張家港晟泰克智能儀器有限公司 楊熙章

       土的先期固結(jié)壓力可以反映其應(yīng)力歷史。具體來說先期固結(jié)壓力是反映地質(zhì)歷史形成過程中土所承受的大有效應(yīng)力。

       確定土的先期固結(jié)壓力，一般以評價和確定建筑物地基的壓密狀態(tài)（固結(jié)狀態(tài)）和應(yīng)力歷史，從而對建筑物地基的設(shè)計與施工更能符合客觀實際。土的壓密（固結(jié)）狀態(tài)，通常用超壓密（超固結(jié)）比OCR表示。先期固結(jié)壓力P_C與土的自重應(yīng)力P₀的比值為超壓密比（超固結(jié)比）。

       當(dāng)P_C/P₀=1時，為正常壓密，也稱正常固結(jié)。

       當(dāng)P_C/P₀>1時，為超壓密，也稱超固結(jié)。

       當(dāng)P_C/P₀<1時，為欠壓密，也稱欠固結(jié)。

       先期固結(jié)壓力的形成過程是一個十分復(fù)雜的過程，在自然界里，由于地殼表面變動，如水流的沖刷，冰川的溶化，覆蓋層厚度的增加，或人工開挖和大面積堆料或填土以及地殼升降、海水漲退等等。另外氣候條件的變化，如表面土層往往由于水分蒸發(fā)產(chǎn)生了干縮作用導(dǎo)致超壓密狀態(tài)，相反，由于地表水浸入使土體顆粒膨脹或濕陷使土體內(nèi)應(yīng)力平衡轉(zhuǎn)化，有可能使原來超壓密（視超壓密）變?yōu)榍穳好芑蛘好軤顟B(tài)。

       先期固結(jié)壓力P_C的確定，通常用的方法是卡薩格蘭特（Casagrande，1936年）依據(jù)室內(nèi)圧縮曲線（e-lgP坐標(biāo)曲線）尋找小曲率半徑然后以經(jīng)驗圖解法求得，在此基礎(chǔ)上陸續(xù)發(fā)表了波密斯特（Burmister，1942年）建議的確定P_C方法、三笠氏C_C法，施默特曼（Schmertmann，1955年）以及國內(nèi)一些學(xué)者和研究人員也相應(yīng)地提出f法，割線平移法以及快速固結(jié)試驗法等等。我們將在下面一一介紹這些方法，通過大量的研究試驗表明，確定先期固結(jié)壓力的方法，宜用幾種方法同時進(jìn)行，并在此基礎(chǔ)上提出一個比較適當(dāng)?shù)臄?shù)值P_C。下面具體介紹先期固結(jié)壓力的確定方法：

       1、C法（即Casagrande法）

       將壓縮試驗的結(jié)果整理成e-lgP曲線，然后按下屬步驟進(jìn)行（見圖2-1）：

       ①在e-lgP曲線上作AB和CD公切線，在EF圓弧段內(nèi)找出小曲率半徑的O點，O點是通過EF圓弧段內(nèi)作若干個切線的法線而獲得小曲率半徑即OM為R_min；

       ②過O點作切線OH和平行于橫坐標(biāo)水平線OG；

       ③作∠GOH的角平分線OI；

       ④CD與OI的交點J，該點所對應(yīng)的壓力，即為先期固結(jié)壓力P_C。

        2、B法（即Burmister法）

        B法如圖2-2所示，當(dāng)壓縮實驗的e-lgP曲線進(jìn)入接近直線段時，使試樣逐級卸荷回彈（不一定全部卸荷），然后重復(fù)加荷直至實驗完畢。通過計算各級荷重下穩(wěn)定后的孔隙比，繪制e-lgP曲線，曲線AB段為加荷階段，B點荷重已進(jìn)入圧縮曲線的直線段，然后回彈得BC段和再加荷CED，根據(jù)曲線的直線段作一公切線FBD，過B點作垂線交CED曲線上E點，取BE段實際長度h并在過FD直線和AB曲線段上找出HG垂線長度h^’等h的長度，則H點的橫坐標(biāo)為先期固結(jié)壓力P_C。

              圖2-1                                 圖2-2

       3、C_C法（即日本三笠氏法）

       如圖2-3

       本法適用于軟粘土，即適用于壓縮指數(shù)C_C大于0.2。

       根據(jù)試驗結(jié)果在e-lgP坐標(biāo)系內(nèi)繪制圧縮曲線AB。

       在圧縮曲線后半段直線部分，作公切線CB，CB段的斜率為壓縮指數(shù)：

       式中，e₁₀和e₁₀₀分別表示公切線CB交于橫坐標(biāo)lg10(10kPa)和lg100(100kPa)所對應(yīng)的縱坐標(biāo)孔隙比。

        計算C^’_C=0.25C_C+0.1和C^’’_C=0.5C^’_C的具體數(shù)值，根據(jù)上述原理作ED段斜率等于C^’_C，F(xiàn)D段斜率等于C^’’_C。利用三角板平移方法，將三角板斜邊與ED重合，并向上（向曲線方向）平動交于AB曲線上點O（只有一個點）。通過點O作FD斜率C^’’_C的直線交于公切線CB得G點，G的橫坐標(biāo)為P_y，P_y稱為壓密屈服應(yīng)力，屈服應(yīng)力P_y與先期固結(jié)壓力P₀有著相同的意義。

       4、S法（即Schmertmann法）

       這種方法比較復(fù)雜一些，因為要有一個試選過程，但它沒有局限于只從試驗曲線本身尋找解決問題的辦法，從而選定野外圧縮曲線提出某些假設(shè)，并以此對C法作進(jìn)一步改進(jìn)。在目前尚無可靠的確定野外曲線的方法的情況下，S法通過選試確定野外圧縮曲線和 相應(yīng)的先期固結(jié)壓力P_C的建議是有一定價值的。因此，現(xiàn)今在國外S法仍受到重視。

       此法與B法相同，需作加荷，卸荷回彈和再加荷的壓縮試驗。將試驗結(jié)果在e-lgP坐標(biāo)紙繪制成圧縮曲線。

       過O^’點作O^’F^’直線，使O^’F^’直線的坡度等于回環(huán)曲線的平均坡度；作過孔隙比e₀和自重壓力P₀的O點的直線OF，使OF平行于O^’F^’；在OF線上選取不同的D，E……等點，然后與圧縮曲線上孔隙比等于0.42e₀的C點相連；根據(jù)折線ODC或OEC……便可描繪出幾條假定的“原始”圧縮曲線；作出假定的“原始”圧縮曲線與試驗的e-lgP關(guān)系曲線之間的孔隙比差值Δe_i；繪制Δe_i-lgP的關(guān)系曲線，如圖2-4所示，重復(fù)上述步驟可得到數(shù)組Δe-lgP關(guān)系曲線。

       后選取對稱性較好的那條曲線所對應(yīng)的折線如ODC折線，該D點所示的壓力即先期固結(jié)壓力P_C，DC段的斜率為現(xiàn)場壓縮指數(shù)C_C。

       圖2-3                                             圖2-4

       5、f線法

       F線法是由同濟(jì)大學(xué)高大釗教授提出確定P_C的一種方法。該方法根據(jù)土體在固結(jié)試驗過程中，所獲得的次固結(jié)變形速率來確定P_C。通常認(rèn)為土體在先期固結(jié)壓力之前的次固結(jié)變形速率較小，因為漫長的歷史已經(jīng)完成了相當(dāng)部分，而先期固結(jié)壓力之后次固結(jié)變 形速率突然增大，在它們突變之間的固結(jié)壓力即為先期固結(jié)壓力P_C。

       試驗方法與正常的慢固結(jié)試驗一樣，按lgt時間測記各級荷重下的試樣變形量ΔS；在lgt~ΔS的對半數(shù)的坐標(biāo)紙內(nèi)繪制時間圧縮曲線，如圖2-5所示。并下式計算各級荷重下的固結(jié)變形速率：

       式中，t₂，t₁分別代表時間圧縮曲線進(jìn)入后面的直線段。

       在一般情況下，也可按時間100分鐘與1000分鐘時所產(chǎn)生的次固結(jié)變形量ΔS，或144分鐘與1440分鐘所產(chǎn)生的次固結(jié)變形量ΔS，那么

     或

       然后根據(jù)Σf_i-lgP_i繪制曲線如圖2-5所示。

       曲線在P_C前面段和后面段幾乎呈線性狀態(tài)，兩直線的交點即P_C的坐標(biāo)，不難看出，當(dāng)取Δlgt_i=1時，則f_i=ΔS_i，這樣使計算更為簡便，試驗研究表明，次固結(jié)階段的壓縮速率是隨著壓力增大而增大，而當(dāng)壓力超過某一數(shù)值后（即屈服壓力值），壓縮變形速率突然增大，這也表明屈服應(yīng)力值是客觀存在的，因此用這種方法來研究土的先期固結(jié)壓力是一種可以作比較的新方法。

圖2-5

       6、割線平移法

       我們在舉辦“土的前期固結(jié)壓力”專題短訓(xùn)班的討論和實踐中，由交通部第四航務(wù)工程局李秉光工程師提出，采用“割線平移法”確定小曲線半徑。經(jīng)過實踐的比較和數(shù)學(xué)上的論證認(rèn)為，對于C法確定小曲率半徑是比較簡便并可以減小人為誤差。

       該方法具體如下：

       在e-ΔlgP坐標(biāo)內(nèi)繪制曲線（見圖2-6）；

       向左移動一級對數(shù)即橫坐標(biāo)為0.01kg/cm²（1kPa）固結(jié)壓力，過縱坐標(biāo)e₀作公切線AB₁交E點；

       過C點作公切線CD，交F點，為此曲線EF段為確定小曲率半徑的所在段；

       過EF兩點作割線，用兩只三角板配合平移EF割線（向上平移），即可獲得切點O，該O點為壓縮曲線小曲率半徑的基準(zhǔn)點。

       仍用Casagrande提出的方法，過O點作切線和水平線，然后作該夾角的角平分線與C_C線相交，即能獲得先期固結(jié)壓力P_C值。

圖2-6