上海道路工程固結系數的測試應用

田麗霞

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

0 引言

道路工程路基必須密實、均勻，具有足夠的穩定性、抗變形能力和耐久性。路基一般采用天然地基，對路基影響較大的是天然地基的沉降。上海是軟土地基，承載能力差，容易發生路基變形、強度不足等諸多問題，而且道路是長線路工程，若未采取一定的措施，極易導致路基發生不均勻沉降，影響車輛的正常通行。另外，在路橋接坡段，路基一般填筑較高，需要考慮路橋差異沉降的控制，減少跳車現象的產生。由于道路建設標準的提高和建設周期的縮短，對路基沉降控制要求越來越嚴格。道路設計需要根據勘察提供的固結系數指標來分析地基隨時間的沉降關系，并估算道路地基施工期沉降和工后沉降，以采用適宜的地基處理方案來控制路基沉降。目前固結系數指標主要由室內土工試驗測試提供。影響固結系數指標的因素有很多，主要有試驗方法、試驗穩定時間標準、試驗加荷大小、地基土性質、試驗取值確定等。另外固結系數指標在具體應用方面，需要根據地基土受力情況和地基處理方案進行合理選擇。

1 室內土工試驗方法

室內土工試驗確定固結系數的方法有很多，主要有時間平方根法（t90，見圖1）、時間對數法（t50，見圖 2）、時間對數坡度法（t68）、三點法、兩點法、速率法、標準曲線比擬法等。這些方法皆是利用泰沙基的一維固結理論，根據試驗時間和變形關系曲線的形狀相似性，以圖解法或經驗配合法，找出某一固結度U下，理論曲線上時間因數Tv相當于試驗曲線上某一時間的t值，再根據相應公式計算出固結系數。由于固結度和時間之間沒有簡單的數學關系，在實際試驗過程中得出的土樣變形和時間之間的關系曲線，受土的性質、應力歷史、試驗方法、加荷大小及穩定時間等影響都很大，不可能得出一致的結果，即使同一組土樣試驗，確定的固結系數也有差別。在所有影響因素中，試驗方法對試驗結果影響最大。在工程應用中，時間平方根法和時間對數法積累經驗較多，試驗結果更加可靠，故國家《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）等大多數規范推薦采用這兩種試驗方法。在這兩種試驗方法的選擇上，時間平方根法由于受試驗時間影響較小，可縮短試驗周期，利于工程實踐，故建議優先使用時間平方根法。如該方法不能準確定出試驗曲線開始的直線段，則采用時間對數法。

2 試驗穩定時間標準

地基土沉降穩定時間受制于土體排水固結時間的快慢。在排水固結過程中，有效應力會對地基土產生主固結和次固結兩部分的體積變化。在不同的穩定時間就會出現不同的固結曲線，尤其是粘性土滲透性差，排水固結達到穩定所需時間更長，因此固結系數試驗穩定時間標準對固結系數結果影響很大。目前規范對固結系數試驗一般要求采用每級壓力下固結穩定24 h的標準固結時間，一方面考慮土的變形能達到基本穩定，另一方面也考慮便于在每天同一時間施加壓力和測計變形讀數。但在實際工程中，采用24 h的穩定時間標準，試驗周期較長，不利于生產實踐。另外，對粉砂性土由于排水固結穩定時間很快，試驗時間顯得過長；而對液性指數較大的軟粘性土，穩定時間又嫌不夠。

圖1 時間平方根法（t90）曲線圖

圖2 時間對數法（t50）曲線圖

上海規范對固結系數試驗允許采用次固結增量校正的快速法（即每級2 h加荷，最后一級采用24 h加荷的穩定標準），僅規定對次固結系數測定時采用慢速法（即每級加荷壓力下固結24 h的穩定標準）。對時間平方根法而言，試驗的關鍵是確定試驗曲線開始的直線段，試驗穩定時間要求相對較低，采用次固結增量校正的快速法是適宜的；而對時間對數法，試驗的關鍵是確定試驗曲線中部的直線段和曲線末尾直線段，穩定時間越長末尾直線段越明顯，故對試驗穩定時間要求較高。因此上海規范對采用次固結增量法有特別說明：該方法適用于時間平方根法，對時間對數法宜采用慢速法。

具體試驗時，可根據地基土性質確定試驗穩定時間標準：對粉砂性土及液性指數不大的粘性土可采用時間平方根法，穩定時間可適當縮短（如采用次固結增量校正的快速法）；對液性指數較大的粘性土可采用時間對數法，穩定時間可按標準固結時間（每級荷載下穩定時間24 h的慢速法），其中對高液性指數的淤泥質土試驗穩定時間還宜延長。

3 試驗加荷大小

固結系數測試范圍宜為土的自重壓力至自重壓力與附加壓力之和，試驗加荷需根據土的附加壓力和自重壓力確定，另外還需考慮土的應力歷史。

3.1 附加壓力確定

附加壓力為道路路基填料產生的荷載，可根據道路路基填筑高度和斷面形式確定。上海地區一般道路路基填筑高度不大于2.0 m，路橋接坡段路基填筑高度控制在不大于3.0 m，附加壓力按100 kPa可滿足要求。但對路基填筑高度較大的高填土道路（如高速公路等），附加壓力將很大，試驗前需詳細了解道路路基填筑高度和斷面情況，以便確定適宜的試驗加荷壓力。

3.2 自重壓力確定

自重壓力需要根據各地基土埋深和地下水位深度確定，對涉及的地基土范圍可按路基壓縮層厚度采用應力比法（附加壓力與自重壓力比）確定。對道路路基填筑高度較大（如橋頭段）、以及軟土分布較厚的地段，應力比可選擇0.1；對路基壓縮層范圍內遇到土質較好的硬土層或密實的粉砂性土時，應力比可適當增大。

3.3 土的應力歷史

原始狀態下的土根據前期固結壓力可分為正常固結、欠固結、超固結三種情況。對超固結土如不考慮先期固結壓力影響，按常規要求加荷，試驗荷載會偏小，土受到的應力狀態不能準確反映土的真實狀態，固結穩定時間偏短，在此條件下測得的固結系數指標會偏大。對欠固結土，由于土自身固結還未穩定，試驗荷載施加后，固結沉降變形會偏大，在此條件下測得的固結系數指標會偏小。因此在進行固結試驗前宜根據土的性質，判別土的應力狀態，試驗加荷大小宜根據地基土自重壓力、附加壓力和應力狀態綜合考慮，以確定適宜的加載壓力。

4 地基土的性質

4.1 飽和度影響

固結試驗是以泰沙基的單向固結理論為基礎，只適用于飽和土，不適用于非飽和土，因此土樣的飽和度對固結系數試驗影響很大。土樣質量是保證飽和度的關鍵因素，在保證取土質量的前提下，在制樣的過程中要盡量減少對土樣的擾動，以防止土樣中水分的流失，確保土樣的飽和度。對地下水位以上的土樣及飽和度偏低的土樣在試驗前可先進行飽和，其中對滲透系數較大的粉砂性土可采用毛細管飽和法，對滲透系數較小的粘性土可采用抽氣飽和法。

4.2 土性影響

根據大量工程試驗數據結果統計表明，地基土的性質對固結系數影響很大，特別是土的壓縮性、滲透性、含水量和狀態。圖3和圖4為上海地區典型地基土（粉質黏土、淤泥質黏性土、砂質粉土）的固結系數試驗成果。

圖3 典型地基土垂直向固結系數曲線圖

圖4 典型地基土水平向固結系數曲線圖

根據上海地區典型地基土試驗成果可以總結出：

（1）地基土的壓縮性與固結系數密切相關。地基土壓縮性越低，土體固結變形穩定時間越快，固結系數越大（如粉砂性土）；地基土壓縮性越大，土體固結變形穩定時間越慢，固結系數越小（如黏性土）。

（2）地基土的滲透性決定土中孔隙水的排出時間快慢。對滲透性較好的粉砂性土，孔隙水排出時間較快，因而固結系數較大；對滲透性較低的黏性土，由于孔隙水排出時間較長，因而固結系數較小。

（3）對含水量來說，土體中含水量越大，相應排水時間越長，固結系數越小；反之，含水量越小固結系數越大。

（4）地基土的狀態對固結系數影響很大。對黏性土：液性指數越高，其滲透性越低，壓縮變形越大，固結排水穩定時間就越長，因而固結系數越小；液性指數越低，壓縮變形越小，固結排水穩定時間就越短，因而固結系數越大。對粉砂性土：密實度越好，壓縮變形及含水量就越小，因而固結系數越大；反之密實度越差固結系數越小。

4.3 次固結影響

地基土的次固結對道路路基沉降影響也不能忽視。大量研究和實踐表明，軟土在主固結完成后，在荷載作用下還會發生次固結沉降，尤其是含水量和孔隙比較大的淤泥質土。道路設計中需考慮軟土次固結沉降帶來的不利影響，室內試驗需根據土性提供次固結系數指標。

5 試驗取值確定

固結系數試驗采用時間平方根法時，對試驗初始數據采集數量和準確性要求較高，但由于土樣性質的不均勻及試驗操作的影響，初始段直線往往存在一定的離散性，需要根據土性選取適當的直線段。當采用時間平方根法無法確定直線段時，需改用時間對數法。

地基土在不同荷載級別壓力情況下（見圖3、圖4），隨著加荷壓力的增大，孔隙比會逐漸減小，滲透性也變小，導致排水固結時間增加，因而固結系數會逐級變小，在確定不同壓力級別下的指標時需加以注意。另外對土質不均勻的地基土，不同荷載下的試驗數據常會有異常值，在數據統計時需注意取值的合理性，適當刪選。

從上海地基土的沉積成因來看，水平向易形成水平層理，故水平向固結系數往往大于垂直向固結系數，在確定指標時需加以注意。

6 道路工程中的應用

在道路路基填筑高度較大或有軟土分布地段，地基沉降會較大。為此，在道路設計時，需預估地基的沉降量及施工期的沉降量，以確定地基處理方案，控制路基工后沉降。固結系數是地基處理設計中的關鍵參數，特別在軟土地基處理采用排水固結法時，固結系數更是一項必不可少的指標。

6.1 地基沉降量估算

地基土在荷載作用下的沉降變形主要分為瞬時沉降、主固結沉降和次固結沉降。其中：瞬時沉降是地基土加荷初期側向變形引起的體積不變的快速沉降；主固結沉降是地基土在荷載作用下隨時間不斷排水固結引起的沉降，與固結系數密切相關；次固結沉降是地基土在主固結完成后有效應力保持不變的條件下，土體隨時間增長而發生的長期蠕變沉降，與次固結系數密切相關。工程上主要關心主固結沉降，對軟土尚需考慮次固結沉降影響。一般采用單向壓縮分層總和法計算地基主固結沉降量，然后乘上經驗系數得到地基最終沉降量。根據最終沉降量可估算道路施工期地基沉降量和工后沉降量。對施工期沉降量要先采用固結系數計算地基土的固結度，再根據固結度與主固結沉降量來估算施工期任意時刻的地基沉降。對軟土的次固結沉降量，可采用次固結系數計算。

6.2 固結系數指標的應用

地基土固結度包括垂直向固結與水平向固結兩部分，可分別由地基土的垂直向固結系數和水平向固結系數計算而得。室內土工試驗提供道路路基影響深度范圍內各地基土不同壓力級別下的垂直向和水平向固結系數指標，設計在選擇指標時，要根據每層地基土受力情況和地基處理方案，分別選用自重壓力至自重壓力與附加壓力之和級別下的指標，以符合地基土受力條件。

當道路地基處理采用堆載預壓（不設豎向排水通道）時，地基沉降量估算只考慮垂直向固結，參數只需用到地基土的垂直向固結系數；當地基處理采用袋裝砂井或塑料排水帶等方法進行排水固結時，地基固結沉降估算需綜合考慮垂直向固結和水平向固結兩部分，參數需用到地基土的垂直向固結系數和水平向固結系數。

對于軟土的次固結，主要是土的蠕變變形，估算時僅需考慮垂直向次固結系數，故室內試驗提供垂直向次固結系數指標即可。

7 結語

（1）在工程應用上，室內土工試驗確定固結系數是最普遍的方法。其中，時間平方根法（t90）和時間對數法（t50）積累經驗較多，被大多數規范推薦。在這兩種方法的選擇上建議先采用時間平方根法，如不能準確定出試驗曲線開始的直線段，則采用時間對數法。

（2）試驗穩定時間標準宜根據地基土性質確定。對粉砂性土及土性較好、壓縮性和液性指數較低的粘性土可采用時間平方根法，穩定時間可采用時間較短的次固結增量校正的快速法；對土性較差、壓縮性和液性指數較高的黏性土宜采用時間對數法，如采用時間平方根法，穩定時間宜采用時間相對較長的標準固結慢速法。對于次固結系數，穩定時間宜采用慢速法。

（3）試驗加荷宜根據地基土自重壓力、附加壓力和應力狀態綜合考慮。

（4）試驗指標確定時，需綜合考慮試驗方法和地基土性質的影響。

（5）在道路工程設計中，宜根據地基土受力條件和地基處理方案合理選擇固結系數指標。