测定土的次固结系数及方法

2010-02-28田淑娟王新中张米军

水科学与工程技术 2010年3期

田淑娟，王新中，张米军

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

天津属于沿海地区，浅层土体大部分属于软弱体，次固结已占总沉降量的相当比重，在工程设计中不能不考虑次固结所产生的沉降量。但是，目前还没有确定计算次固结沉降的统一方法，也没有确定次固结系数的试验操作规程。因此，本文以天津地区京津唐高速公路拓宽改建工程室内土工试验为例，对次固结试验操作程序、次固结系数计算方法、各类土次固结系数的大小及其物性、垂直压力之间的关系进行了探讨。

1 次固结系数测定方法

1.1 试验操作方法

（1）次固结试验所采用的仪器为有侧限的常规固结仪，数据采集和处理采用南京土壤仪器厂提供的 “土工试验数据采集处理系统”软件。

（2）在整个试验过程中，试样全部处于饱和状态。试验采用不卸荷方式，施加荷载分别为50，100，200，300，400kPa。试验过程中每级荷载施压后，数据采集系统按下列时间顺序自动记量（采集）沉降数据：0.10，0.25，1.00，2.25，4.00，6.25，9.00，12.25，16.00，20.25，25.00，30.25，36.00，42.25，49.00，64.00，10.00，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600，650，700，750，800，850，900，950，1000，1050，1100，1150，1200，1300min及23h、24h。24h后改为人工计量（采集）沉降数据，顺序计量时间分别为1533，1560，1740，1800，1990，2160，2220，2239，2400，2599，2700，2820，2880，2940，3180，3300，3480，3660，4260min。24h后计量（采集）沉降数据的时间间隔可以加长，每级荷载下最终数据采集时间可依据土类不同而定，一般淤泥、淤泥质土的最终采集时间延长24～72h。

1.2 次固结系数的确定

（1）试验过程中沉降速率随计量时间增大而趋于稳定，结果发现一般土类在200min以后，曲线近乎一条直线，如图1。因此，次固结曲线的直线段斜率多选取在200～4260min之间。

（2）次固结系数为所选取直线段数据的回归值，由于用EXCEL半对数坐标系拟合的直线方程式中，自变量值为ln（x），公式计算中为lg（x），因此，直线方程式中的斜率乘以2.3即为Ca。本工程室内试验采用公式：

图1 e～ln（t）关系曲线

式中 t为时间（min），e为孔隙比。

2 次固结系数与其他指标的关系

2.1 基本物理力学指标

本工程区内所揭露的地层主要为软弱土层，土类分别为粘土、粉质粘土、淤泥质土及粉土，土层的天然工程地质条件较差，其基本物理力学指标见表1。

由表1可知：粉土为密实—中密状态，具有低—中压缩性，个别具有高压缩性；粉质粘土呈硬塑—流塑状态，多呈可塑状态，具有中—高压缩性；粘土呈可塑—软塑状态，具有中—高压缩性；淤泥质土呈流塑状态，具有高压缩性。

2.2 次固结系数与物性指标关系

依据室内试验成果，按不同土类、不同压力将次固结系数进行汇总统计，见表2，图2。

由表2，图2统计成果可知：土的次固结系数不仅与土类、密实程度有关，而且与其所受垂直压力有关。同一类土在压力相同的情况下，土的次固结系数随着密度的增大而减小；在压力相同的情况下，土的次固结系数随着塑性指数的增加基本呈增加趋势。淤泥质土由于塑性指数区间较大（Ip=13.1～20.8），次固结系数变化范围较大。

不同压力下土的次固结系数与塑性指数关系式由图2

表1 土的基本物理力学指标表

2.3 次固结系数与压力关系

表2 土的次固结系数指标表单位：kPa

图2 不同压力下土的塑性指数与次固结系数关系图

（1）从试验资料统计结果可知，不同土类的次固结系数随压力的变化而发生变化，详见图3。

（2）在50～400kPa压力范围内，不同类土次固结系数达到峰值的压力不同；由图3可知：粉土在100kPa压力下次固结系数达到最大值（1.61×10-3）；粘土在200kPa压力下次固结系数达到最大值（5.13×10-3）；粉质粘土、淤泥质土在300kPa压力下次固结系数达到最大值（3.45×10-3、7.72×10-3）。

（3）不同类土随着粘性的增强，土的次固结系数受压力影响增大。从表1可知粉土、粉质粘土、粘土、淤泥质土的塑性指数依次增大，土的次固结系数最大值与最小值之差依次为0.00049，0.00099，0.00164，0.00177。因此，这与同一类土的次固结系数与压力无关的结论不一致。究其原因，除了土样受扰动程度、先期固结压力、试验过程中环境控制等影响因素外，主要是忽视了次固结系数本身并不大的客观事实。