地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要考慮地基土體的先期固結(jié)壓力

陳賢挺 陳潔榮

(1.廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)部，廣西南寧 530023; 2.大唐巖灘水力發(fā)電有限責(zé)任公司計(jì)劃經(jīng)營部，廣西南寧 530811)

0 引言

天然土層在歷史上所受過的包括自重和其他荷載作用形成的最大豎向有效固結(jié)壓力稱為土體的先前固結(jié)壓力(又稱為前期固結(jié)壓力)，用Pc表示。將地基中土體的先前固結(jié)壓力Pc與現(xiàn)有上覆土層壓力P0進(jìn)行對(duì)比的比值定義為超固結(jié)比OCR。

依據(jù)土體的超固結(jié)比OCR值可以將土體分為三種:若地基土體歷史上曾在比現(xiàn)有上覆壓力P0還要大的壓力下固結(jié)，即OCR＞1.0，這類地基土稱為超固結(jié)土;若地基土體歷史上沒有受過比現(xiàn)有上覆壓力P0更大的壓力，且在P0作用下地基土固結(jié)已經(jīng)完成，即OCR=1.0，為正常固結(jié)土;若地基土體在上覆壓力P0作用下固結(jié)尚未完成，土層還在繼續(xù)固結(jié)過程中，即OCR＜1.0，為欠固結(jié)土。

正常固結(jié)狀態(tài)土經(jīng)卸荷可以進(jìn)入超固結(jié)狀態(tài)，成為超固結(jié)土。超固結(jié)土經(jīng)加荷，當(dāng)壓力超過歷史上最大的固結(jié)壓力，土體進(jìn)入正常固結(jié)狀態(tài)，成為正常固結(jié)土。超固結(jié)狀態(tài)和正常固結(jié)狀態(tài)兩者在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)變的［1］。

1 先前固結(jié)壓力對(duì)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要性

應(yīng)力歷史對(duì)土的壓縮性有顯著的影響，以下就分別對(duì)在這三類地基土上建造工程時(shí)可能出現(xiàn)的土體變形現(xiàn)象進(jìn)行分析。

1.1 超固結(jié)土

由于超固結(jié)土歷史上曾在比現(xiàn)有上覆壓力還要大的壓力下固結(jié)，在這種地基土體上建造建筑物時(shí):

1)如果上覆土體自重和基礎(chǔ)及建筑物重量始終小于土體的先前固結(jié)壓力Pc，則反映到土的壓縮和回彈曲線上將出現(xiàn)應(yīng)力點(diǎn)沿著回彈曲線向上走，并最終停在回彈曲線上對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有上覆壓力P0及相應(yīng)的孔隙比e的點(diǎn)處，這樣的規(guī)律對(duì)工程的影響就是由于建筑物地基土體孔隙比e的增大，建筑物不斷被抬升，直至地基土體孔隙比e達(dá)到穩(wěn)定值，造成建筑物的基礎(chǔ)及本身與周圍地基土及相連接的地表建筑連接的破壞，同時(shí)也破壞埋設(shè)于地下的管道，也可能造成建筑物本身的傾斜和結(jié)構(gòu)的破壞。這樣的超固結(jié)土包括在城市建設(shè)中拆除原大建筑建造小建筑的地基土體及土地開發(fā)時(shí)將高海拔平整為相對(duì)低海拔地域并建造小于原上覆壓力的建筑物的地基土體等;

2)如果上覆土體自重和基礎(chǔ)及建筑物重量先小于后大于土體的先前固結(jié)壓力Pc，則反映到土的壓縮和回彈曲線上將出現(xiàn)首先應(yīng)力點(diǎn)沿著回彈曲線向上走，再沿著回彈壓縮曲線下降至交接點(diǎn)并繼續(xù)沿壓縮曲線下降，并最終停在壓縮曲線上對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有上覆壓力P0及相應(yīng)的孔隙比e的點(diǎn)處，這樣的規(guī)律對(duì)工程的影響就是工程在建造過程中先隨著孔隙比e的增大而上升，再隨著孔隙比e的降低而沉降，同樣會(huì)造成建筑物的基礎(chǔ)及本身與周圍地基土及相連接的地表建筑連接的破壞，同時(shí)也破壞埋設(shè)于地下的管道，也可能造成建筑物本身的傾斜和結(jié)構(gòu)的破壞。這樣的超固結(jié)土包括在城市建設(shè)中拆除原小建筑建造大建筑的地基土體及土地開發(fā)時(shí)將高海拔平整為相對(duì)低海拔地域并建造大于原上覆壓力的建筑物的地基土體等［2］。

1.2 正常固結(jié)土

由于正常固結(jié)土是地基土體歷史上沒有受過比現(xiàn)有上覆壓力P0更大的壓力，且在P0作用下地基土固結(jié)已經(jīng)完成的土體。在這種地基土體上建造建筑物時(shí)，建造過程中地基土體上覆壓力一旦超過建造前的先前固結(jié)壓力，反映到土的壓縮和回彈曲線上將出現(xiàn)應(yīng)力點(diǎn)沿壓縮曲線下降，并最終停在壓縮曲線上對(duì)應(yīng)于建造后現(xiàn)有上覆壓力及相應(yīng)的孔隙比e的點(diǎn)處，這樣的規(guī)律對(duì)工程的影響就是工程在建造過程中隨著孔隙比e的降低而沉降，假如在設(shè)計(jì)時(shí)合適的考慮了建筑物的沉降這個(gè)問題不難解決，如果未能合適考慮建筑物的沉降也會(huì)造成建筑物的基礎(chǔ)及本身與周圍地基土及相連接的地表建筑連接的破壞，同時(shí)也破壞埋設(shè)于地下的管道，也可能造成建筑物本身的傾斜和結(jié)構(gòu)的破壞。這樣的情況尤其在高孔隙的土體中要引起重視，比如軟粘土。

1.3 欠固結(jié)土

欠固結(jié)土是指地基土體在上覆壓力P0作用下固結(jié)尚未完成，土層還在繼續(xù)固結(jié)的土體。在這種地基土體上建造建筑物時(shí)，由于地基土體本身就在繼續(xù)固結(jié)，隨著建筑物的建造，其上覆壓力逐漸增大，反映到土的壓縮和回彈曲線上將出現(xiàn)應(yīng)力點(diǎn)沿壓縮曲線以比建造前更快的速度下降，并最終停在壓縮曲線上對(duì)應(yīng)于建造后現(xiàn)有上覆壓力P0及相應(yīng)的孔隙比e的點(diǎn)處，這樣的規(guī)律對(duì)工程的影響就是工程在建造過程中隨著孔隙比e的降低而沉降。在欠固結(jié)地基土上建造工程其沉降量一般是較大的，需要重點(diǎn)考慮，假如在設(shè)計(jì)時(shí)合適的考慮了建筑物的沉降這個(gè)問題不難解決，如果未能合適考慮建筑物的沉降也會(huì)造成建筑物的基礎(chǔ)及本身與周圍地基土及相連接的地表建筑連接的破壞，同時(shí)也破壞埋設(shè)于地下的管道，也可能造成建筑物本身的傾斜和結(jié)構(gòu)的破壞。這樣的情況尤其在高孔隙的土體中要引起重視，比如軟粘土。

從以上分析中可以得出以土體的超固結(jié)比OCR劃分出的三種土的壓縮特性是不同的，因此在進(jìn)行地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過程中要將地基土體的先前固結(jié)壓力和超固結(jié)比作為一個(gè)重要的影響因素進(jìn)行考慮，超固結(jié)土尤為必要。

1.4 先前固結(jié)壓力Pc的測(cè)定方法

先前固結(jié)壓力Pc取決于土層的受力歷史(長期自然地質(zhì)作用)，目前還沒有針對(duì)獲取Pc的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，也沒有發(fā)展具體的計(jì)算理論，工程中只能根據(jù)原狀土樣的e—logP曲線推求，這樣推求出的結(jié)果只是一種經(jīng)驗(yàn)的估計(jì)，原狀土的擾動(dòng)及其擾動(dòng)程度對(duì)結(jié)果的可靠度和準(zhǔn)確度影響很大，工程應(yīng)用最多的還是Casagrande 作圖法［3］。

2 考慮先前固結(jié)壓力沉降的計(jì)算方法

考慮先前固結(jié)壓力沉降的計(jì)算方法也稱為超固結(jié)土地基沉降計(jì)算方法。目前對(duì)土層復(fù)雜的地基土體沉降的計(jì)算一般都采用分層總和法。

考慮先前固結(jié)壓力沉降的計(jì)算方法首先應(yīng)分析土體的OCR值［4］:

如果土體處于超固結(jié)狀態(tài):

如果土體由超固結(jié)狀態(tài)已轉(zhuǎn)變?yōu)檎９探Y(jié)狀態(tài):

得到各土層壓縮量后，再求和得到總沉降量。考慮先前固結(jié)壓力沉降的計(jì)算方法適用于計(jì)算超固結(jié)土地基以及加載—卸載—再加載的情況。

對(duì)正常固結(jié)土:

［1］龔曉南.高等土力學(xué)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，1996.

［2］盧廷浩.土力學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2002.

［3］陳仲頤，周景星，王洪瑾，等.土力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1994.

［4］顧慰慈.滲流計(jì)算原理及應(yīng)用［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2000.