軟土地基固結(jié)系數(shù)的確定方法概述

葛曉永

江北新區(qū)中心區(qū)公司 江蘇 南京 211500

一、引言

土的固結(jié)系數(shù)是工程中分析地基土沉降-時間之間關(guān)系的關(guān)鍵性參數(shù)，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(jié)系數(shù)。土的固結(jié)系數(shù)越大，排水性能越好，固結(jié)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(jié)系數(shù)的特定值，因此，在實際工程中對所面臨地基土固結(jié)系數(shù)的確定是一項必要且基本的工作。固結(jié)系數(shù)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(guān)。

目前，工程中常用的地基土固結(jié)系數(shù)的確定方法大致可分為三類：（1）室內(nèi)軸向固結(jié)壓縮試驗；（2）現(xiàn)場沉降資料反算法；（3）原位測試法。其中現(xiàn)場沉降資料反算法所得到的固結(jié)系數(shù)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(shù)的合理性，無法在施工之前得到土的固結(jié)系數(shù)，因此本文不作介紹。

二、室內(nèi)固結(jié)試驗求解固結(jié)系數(shù)

室內(nèi)固結(jié)試驗目前依然是應用最為廣泛的得到土固結(jié)系數(shù)的方法，其傳統(tǒng)的試驗儀器為標準固結(jié)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(jīng)由曲線根據(jù)一定的標準作圖之后推算出土體固結(jié)系數(shù)的預測值。

針對上述固結(jié)試驗得到的壓縮曲線，其應用最廣泛的兩種推算土的固結(jié)系數(shù)的方式——時間對數(shù)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(jù)試驗得到的壓縮曲線的形式來判別土的固結(jié)系數(shù)，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(jié)時間相關(guān)的次固結(jié)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(jié)起始段和終止段的位置時，主觀隨意性較大。

此后，鑒于傳統(tǒng)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(nèi)固結(jié)試驗被廣泛應用在土的固結(jié)系數(shù)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(jīng)由該方法得到的土固結(jié)系數(shù)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(jīng)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(shù)在工程現(xiàn)場實地計算土體固結(jié)系數(shù)的方法愈來愈受到工程師們的重視。

CPTU原位測試系統(tǒng)的全套設備全套系統(tǒng)由多功能探頭、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)分析軟件及靜力觸探貫入裝置四大部分構(gòu)成，試驗時可以直接讀取探頭上的錐尖阻力、探頭側(cè)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(shù)，并通過對上述參數(shù)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(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)，經(jīng)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(jié)比OCR）等[4]。

CPTU圓錐探頭上設有濾水器（也稱作孔壓過濾環(huán)）[5]以及能夠量測上述參數(shù)的感應元件。試驗時，探頭與專用的多節(jié)探桿相連接，經(jīng)由液壓傳動裝置貫入原位土體中，探頭所量測的數(shù)據(jù)經(jīng)由穿過探桿的傳輸電纜傳輸?shù)街恋孛娴臄?shù)據(jù)采集器中，實驗員可以實時觀測到各個參數(shù)數(shù)據(jù)的變化。為了能夠得到土的固結(jié)系數(shù)，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(shù)據(jù)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(chǎn)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(jié)系數(shù)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(xiàn)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(shù)規(guī)程》，其中針對CPTU試驗中，如何依據(jù)試驗結(jié)果得到地基土的固結(jié)系數(shù)進行了詳細的介紹并給出了經(jīng)驗取值。

四、總結(jié)

室內(nèi)固結(jié)試驗和現(xiàn)場的原位測試試驗都能夠得到地基土的固結(jié)系數(shù)。由于試驗條件所限，室內(nèi)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(jié)系數(shù)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(nèi)試驗不可避免的鉆孔取土、現(xiàn)場至實驗室之間的運輸、實驗室的制樣方式等對于土結(jié)構(gòu)的破壞已經(jīng)嚴重影響到了計算所得固結(jié)系數(shù)的準確性。因此，在不久的將來，隨著工程技術(shù)水平、設計要求的不斷提高，原位測試技術(shù)研究的不斷深入，理論體系架構(gòu)的不斷完善，以CPTU為代表的原位測試技術(shù)將會逐步取代目前的室內(nèi)固結(jié)試驗法，成為研究計算土固結(jié)系數(shù)的主流方法。