地基土先期固結(jié)壓力Pc值確定方法探討

趙亞品

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

1 概述

土的先期固結(jié)壓力Pc是指土層在歷史上經(jīng)受過(guò)的最大有效固結(jié)壓力。它是判斷天然土層所處固結(jié)狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo),也是考慮應(yīng)力歷史對(duì)土層變形量影響的一個(gè)重要計(jì)算參數(shù)。

將某層土的先期固結(jié)壓力與該層土目前上覆土層的有效自重壓力P0進(jìn)行比較,可將天然土層分成三種固結(jié)狀態(tài)。

(1)正常固結(jié)土：指土層在自身重力作用下自然沉積并固結(jié)穩(wěn)定,且其固結(jié)過(guò)程中沒(méi)有受過(guò)侵蝕、卸荷或其他荷載的作用(Pc=Pz)。

(2)欠固結(jié)土：指新近沉積起來(lái)的土層,該土層在自身重力作用下尚未達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定,屬于欠壓密狀態(tài)(Pc

(3)超固結(jié)土：指由于土層上覆古老建筑物的拆毀,地下水位的長(zhǎng)期變化以及土的干縮等作用使土層形成超壓密狀態(tài)土(Pc>Pz)。

2 室內(nèi)測(cè)試Pc的幾種方法

2.1 固結(jié)試驗(yàn)法

(1)卡氏法

利用固結(jié)試驗(yàn)繪制e-logp曲線,在開(kāi)始的e-logp曲線段上用目測(cè)法或作圖法定出曲率半徑最小的一點(diǎn),再?gòu)脑擖c(diǎn)作水平線及e-logp曲線的切線,兩線之間夾角的平分線與e-logp曲線后部直線段向上延長(zhǎng)線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值即為Pc值。

(2)史沫特曼法

同樣是利用固結(jié)試驗(yàn)的e-logp曲線,不同的是該法是在固結(jié)過(guò)程中當(dāng)e-logp曲線出現(xiàn)直線段時(shí)馬上卸荷回彈,然后再加荷壓縮,利用卸荷回彈再壓縮回環(huán)的割線,通過(guò)(e0,p0)點(diǎn)做該割線的平行線,再?gòu)钠叫芯€上假定Pc值進(jìn)行分析,最終確定合理的Pc值。

(3)布氏法

同樣按史沫特曼法作出回彈再壓縮e-logp曲線,由卸荷點(diǎn)向下做垂線與再壓縮曲線及e-logp曲線下部直線段組成特征三角形,將該特征三角形沿e-logp曲線的下部直線段向上推移,使特征三角形底邊與卸荷點(diǎn)前e-logp曲線重合,特征三角形垂線邊定點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力即為Pc值。

2.2 用強(qiáng)度試驗(yàn)確定

(1)固結(jié)不排水剪法

利用應(yīng)變式固結(jié)靜三軸儀使原狀土試樣在不同的側(cè)壓力下固結(jié)后于不排水條件下剪切,測(cè)出的強(qiáng)度包線具有的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力即為Pc值。

(2)不固結(jié)不排水剪法

同樣是利用應(yīng)變式固結(jié)靜三軸儀使試件在不固結(jié)的原狀狀態(tài)下進(jìn)行剪切試驗(yàn)。具有前期固結(jié)壓力的土樣,其不固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度包線與壓力無(wú)關(guān),幾乎平行于橫坐標(biāo)軸,其于固結(jié)不排水剪的強(qiáng)度包線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力即為Pc值。

用強(qiáng)度試驗(yàn)法確定Pc值時(shí),一個(gè)土樣最少需要4～5個(gè)試件才能完成,不適用于現(xiàn)在工程工期緊、工作量大的特色。而固結(jié)試驗(yàn)法中的史沫特曼法和布氏法,均需要在固結(jié)試驗(yàn)過(guò)程中觀察每個(gè)土樣開(kāi)始出現(xiàn)直線段的起始點(diǎn),而在試驗(yàn)室的全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀裝置中,逐個(gè)土樣進(jìn)行不同卸荷點(diǎn)的回彈再壓縮試驗(yàn)是不具實(shí)施性的。所以,在我國(guó)各行業(yè)的現(xiàn)行規(guī)范中均采用的是卡氏法。但經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐,該方法對(duì)非均質(zhì)的粉黏互層的土及粉土的e-logp曲線的最小曲率半徑不明顯,人為判別曲線拐點(diǎn)的因素很大。因此,結(jié)合哈齊客運(yùn)專線大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)找出了土樣Pc值與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系,用于判斷土層所處的固結(jié)狀態(tài)。該方法簡(jiǎn)單易行,值得推廣。

3 工程實(shí)例中的數(shù)據(jù)分析

表1和圖1為哈齊客運(yùn)專線松軟地基土44組的物性指標(biāo)與Pc值、qu值的數(shù)據(jù),其中,Pc值測(cè)定采用半自動(dòng)高壓固結(jié)儀,人工加荷,加荷序列為：12.5、25、50、100、200、400、800、1 600、3 200 kPa,自動(dòng)采集每級(jí)荷重下的沉降值,按每級(jí)荷重下每小時(shí)沉降量小于0.05 mm自動(dòng)判穩(wěn),數(shù)據(jù)處理采用卡氏法。qu的測(cè)定采用自動(dòng)采集剪應(yīng)變及剪應(yīng)力的應(yīng)變控制式靜三軸儀,峰值強(qiáng)度取破壞強(qiáng)度或?qū)?yīng)于20%應(yīng)變時(shí)的抗剪切強(qiáng)度值。

表1 哈齊客運(yùn)專線土樣物性指標(biāo)與Pc、qu數(shù)據(jù)

圖1 Pc與qu數(shù)據(jù)對(duì)比分布曲線

利用比較試驗(yàn)中常用的F檢驗(yàn)與t檢驗(yàn)對(duì)兩組樣本的結(jié)果數(shù)據(jù)的差異性進(jìn)行檢驗(yàn)。

F檢驗(yàn)：

t檢驗(yàn)：

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)同一地域不同里程44組土樣試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,兩種試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)無(wú)顯著差異,在工期緊、任務(wù)量大且有部分對(duì)比數(shù)據(jù)的情況下,可以用qu值近似代替Pc值進(jìn)行土類固結(jié)程度的判定。

(2)由于時(shí)間關(guān)系和所取樣品的區(qū)域性和局限性,該成果并不一定對(duì)所有地區(qū)三種固結(jié)狀態(tài)的所有土類都適用,建議在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證,對(duì)不同的地區(qū)進(jìn)行更多的對(duì)比,積累更多的經(jīng)驗(yàn),擴(kuò)大簡(jiǎn)便易行、結(jié)果直觀的無(wú)側(cè)限試驗(yàn)的應(yīng)用。

[1]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.工程地質(zhì)試驗(yàn)手冊(cè)(修訂版)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1995

[2]楊英華.土力學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社,1986

[3]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程(TB10102—2004)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2004