工程勘察報告中壓縮指標存在的問題、應用現(xiàn)狀及改進建議

2014-06-26 07:40:44覃震林

城市勘測 2014年1期

覃震林

(柳州市勘察測繪研究院，廣西柳州 545006)

1 引言

使土產(chǎn)生壓縮或固結的應力有兩種:其一是土的自重應力;其二是外荷在地基內(nèi)部引起的附加應力。對于新近沉積土或填土，起初土顆粒尚處于懸浮狀態(tài)，土的自重應力由孔隙水承擔，有效應力為零。隨著時間的推移，土在自重作用下逐漸沉降固結，最后自重應力全部轉(zhuǎn)化為有效應力，故這類土的自重應力就是固結應力。對于很多天然土層，其自重作用下已完全固結，則自重應力不再使土產(chǎn)生固結，只是在外加的荷載下產(chǎn)生附加應力才能使土產(chǎn)生固結，把天然土層在歷史上受到的最大固結應力(指豎向有效應力)稱為先期固結應力。根據(jù)應力歷史將土層分為正常固結土、固結土和欠固結土。

將先期固結壓力與現(xiàn)有覆蓋土之比值定義為超固結比OCR:

OCR=PC/PZ

PC——先期固結應力

PZ——土的有效自重應力

當OCR=1 時，為正常固結土;當OCR ＞1 時為超固結土;當OCR ＜1 時為欠固結土。在實踐中考慮到取樣、封裝、運輸、保存、制樣等擾動及其他人為影響因素條件，在工程實踐中一般按超固結比略大于理論取值，通常當OCR=1.0 ～1.2 時，視為正常固結土，如在《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》JGJ72 －2004 就是如此規(guī)定。當前在勘察工程實踐中對土的應力歷史普遍存在一定程度的忽視，不重視提供準確合理的壓縮曲線、OCR 指標，對工程建設可能有較大不良影響。

2 關于e ～p 室內(nèi)壓縮曲線

在一般的工程勘察中，勘察單位只提供各個土樣的e ～p 室內(nèi)壓縮曲線圖，甚至不提供該類壓縮曲線圖而僅提供各土樣的壓縮系數(shù)和壓縮模量。但按室內(nèi)e～p 曲線未考慮土層的應力歷史，而在取原狀土樣時，應力已經(jīng)釋放，按天然含水量W、土粒比重GS、土的天然重度γ 計算得出土樣的天然孔隙比e0，此e0即是e～p 曲線圖中對應于試驗所施加的應力p =0 時的孔隙比，即視為土已有回彈，如果是正常固結土，其即從自重應力pz1=γz1解除為PZ=0 時，孔隙比由e1回彈至e0，試驗時從壓力p=0 加荷至pz1時，此段變形實際上是土的再壓縮過程，當壓力p ＞pz1時，才是土正常的壓縮曲線。由于近年來高層建筑普遍采用筏板基礎，需要勘察報告提供關于土的壓縮性指標，對于正常固結土，勘察單位分別按各個土樣提供各土樣的e ～p 室內(nèi)壓縮曲線，由于在不同深度采樣，一個場地同一個土層可能有多達數(shù)十個樣，提供數(shù)十個曲線圖，各曲線未能有效統(tǒng)一整合，令設計人員難以應用此成果，且天然土層是一個空間分布不太均勻的地質(zhì)體，必須有相當數(shù)量的試驗數(shù)據(jù)進行分析、取舍、統(tǒng)計方能得到一個能滿足工程安全要求可靠度的代表值——勘察報告的巖土參數(shù)建議值，壓縮指標也不例外。此外，有的勘察單位僅提供E100－200、E200－300、E300－400、E400－5400，如此壓縮模量建議值難以滿足設計計算需要，如計算需要E200－400值呢，總不能想當然的按E200－300與E300－400平均取值吧?這也是一個問題。又如，需要E150－300值呢?更不能從以上所列壓模值計算出來。因此，無論是從統(tǒng)計學保證可靠性的角度，還是便于應用壓縮指標的角度看，都應該有一個合理的方法對如此多個的曲線進行統(tǒng)計，本人認為，應最終提供一條代表性壓縮曲線才能較好解決這個問題。

如何對同一土層提供一個代表性e ～p 壓縮曲線，其又有什么不足呢?我們從圖1～圖4結合上述論述進行分析，為便于論述，舉一個簡單的工程示例:在一個大筏基下為一層正常固結土層，現(xiàn)分別在基底下深度3 m、6 m、9 m處取樣進行壓縮試驗，得到a、b、c 三條壓縮曲線，則各曲線表示含意為:

圖1 3 m 深度土樣的室內(nèi)壓縮曲線圖(e ～p)

圖2 6 m 深度土樣的室內(nèi)壓縮曲線圖(e ～p)

圖3 9 m 深度土樣的室內(nèi)壓縮曲線圖(e ～p)

圖4 同一層土不同深度(3 m、6 m、9 m)土樣的室內(nèi)壓縮曲線合圖(e ～p)

(1)a 曲線，如圖1所示:土在3 m 處自重應力P1(3)，圖上P1(3)壓力左側(cè)即P ＜P1(3)的曲線實際上是再壓縮段(取樣時土樣所受應力從P1(3)減至0，在曲線圖上表示也可視為回彈至0 kPa時此樣的孔隙比，記為e0(3))，對于該土樣而言(注意，是針對該土樣而非該土層)，P ＜P1(3)時，曲線實際上為再壓縮段，P ＞P1(3)時，曲線為壓縮段。

(2)b 曲線，如圖2所示:土在6 m 處自重應力P1(6)，圖上P1(6)壓力左側(cè)即P ＜P1(6)的曲線實際上是再壓縮段(取樣時土樣所受應力從P1(6)減至0，在曲線圖上表示也可視為回彈至0 kPa時此樣的孔隙比，記為e0(6))，對于該土樣而言(注意，是針對該土樣而非該土層)，P ＜P1(6)時，曲線實際上為再壓縮段，P ＞P1(6)時，曲線為壓縮段。

(3)c 曲線，如圖3所示:土在9 m 處自重應力P1(9)，圖上P1(3)壓力左側(cè)即P ＜P1(9)的曲線實際上是再壓縮段(取樣時土樣所受應力從P1(9)減至0，在曲線圖上表示也可視為回彈至0 kPa時此樣的孔隙比，記為e0(9))，對于該土樣而言(注意，是針對該土樣而非該土層)，P ＜P1(9)時，曲線實際上為再壓縮段，P ＞P1(9)時，曲線為壓縮段。

由于土是彈塑性體，且殘余變形大于彈性變形，故容易理解理論上6 m處(自重應力P1(6))回彈至P=0 的e0(6)＜e0(3)，而P=0 處的e0(9)＜e0(6)?；蛘邠Q個思路，將三條曲線放在同一個曲線圖中比較，如圖4，由于為同一土層，此a、b、c 三條曲線應大致在P1(9)點重合，向右側(cè)重合為一條曲線;同理，在P1(6)右側(cè)a、b 兩條線重合，在此圖中，對于b 線而言，P1(6)左側(cè)為b 線的再壓縮段，又因P1(6)＞P1(3)，對于a 曲線而言，此段卻為壓縮段，從土工原理中可知，再壓縮曲線緩于壓縮段(因前期已經(jīng)過壓縮)，依此類推，可知在小于P1(6)壓力段c 線緩于b線，b 線緩于a 線，過P1(9)后三線重合。

由上述分析可知，同一層土在不同深度取樣得出的壓縮試驗結果是不一樣的，如果要統(tǒng)計成一條代表性曲線，會使a 線前部壓緩，而c 線前部抬高，為避免此不合理的統(tǒng)計，故在提供每一層正常固結土的代表性壓縮曲線時，應將同一層土按深度分為厚度不太大的分層，即力學分層，再按每一層試驗所得的e0取平均值，e0按式，各分層P1取同一分層的中間深度的自重壓力為宜，再取P1平均值。P2亦如此取值，即可得每一力學分層的各一條代表性室內(nèi)壓縮曲線。對一個場地來說，先按地質(zhì)成因、土的狀態(tài)等劃分土層(地質(zhì)分類)，在按每一土層劃分亞層(力學分層)，按每一亞層進行壓縮性試驗并統(tǒng)計一條代表性e ～p 壓縮曲線。如此，勘察報告可提供不同土層、不同力學分層的代表性e ～p 壓縮曲線，極大地方便設計應用，而不是面對可能多達數(shù)十條的曲線而難以取舍，合理地簡化正常固結土的壓縮沉降計算問題。

圖5 先期固結壓力對實際壓縮段影響關系示意圖(e ～p)

但如果工程面對的是超固結土，欠固結土，則以上方法不適用，如果按上述方法計算，對于超固結土，其計算結果大于實際值，而對于欠固結土，其計算結果小于實際值。其原因亦可用土的室內(nèi)壓縮試驗曲線圖解釋(如圖5所示):

(1)如果先期固結壓力PC＜PZ自重壓力，即圖中PC在自重壓力PZ左側(cè)，此土實為欠固結土。該沉降計算壓力段取值應為PC～PZ+P0，即壓力段為先期固結壓力至土的自重壓力與附加壓力之和。

(2)如果先期固結壓力PC＞PZ自重壓力，即圖中PC在自重壓力PZ右側(cè)，此土實為超固結土。該沉降計算壓力段取值應為PZ～PZ+P0，即壓力段為土和自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和，但此段已包含了再壓縮段沉降，具體在e ～logp 曲線圖中分析。

(3)如果先期固結壓力PC=PZ自重壓力，即圖中PC與自重壓力PZ重合，此土即為正常固結土。該沉降計算壓力段取值應為PZ～PZ+P0，即壓力段為土和自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和。

但實際上此先期固結壓力不知道是多少，是大于還是小于土的自重壓力同樣不知道，即并不能從e ～p室內(nèi)壓縮曲線圖中知道PC值，也就意味著面對勘察報告提供的e ～p 曲線圖，如果想當然地將其當作正常固結土按《建筑地基基設計規(guī)范》分層總和法計，則產(chǎn)生如下后果:

①如果該土實際上其為欠固結土，則計算結果是沉降計算值小于實際沉降值，偏不安全。

②如果該土實際上其為超固結土，則計算結果是沉降計算值大于實際沉降值，可能導致按沉降控制原本應該可行的筏基方案因計算不合理而使合理的方案不成立，造成地基基礎方案選擇上的被動。

③如果該土實際上其為正常固結土，則計算結果符合實際情況。

可見，僅憑e ～p 圖不能理所當然地進行沉降計算，它是有前提條件的，但即使是勘察人員都不可能僅憑e ～p 圖就知道如何計算，更遑論設計人員，故此，可采用e ～logp 曲線。

3 關于e ～logp 室內(nèi)、現(xiàn)場壓縮曲線

按《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》8.2.11 －1 ～8.2.11 ～11 －4。

(1)正常固結土的固結沉降量

(2)超固結土的固結沉降量

(3)欠固結土的固結沉降量

計算示意圖如圖6～圖9所示。

圖6 正常固結土現(xiàn)場壓縮曲線(e ～logp)沉降計算示意圖

圖7 超固結土現(xiàn)場壓縮曲線在Pzi +P0i ＞Pci時沉降計算示意圖

圖8 超固結土現(xiàn)場壓縮曲線在Pzi +P0i ＜Pci時沉降計算示意圖

圖9 欠固結土現(xiàn)場壓縮曲線沉降計算示意圖

si—第i 層土的固結沉降量(mm);

hi—第i 層土的平均厚度(mm);

e0i—第i 層土的初始孔隙比平均值;

Cri—第i 層土的回彈再壓縮指數(shù)平均值;

PZi—第i 層土有效自重壓力平均值(kPa);

P0．i—對應于荷載效應準永久組合時，第i 層土有效附加壓力平均值(kPa);

pc．i—第i 層土的先期固結壓力平均值(kPa);

以上3 種土4 種應力狀態(tài)下的沉降計算如同e ～p曲線圖分析一樣表明不同土類、不同應力狀態(tài)下其沉降是不一樣的，如果不考慮應力歷史，均按正常固結以室內(nèi)壓縮曲線e ～p 計算，是完全不合理的，且可能不安全。

由于判斷土層超固結比對沉降計算的合理性有重要影響，因此得到土層超固結比是勘察工作的一個重要內(nèi)容，而按室內(nèi)試驗確定前期固結應力準確性受取樣、制樣等影響很大，故此，非常強調(diào)必須采取高質(zhì)量Ⅰ級原狀土試樣，對取土器的要求，取樣的注意事項，包括封樣、運輸、保存一系列環(huán)節(jié)，都必須嚴格按相關要求進行，這一問題對勘察單位、勘察人員及土試人員提出了相當高的要求，而非輕取樣、重原位測試(指標貫)的習慣所能擔當。另外，勘察工作前尚需巖土工程師對場地的地形、地貌、地層組成、土層沉積、剝蝕歷史等有一個宏觀把握，搜集、分析鄰近已有勘察資料，了解土層的應力歷史，結合室內(nèi)試驗對比分析才能得出較為準確合理的前期固結應力值，如一個大面積人工剝蝕場地，則需勘察人員對比新老地形圖了解剝蝕厚度，對土試曲線最大曲率點的選擇和適合作圖比例尺的選擇都有對比、參照作用，提高作圖的準確性。

推求現(xiàn)場壓縮曲線的大致步驟為:通過搜集區(qū)域地質(zhì)資料及鄰近勘察資料，并經(jīng)現(xiàn)場踏勘，大致了解推測土的應力歷史后，制定勘察方案，包括土工試驗要求，在獲得初步的鉆探資料后劃分出場地標準代表性地層剖面，此后，要求實驗室在試驗過程中隨時繪制e～logp 曲線，待壓縮曲線出現(xiàn)急轉(zhuǎn)折后，立即逐級缷荷至P0(P0為前期最大固結壓力)，讓回彈穩(wěn)定，再分級加荷，則可得如下曲線ADFC，如圖10所示，以備推測超固結土的現(xiàn)場壓縮曲線。具體過程在《土工試驗方法標準》已有具體步驟，不再此一一贅述，如果PZ=PC，即為正常固結土，PZ＜PC為欠固結土，PC＞PZ，即為超固結土。