室內與現場反演固結系數差異特征與原因分析

趙俊明,陳琦,劉垚,鄧永鋒

(1.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210017；2.東南大學 交通學院,江蘇 南京 210096)

連云港地區緊靠黃海,土層多為淤泥、淤泥質黏土、淤泥質亞黏土及淤泥混砂層,屬于飽和的正常壓密軟黏土,具有壓縮性高、沉降量大、排水固結慢、地基穩定性較差的特點。根據對已建道橋的調查,大部分道橋因地基沉降不均而產生嚴重的路面開裂和橋頭跳車,這是由施工期間對工后沉降預估不足所致。在軟土地基上建設公路面臨復雜的軟土固結沉降問題,固結系數是體現固結過程快慢的指標,是軟基變形設計計算的關鍵參數。

目前常用的獲取固結系數的方法主要有室內固結試驗法、孔壓靜力觸探法和現場反演分析計算法。對這3種方法之間的差異,不少學者開展了相應研究。如陳新彥等以珠江三角洲大量軟土地區試驗結果為依據,比較了地基沉降反演、室內固結試驗和孔壓靜力觸探試驗所得固結系數的相互關系；胡榮華等基于深圳地區軟土工程實例,對比了室內試驗法、現場試驗法、反演分析法、間接推算法結果的異同；顧紹付等以具體工程土樣的固結試驗和滲透試驗數據為依據,用多種方法計算土樣的固結系數,分析了兩種參數之間的聯系；孟高頭等開展孔壓靜力觸探和室內固結試驗,對比了兩種固結系數間的異同；鄧永鋒等根據Hong&Onitsuka的擾動度定義,給出了土樣擾動對室內固結試驗結果的影響。已有研究表明現場沉降反演法與孔壓靜力觸探法的固結系數較接近,而室內試驗所得固結系數比現場沉降反演法小1～2個數量級。但對于這種差異產生原因的研究較少,導致選取合理的固結系數作為施工依據比較困難。該文基于連云港臨海高等級公路建設期沉降觀測數據,從土樣擾動、滲透系數各向異性及固結模式三方面分析差異產生原因。

1 固結系數獲取方法

1.1 室內試驗法

室內試驗一般采用基于Terzaghi一維固結理論的解析法求豎向固結系數,固結方程為：

式中：Cv為固結系數,Cv＝k/(mvγw)；k為滲透系數；mv為體積壓縮系數；γw為水的重度。

為便于求解,Terzaghi假定k和mv在土體壓密固結過程中保持不變,即k、mv和Cv在固結過程中均為常數。

1.2 孔壓靜力觸探法

探頭貫入土層時,其周圍土層中的應力、應變及孔隙水壓力均產生重分布,探頭貫入土層所產生的超靜孔隙水壓力的消散接近于水平徑向擴散,故孔壓靜探在土層中所估算的為水平向固結系數Ch。按Terzaghi固結理論,孔壓消散的軸對稱方程為：

式中：u為孔隙水壓力；r為任一點距探頭中心的水平距離；t為消散時間。

將式(2)代入滿足超孔壓的初始條件和邊界條件,可求解某一深度土層的水平向固結系數：

式中：T為時間因數；r0為探頭半徑。

目前國內外傾向于取固結度U為50%時的T50計算固結系數。

1.3 Asaoka沉降反演法

Asaoka法數學形式相對簡單,參數易確定,僅需少量數據即可進行圖解法求解固結系數。Asaoka基于Mikasa提出的一維大變形的連續性方程?ε/?t＝Cv(?2ε/?z2),構建了ε的級數解：

式中：T、F為時間t的函數；T′、T″,F′、F″分別為T、F對時間t的一階和二階導數。

根據邊界條件,可得到Asaoka解析解：

式中：S i為在同一荷載作用下第i個時間段的沉降；β0和β1為參數,雙面排水時lnβ1＝－6Cv/H2Δt,單面排水時lnβ1＝－2Cv/H2Δt。

2 結果對比分析

2.1 室內固結系數與反演法結果對比

根據汾灌(汾水—灌云)、滬蘇浙(上海—江蘇—浙江)高速公路的勘察和沉降資料,采用Asaoka法反演地基綜合固結系數,并與現場原狀土室內試驗所得固結系數進行對比,結果見圖1。

圖1 Asaoka反演與室內平均固結系數對比

由圖1可知：現場反演的平均固結系數比室內所得固結系數大10倍左右。

2.2 孔壓靜力觸探法與沉降反演法結果對比

孟高頭等基于珠江三角洲部分典型斷面的現場沉降觀測資料反算得出該地區軟土土層的固結系數,并與孔壓靜力觸探試驗所得結果進行比較,結果見表1。

由表1可知：孔壓靜力觸探反演結果與實測沉降資料的反算值很接近,處于同一數量級。該結果與蔡國軍等對連鹽高速公路沿線4個典型監測斷面的反演結果一致。

表1 孔壓靜力觸探消散試驗值和現場沉降實測反算值對比

3 差異原因分析

從勘察取樣擾動、固結系數各向異性及固結模式3個角度對幾種方法所得固結系數差異的產生原因進行分析。

3.1 取樣擾動對固結系數的影響

鄧永鋒等對連云港海相軟土進行薄壁取樣,討論了土樣擾動程度、應力水平與固結系數的關系,得到固結系數隨擾動度SD和應力的變化(見圖2)。

從圖2可以看出：在擾動程度較低的情況下,屈服前的固結系數比屈服后的大1～2個數量級,且擾動度低的屈服前固結系數比擾動度高的屈服前固結系數大1～2個數量級。由于室內試驗在取樣運輸過程中存在應力、擾動度變化的情況,土樣應力狀態會從屈服前變為屈服后,擾動程度增加,進而導致室內試驗結果比現場試驗求得的固結系數小1～2個數量級。

3.2 固結系數各向異性

根據已有研究成果,反演法所得固結系數與孔壓靜力觸探法所得水平向固結系數Ch處于同一個數量級,差異很小。孟高頭等以珠江三角洲大量鉆探試驗結果為依據,對孔壓靜力觸探所得水平向固結系數Ch和室內固結試驗所得Cv進行一元線性回歸分析,結果見圖3。

圖2 固結系數隨擾動度SD的變化

圖3 Ch-Cv線性相關關系散點圖及回歸曲線

由圖3可知：Ch、Cv間的關系為Cv＝0.086 5Ch＋0.685 9,相關系數r為0.905 4,回歸方程的擬合程度很好,Ch和Cv具有明顯的線性關系；Ch比Cv大1～2個數量級。

3.3 固結模式

Asaoka法是基于太沙基一維固結理論提出的反演法,求得的是包含水平、豎向固結的現場整體固結系數,而室內試驗由于側限僅能獲得豎向固結系數。為進一步分析固結模式對固結系數反演結果的影響,以臨海高等級公路連云港段某斷面為例建立有限元數值模型,利用Asaoka法反演固結系數Cv1,同時根據壓力不同設置等效室內試驗固結系數按深度的加權平均值Cv2,通過滲透系數和固結系數的正相關關系建立水平、豎向滲透系數的比值kh/kv與固結系數的關系,分析kh/kv的改變對固結系數的影響。模型中,路基高度為3 m,硬殼層厚度為2 m,軟土層深度為15 m,下臥層深度為10 m,地下水位在硬殼層下邊界,水平影響區域為50 m(見圖4)。土層基本參數見表2,堆載過程見圖5。現場kh/kv一般為2～5,在這個范圍內,設定豎向滲透系數kv不變,根據不同kh/kv及軟土層厚度(15、20和25 m)下的沉降歷時曲線進行反演分析。反演固結系數與豎向加權固結系數對比見表3。

圖4 計算模型

圖5 路基填土歷時曲線

表2 土層計算參數

從表3可看出：1)Cv1/Cv2隨著kh/kv的升高升高。kh/kv＝1時,Asaoka法平均反演固結系數為室內固結試驗的5倍左右；kh/kv＝5時,Asaoka法平均反演固結系數為室內固結試驗的10倍左右。2)Cv1/Cv2隨軟土層厚度的增加而減小。即使水平向滲透系數與豎向滲透系數相等,反演固結系數Cv1也為豎向固結系數Cv2的5倍,說明在現場水平和豎向二維固結模式中,水平向固結始終占主導地位,且隨著kh/kv的增大而增大。3)在kh/kv的一定比值,反演固結系數Cv1比豎向固結系數Cv2大1～2個數量級,即反演法所得固結系數比室內試驗所得固結系數大1～2個數量級。

表3 反演固結系數Cv1與豎向加權固結系數Cv2對比

4 結論

(1)天然沉積軟黏土具有一定的結構性和應力狀態,取樣過程難免會對試樣產生影響。固結系數與應力水平和擾動程度緊密相關,室內試驗在取樣和運輸過程中引起應力和擾動度的改變,使應力狀態從屈服前變為屈服后,擾動度增加,從而導致室內固結系數比現場反演固結系數小1～2個數量級。

(2)在同樣壓力的情況下,采用孔壓靜力觸探、室內試驗分別獲得水平向和豎向固結系數,所得水平向固結系數與反演法固結系數相近,處于同一數量級,且比室內試驗固結系數大1～2個數量級。

(3)室內試驗的固結模式為豎向一維固結,現場固結模式為二維固結,其水平向固結始終占主導地位且隨著kh/kv的增加而增加。軟土地基的kh/kv一般為2～5,在這個范圍內,在kh/kv的一定比值下,反演法所得固結系數比室內試驗所得固結系數大1～2個數量級。