李建軍，孫成科

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

為了更好的參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和海外戰(zhàn)略發(fā)展，更好的與國(guó)外相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)相融合，進(jìn)行中外規(guī)范下固結(jié)試驗(yàn)的對(duì)比研究對(duì)國(guó)外的工程建設(shè)具有重要意義。本文選取幾內(nèi)亞某地區(qū)和天津某地區(qū)原狀土樣采用不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，分析該地區(qū)不同標(biāo)準(zhǔn)之間的固結(jié)試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系。

1 固結(jié)試驗(yàn)原理

固結(jié)試驗(yàn)是指用固結(jié)儀檢測(cè)土體在有側(cè)限的條件時(shí)，試樣在不同豎向壓力下的壓縮變形量。主要測(cè)定土的壓縮系數(shù)a、壓縮模量Es、體積壓縮系數(shù)mv、固結(jié)系數(shù)Cv、壓縮指數(shù)Cc、回彈指數(shù)Cs以及先期固結(jié)壓力Pc，這些參數(shù)是工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。固結(jié)試驗(yàn)可以根據(jù)施工要求和地基特點(diǎn)等不同要求選擇固結(jié)試驗(yàn)方法，因此對(duì)大型建筑、隧道橋梁、港口和航道等工程的設(shè)計(jì)施工有著非常重要的意義。

本文選取中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn) BS 1377-5：1990、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2435/D2435M-1和法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)XP P94-090-1(1997)四種規(guī)范進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)對(duì)比研究。

2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比

2.1 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)方法

1）標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)是試樣在施加垂直應(yīng)力，加壓 24小時(shí)或變形穩(wěn)定記錄試樣變形量后再施加下一級(jí)垂直應(yīng)力，需要測(cè)定沉降速率、固結(jié)系數(shù)時(shí)，施加每一級(jí)荷載后按下列時(shí)間順序測(cè)記試樣的高度變化。時(shí)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(jié)穩(wěn)定。無(wú)須測(cè)定沉降速率時(shí)，則施加每級(jí)壓力后 24 h測(cè)定試樣高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，只需測(cè)定壓縮系數(shù)的試樣，施加每級(jí)壓力后，每小時(shí)變形達(dá)0.01 mm時(shí)，測(cè)定試樣高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。按此步驟逐級(jí)加壓至試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)加荷等級(jí)為12.5、25、50、100、200、400、800、1 600、3 200 kPa。第一級(jí)壓力的大小應(yīng)視土的軟硬程度而定，宜用12.5、25、或50 kPa，最后一級(jí)壓力應(yīng)大于土的自重壓力與附加壓力之和。只測(cè)定壓縮系數(shù)時(shí)，最大壓力為 400 kPa。需要確定原狀土的先期固結(jié)壓力時(shí)，初始段的荷重率應(yīng)小于1，可采用0.5或0.25。施加的壓力應(yīng)使測(cè)得的e-lgp曲線下段出現(xiàn)直線段。如果是超固結(jié)土，應(yīng)進(jìn)行回彈試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)得到土的壓縮系數(shù)a、壓縮模量Es、壓縮指數(shù)Cc、回彈指數(shù)Cs以及先期固結(jié)壓力Pc、固結(jié)系數(shù)Cv。

2）前期固結(jié)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(yīng)最小曲率半徑的點(diǎn)O，過(guò)O點(diǎn)作該曲線的切線OA和水平線OB，作∠AOB的角平分線OD，延長(zhǎng)曲線后段的直線部分與OD線相交于C點(diǎn)，則C點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為該土的前期固結(jié)壓力Pc。

3）按下列兩種方法之一求固結(jié)系數(shù)Cv

時(shí)間平方根法：

式中：Cv為固結(jié)系數(shù)（cm2/s）；t90為對(duì)應(yīng)于d90的時(shí)間，即為固結(jié)度達(dá)90 %所需的時(shí)間。

時(shí)間對(duì)數(shù)法：

式中：Cv為固結(jié)系數(shù)（cm2/s）；t50為對(duì)應(yīng)于d50的時(shí)間，即為固結(jié)度達(dá)50 %所需的時(shí)間。

2.2 英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)方法

英標(biāo)固結(jié)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)使用條件、試樣制備、設(shè)備參數(shù)、與試驗(yàn)步驟基本與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相同，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的固結(jié)儀參數(shù)完全可以滿足英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)也存在差別。

1）固結(jié)采集數(shù)據(jù)時(shí)間不同

英標(biāo)固結(jié)采集數(shù)據(jù)時(shí)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(jié)系數(shù)計(jì)算公式不同

英標(biāo)固結(jié)系數(shù)計(jì)算公式是（單位m2/a）：

兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在獲取t90和t50時(shí)，都采用時(shí)間-對(duì)數(shù)曲線擬合法和時(shí)間平方根曲線擬合法。

2.3 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)方法

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)方法有兩種：

1）試驗(yàn)方法A

本試驗(yàn)方法中，24 h內(nèi)或24 h的倍數(shù)時(shí)間內(nèi)采用恒定荷載增量。同時(shí)，至少讀取兩個(gè)荷載增量對(duì)應(yīng)的時(shí)間-變形量。應(yīng)用該試驗(yàn)方法，只能繪制試樣的壓縮曲線，試驗(yàn)結(jié)果由初次固結(jié)及二次壓縮變形組合而成。

2）試驗(yàn)方法B

讀取所有荷載增量對(duì)應(yīng)的時(shí)間變形量。100 %固結(jié)后，或達(dá)到試驗(yàn)方法所述的恒定時(shí)間增量時(shí)，施加連續(xù)荷載增量。應(yīng)用該試驗(yàn)方法，可繪制再壓縮曲線，飽和試樣的固結(jié)系數(shù)及再壓縮的速率。試樣制備與試驗(yàn)步驟與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)基本相同。

固結(jié)采集數(shù)據(jù)時(shí)間不同，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)采集時(shí)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(jì)算確定主固結(jié)時(shí)間t90和t50、固結(jié)系數(shù)Cv、先期固結(jié)壓力Pc、壓縮指數(shù)Cc等壓縮指標(biāo)的方法與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相同。

2.4 法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)方法

1）固結(jié)荷載的確定方法不同

固結(jié)試驗(yàn)壓力級(jí)別應(yīng)該按照下面的條件或者盡量滿足這些條件的要求來(lái)選擇：σ'(1)=施加載荷的裝置產(chǎn)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(guò)于堅(jiān)固（σ'p＞σ'V0），接下來(lái)選擇的載荷增長(zhǎng)率在0.5到1之間，直至施加的壓力大于預(yù)先固結(jié)的壓力，達(dá)到σ'V0和σ'p的壓力級(jí)別之間。在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，從曲線[ΔH, lgσv]中可以測(cè)得該值。當(dāng)在σ'p的曲線中出現(xiàn)一段明顯彎曲的弧線時(shí)，確定已經(jīng)超過(guò)了先期固結(jié)壓力。固結(jié)荷載的確定方法與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不同。

2）固結(jié)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間不同

進(jìn)行垂直位移的記錄時(shí)，應(yīng)按照下述加載與測(cè)量之間的時(shí)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(yīng)記錄每一個(gè)壓力級(jí)別的首次測(cè)量日期和時(shí)間。在當(dāng)前荷載下固結(jié)穩(wěn)定后記錄穩(wěn)定值，在施加下一級(jí)荷載。采集數(shù)據(jù)的時(shí)間與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不同。

3）固結(jié)系數(shù)計(jì)算

圖1 時(shí)間平方根法-Taylor法確定t90

圖2 時(shí)間對(duì)數(shù)法-Casagrande法確定t50

式中：對(duì)于固結(jié)度為90 %（t=t90）的情況，Tv=0.848，對(duì)于固結(jié)度為50 %（t=t50）的情況，Tv=0.197；h為固結(jié)排水距離，當(dāng)雙面排水時(shí)，h是t=t90時(shí)刻在壓力σv下的試樣平均高度的一半。

確定t90、t50以及固結(jié)系數(shù)Cv的計(jì)算與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相同，見(jiàn)圖1、圖2。

4）法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)先期固結(jié)壓力Pc的確定方法與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不同

壓縮曲線是一條連續(xù)的曲線，它將半對(duì)數(shù)分度表示的圖形[e(n), lgσv(n)]中的代表性試驗(yàn)點(diǎn)連接起來(lái)，e(n)是結(jié)束對(duì)試樣施加載荷σv(n)時(shí)的孔隙比。固結(jié)試驗(yàn)指標(biāo)回彈指數(shù)Cs、壓縮指數(shù)Cc、先期固結(jié)壓力Pc的確定如圖3所示，根據(jù)第一個(gè)卸載/再加載的循環(huán)的平均斜率，畫(huà)出直線AB。從壓縮性曲線的D點(diǎn)[ei, lgσv(1)]（ΔHi=0所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)）開(kāi)始，畫(huà)出直線AB的平行線DL。隨后，在壓縮性曲線上畫(huà)出經(jīng)過(guò)了壓力級(jí)別經(jīng)驗(yàn)值的3點(diǎn)的修正直線MN。壓縮指數(shù)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(duì)值取對(duì)數(shù)值：Cs=Δe/Δ(lgσ'v)。同樣地，壓縮指數(shù)Cc即為直線MN的斜率，先期固結(jié)壓力Pc對(duì)應(yīng)直線DL與直線MN的交點(diǎn)C。

圖3 壓縮曲線確定Cs、Cc、Pc

四種規(guī)范中的固結(jié)試驗(yàn)基本原理都是服從太沙基一維固結(jié)理論，但是也存在差異，固結(jié)試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間、先期固結(jié)壓力Pc的確定、計(jì)算固結(jié)系數(shù)的公式及單位有所不同。因此仔細(xì)對(duì)中外規(guī)范下固結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究，為海外工程建設(shè)提供更全面的資料，更好的服務(wù)國(guó)際工程建設(shè)。

3 天津和幾內(nèi)亞某地區(qū)粘性土Cv和Pc對(duì)比

3.1 不同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的固結(jié)系數(shù)對(duì)比分析

本次試驗(yàn)土樣取自天津某地區(qū)和幾內(nèi)亞某地區(qū)，軟土采用薄壁取土器靜壓取土，減少對(duì)土層天然結(jié)構(gòu)的破壞，保證原狀土取土質(zhì)量。本次試驗(yàn)針對(duì)淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘土進(jìn)行中外規(guī)范下土的標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)。試樣的物理指標(biāo)如表1、表2。

表1 天津某地區(qū)土的物理指標(biāo)

表2 幾內(nèi)亞某地區(qū)土的物理指標(biāo)

3.2 固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

分別對(duì)三種粘性土選取共 40個(gè)土樣進(jìn)行中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)四種規(guī)范進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不同土質(zhì)的200 kPa時(shí)固結(jié)系數(shù)平均值如表3～表5。

表3 淤泥質(zhì)粘土固結(jié)系數(shù)平均值

表4 粉質(zhì)粘土固結(jié)系數(shù)平均值

表5 粘土固結(jié)系數(shù)平均值

通過(guò)表3～表5統(tǒng)計(jì)可知，慢速固結(jié)試驗(yàn)，英標(biāo)規(guī)范的固結(jié)系數(shù)Cv略小于國(guó)標(biāo)、美標(biāo)和法標(biāo)，國(guó)標(biāo)、美標(biāo)和法標(biāo)的固結(jié)系數(shù)Cv相等。這是因?yàn)橛?guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 1377-5：1990規(guī)范里計(jì)算固結(jié)系數(shù)公式里的時(shí)間因子系數(shù)比中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間因子系數(shù)要小，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)因子系數(shù)相等。

同樣對(duì)天津某地區(qū)和幾內(nèi)亞某地區(qū)粉質(zhì)粘土和粘土，采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的先期固結(jié)壓力進(jìn)行試驗(yàn)后，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析表明其固結(jié)壓力值相等，而采用法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)粉質(zhì)粘土的先期固結(jié)壓力小10 kPa左右，粘土的先期固結(jié)壓力小25 kPa左右。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)比研究中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)四種規(guī)范中固結(jié)試驗(yàn)的使用范圍、試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)的處理。并選取天津某地區(qū)和幾內(nèi)亞某地區(qū)的粘性土采用四種規(guī)范進(jìn)行慢速固結(jié)試驗(yàn)。對(duì)于每一類土采用不同規(guī)范所得的固結(jié)系數(shù)、先期固結(jié)壓力，得出以下結(jié)論：

1）中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)可分標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)和應(yīng)變控制連續(xù)加荷固結(jié)試驗(yàn)，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)只有標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)。

2）中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)四種規(guī)范中固結(jié)采集數(shù)據(jù)時(shí)間不同。

3）中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算固結(jié)系數(shù)的公式相同，計(jì)算結(jié)果相同，而英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算固結(jié)系數(shù)的公式不同，計(jì)算結(jié)果也不同。

4）英標(biāo)規(guī)范下的固結(jié)系數(shù)Cv略小于國(guó)標(biāo)、美標(biāo)和法標(biāo)，國(guó)標(biāo)、美標(biāo)和法標(biāo)的固結(jié)系數(shù)Cv相等。

5）天津某地區(qū)和幾內(nèi)亞某地區(qū)低塑性粘土質(zhì)砂和低塑性粘土法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)下的先期固結(jié)壓力普遍小10 kPa左右，高塑性粘土法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)下的先期固結(jié)壓力普遍25 kPa左右。

6）通過(guò)研究各國(guó)的試驗(yàn)規(guī)范和試驗(yàn)分析，國(guó)產(chǎn)的試驗(yàn)設(shè)備能夠滿足中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求，同樣也能滿足英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。