中外规范固结试验对比研究

2020-07-01李建军孙成科

港工技术 2020年3期

李建军，孙成科

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

为了更好的参与国际竞争和海外战略发展，更好的与国外相关规范和标准相融合，进行中外规范下固结试验的对比研究对国外的工程建设具有重要意义。本文选取几内亚某地区和天津某地区原状土样采用不同标准进行固结试验，分析该地区不同标准之间的固结试验指标的关系。

1 固结试验原理

固结试验是指用固结仪检测土体在有侧限的条件时，试样在不同竖向压力下的压缩变形量。主要测定土的压缩系数a、压缩模量Es、体积压缩系数mv、固结系数Cv、压缩指数Cc、回弹指数Cs以及先期固结压力Pc，这些参数是工程设计的重要依据。固结试验可以根据施工要求和地基特点等不同要求选择固结试验方法，因此对大型建筑、隧道桥梁、港口和航道等工程的设计施工有着非常重要的意义。

本文选取中国国家标准《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）、英国标准 BS 1377-5：1990、美国标准ASTM D2435/D2435M-1和法国标准XP P94-090-1(1997)四种规范进行固结试验对比研究。

2 试验标准的对比

2.1 中国标准固结试验方法

1）标准固结试验是试样在施加垂直应力，加压 24小时或变形稳定记录试样变形量后再施加下一级垂直应力，需要测定沉降速率、固结系数时，施加每一级荷载后按下列时间顺序测记试样的高度变化。时间为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，到试样固结稳定。无须测定沉降速率时，则施加每级压力后 24 h测定试样高度变化作为稳定标准，只需测定压缩系数的试样，施加每级压力后，每小时变形达0.01 mm时，测定试样高度变化作为稳定标准。按此步骤逐级加压至试验结束。

试验加荷等级为12.5、25、50、100、200、400、800、1 600、3 200 kPa。第一级压力的大小应视土的软硬程度而定，宜用12.5、25、或50 kPa，最后一级压力应大于土的自重压力与附加压力之和。只测定压缩系数时，最大压力为 400 kPa。需要确定原状土的先期固结压力时，初始段的荷重率应小于1，可采用0.5或0.25。施加的压力应使测得的e-lgp曲线下段出现直线段。如果是超固结土，应进行回弹试验。标准固结试验得到土的压缩系数a、压缩模量Es、压缩指数Cc、回弹指数Cs以及先期固结压力Pc、固结系数Cv。

2）前期固结压力Pc的确定方法（卡萨格兰德法）

在e-lgP曲线上先找出相应最小曲率半径的点O，过O点作该曲线的切线OA和水平线OB，作∠AOB的角平分线OD，延长曲线后段的直线部分与OD线相交于C点，则C点的横坐标即为该土的前期固结压力Pc。

3）按下列两种方法之一求固结系数Cv

时间平方根法：

式中：Cv为固结系数（cm2/s）；t90为对应于d90的时间，即为固结度达90 %所需的时间。

时间对数法：

式中：Cv为固结系数（cm2/s）；t50为对应于d50的时间，即为固结度达50 %所需的时间。

2.2 英国标准固结试验方法

英标固结试验标准固结试验。试验使用条件、试样制备、设备参数、与试验步骤基本与中国标准相同，中国标准的固结仪参数完全可以满足英国标准要求，但是与中国标准也存在差别。

1）固结采集数据时间不同

英标固结采集数据时间为：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）固结系数计算公式不同

英标固结系数计算公式是（单位m2/a）：

两个标准在获取t90和t50时，都采用时间-对数曲线拟合法和时间平方根曲线拟合法。

2.3 美国标准固结试验方法

美国标准固结试验方法有两种：

1）试验方法A

本试验方法中，24 h内或24 h的倍数时间内采用恒定荷载增量。同时，至少读取两个荷载增量对应的时间-变形量。应用该试验方法，只能绘制试样的压缩曲线，试验结果由初次固结及二次压缩变形组合而成。

2）试验方法B

读取所有荷载增量对应的时间变形量。100 %固结后，或达到试验方法所述的恒定时间增量时，施加连续荷载增量。应用该试验方法，可绘制再压缩曲线，饱和试样的固结系数及再压缩的速率。试样制备与试验步骤与中国标准基本相同。

固结采集数据时间不同，美国标准固结采集时间为：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。

在计算确定主固结时间t90和t50、固结系数Cv、先期固结压力Pc、压缩指数Cc等压缩指标的方法与中国标准相同。

2.4 法国标准固结试验方法

1）固结荷载的确定方法不同

固结试验压力级别应该按照下面的条件或者尽量满足这些条件的要求来选择：σ'(1)=施加载荷的装置产生的压力（值低于10 kPa）；σV(2)=0.5σ'V0；σV(3)=0.75σ'V0；σV(4)=σ'V0。如果土壤过于坚固（σ'p＞σ'V0），接下来选择的载荷增长率在0.5到1之间，直至施加的压力大于预先固结的压力，达到σ'V0和σ'p的压力级别之间。在进行试验的过程中，从曲线[ΔH, lgσv]中可以测得该值。当在σ'p的曲线中出现一段明显弯曲的弧线时，确定已经超过了先期固结压力。固结荷载的确定方法与中国标准不同。

2）固结采集数据的时间不同

进行垂直位移的记录时，应按照下述加载与测量之间的时间间隔：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…应记录每一个压力级别的首次测量日期和时间。在当前荷载下固结稳定后记录稳定值，在施加下一级荷载。采集数据的时间与中国标准不同。

3）固结系数计算

图1 时间平方根法-Taylor法确定t90

图2 时间对数法-Casagrande法确定t50

式中：对于固结度为90 %（t=t90）的情况，Tv=0.848，对于固结度为50 %（t=t50）的情况，Tv=0.197；h为固结排水距离，当双面排水时，h是t=t90时刻在压力σv下的试样平均高度的一半。

确定t90、t50以及固结系数Cv的计算与中国标准相同，见图1、图2。

4）法国标准先期固结压力Pc的确定方法与中国标准不同

压缩曲线是一条连续的曲线，它将半对数分度表示的图形[e(n), lgσv(n)]中的代表性试验点连接起来，e(n)是结束对试样施加载荷σv(n)时的孔隙比。固结试验指标回弹指数Cs、压缩指数Cc、先期固结压力Pc的确定如图3所示，根据第一个卸载/再加载的循环的平均斜率，画出直线AB。从压缩性曲线的D点[ei, lgσv(1)]（ΔHi=0所对应的点）开始，画出直线AB的平行线DL。随后，在压缩性曲线上画出经过了压力级别经验值的3点的修正直线MN。压缩指数Cs即为直线DL的斜率。该斜率定义为孔隙度e的变化量的绝对值取对数值：Cs=Δe/Δ(lgσ'v)。同样地，压缩指数Cc即为直线MN的斜率，先期固结压力Pc对应直线DL与直线MN的交点C。