定固結狀態方法、傳統試驗求先期固結應力方法、先期固結壓力與相關物理力學指標相關經驗關系法。結論表明：采用綜合方法判斷飽和粘性土的先期固結壓力更為合理。

關鍵詞：先期固結壓力；固結狀態；特征曲線；相關性

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

1 前言

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

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，超固結飽和粘性土與正常固結飽和粘性土（欠固結飽和粘性土）會表現出不一樣的特性，基于這些特性曲線，我們就可以判斷土體的固結狀態。

2.1 三軸剪切試驗曲線

2.1.1 基于剪應力與軸向應變曲線

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

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

2.1.2 基于孔隙水壓力與軸向應變曲線

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

對于正常固結飽和粘性土或欠固結飽和粘性土，孔隙水壓力隨軸向應變增大而增大，最終趨于穩定，如圖2中曲線b。對于超固結飽和土，隨軸向應變增大，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。因為對于超固結土，土體在被剪切過程中，會發生剪脹效應，會造成孔隙水壓力減?。粡姵探Y土受剪切時，會出現孔隙水壓力為負的現象。

2.1.3 基于應力路徑曲線

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

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

對于正常固結飽和粘性土或欠固結飽和粘性土，探頭貫入土體時，會在土體周圍產生超靜孔隙水壓力，超靜孔隙水壓力隨時間會慢慢消散，如圖4曲線b所示。對應超固結土，探頭貫入土體時，土體會發生剪脹效應，因此土體內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 室內試驗方法

室內一維固結試驗常采用應力控制法，應變控制法較少采用。通過室內一維固結試驗，可以得到孔隙比與壓力對數的曲線，e-logp曲線。Casagrande提出了確定先期固結壓力的方法，步驟如下：

（1）在孔隙比與壓力對數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壓力。

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

通過室內一維固結試驗求飽和粘性土的先期固結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 經驗關系法

4.1 基于物理指標

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

（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狀態；

（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狀態。

但以上規律不適用于分析因收縮或化學作用而引起的超固結狀態。

Nagaraj和Srinivasa Murthy（1985，1986）提出了一個用物理指標簡單估算先期固結壓力的關系式，它適應于在上覆土層壓力（與收縮或化學因素不同）作用下先期固結的飽和粘性土，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

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

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

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

（2）Skempton和Henkel（1953）建議：

式中IP為百分數形式而不是小數形式。

（3）Karlsson和Viberg（1967）建議：

式中液限為小數形式，此式離散性約為30%。

4.3 基于靜力觸探試驗

孔壓靜力觸探試驗能同時測的三個有用參數：錐尖阻力、側壁摩阻力及孔隙水壓力?；谶@個三個參數，業界已經提出了很多方法來估算飽和粘性土的先期固結壓力（或超固結比）。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；為豎向總應力；為經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，平均值為2.5。

5 結論

室內一維固結試驗求飽和粘性土的先期固結壓力有時并不可靠，而不同固結狀態的飽和粘性土在一些試驗中會表現出不同的特性，飽和土的先期固結壓力與物理力學性指標也具有一定的相關性。掌握這些特性及相關性，可以更容易、準確的判定飽和土的固結狀態及先期固結壓力。

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測試的先期固結壓力確定方法試驗研究[J].巖土工程學報，2007（04）.

[4]龔曉南.土力學，2002.

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

[6]工程地質手冊（第四版）[M].2007.

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