室內(nèi)與現(xiàn)場反演固結(jié)系數(shù)差異特征與原因分析

趙俊明,陳琦,劉垚,鄧永鋒

(1.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210017；2.東南大學 交通學院,江蘇 南京 210096)

連云港地區(qū)緊靠黃海,土層多為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)亞黏土及淤泥混砂層,屬于飽和的正常壓密軟黏土,具有壓縮性高、沉降量大、排水固結(jié)慢、地基穩(wěn)定性較差的特點。根據(jù)對已建道橋的調(diào)查,大部分道橋因地基沉降不均而產(chǎn)生嚴重的路面開裂和橋頭跳車,這是由施工期間對工后沉降預估不足所致。在軟土地基上建設(shè)公路面臨復雜的軟土固結(jié)沉降問題,固結(jié)系數(shù)是體現(xiàn)固結(jié)過程快慢的指標,是軟基變形設(shè)計計算的關(guān)鍵參數(shù)。

目前常用的獲取固結(jié)系數(shù)的方法主要有室內(nèi)固結(jié)試驗法、孔壓靜力觸探法和現(xiàn)場反演分析計算法。對這3種方法之間的差異,不少學者開展了相應研究。如陳新彥等以珠江三角洲大量軟土地區(qū)試驗結(jié)果為依據(jù),比較了地基沉降反演、室內(nèi)固結(jié)試驗和孔壓靜力觸探試驗所得固結(jié)系數(shù)的相互關(guān)系；胡榮華等基于深圳地區(qū)軟土工程實例,對比了室內(nèi)試驗法、現(xiàn)場試驗法、反演分析法、間接推算法結(jié)果的異同；顧紹付等以具體工程土樣的固結(jié)試驗和滲透試驗數(shù)據(jù)為依據(jù),用多種方法計算土樣的固結(jié)系數(shù),分析了兩種參數(shù)之間的聯(lián)系；孟高頭等開展孔壓靜力觸探和室內(nèi)固結(jié)試驗,對比了兩種固結(jié)系數(shù)間的異同；鄧永鋒等根據(jù)Hong&Onitsuka的擾動度定義,給出了土樣擾動對室內(nèi)固結(jié)試驗結(jié)果的影響。已有研究表明現(xiàn)場沉降反演法與孔壓靜力觸探法的固結(jié)系數(shù)較接近,而室內(nèi)試驗所得固結(jié)系數(shù)比現(xiàn)場沉降反演法小1～2個數(shù)量級。但對于這種差異產(chǎn)生原因的研究較少,導致選取合理的固結(jié)系數(shù)作為施工依據(jù)比較困難。該文基于連云港臨海高等級公路建設(shè)期沉降觀測數(shù)據(jù),從土樣擾動、滲透系數(shù)各向異性及固結(jié)模式三方面分析差異產(chǎn)生原因。

1 固結(jié)系數(shù)獲取方法

1.1 室內(nèi)試驗法

室內(nèi)試驗一般采用基于Terzaghi一維固結(jié)理論的解析法求豎向固結(jié)系數(shù),固結(jié)方程為：

式中：Cv為固結(jié)系數(shù),Cv＝k/(mvγw)；k為滲透系數(shù)；mv為體積壓縮系數(shù)；γw為水的重度。

為便于求解,Terzaghi假定k和mv在土體壓密固結(jié)過程中保持不變,即k、mv和Cv在固結(jié)過程中均為常數(shù)。

1.2 孔壓靜力觸探法

探頭貫入土層時,其周圍土層中的應力、應變及孔隙水壓力均產(chǎn)生重分布,探頭貫入土層所產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力的消散接近于水平徑向擴散,故孔壓靜探在土層中所估算的為水平向固結(jié)系數(shù)Ch。按Terzaghi固結(jié)理論,孔壓消散的軸對稱方程為：

式中：u為孔隙水壓力；r為任一點距探頭中心的水平距離；t為消散時間。

將式(2)代入滿足超孔壓的初始條件和邊界條件,可求解某一深度土層的水平向固結(jié)系數(shù)：

式中：T為時間因數(shù)；r0為探頭半徑。

目前國內(nèi)外傾向于取固結(jié)度U為50%時的T50計算固結(jié)系數(shù)。

1.3 Asaoka沉降反演法

Asaoka法數(shù)學形式相對簡單,參數(shù)易確定,僅需少量數(shù)據(jù)即可進行圖解法求解固結(jié)系數(shù)。Asaoka基于Mikasa提出的一維大變形的連續(xù)性方程?ε/?t＝Cv(?2ε/?z2),構(gòu)建了ε的級數(shù)解：

式中：T、F為時間t的函數(shù)；T′、T″,F′、F″分別為T、F對時間t的一階和二階導數(shù)。

根據(jù)邊界條件,可得到Asaoka解析解：

式中：S i為在同一荷載作用下第i個時間段的沉降；β0和β1為參數(shù),雙面排水時lnβ1＝－6Cv/H2Δt,單面排水時lnβ1＝－2Cv/H2Δt。

2 結(jié)果對比分析

2.1 室內(nèi)固結(jié)系數(shù)與反演法結(jié)果對比

根據(jù)汾灌(汾水—灌云)、滬蘇浙(上?！K—浙江)高速公路的勘察和沉降資料,采用Asaoka法反演地基綜合固結(jié)系數(shù),并與現(xiàn)場原狀土室內(nèi)試驗所得固結(jié)系數(shù)進行對比,結(jié)果見圖1。

圖1 Asaoka反演與室內(nèi)平均固結(jié)系數(shù)對比

由圖1可知：現(xiàn)場反演的平均固結(jié)系數(shù)比室內(nèi)所得固結(jié)系數(shù)大10倍左右。

2.2 孔壓靜力觸探法與沉降反演法結(jié)果對比

孟高頭等基于珠江三角洲部分典型斷面的現(xiàn)場沉降觀測資料反算得出該地區(qū)軟土土層的固結(jié)系數(shù),并與孔壓靜力觸探試驗所得結(jié)果進行比較,結(jié)果見表1。

由表1可知：孔壓靜力觸探反演結(jié)果與實測沉降資料的反算值很接近,處于同一數(shù)量級。該結(jié)果與蔡國軍等對連鹽高速公路沿線4個典型監(jiān)測斷面的反演結(jié)果一致。

表1 孔壓靜力觸探消散試驗值和現(xiàn)場沉降實測反算值對比

3 差異原因分析

從勘察取樣擾動、固結(jié)系數(shù)各向異性及固結(jié)模式3個角度對幾種方法所得固結(jié)系數(shù)差異的產(chǎn)生原因進行分析。

3.1 取樣擾動對固結(jié)系數(shù)的影響

鄧永鋒等對連云港海相軟土進行薄壁取樣,討論了土樣擾動程度、應力水平與固結(jié)系數(shù)的關(guān)系,得到固結(jié)系數(shù)隨擾動度SD和應力的變化(見圖2)。

從圖2可以看出：在擾動程度較低的情況下,屈服前的固結(jié)系數(shù)比屈服后的大1～2個數(shù)量級,且擾動度低的屈服前固結(jié)系數(shù)比擾動度高的屈服前固結(jié)系數(shù)大1～2個數(shù)量級。由于室內(nèi)試驗在取樣運輸過程中存在應力、擾動度變化的情況,土樣應力狀態(tài)會從屈服前變?yōu)榍?擾動程度增加,進而導致室內(nèi)試驗結(jié)果比現(xiàn)場試驗求得的固結(jié)系數(shù)小1～2個數(shù)量級。

3.2 固結(jié)系數(shù)各向異性

根據(jù)已有研究成果,反演法所得固結(jié)系數(shù)與孔壓靜力觸探法所得水平向固結(jié)系數(shù)Ch處于同一個數(shù)量級,差異很小。孟高頭等以珠江三角洲大量鉆探試驗結(jié)果為依據(jù),對孔壓靜力觸探所得水平向固結(jié)系數(shù)Ch和室內(nèi)固結(jié)試驗所得Cv進行一元線性回歸分析,結(jié)果見圖3。

圖2 固結(jié)系數(shù)隨擾動度SD的變化

圖3 Ch-Cv線性相關(guān)關(guān)系散點圖及回歸曲線

由圖3可知：Ch、Cv間的關(guān)系為Cv＝0.086 5Ch＋0.685 9,相關(guān)系數(shù)r為0.905 4,回歸方程的擬合程度很好,Ch和Cv具有明顯的線性關(guān)系；Ch比Cv大1～2個數(shù)量級。

3.3 固結(jié)模式

Asaoka法是基于太沙基一維固結(jié)理論提出的反演法,求得的是包含水平、豎向固結(jié)的現(xiàn)場整體固結(jié)系數(shù),而室內(nèi)試驗由于側(cè)限僅能獲得豎向固結(jié)系數(shù)。為進一步分析固結(jié)模式對固結(jié)系數(shù)反演結(jié)果的影響,以臨海高等級公路連云港段某斷面為例建立有限元數(shù)值模型,利用Asaoka法反演固結(jié)系數(shù)Cv1,同時根據(jù)壓力不同設(shè)置等效室內(nèi)試驗固結(jié)系數(shù)按深度的加權(quán)平均值Cv2,通過滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)的正相關(guān)關(guān)系建立水平、豎向滲透系數(shù)的比值kh/kv與固結(jié)系數(shù)的關(guān)系,分析kh/kv的改變對固結(jié)系數(shù)的影響。模型中,路基高度為3 m,硬殼層厚度為2 m,軟土層深度為15 m,下臥層深度為10 m,地下水位在硬殼層下邊界,水平影響區(qū)域為50 m(見圖4)。土層基本參數(shù)見表2,堆載過程見圖5。現(xiàn)場kh/kv一般為2～5,在這個范圍內(nèi),設(shè)定豎向滲透系數(shù)kv不變,根據(jù)不同kh/kv及軟土層厚度(15、20和25 m)下的沉降歷時曲線進行反演分析。反演固結(jié)系數(shù)與豎向加權(quán)固結(jié)系數(shù)對比見表3。

圖4 計算模型

圖5 路基填土歷時曲線

表2 土層計算參數(shù)

從表3可看出：1)Cv1/Cv2隨著kh/kv的升高升高。kh/kv＝1時,Asaoka法平均反演固結(jié)系數(shù)為室內(nèi)固結(jié)試驗的5倍左右；kh/kv＝5時,Asaoka法平均反演固結(jié)系數(shù)為室內(nèi)固結(jié)試驗的10倍左右。2)Cv1/Cv2隨軟土層厚度的增加而減小。即使水平向滲透系數(shù)與豎向滲透系數(shù)相等,反演固結(jié)系數(shù)Cv1也為豎向固結(jié)系數(shù)Cv2的5倍,說明在現(xiàn)場水平和豎向二維固結(jié)模式中,水平向固結(jié)始終占主導地位,且隨著kh/kv的增大而增大。3)在kh/kv的一定比值,反演固結(jié)系數(shù)Cv1比豎向固結(jié)系數(shù)Cv2大1～2個數(shù)量級,即反演法所得固結(jié)系數(shù)比室內(nèi)試驗所得固結(jié)系數(shù)大1～2個數(shù)量級。

表3 反演固結(jié)系數(shù)Cv1與豎向加權(quán)固結(jié)系數(shù)Cv2對比

4 結(jié)論

(1)天然沉積軟黏土具有一定的結(jié)構(gòu)性和應力狀態(tài),取樣過程難免會對試樣產(chǎn)生影響。固結(jié)系數(shù)與應力水平和擾動程度緊密相關(guān),室內(nèi)試驗在取樣和運輸過程中引起應力和擾動度的改變,使應力狀態(tài)從屈服前變?yōu)榍?擾動度增加,從而導致室內(nèi)固結(jié)系數(shù)比現(xiàn)場反演固結(jié)系數(shù)小1～2個數(shù)量級。

(2)在同樣壓力的情況下,采用孔壓靜力觸探、室內(nèi)試驗分別獲得水平向和豎向固結(jié)系數(shù),所得水平向固結(jié)系數(shù)與反演法固結(jié)系數(shù)相近,處于同一數(shù)量級,且比室內(nèi)試驗固結(jié)系數(shù)大1～2個數(shù)量級。

(3)室內(nèi)試驗的固結(jié)模式為豎向一維固結(jié),現(xiàn)場固結(jié)模式為二維固結(jié),其水平向固結(jié)始終占主導地位且隨著kh/kv的增加而增加。軟土地基的kh/kv一般為2～5,在這個范圍內(nèi),在kh/kv的一定比值下,反演法所得固結(jié)系數(shù)比室內(nèi)試驗所得固結(jié)系數(shù)大1～2個數(shù)量級。