中外規范固結試驗對比研究

李建軍，孫成科

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

為了更好的參與國際競爭和海外戰略發展，更好的與國外相關規范和標準相融合，進行中外規范下固結試驗的對比研究對國外的工程建設具有重要意義。本文選取幾內亞某地區和天津某地區原狀土樣采用不同標準進行固結試驗，分析該地區不同標準之間的固結試驗指標的關系。

1 固結試驗原理

固結試驗是指用固結儀檢測土體在有側限的條件時，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a、壓縮模量Es、體積壓縮系數mv、固結系數Cv、壓縮指數Cc、回彈指數Cs以及先期固結壓力Pc，這些參數是工程設計的重要依據。固結試驗可以根據施工要求和地基特點等不同要求選擇固結試驗方法，因此對大型建筑、隧道橋梁、港口和航道等工程的設計施工有著非常重要的意義。

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

2 試驗標準的對比

2.1 中國標準固結試驗方法

1）標準固結試驗是試樣在施加垂直應力，加壓 24小時或變形穩定記錄試樣變形量后再施加下一級垂直應力，需要測定沉降速率、固結系數時，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，到試樣固結穩定。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定標準，只需測定壓縮系數的試樣，施加每級壓力后，每小時變形達0.01 mm時，測定試樣高度變化作為穩定標準。按此步驟逐級加壓至試驗結束。

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視土的軟硬程度而定，宜用12.5、25、或50 kPa，最后一級壓力應大于土的自重壓力與附加壓力之和。只測定壓縮系數時，最大壓力為 400 kPa。需要確定原狀土的先期固結壓力時，初始段的荷重率應小于1，可采用0.5或0.25。施加的壓力應使測得的e-lgp曲線下段出現直線段。如果是超固結土，應進行回彈試驗。標準固結試驗得到土的壓縮系數a、壓縮模量Es、壓縮指數Cc、回彈指數Cs以及先期固結壓力Pc、固結系數Cv。

2）前期固結壓力Pc的確定方法（卡薩格蘭德法）

在e-lgP曲線上先找出相應最小曲率半徑的點O，過O點作該曲線的切線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，則C點的橫坐標即為該土的前期固結壓力Pc。

3）按下列兩種方法之一求固結系數Cv

時間平方根法：

式中：Cv為固結系數（cm2/s）；t90為對應于d90的時間，即為固結度達90 %所需的時間。

時間對數法：

式中：Cv為固結系數（cm2/s）；t50為對應于d50的時間，即為固結度達50 %所需的時間。

2.2 英國標準固結試驗方法

英標固結試驗標準固結試驗。試驗使用條件、試樣制備、設備參數、與試驗步驟基本與中國標準相同，中國標準的固結儀參數完全可以滿足英國標準要求，但是與中國標準也存在差別。

1）固結采集數據時間不同

英標固結采集數據時間為：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）固結系數計算公式不同

英標固結系數計算公式是（單位m2/a）：

兩個標準在獲取t90和t50時，都采用時間-對數曲線擬合法和時間平方根曲線擬合法。

2.3 美國標準固結試驗方法

美國標準固結試驗方法有兩種：

1）試驗方法A

本試驗方法中，24 h內或24 h的倍數時間內采用恒定荷載增量。同時，至少讀取兩個荷載增量對應的時間-變形量。應用該試驗方法，只能繪制試樣的壓縮曲線，試驗結果由初次固結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的時間變形量。100 %固結后，或達到試驗方法所述的恒定時間增量時，施加連續荷載增量。應用該試驗方法，可繪制再壓縮曲線，飽和試樣的固結系數及再壓縮的速率。試樣制備與試驗步驟與中國標準基本相同。

固結采集數據時間不同，美國標準固結采集時間為：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。

在計算確定主固結時間t90和t50、固結系數Cv、先期固結壓力Pc、壓縮指數Cc等壓縮指標的方法與中國標準相同。

2.4 法國標準固結試驗方法

1）固結荷載的確定方法不同

固結試驗壓力級別應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先固結的壓力，達到σ'V0和σ'p的壓力級別之間。在進行試驗的過程中，從曲線[ΔH, lgσv]中可以測得該值。當在σ'p的曲線中出現一段明顯彎曲的弧線時，確定已經超過了先期固結壓力。固結荷載的確定方法與中國標準不同。

2）固結采集數據的時間不同

進行垂直位移的記錄時，應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…應記錄每一個壓力級別的首次測量日期和時間。在當前荷載下固結穩定后記錄穩定值，在施加下一級荷載。采集數據的時間與中國標準不同。

3）固結系數計算

圖1 時間平方根法-Taylor法確定t90

圖2 時間對數法-Casagrande法確定t50

式中：對于固結度為90 %（t=t90）的情況，Tv=0.848，對于固結度為50 %（t=t50）的情況，Tv=0.197；h為固結排水距離，當雙面排水時，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以及固結系數Cv的計算與中國標準相同，見圖1、圖2。

4）法國標準先期固結壓力Pc的確定方法與中國標準不同

壓縮曲線是一條連續的曲線，它將半對數分度表示的圖形[e(n), lgσv(n)]中的代表性試驗點連接起來，e(n)是結束對試樣施加載荷σv(n)時的孔隙比。固結試驗指標回彈指數Cs、壓縮指數Cc、先期固結壓力Pc的確定如圖3所示，根據第一個卸載/再加載的循環的平均斜率，畫出直線AB。從壓縮性曲線的D點[ei, lgσv(1)]（ΔHi=0所對應的點）開始，畫出直線AB的平行線DL。隨后，在壓縮性曲線上畫出經過了壓力級別經驗值的3點的修正直線MN。壓縮指數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值：Cs=Δe/Δ(lgσ'v)。同樣地，壓縮指數Cc即為直線MN的斜率，先期固結壓力Pc對應直線DL與直線MN的交點C。

圖3 壓縮曲線確定Cs、Cc、Pc

四種規范中的固結試驗基本原理都是服從太沙基一維固結理論，但是也存在差異，固結試驗采集數據的時間、先期固結壓力Pc的確定、計算固結系數的公式及單位有所不同。因此仔細對中外規范下固結試驗進行對比研究，為海外工程建設提供更全面的資料，更好的服務國際工程建設。

3 天津和幾內亞某地區粘性土Cv和Pc對比

3.1 不同國家標準的固結系數對比分析

本次試驗土樣取自天津某地區和幾內亞某地區，軟土采用薄壁取土器靜壓取土，減少對土層天然結構的破壞，保證原狀土取土質量。本次試驗針對淤泥質粘土、粉質粘土、粘土進行中外規范下土的標準固結試驗。試樣的物理指標如表1、表2。

表1 天津某地區土的物理指標

表2 幾內亞某地區土的物理指標

3.2 固結試驗數據

分別對三種粘性土選取共 40個土樣進行中國標準、英國標準、美國標準和法國標準四種規范進行標準固結試驗。根據試驗數據，不同土質的200 kPa時固結系數平均值如表3～表5。

表3 淤泥質粘土固結系數平均值

表4 粉質粘土固結系數平均值

表5 粘土固結系數平均值

通過表3～表5統計可知，慢速固結試驗，英標規范的固結系數Cv略小于國標、美標和法標，國標、美標和法標的固結系數Cv相等。這是因為英國標準BS 1377-5：1990規范里計算固結系數公式里的時間因子系數比中國標準、美國標準和法國標準時間因子系數要小，中國標準、美國標準和法國標準試驗因子系數相等。

同樣對天津某地區和幾內亞某地區粉質粘土和粘土，采用中國標準、美國標準和英國標準的先期固結壓力進行試驗后，經統計分析表明其固結壓力值相等，而采用法國標準粉質粘土的先期固結壓力小10 kPa左右，粘土的先期固結壓力小25 kPa左右。

4 結 論

通過對比研究中國標準、英國標準、美國標準和法國標準四種規范中固結試驗的使用范圍、試驗方法及數據的處理。并選取天津某地區和幾內亞某地區的粘性土采用四種規范進行慢速固結試驗。對于每一類土采用不同規范所得的固結系數、先期固結壓力，得出以下結論：

1）中國標準固結試驗可分標準固結試驗和應變控制連續加荷固結試驗，美國標準、英國標準和法國標準只有標準固結試驗。

2）中國標準、英國標準、美國標準和法國標準四種規范中固結采集數據時間不同。

3）中國標準、美國標準和法國標準計算固結系數的公式相同，計算結果相同，而英國標準計算固結系數的公式不同，計算結果也不同。

4）英標規范下的固結系數Cv略小于國標、美標和法標，國標、美標和法標的固結系數Cv相等。

5）天津某地區和幾內亞某地區低塑性粘土質砂和低塑性粘土法國標準下的先期固結壓力普遍小10 kPa左右，高塑性粘土法國標準下的先期固結壓力普遍25 kPa左右。

6）通過研究各國的試驗規范和試驗分析，國產的試驗設備能夠滿足中國標準的試驗要求，同樣也能滿足英國標準、美國標準和法國標準。