地基土先期固結壓力Pc值確定方法探討

趙亞品

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津 300251)

1 概述

土的先期固結壓力Pc是指土層在歷史上經受過的最大有效固結壓力。它是判斷天然土層所處固結狀態的一個重要指標,也是考慮應力歷史對土層變形量影響的一個重要計算參數。

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

(1)正常固結土：指土層在自身重力作用下自然沉積并固結穩定,且其固結過程中沒有受過侵蝕、卸荷或其他荷載的作用(Pc=Pz)。

(2)欠固結土：指新近沉積起來的土層,該土層在自身重力作用下尚未達到固結穩定,屬于欠壓密狀態(Pc

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

2 室內測試Pc的幾種方法

2.1 固結試驗法

(1)卡氏法

利用固結試驗繪制e-logp曲線,在開始的e-logp曲線段上用目測法或作圖法定出曲率半徑最小的一點,再從該點作水平線及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線的交點對應的壓力值即為Pc值。

(2)史沫特曼法

同樣是利用固結試驗的e-logp曲線,不同的是該法是在固結過程中當e-logp曲線出現直線段時馬上卸荷回彈,然后再加荷壓縮,利用卸荷回彈再壓縮回環的割線,通過(e0,p0)點做該割線的平行線,再從平行線上假定Pc值進行分析,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前e-logp曲線重合,特征三角形垂線邊定點所對應的壓力即為Pc值。

2.2 用強度試驗確定

(1)固結不排水剪法

利用應變式固結靜三軸儀使原狀土試樣在不同的側壓力下固結后于不排水條件下剪切,測出的強度包線具有的轉折點所對應的壓力即為Pc值。

(2)不固結不排水剪法

同樣是利用應變式固結靜三軸儀使試件在不固結的原狀狀態下進行剪切試驗。具有前期固結壓力的土樣,其不固結不排水剪切強度包線與壓力無關,幾乎平行于橫坐標軸,其于固結不排水剪的強度包線的交點所對應的壓力即為Pc值。

用強度試驗法確定Pc值時,一個土樣最少需要4～5個試件才能完成,不適用于現在工程工期緊、工作量大的特色。而固結試驗法中的史沫特曼法和布氏法,均需要在固結試驗過程中觀察每個土樣開始出現直線段的起始點,而在試驗室的全自動氣壓固結儀裝置中,逐個土樣進行不同卸荷點的回彈再壓縮試驗是不具實施性的。所以,在我國各行業的現行規范中均采用的是卡氏法。但經過多年實踐,該方法對非均質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,人為判別曲線拐點的因素很大。因此,結合哈齊客運專線大量的試驗數據找出了土樣Pc值與無側限抗壓強度之間的關系,用于判斷土層所處的固結狀態。該方法簡單易行,值得推廣。

3 工程實例中的數據分析

表1和圖1為哈齊客運專線松軟地基土44組的物性指標與Pc值、qu值的數據,其中,Pc值測定采用半自動高壓固結儀,人工加荷,加荷序列為：12.5、25、50、100、200、400、800、1 600、3 200 kPa,自動采集每級荷重下的沉降值,按每級荷重下每小時沉降量小于0.05 mm自動判穩,數據處理采用卡氏法。qu的測定采用自動采集剪應變及剪應力的應變控制式靜三軸儀,峰值強度取破壞強度或對應于20%應變時的抗剪切強度值。

表1 哈齊客運專線土樣物性指標與Pc、qu數據

圖1 Pc與qu數據對比分布曲線

利用比較試驗中常用的F檢驗與t檢驗對兩組樣本的結果數據的差異性進行檢驗。

F檢驗：

t檢驗：

4 結論

(1)通過對同一地域不同里程44組土樣試驗結果數據的統計分析,兩種試驗結果數據無顯著差異,在工期緊、任務量大且有部分對比數據的情況下,可以用qu值近似代替Pc值進行土類固結程度的判定。

(2)由于時間關系和所取樣品的區域性和局限性,該成果并不一定對所有地區三種固結狀態的所有土類都適用,建議在實際應用中進一步驗證,對不同的地區進行更多的對比,積累更多的經驗,擴大簡便易行、結果直觀的無側限試驗的應用。

[1]鐵道第一勘察設計院.工程地質試驗手冊(修訂版)[M].北京：中國鐵道出版社,1995

[2]楊英華.土力學[M].北京：地質出版社,1986

[3]鐵道第一勘察設計院.鐵路工程土工試驗規程(TB10102—2004)[S].北京：中國鐵道出版社，2004