饱和粘性土先期固结压力的判定方法

佘红+谢焰云

摘 要：在土的沉降计算、考虑土体强度增长计算中，超固结土与正常固结土（包括欠固结土）的计算方法是不一样的，因此判定土的固结状态是十分重要的。目前先期固结压力的确定基本通过室内一维固结试验。本文讨论了通过不同固结状态土在试验中表现的特征简单判定固结状态方法、传统试验求先期固结应力方法、先期固结压力与相关物理力学指标相关经验关系法。结论表明：采用综合方法判断饱和粘性土的先期固结压力更为合理。

关键词：先期固结压力；固结状态；特征曲线；相关性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.093

1 前言

土在历史上所经受过的最大竖向有效应力称为先期固结压力（或前期固结压力），常用表示。土的先期固结压力与土现在所受的压力的比值定义为土的超固结比OCR，即OCR=/。当OCR>1时，土为超固结状态；OCR=1时，土为正常固结状态；OCR<1时，土为欠固结状态。在饱和粘性土的沉降计算、考虑土体强度增长计算中，超固结土与正常固结土（包括欠固结土）的计算方法是不一样的，因此判定饱和粘性土的固结状态是十分重要的。本文讨论了通过不同固结状态土在试验中表现的特征简单判定固结状态方法、传统试验求先期固结应力方法、先期固结压力与相关物理力学指标相关经验关系法等方法判断饱和粘性土的先期固结压力。

2 特征曲线简单判定法

在三轴剪切试验与测孔压静力触探试验中，超固结饱和粘性土与正常固结饱和粘性土（欠固结饱和粘性土）会表现出不一样的特性，基于这些特性曲线，我们就可以判断土体的固结状态。

2.1 三轴剪切试验曲线

2.1.1 基于剪应力与轴向应变曲线

在三轴固结不排水试验（测孔压）中，以剪应力（kPa）为纵轴，轴向应变ξ（%）为横轴得到剪应力与轴向应变曲线，如图1所示。

对于正常固结饱和粘性土或欠固结饱和粘性土，剪应力随轴向应变增大而增大，最终趋于稳定，如图1中曲线b。对于超固结饱和土，随轴向应变增大，剪应力先增大，达到一个峰值后会减小，并趋于稳定，如图1中曲线a所示。

2.1.2 基于孔隙水压力与轴向应变曲线

在三轴固结不排水试验（测孔压）中，以孔隙水压力（kPa）为纵轴，轴向应变ξ（%）为横轴得到孔隙水压力与轴向应变曲线，如图2所示。

对于正常固结饱和粘性土或欠固结饱和粘性土，孔隙水压力随轴向应变增大而增大，最终趋于稳定，如图2中曲线b。对于超固结饱和土，随轴向应变增大，孔隙水压力先增大，随后会减小，然后在增大，如图2中曲线a所示。因为对于超固结土，土体在被剪切过程中，会发生剪胀效应，会造成孔隙水压力减小；强超固结土受剪切时，会出现孔隙水压力为负的现象。

2.1.3 基于应力路径曲线

在三轴固结不排水试验（测孔压）中，以P=（σ1-σ3）/2为纵坐标，Q=（σ1+σ3）/2为横坐标得到应力路径曲线，如图3所示。

由于超固结土在剪切时会发生剪胀，会造成孔隙水压力减小。因此，对于正常固结饱和土或欠固结饱和土，应力路径曲线如图3中曲线b所示，Q=（σ1+σ3）/2会先增大，后减小并小于σ3（总应力）。对于超固结土，应力路径曲线如图3中曲线a所示。

2.2 基于孔压静力触探（CPTU）中消散试验曲线

孔压静力触探试验可用消散试验得到饱和粘性土的水平固结系数。消散试验是当带有测孔压功能的探头贯入土体某一深度时，量测孔隙水压力随时间变化的试验。消散试验中，以孔隙水压力为纵轴，以时间为横轴，得到孔隙水压力随时间变化的曲线，如图4所示。

对于正常固结饱和粘性土或欠固结饱和粘性土，探头贯入土体时，会在土体周围产生超静孔隙水压力，超静孔隙水压力随时间会慢慢消散，如图4曲线b所示。对应超固结土，探头贯入土体时，土体会发生剪胀效应，因此土体内超静孔隙水压力会比较小，但随时间增加，孔隙水压力会回升，当孔隙水压力回升达到峰值后，然后又会随时间慢慢消散，如图4曲线a所示。

3 室内试验方法

室内一维固结试验常采用应力控制法，应变控制法较少采用。通过室内一维固结试验，可以得到孔隙比与压力对数的曲线，e-logp曲线。Casagrande提出了确定先期固结压力的方法，步骤如下：

（1）在孔隙比与压力对数的曲线弯曲段确定曲率最大点并做出该点的切线；

（2）过该点做一条水平线，然后做切线与水平线夹角的角平分线；

（3）延迟e-logp曲线的直线段，与第2步的角平分线相交；

（4）取第3步交点的横坐标作为先期固结压力。

Casagrande确定先期固结压力的方法现广泛应用于世界各地。Becker等（1987）提出了功法；Jose（1989）和Sridharan（1991）等提出了双对数法，但这两种方法在实际工作中很少被使用。

通过室内一维固结试验求饱和粘性土的先期固结压力很多时候也并不可靠，如：①当土体受取样、制样等扰动较大；②e-logp曲线有一个较长的平缓弯曲段的情形，很难确定弯曲段曲率最大点。

4 经验关系法

4.1 基于物理指标

根据天然含水量与阿太堡试验（Atterberg）（不同于国内液塑限试验）的液限、塑限的相对关系就可大致估算饱和粘性土的固结状态。

（1）若天然含水量接近于液限，那么飽和粘性土可能处于正常固结状态；

（2）若天然含水量更为接近于塑限，那么饱和粘性土可能处于超固结状态。

但以上规律不适用于分析因收缩或化学作用而引起的超固结状态。

Nagaraj和Srinivasa Murthy（1985，1986）提出了一个用物理指标简单估算先期固结压力的关系式，它适应于在上覆土层压力（与收缩或化学因素不同）作用下先期固结的饱和粘性土，为天然含水量，为阿太堡试验（Atterberg）的塑限：

4.2 基于不排水强度

对于正常固结饱和粘性土，先期固结压力就等于现场上覆土层压力，现场上覆土层压力值与不排水抗剪强度有一定的关系。如果我们知道了正常固结土的不排水抗剪强度，那么我们就可以估算正常固结土体的先期固结压力。

（1）Bjerrum和Simons（1960）提出了与塑性指数与液限指数的关系式。

上述公式中塑性指数与液性指数均采用小数形式表示，两个公式的离散度约为30%。

（2）Skempton和Henkel（1953）建议：

式中IP为百分数形式而不是小数形式。

（3）Karlsson和Viberg（1967）建议：

式中液限为小数形式，此式离散性约为30%。

4.3 基于静力触探试验

孔压静力触探试验能同时测的三个有用参数：锥尖阻力、侧壁摩阻力及孔隙水压力。基于这个三个参数，业界已经提出了很多方法来估算饱和粘性土的先期固结压力（或超固结比）。但常用的主要有三种方法①基于锥尖阻力的方法；②基于孔隙水压力的方法；③联合锥尖阻力与孔隙水压力的方法。刘松玉③等人研究表明采用净锥尖阻力确定先期固结压力比另外两种方法更可靠。

式中（）为净锥尖阻力；为竖向总应力；为经孔压修正的锥尖阻力；为实测锥尖阻力；为探头量测的孔压；为探头有效面积比；为试验参数，平均值为2.5。

5 结论

室内一维固结试验求饱和粘性土的先期固结压力有时并不可靠，而不同固结状态的饱和粘性土在一些试验中会表现出不同的特性，饱和土的先期固结压力与物理力学性指标也具有一定的相关性。掌握这些特性及相关性，可以更容易、准确的判定饱和土的固结状态及先期固结压力。

参考文献：

[1]Joseph E.Bowles，P.E.，S.E.FOUNDATION ANALYSIS AND DESIGN（Fifth Edition），1997.

[2]BRITISH STANDARD BS1377-6 Consolidation and permeability tests in hydraulic cells and with pore pressure measurement

[3]刘松玉等.基于CPTU测试的先期固结压力确定方法试验研究[J].岩土工程学报，2007（04）.

[4]龚晓南.土力学，2002.

[5]土工试验方法标准（Standard for test method）[S].GB/T 50123-1999.

[6]工程地質手册（第四版）[M].2007.

作者简介：佘红（1984-），男，本科，工程师，主要从事国内外港口码头等项目工程勘察工作。