上海道路工程固結(jié)系數(shù)的測(cè)試應(yīng)用

田麗霞

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

0 引言

道路工程路基必須密實(shí)、均勻，具有足夠的穩(wěn)定性、抗變形能力和耐久性。路基一般采用天然地基，對(duì)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(fā)生路基變形、強(qiáng)度不足等諸多問題，而且道路是長(zhǎng)線路工程，若未采取一定的措施，極易導(dǎo)致路基發(fā)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(xiàn)象的產(chǎn)生。由于道路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高和建設(shè)周期的縮短，對(duì)路基沉降控制要求越來越嚴(yán)格。道路設(shè)計(jì)需要根據(jù)勘察提供的固結(jié)系數(shù)指標(biāo)來分析地基隨時(shí)間的沉降關(guān)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(jié)系數(shù)指標(biāo)主要由室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)試提供。影響固結(jié)系數(shù)指標(biāo)的因素有很多，主要有試驗(yàn)方法、試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)加荷大小、地基土性質(zhì)、試驗(yàn)取值確定等。另外固結(jié)系數(shù)指標(biāo)在具體應(yīng)用方面，需要根據(jù)地基土受力情況和地基處理方案進(jìn)行合理選擇。

1 室內(nèi)土工試驗(yàn)方法

室內(nèi)土工試驗(yàn)確定固結(jié)系數(shù)的方法有很多，主要有時(shí)間平方根法（t90，見圖1）、時(shí)間對(duì)數(shù)法（t50，見圖 2）、時(shí)間對(duì)數(shù)坡度法（t68）、三點(diǎn)法、兩點(diǎn)法、速率法、標(biāo)準(zhǔn)曲線比擬法等。這些方法皆是利用泰沙基的一維固結(jié)理論，根據(jù)試驗(yàn)時(shí)間和變形關(guān)系曲線的形狀相似性，以圖解法或經(jīng)驗(yàn)配合法，找出某一固結(jié)度U下，理論曲線上時(shí)間因數(shù)Tv相當(dāng)于試驗(yàn)曲線上某一時(shí)間的t值，再根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算出固結(jié)系數(shù)。由于固結(jié)度和時(shí)間之間沒有簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系，在實(shí)際試驗(yàn)過程中得出的土樣變形和時(shí)間之間的關(guān)系曲線，受土的性質(zhì)、應(yīng)力歷史、試驗(yàn)方法、加荷大小及穩(wěn)定時(shí)間等影響都很大，不可能得出一致的結(jié)果，即使同一組土樣試驗(yàn)，確定的固結(jié)系數(shù)也有差別。在所有影響因素中，試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大。在工程應(yīng)用中，時(shí)間平方根法和時(shí)間對(duì)數(shù)法積累經(jīng)驗(yàn)較多，試驗(yàn)結(jié)果更加可靠，故國家《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）等大多數(shù)規(guī)范推薦采用這兩種試驗(yàn)方法。在這兩種試驗(yàn)方法的選擇上，時(shí)間平方根法由于受試驗(yàn)時(shí)間影響較小，可縮短試驗(yàn)周期，利于工程實(shí)踐，故建議優(yōu)先使用時(shí)間平方根法。如該方法不能準(zhǔn)確定出試驗(yàn)曲線開始的直線段，則采用時(shí)間對(duì)數(shù)法。

2 試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)

地基土沉降穩(wěn)定時(shí)間受制于土體排水固結(jié)時(shí)間的快慢。在排水固結(jié)過程中，有效應(yīng)力會(huì)對(duì)地基土產(chǎn)生主固結(jié)和次固結(jié)兩部分的體積變化。在不同的穩(wěn)定時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)不同的固結(jié)曲線，尤其是粘性土滲透性差，排水固結(jié)達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間更長(zhǎng)，因此固結(jié)系數(shù)試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)對(duì)固結(jié)系數(shù)結(jié)果影響很大。目前規(guī)范對(duì)固結(jié)系數(shù)試驗(yàn)一般要求采用每級(jí)壓力下固結(jié)穩(wěn)定24 h的標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)時(shí)間，一方面考慮土的變形能達(dá)到基本穩(wěn)定，另一方面也考慮便于在每天同一時(shí)間施加壓力和測(cè)計(jì)變形讀數(shù)。但在實(shí)際工程中，采用24 h的穩(wěn)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，不利于生產(chǎn)實(shí)踐。另外，對(duì)粉砂性土由于排水固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間很快，試驗(yàn)時(shí)間顯得過長(zhǎng)；而對(duì)液性指數(shù)較大的軟粘性土，穩(wěn)定時(shí)間又嫌不夠。

圖1 時(shí)間平方根法（t90）曲線圖

圖2 時(shí)間對(duì)數(shù)法（t50）曲線圖

上海規(guī)范對(duì)固結(jié)系數(shù)試驗(yàn)允許采用次固結(jié)增量校正的快速法（即每級(jí)2 h加荷，最后一級(jí)采用24 h加荷的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)），僅規(guī)定對(duì)次固結(jié)系數(shù)測(cè)定時(shí)采用慢速法（即每級(jí)加荷壓力下固結(jié)24 h的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)）。對(duì)時(shí)間平方根法而言，試驗(yàn)的關(guān)鍵是確定試驗(yàn)曲線開始的直線段，試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間要求相對(duì)較低，采用次固結(jié)增量校正的快速法是適宜的；而對(duì)時(shí)間對(duì)數(shù)法，試驗(yàn)的關(guān)鍵是確定試驗(yàn)曲線中部的直線段和曲線末尾直線段，穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)末尾直線段越明顯，故對(duì)試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間要求較高。因此上海規(guī)范對(duì)采用次固結(jié)增量法有特別說明：該方法適用于時(shí)間平方根法，對(duì)時(shí)間對(duì)數(shù)法宜采用慢速法。

具體試驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)地基土性質(zhì)確定試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)粉砂性土及液性指數(shù)不大的粘性土可采用時(shí)間平方根法，穩(wěn)定時(shí)間可適當(dāng)縮短（如采用次固結(jié)增量校正的快速法）；對(duì)液性指數(shù)較大的粘性土可采用時(shí)間對(duì)數(shù)法，穩(wěn)定時(shí)間可按標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)時(shí)間（每級(jí)荷載下穩(wěn)定時(shí)間24 h的慢速法），其中對(duì)高液性指數(shù)的淤泥質(zhì)土試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間還宜延長(zhǎng)。

3 試驗(yàn)加荷大小

固結(jié)系數(shù)測(cè)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(yàn)加荷需根據(jù)土的附加壓力和自重壓力確定，另外還需考慮土的應(yīng)力歷史。

3.1 附加壓力確定

附加壓力為道路路基填料產(chǎn)生的荷載，可根據(jù)道路路基填筑高度和斷面形式確定。上海地區(qū)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(duì)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(yàn)前需詳細(xì)了解道路路基填筑高度和斷面情況，以便確定適宜的試驗(yàn)加荷壓力。

3.2 自重壓力確定

自重壓力需要根據(jù)各地基土埋深和地下水位深度確定，對(duì)涉及的地基土范圍可按路基壓縮層厚度采用應(yīng)力比法（附加壓力與自重壓力比）確定。對(duì)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(yīng)力比可選擇0.1；對(duì)路基壓縮層范圍內(nèi)遇到土質(zhì)較好的硬土層或密實(shí)的粉砂性土?xí)r，應(yīng)力比可適當(dāng)增大。

3.3 土的應(yīng)力歷史

原始狀態(tài)下的土根據(jù)前期固結(jié)壓力可分為正常固結(jié)、欠固結(jié)、超固結(jié)三種情況。對(duì)超固結(jié)土如不考慮先期固結(jié)壓力影響，按常規(guī)要求加荷，試驗(yàn)荷載會(huì)偏小，土受到的應(yīng)力狀態(tài)不能準(zhǔn)確反映土的真實(shí)狀態(tài)，固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間偏短，在此條件下測(cè)得的固結(jié)系數(shù)指標(biāo)會(huì)偏大。對(duì)欠固結(jié)土，由于土自身固結(jié)還未穩(wěn)定，試驗(yàn)荷載施加后，固結(jié)沉降變形會(huì)偏大，在此條件下測(cè)得的固結(jié)系數(shù)指標(biāo)會(huì)偏小。因此在進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)前宜根據(jù)土的性質(zhì)，判別土的應(yīng)力狀態(tài)，試驗(yàn)加荷大小宜根據(jù)地基土自重壓力、附加壓力和應(yīng)力狀態(tài)綜合考慮，以確定適宜的加載壓力。

4 地基土的性質(zhì)

4.1 飽和度影響

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

4.2 土性影響

根據(jù)大量工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，地基土的性質(zhì)對(duì)固結(jié)系數(shù)影響很大，特別是土的壓縮性、滲透性、含水量和狀態(tài)。圖3和圖4為上海地區(qū)典型地基土（粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏性土、砂質(zhì)粉土）的固結(jié)系數(shù)試驗(yàn)成果。

圖3 典型地基土垂直向固結(jié)系數(shù)曲線圖

圖4 典型地基土水平向固結(jié)系數(shù)曲線圖

根據(jù)上海地區(qū)典型地基土試驗(yàn)成果可以總結(jié)出：

（1）地基土的壓縮性與固結(jié)系數(shù)密切相關(guān)。地基土壓縮性越低，土體固結(jié)變形穩(wěn)定時(shí)間越快，固結(jié)系數(shù)越大（如粉砂性土）；地基土壓縮性越大，土體固結(jié)變形穩(wěn)定時(shí)間越慢，固結(jié)系數(shù)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(shí)間快慢。對(duì)滲透性較好的粉砂性土，孔隙水排出時(shí)間較快，因而固結(jié)系數(shù)較大；對(duì)滲透性較低的黏性土，由于孔隙水排出時(shí)間較長(zhǎng)，因而固結(jié)系數(shù)較小。

（3）對(duì)含水量來說，土體中含水量越大，相應(yīng)排水時(shí)間越長(zhǎng)，固結(jié)系數(shù)越?。环粗?，含水量越小固結(jié)系數(shù)越大。

（4）地基土的狀態(tài)對(duì)固結(jié)系數(shù)影響很大。對(duì)黏性土：液性指數(shù)越高，其滲透性越低，壓縮變形越大，固結(jié)排水穩(wěn)定時(shí)間就越長(zhǎng)，因而固結(jié)系數(shù)越?。灰盒灾笖?shù)越低，壓縮變形越小，固結(jié)排水穩(wěn)定時(shí)間就越短，因而固結(jié)系數(shù)越大。對(duì)粉砂性土：密實(shí)度越好，壓縮變形及含水量就越小，因而固結(jié)系數(shù)越大；反之密實(shí)度越差固結(jié)系數(shù)越小。

4.3 次固結(jié)影響

地基土的次固結(jié)對(duì)道路路基沉降影響也不能忽視。大量研究和實(shí)踐表明，軟土在主固結(jié)完成后，在荷載作用下還會(huì)發(fā)生次固結(jié)沉降，尤其是含水量和孔隙比較大的淤泥質(zhì)土。道路設(shè)計(jì)中需考慮軟土次固結(jié)沉降帶來的不利影響，室內(nèi)試驗(yàn)需根據(jù)土性提供次固結(jié)系數(shù)指標(biāo)。

5 試驗(yàn)取值確定

固結(jié)系數(shù)試驗(yàn)采用時(shí)間平方根法時(shí)，對(duì)試驗(yàn)初始數(shù)據(jù)采集數(shù)量和準(zhǔn)確性要求較高，但由于土樣性質(zhì)的不均勻及試驗(yàn)操作的影響，初始段直線往往存在一定的離散性，需要根據(jù)土性選取適當(dāng)?shù)闹本€段。當(dāng)采用時(shí)間平方根法無法確定直線段時(shí)，需改用時(shí)間對(duì)數(shù)法。

地基土在不同荷載級(jí)別壓力情況下（見圖3、圖4），隨著加荷壓力的增大，孔隙比會(huì)逐漸減小，滲透性也變小，導(dǎo)致排水固結(jié)時(shí)間增加，因而固結(jié)系數(shù)會(huì)逐級(jí)變小，在確定不同壓力級(jí)別下的指標(biāo)時(shí)需加以注意。另外對(duì)土質(zhì)不均勻的地基土，不同荷載下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)常會(huì)有異常值，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)需注意取值的合理性，適當(dāng)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(jié)系數(shù)往往大于垂直向固結(jié)系數(shù)，在確定指標(biāo)時(shí)需加以注意。

6 道路工程中的應(yīng)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(huì)較大。為此，在道路設(shè)計(jì)時(shí)，需預(yù)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(jié)系數(shù)是地基處理設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)，特別在軟土地基處理采用排水固結(jié)法時(shí)，固結(jié)系數(shù)更是一項(xiàng)必不可少的指標(biāo)。

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(shí)沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。其中：瞬時(shí)沉降是地基土加荷初期側(cè)向變形引起的體積不變的快速沉降；主固結(jié)沉降是地基土在荷載作用下隨時(shí)間不斷排水固結(jié)引起的沉降，與固結(jié)系數(shù)密切相關(guān)；次固結(jié)沉降是地基土在主固結(jié)完成后有效應(yīng)力保持不變的條件下，土體隨時(shí)間增長(zhǎng)而發(fā)生的長(zhǎng)期蠕變沉降，與次固結(jié)系數(shù)密切相關(guān)。工程上主要關(guān)心主固結(jié)沉降，對(duì)軟土尚需考慮次固結(jié)沉降影響。一般采用單向壓縮分層總和法計(jì)算地基主固結(jié)沉降量，然后乘上經(jīng)驗(yàn)系數(shù)得到地基最終沉降量。根據(jù)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(duì)施工期沉降量要先采用固結(jié)系數(shù)計(jì)算地基土的固結(jié)度，再根據(jù)固結(jié)度與主固結(jié)沉降量來估算施工期任意時(shí)刻的地基沉降。對(duì)軟土的次固結(jié)沉降量，可采用次固結(jié)系數(shù)計(jì)算。

6.2 固結(jié)系數(shù)指標(biāo)的應(yīng)用

地基土固結(jié)度包括垂直向固結(jié)與水平向固結(jié)兩部分，可分別由地基土的垂直向固結(jié)系數(shù)和水平向固結(jié)系數(shù)計(jì)算而得。室內(nèi)土工試驗(yàn)提供道路路基影響深度范圍內(nèi)各地基土不同壓力級(jí)別下的垂直向和水平向固結(jié)系數(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)在選擇指標(biāo)時(shí)，要根據(jù)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(jí)別下的指標(biāo)，以符合地基土受力條件。

當(dāng)?shù)缆返鼗幚聿捎枚演d預(yù)壓（不設(shè)豎向排水通道）時(shí)，地基沉降量估算只考慮垂直向固結(jié)，參數(shù)只需用到地基土的垂直向固結(jié)系數(shù)；當(dāng)?shù)鼗幚聿捎么b砂井或塑料排水帶等方法進(jìn)行排水固結(jié)時(shí)，地基固結(jié)沉降估算需綜合考慮垂直向固結(jié)和水平向固結(jié)兩部分，參數(shù)需用到地基土的垂直向固結(jié)系數(shù)和水平向固結(jié)系數(shù)。

對(duì)于軟土的次固結(jié)，主要是土的蠕變變形，估算時(shí)僅需考慮垂直向次固結(jié)系數(shù)，故室內(nèi)試驗(yàn)提供垂直向次固結(jié)系數(shù)指標(biāo)即可。

7 結(jié)語

（1）在工程應(yīng)用上，室內(nèi)土工試驗(yàn)確定固結(jié)系數(shù)是最普遍的方法。其中，時(shí)間平方根法（t90）和時(shí)間對(duì)數(shù)法（t50）積累經(jīng)驗(yàn)較多，被大多數(shù)規(guī)范推薦。在這兩種方法的選擇上建議先采用時(shí)間平方根法，如不能準(zhǔn)確定出試驗(yàn)曲線開始的直線段，則采用時(shí)間對(duì)數(shù)法。

（2）試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)宜根據(jù)地基土性質(zhì)確定。對(duì)粉砂性土及土性較好、壓縮性和液性指數(shù)較低的粘性土可采用時(shí)間平方根法，穩(wěn)定時(shí)間可采用時(shí)間較短的次固結(jié)增量校正的快速法；對(duì)土性較差、壓縮性和液性指數(shù)較高的黏性土宜采用時(shí)間對(duì)數(shù)法，如采用時(shí)間平方根法，穩(wěn)定時(shí)間宜采用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)慢速法。對(duì)于次固結(jié)系數(shù)，穩(wěn)定時(shí)間宜采用慢速法。

（3）試驗(yàn)加荷宜根據(jù)地基土自重壓力、附加壓力和應(yīng)力狀態(tài)綜合考慮。

（4）試驗(yàn)指標(biāo)確定時(shí)，需綜合考慮試驗(yàn)方法和地基土性質(zhì)的影響。

（5）在道路工程設(shè)計(jì)中，宜根據(jù)地基土受力條件和地基處理方案合理選擇固結(jié)系數(shù)指標(biāo)。