中外規(guī)范固結(jié)試驗對比研究

李建軍，孫成科

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

引 言

為了更好的參與國際競爭和海外戰(zhàn)略發(fā)展，更好的與國外相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)相融合，進(jìn)行中外規(guī)范下固結(jié)試驗的對比研究對國外的工程建設(shè)具有重要意義。本文選取幾內(nèi)亞某地區(qū)和天津某地區(qū)原狀土樣采用不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行固結(jié)試驗，分析該地區(qū)不同標(biāo)準(zhǔn)之間的固結(jié)試驗指標(biāo)的關(guān)系。

1 固結(jié)試驗原理

固結(jié)試驗是指用固結(jié)儀檢測土體在有側(cè)限的條件時，試樣在不同豎向壓力下的壓縮變形量。主要測定土的壓縮系數(shù)a、壓縮模量Es、體積壓縮系數(shù)mv、固結(jié)系數(shù)Cv、壓縮指數(shù)Cc、回彈指數(shù)Cs以及先期固結(jié)壓力Pc，這些參數(shù)是工程設(shè)計的重要依據(jù)。固結(jié)試驗可以根據(jù)施工要求和地基特點(diǎn)等不同要求選擇固結(jié)試驗方法，因此對大型建筑、隧道橋梁、港口和航道等工程的設(shè)計施工有著非常重要的意義。

本文選取中國國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）、英國標(biāo)準(zhǔn) BS 1377-5：1990、美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2435/D2435M-1和法國標(biāo)準(zhǔn)XP P94-090-1(1997)四種規(guī)范進(jìn)行固結(jié)試驗對比研究。

2 試驗標(biāo)準(zhǔn)的對比

2.1 中國標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗方法

1）標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗是試樣在施加垂直應(yīng)力，加壓 24小時或變形穩(wěn)定記錄試樣變形量后再施加下一級垂直應(yīng)力，需要測定沉降速率、固結(jié)系數(shù)時，施加每一級荷載后按下列時間順序測記試樣的高度變化。時間為6 s、15 s、30 s、1 min、2 min15 s、4 min、6 min15 s、9 min、12 min15 s、16 min、20 min15 s、25 min、30 min15 s、36 min、42 min15 s、49 min、64 min、100 min、200 min、400 min、23 h、24 h，到試樣固結(jié)穩(wěn)定。無須測定沉降速率時，則施加每級壓力后 24 h測定試樣高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，只需測定壓縮系數(shù)的試樣，施加每級壓力后，每小時變形達(dá)0.01 mm時，測定試樣高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。按此步驟逐級加壓至試驗結(jié)束。

試驗加荷等級為12.5、25、50、100、200、400、800、1 600、3 200 kPa。第一級壓力的大小應(yīng)視土的軟硬程度而定，宜用12.5、25、或50 kPa，最后一級壓力應(yīng)大于土的自重壓力與附加壓力之和。只測定壓縮系數(shù)時，最大壓力為 400 kPa。需要確定原狀土的先期固結(jié)壓力時，初始段的荷重率應(yīng)小于1，可采用0.5或0.25。施加的壓力應(yīng)使測得的e-lgp曲線下段出現(xiàn)直線段。如果是超固結(jié)土，應(yīng)進(jìn)行回彈試驗。標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗得到土的壓縮系數(shù)a、壓縮模量Es、壓縮指數(shù)Cc、回彈指數(shù)Cs以及先期固結(jié)壓力Pc、固結(jié)系數(shù)Cv。

2）前期固結(jié)壓力Pc的確定方法（卡薩格蘭德法）

在e-lgP曲線上先找出相應(yīng)最小曲率半徑的點(diǎn)O，過O點(diǎn)作該曲線的切線OA和水平線OB，作∠AOB的角平分線OD，延長曲線后段的直線部分與OD線相交于C點(diǎn)，則C點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為該土的前期固結(jié)壓力Pc。

3）按下列兩種方法之一求固結(jié)系數(shù)Cv

時間平方根法：

式中：Cv為固結(jié)系數(shù)（cm2/s）；t90為對應(yīng)于d90的時間，即為固結(jié)度達(dá)90 %所需的時間。

時間對數(shù)法：

式中：Cv為固結(jié)系數(shù)（cm2/s）；t50為對應(yīng)于d50的時間，即為固結(jié)度達(dá)50 %所需的時間。

2.2 英國標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗方法

英標(biāo)固結(jié)試驗標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗。試驗使用條件、試樣制備、設(shè)備參數(shù)、與試驗步驟基本與中國標(biāo)準(zhǔn)相同，中國標(biāo)準(zhǔn)的固結(jié)儀參數(shù)完全可以滿足英國標(biāo)準(zhǔn)要求，但是與中國標(biāo)準(zhǔn)也存在差別。

1）固結(jié)采集數(shù)據(jù)時間不同

英標(biāo)固結(jié)采集數(shù)據(jù)時間為：10 s、20 s、30 s、40 s、50 s、1 min、2 min、4 min、8 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、24 h。

2）固結(jié)系數(shù)計算公式不同

英標(biāo)固結(jié)系數(shù)計算公式是（單位m2/a）：

兩個標(biāo)準(zhǔn)在獲取t90和t50時，都采用時間-對數(shù)曲線擬合法和時間平方根曲線擬合法。

2.3 美國標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗方法

美國標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗方法有兩種：

1）試驗方法A

本試驗方法中，24 h內(nèi)或24 h的倍數(shù)時間內(nèi)采用恒定荷載增量。同時，至少讀取兩個荷載增量對應(yīng)的時間-變形量。應(yīng)用該試驗方法，只能繪制試樣的壓縮曲線，試驗結(jié)果由初次固結(jié)及二次壓縮變形組合而成。

2）試驗方法B

讀取所有荷載增量對應(yīng)的時間變形量。100 %固結(jié)后，或達(dá)到試驗方法所述的恒定時間增量時，施加連續(xù)荷載增量。應(yīng)用該試驗方法，可繪制再壓縮曲線，飽和試樣的固結(jié)系數(shù)及再壓縮的速率。試樣制備與試驗步驟與中國標(biāo)準(zhǔn)基本相同。

固結(jié)采集數(shù)據(jù)時間不同，美國標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)采集時間為：6 s、15 s、30 s、1 min、2 min、4 min、8 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、24 h。

在計算確定主固結(jié)時間t90和t50、固結(jié)系數(shù)Cv、先期固結(jié)壓力Pc、壓縮指數(shù)Cc等壓縮指標(biāo)的方法與中國標(biāo)準(zhǔn)相同。

2.4 法國標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗方法

1）固結(jié)荷載的確定方法不同

固結(jié)試驗壓力級別應(yīng)該按照下面的條件或者盡量滿足這些條件的要求來選擇：σ'(1)=施加載荷的裝置產(chǎn)生的壓力（值低于10 kPa）；σV(2)=0.5σ'V0；σV(3)=0.75σ'V0；σV(4)=σ'V0。 如 果土壤過于堅固（σ'p＞σ'V0），接下來選擇的載荷增長率在0.5到1之間，直至施加的壓力大于預(yù)先固結(jié)的壓力，達(dá)到σ'V0和σ'p的壓力級別之間。在進(jìn)行試驗的過程中，從曲線[ΔH, lgσv]中可以測得該值。當(dāng)在σ'p的曲線中出現(xiàn)一段明顯彎曲的弧線時，確定已經(jīng)超過了先期固結(jié)壓力。固結(jié)荷載的確定方法與中國標(biāo)準(zhǔn)不同。

2）固結(jié)采集數(shù)據(jù)的時間不同

進(jìn)行垂直位移的記錄時，應(yīng)按照下述加載與測量之間的時間間隔：0、15 s、30 s、1 min、2 min、4 min、8 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、24 h…應(yīng)記錄每一個壓力級別的首次測量日期和時間。在當(dāng)前荷載下固結(jié)穩(wěn)定后記錄穩(wěn)定值，在施加下一級荷載。采集數(shù)據(jù)的時間與中國標(biāo)準(zhǔn)不同。

3）固結(jié)系數(shù)計算

圖1 時間平方根法-Taylor法確定t90

圖2 時間對數(shù)法-Casagrande法確定t50

式中：對于固結(jié)度為90 %（t=t90）的情況，Tv=0.848，對于固結(jié)度為50 %（t=t50）的情況，Tv=0.197；h為固結(jié)排水距離，當(dāng)雙面排水時，h是t=t90時刻在壓力σv下的試樣平均高度的一半。

確定t90、t50以及固結(jié)系數(shù)Cv的計算與中國標(biāo)準(zhǔn)相同，見圖1、圖2。

4）法國標(biāo)準(zhǔn)先期固結(jié)壓力Pc的確定方法與中國標(biāo)準(zhǔn)不同

壓縮曲線是一條連續(xù)的曲線，它將半對數(shù)分度表示的圖形[e(n), lgσv(n)]中的代表性試驗點(diǎn)連接起來，e(n)是結(jié)束對試樣施加載荷σv(n)時的孔隙比。固結(jié)試驗指標(biāo)回彈指數(shù)Cs、壓縮指數(shù)Cc、先期固結(jié)壓力Pc的確定如圖3所示，根據(jù)第一個卸載/再加載的循環(huán)的平均斜率，畫出直線AB。從壓縮性曲線的D點(diǎn)[ei, lgσv(1)]（ΔHi=0所對應(yīng)的點(diǎn)）開始，畫出直線AB的平行線DL。隨后，在壓縮性曲線上畫出經(jīng)過了壓力級別經(jīng)驗值的3點(diǎn)的修正直線MN。壓縮指數(shù)Cs即為直線DL的斜率。該斜率定義為孔隙度e的變化量的絕對值取對數(shù)值：Cs=Δe/Δ(lgσ'v)。同樣地，壓縮指數(shù)Cc即為直線MN的斜率，先期固結(jié)壓力Pc對應(yīng)直線DL與直線MN的交點(diǎn)C。

圖3 壓縮曲線確定Cs、Cc、Pc

四種規(guī)范中的固結(jié)試驗基本原理都是服從太沙基一維固結(jié)理論，但是也存在差異，固結(jié)試驗采集數(shù)據(jù)的時間、先期固結(jié)壓力Pc的確定、計算固結(jié)系數(shù)的公式及單位有所不同。因此仔細(xì)對中外規(guī)范下固結(jié)試驗進(jìn)行對比研究，為海外工程建設(shè)提供更全面的資料，更好的服務(wù)國際工程建設(shè)。

3 天津和幾內(nèi)亞某地區(qū)粘性土Cv和Pc對比

3.1 不同國家標(biāo)準(zhǔn)的固結(jié)系數(shù)對比分析

本次試驗土樣取自天津某地區(qū)和幾內(nèi)亞某地區(qū)，軟土采用薄壁取土器靜壓取土，減少對土層天然結(jié)構(gòu)的破壞，保證原狀土取土質(zhì)量。本次試驗針對淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘土進(jìn)行中外規(guī)范下土的標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗。試樣的物理指標(biāo)如表1、表2。

表1 天津某地區(qū)土的物理指標(biāo)

表2 幾內(nèi)亞某地區(qū)土的物理指標(biāo)

3.2 固結(jié)試驗數(shù)據(jù)

分別對三種粘性土選取共 40個土樣進(jìn)行中國標(biāo)準(zhǔn)、英國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)和法國標(biāo)準(zhǔn)四種規(guī)范進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，不同土質(zhì)的200 kPa時固結(jié)系數(shù)平均值如表3～表5。

表3 淤泥質(zhì)粘土固結(jié)系數(shù)平均值

表4 粉質(zhì)粘土固結(jié)系數(shù)平均值

表5 粘土固結(jié)系數(shù)平均值

通過表3～表5統(tǒng)計可知，慢速固結(jié)試驗，英標(biāo)規(guī)范的固結(jié)系數(shù)Cv略小于國標(biāo)、美標(biāo)和法標(biāo)，國標(biāo)、美標(biāo)和法標(biāo)的固結(jié)系數(shù)Cv相等。這是因為英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1377-5：1990規(guī)范里計算固結(jié)系數(shù)公式里的時間因子系數(shù)比中國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)和法國標(biāo)準(zhǔn)時間因子系數(shù)要小，中國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)和法國標(biāo)準(zhǔn)試驗因子系數(shù)相等。

同樣對天津某地區(qū)和幾內(nèi)亞某地區(qū)粉質(zhì)粘土和粘土，采用中國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)和英國標(biāo)準(zhǔn)的先期固結(jié)壓力進(jìn)行試驗后，經(jīng)統(tǒng)計分析表明其固結(jié)壓力值相等，而采用法國標(biāo)準(zhǔn)粉質(zhì)粘土的先期固結(jié)壓力小10 kPa左右，粘土的先期固結(jié)壓力小25 kPa左右。

4 結(jié) 論

通過對比研究中國標(biāo)準(zhǔn)、英國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)和法國標(biāo)準(zhǔn)四種規(guī)范中固結(jié)試驗的使用范圍、試驗方法及數(shù)據(jù)的處理。并選取天津某地區(qū)和幾內(nèi)亞某地區(qū)的粘性土采用四種規(guī)范進(jìn)行慢速固結(jié)試驗。對于每一類土采用不同規(guī)范所得的固結(jié)系數(shù)、先期固結(jié)壓力，得出以下結(jié)論：

1）中國標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗可分標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗和應(yīng)變控制連續(xù)加荷固結(jié)試驗，美國標(biāo)準(zhǔn)、英國標(biāo)準(zhǔn)和法國標(biāo)準(zhǔn)只有標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗。

2）中國標(biāo)準(zhǔn)、英國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)和法國標(biāo)準(zhǔn)四種規(guī)范中固結(jié)采集數(shù)據(jù)時間不同。

3）中國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)和法國標(biāo)準(zhǔn)計算固結(jié)系數(shù)的公式相同，計算結(jié)果相同，而英國標(biāo)準(zhǔn)計算固結(jié)系數(shù)的公式不同，計算結(jié)果也不同。

4）英標(biāo)規(guī)范下的固結(jié)系數(shù)Cv略小于國標(biāo)、美標(biāo)和法標(biāo)，國標(biāo)、美標(biāo)和法標(biāo)的固結(jié)系數(shù)Cv相等。

5）天津某地區(qū)和幾內(nèi)亞某地區(qū)低塑性粘土質(zhì)砂和低塑性粘土法國標(biāo)準(zhǔn)下的先期固結(jié)壓力普遍小10 kPa左右，高塑性粘土法國標(biāo)準(zhǔn)下的先期固結(jié)壓力普遍25 kPa左右。

6）通過研究各國的試驗規(guī)范和試驗分析，國產(chǎn)的試驗設(shè)備能夠滿足中國標(biāo)準(zhǔn)的試驗要求，同樣也能滿足英國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)和法國標(biāo)準(zhǔn)。