軟土地基固結系數的確定方法概述

葛曉永

江北新區中心區公司 江蘇 南京 211500

一、引言

土的固結系數是工程中分析地基土沉降-時間之間關系的關鍵性參數，試驗中往往采用加荷后孔隙比的變化或者量測超靜孔隙水壓力消散的過程反算土的固結系數。土的固結系數越大，排水性能越好，固結越快。由于土的特殊性，很難就某一種類型的土給出一個其固結系數的特定值，因此，在實際工程中對所面臨地基土固結系數的確定是一項必要且基本的工作。固結系數預測的準確性與否直接與地基處理的方式、施工方案和工期、預壓荷載的大小以及工程造價相關。

目前，工程中常用的地基土固結系數的確定方法大致可分為三類：（1）室內軸向固結壓縮試驗；（2）現場沉降資料反算法；（3）原位測試法。其中現場沉降資料反算法所得到的固結系數理應與實際情況最為吻合，但該方法只能用作驗證實際參數的合理性，無法在施工之前得到土的固結系數，因此本文不作介紹。

二、室內固結試驗求解固結系數

室內固結試驗目前依然是應用最為廣泛的得到土固結系數的方法，其傳統的試驗儀器為標準固結儀[1]。一般情況下，試驗中對試樣施加豎向的分級荷載，并記錄在每一級荷載作用下試樣高度的變化。試驗中默認土顆粒不可壓縮，因而可以換算得到土樣孔隙比隨豎向荷載的變化曲線，再經由曲線根據一定的標準作圖之后推算出土體固結系數的預測值。

針對上述固結試驗得到的壓縮曲線，其應用最廣泛的兩種推算土的固結系數的方式——時間對數法和時間平方根法早在1989年就被納入當時由水利部頒布的《土工試驗方法標準》[2]。這兩種方法都屬于繪圖法，其主要是根據試驗得到的壓縮曲線的形式來判別土的固結系數，其缺點是對于部分滲透性較差的粘土而言，由于排水過程十分漫長，因而與固結時間相關的次固結壓縮會相應增大，實際繪制的壓縮曲線存在較大誤差。其次，在圖中確定固結起始段和終止段的位置時，主觀隨意性較大。

此后，鑒于傳統方法的不足，有許多學者提出一系列的改進措施，如：反彎點法、三點法、Scott法等，但實際操作起來既費時又費力，因此并沒有在實際工程實踐中得到推廣。

三、原位測試法

雖說室內固結試驗被廣泛應用在土的固結系數計算中，但其對土體擾動較大、試樣太小無法準確地模擬宏觀的土層情況使得經由該方法得到的土固結系數與真實情況存在較大偏差。若地基土中存在多層砂層或軟弱夾層時，誤差尤為巨大。鑒于此，經由廣大巖土工程師多年的不懈努力，在近30年間一種利用孔壓靜力觸探（CPTU）[3]技術在工程現場實地計算土體固結系數的方法愈來愈受到工程師們的重視。

CPTU原位測試系統的全套設備全套系統由多功能探頭、數據采集儀、數據分析軟件及靜力觸探貫入裝置四大部分構成，試驗時可以直接讀取探頭上的錐尖阻力、探頭側壁受到土的摩阻力、孔隙水壓力、剪切波速、土的電阻率等基本參數，并通過對上述參數的解譯，能夠靈敏又可靠地進行土性判別和土類劃分，推算某一特定深度處土的固結系數、滲透系數，經過改裝之后的探頭還能解譯出土的小應變剪切模量、承載力特征甚至是土的應力歷史（超固結比OCR）等[4]。

CPTU圓錐探頭上設有濾水器（也稱作孔壓過濾環）[5]以及能夠量測上述參數的感應元件。試驗時，探頭與專用的多節探桿相連接，經由液壓傳動裝置貫入原位土體中，探頭所量測的數據經由穿過探桿的傳輸電纜傳輸到至地面的數據采集器中，實驗員可以實時觀測到各個參數數據的變化。為了能夠得到土的固結系數，試驗時將探頭貫入至所需的預定深度（需在地下水位以下），此時數據采集器中顯示的孔壓變化曲線即為探頭附近的土因貫入變形而產生的超靜孔隙水壓力隨著時間不斷消散的過程。超靜孔壓最終會因排水作用降至該深度處的靜水孔壓的理論值。地基土的固結系數即可通過這種孔壓消散試驗獲得。

但是，由于儀器量測和人員操作不可避免的誤差，不同深度處的超靜孔隙水壓力的消散曲線不盡相同，因此首先需要將測量到的不同深度處的孔壓按照初始孔壓ui和現場的靜止孔壓u0進行歸一化處理，其t時刻歸一化的超孔壓U可以表示成[6]：

中國土木工程學會于2017年出版了我國首部《孔壓靜力觸探（CPTU）技術規程》，其中針對CPTU試驗中，如何依據試驗結果得到地基土的固結系數進行了詳細的介紹并給出了經驗取值。

四、總結

室內固結試驗和現場的原位測試試驗都能夠得到地基土的固結系數。由于試驗條件所限，室內試驗由于其操作簡單，應用時間較長，理論分析成熟，至今仍然是工程中使用最廣泛的得到土固結系數的途徑。但是由于沉降計算失誤的工程案例不斷增多，越來越多的專家學者認為室內試驗不可避免的鉆孔取土、現場至實驗室之間的運輸、實驗室的制樣方式等對于土結構的破壞已經嚴重影響到了計算所得固結系數的準確性。因此，在不久的將來，隨著工程技術水平、設計要求的不斷提高，原位測試技術研究的不斷深入，理論體系架構的不斷完善，以CPTU為代表的原位測試技術將會逐步取代目前的室內固結試驗法，成為研究計算土固結系數的主流方法。