地基土室内高压固结试验问题浅析

　　摘要：随着工程复杂程度越来越高，基坑开挖越来越深，高压固结试验及其应用日益受到重视。土的先期固结压力同土的天然结构密切相关，它是土的压缩性能陡变的界限，不仅是受荷历史所致，其它如风化中结构变化、粒间化学胶结、地下水的溶滤、干湿等因素，都可使土呈现一种似超固结性状。而先期固结压力的测定方法及影响因素很多，要十分精确的测定是不容易的，只有合理运用试验方法，兼顾各种影响因素，认真分析试验结果，才能为设计提供准确的试验数据。
　　关键词：先期固结压力；压缩曲线；加荷等级；稳定标准
　　1．高压固结试验概述
　　高压固结试验的主要任务是测定土的先期固结压力Pc，所谓Pc是指土层在历史上曾经受到过的最大有效应力，它是判断天然土层所处固结状态的重要指标，是土体压缩性分界压力，也是土体在荷载作用下变形及强度发生明显变化的临界指标。同时，高压固结试验还可测出土的压缩指数Cc，回弹指数Cs，利用e—p曲线计算出的压缩模量，回弹模量等，都是设计计算沉降和回弹的重要指标。
　　2．土的先期固结压力
　　对于天然沉积土层，在漫长的地质历史年代中，实际上是经受了反复的加荷、卸荷的压密作用，即经过沉积、冲刷侵蚀，又重新沉积等自然地质作用而得到压密。而且粘性土从沉积到成岩过程中，经过一系列的物理、化学等作用，胶结、风化形成目前天然土层的不同固结状态，如果将土层在历史上曾受到的最大有效应力Pc和和目前上覆土层的有效自重压力Po进行比较（超固结比OCR=Pc/Po），可以把土层分成三种不同的固结状态：正常固结土、超固结土和欠固结土。
　　３．高压固结曲线特征
　　3.1曲线特征
　　通过大量的试验证明，室内压缩曲线（如右图）具有以下几个特征：
　　a)开始平缓，随着压力的增大，明显向下弯曲，继而近乎直线向下延伸。
　　b)无论试样扰动与否，当压力较大时，其曲线都近乎直线，且大致交于0.42e0点（e0为初始孔隙比）。
　　c)扰动越大，压缩曲线越低，曲率越不明显。
　　d)卸荷点在再压缩曲线曲率最大点的右下侧。
　　3.2几点说明：
　　a) 由于土样取出后应力释放不可避免，而且取样难免有所扰动，因此，严格的说室内压缩曲线相对现场压缩曲线而言已是再压缩曲线，和天然状态有偏离。
　　b) 当考虑原位应力场和应力进行沉降计算时，应按e--logP曲线整理资料，且最大压力应满足绘制e—logP曲线的要求。
　　c) 在按Pc区分出不同固结状态后，分别计算两部分沉降量，可得到比较准确的总下沉量，以便更合理、经济、安全的设计地基。
　　d) 需要时，将室内的高压固结曲线加以修正，推出原位压缩曲线。
　　e) 回弹指数、回弹模量可在工程中估算基坑开挖的回弹程度。
　　４．确定Pc的方法
　　通过高压试验来确定Pc的方法很多，最常用的是卡氏法：先绘制e—logP曲线，在曲线上定出曲率半径最小点，在该点分别作水平线及切线，并作两线夹角的角平分线，该角平分线与压缩曲线直线段延长线的交点对应的压力即为Pc。
　　５．影响Pc值的主要因素
　　5.1土样扰动的影响
　　这是影响Pc值的重要因素，土样一旦受到扰动，则e—logp曲线上无法显示明显的转折段，使得Pc确定困难，并导致Pc值偏小。因此在野外要用较大口径的薄壁取样器，回转钻进，用匀速连续压入法取样，运输中注意防震，试验室开土要小心细致。正常且理想的e—logP曲线应有明显的水平段、弯曲段、直线段。
　　下图为一有所扰动的土样做出的曲线，可见其无明显拐点。
　　P（KPa） △h(mm) ei
　　0 0.000 0.785
　　12.5 0.054 0.780
　　25 0.110 0.775
　　50 0.181 0.769
　　100 0.273 0.761
　　200 0.400 0.749
　　400 0.578 0.733
　　800 0.789 0.715
　　1200 0.919 0.703
　　5.2 加荷等级的影响及最大荷重的确定
　　测定Pc时加荷等级十分重要，资料表明，荷重率大，引起试样的触变破坏,导致土的压缩性偏大（如右图）。因此，应尽可能的采用较小的荷重率，特别是自重压力P0以前。
　　选择最大一级荷重要保证直线段的出现，通常采用（P0+△P）的两倍，△P为附加应力。有资料建议最后一级荷重下的稳定孔隙比要达到0.42e0，这需要很大的压力，困难较大，对超固结土和需要分段计算沉降量时，应进行卸荷再加荷来评价其再压缩性。以下图为例，该土的自重为42Kpa，若附加应力以200Kpa计，则最大一级荷重应大于484Kpa，加至1600Kpa时已出现明显的直线段，并能准确求出Pc值，无需再加荷，而此时孔隙比为0.599,仅为0.68e0因此，在不需要推测原位压缩曲线时，就不用加至0.42e0了。
　　5.3历时与稳定标准
　　试样变形的稳定时间，取决于它的透水性和流变性，土的粘性越大，达到稳定所需的时间越长，某些软粘土要几天甚至几周时间才能完成稳定。采用不同稳定时间作为技术标准，就会得出不同的压缩曲线，得到不同的参数。资料表明，荷重历时越长，次固结量越大，得到的Pc却越小（Cc变化很小）。国标规定24小时稳定，主要考虑每级荷重下，固结时间能明确定出变形与时间对数曲线后段直线的坡度为原则。一些单位为了节省时间采用12h，8h，6h还有2h快速法，比较试验说明，快速法比24小时稳定求得的Pc偏大，因此，缩短时间和采用快速法或采用每小时0.01mm稳定标准，要依据土的具体情况而定，如砂性土可缩短时间或采用快速法，比较硬的粘性土可采用每小时0.01mm稳定标准，而软粘土则必须严格24小时稳定，这样才能保证试验数据的准确性。
　　5.4作图方法的影响
　　e—logP曲线纵横坐标比例要选用恰当，不同比例影响曲线的形状，而曲率半径最小的准确确定，会影响Pc值。曲线高宽比太大，曲线拉长，Rmin点左移，Pc偏小；高宽比太小，曲线压扁，Rmin点右移，Pc偏大。
　　进行回弹试验时，回弹压力应大于上覆压力，并在估算的Pc值之后，退至第一级压力。对于深基坑开挖，回弹问题不可忽视，测定回弹模量、回弹指数时压力施加应模拟实际的加卸荷状态，首先分级加荷到大于开挖前的自重压力，然后逐级卸荷到开挖后的上覆土压力，接着进行再压缩试验，如果要求Pc值，最大荷重加至大于两倍的（P0+△P）或0.42e0点。
　　６．现场压缩曲线的推求
　　试验室做压缩试验所用的原状土，实际上已经过了一个卸荷阶段。即卸除了土样在土层中所承受上覆土层的有效自重压力，因而室内试验所得的压缩曲线实际是卸荷后的首次再压缩曲线。加之在取样和制备试样过程中，难免有不同程度的扰动。因此，室内测得的压缩曲线与实际土层的现场压缩曲线不相吻合，为使沉降计算更符合实际，需要对室内压缩曲线进行修正。
　　6.1正常固结土：依据室内高压固结试验，绘制e—logP曲线；确定前期固结压力Pc的位置，图中a点；由e0坐标点作一水平线，与前期固结压力Pc交于A点；在室内压缩曲线上找出相当于0.42e0的C点，连接AC，即得正常固结土的现场压缩曲线。
　　6.2超固结土；做室内试验，绘出回弹、再压缩的e—logP曲线；确定前期固结压力Pc的位置；求该土层现有上覆土层的有效自重压力Po及相应的天然孔隙比e0，在图中得B点，该点为现场再压缩曲线的起点；过B点作一与室内滞回圈割线平行的线，并与Pc交于A点，则AB为超固结土的现场再压缩曲线；在室内曲线上找出相当于0.42e0的C点，连接AC，即得超固结土的现场压缩曲线；
　　6.3欠固结土，其现场压缩曲线的推求可近似与正常固结土相同，但欠固结土的有效自重压力P0>Pc,故其位置在Pc的右边。
　　７．结语
　　随着工程复杂程度越来越高，基坑开挖越来越深，高压固结试验及其应用日益受到重视，但由于天然状态土的各向异性，Pc值同土的天然结构密切相关，它是土的压缩性能陡变的界限，不但是受荷历史所致，其它如风化中结构变化、粒间化学胶结、地下水的溶滤、干湿等因素，都可使土呈现一种似超固结性状。而Pc的测定方法及影响因素很多，要十分精确的测定是不容易的，这就要求进一步的完善理论，合理运用试验方法，兼顾各种影响因素，认真分析试验结果，为设计提供准确的试验数据。
　　参考文献：
　　[1]甘德福，袁雅康。土的基本性质与室内土工试验[M]。上海市地质学会出版。1987。
　　[2]《工程地质手册》编写委员会。工程地质手册[M]。中国建筑工业出版社，2007。
　　[3]南京水利科学研究院土工研究所。土工试验技术手册[M]。人民交通出版社，2002。
　　[4]陈仲颐，周景星，王洪瑾。土力学[M]。清华大学出版社，1994。

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