實測孔隙水壓力固結(jié)度

計算方法探討

侯健飛(天津港建設(shè)公司，天津300256)摘要：在采用排水預壓法加固地基時，孔隙水壓力固結(jié)度U。為孔隙水壓力消散值與總超靜水壓力的比值。本文根據(jù)大量的孔隙水壓力觀測結(jié)果，提出了一套由實測孔隙水壓力u?t曲線，直接確定總超靜水壓力，進而計算孔隙水應(yīng)力固結(jié)度的方法，回避了理論計算時被測點的應(yīng)力增加總值、加固過程固結(jié)系數(shù)變化以及固結(jié)理論的基本假設(shè)和實際地基差異等因素造成的理論固結(jié)度與實際情況的差異。該方法經(jīng)實際應(yīng)用，效果較好，可在孔隙水壓力固結(jié)度計算中參考。關(guān)鍵詞：排水預壓法；孔隙水壓力；孔隙水壓力固結(jié)度計算1問題的提出在采用排水預壓法加固地基時，孔隙水壓力固結(jié)度采用如下表達式〔1〕：U二坐x100% (1)u0式中：U。：孔隙水壓力固結(jié)度；u0：孔隙水壓力值，即地基承受的總超靜水壓力；△u：孔隙水消散值，△u=u0-ut；ut：預壓加固過程中t時刻的孔隙水壓力值；由表達式(1)，只有當u0和ut都準確時才能得到可靠的孔隙水壓力固結(jié)度Uo。對于u0，為在上覆荷載作用下，由所計算位置的正應(yīng)力。x、oy、oz和一組剪應(yīng)力T作用而產(chǎn)生，在被加固地基處于欠固結(jié)狀態(tài)時，u0值還應(yīng)包括由于地基欠固結(jié)引起的那部分超靜水壓力。理論計算中，上覆荷載產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力，目前一般假定地基土是連續(xù)、均勻、各向同性的完全彈性體，然后根據(jù)彈性理論的基本公式進行計算；而欠固結(jié)部分引起的超靜水壓力要確定地基在自重作用下的固結(jié)程度。對于ut的計算，僅有一維固結(jié)和三維軸對稱問題情況下存在解析解，且建立解析解的基本假設(shè)如下：土是均質(zhì)、各項同性且飽和；土的壓縮完全由孔隙體積的減少引起，土粒和孔隙水是不可壓縮的；孔隙水的向外排除符合達西定律；土的固結(jié)系數(shù)在整個滲流過程保持不變。但是，由于地基在沉積歷史上沉積環(huán)境的差異，地基土是成層分布的，并且各土層的地質(zhì)情況差異很大，地基土的理想均質(zhì)實際是不存在的；對于被加固地基，其為彈塑體，而非彈性體，屬于大變形非線性問題；大量的原狀土取土試驗成果證明，地基土的飽和度大多無法保證為100%；孔隙水的滲流也難以達到完全符合達西定律，地基土的固結(jié)系數(shù)實際是隨著加固過程是變化的⑵。因此，采

用理論解析解的方式確定的孔隙水壓力固結(jié)度與實際地基加固過程中的固結(jié)度還是存在一定的差異。而對于地基地質(zhì)條件、孔隙水排水條件、荷載條件復雜的地基的固結(jié)計算目前還無法得到適用的解析解，基于以上因素，采用孔隙水壓力實測結(jié)果推算孔隙水壓力固結(jié)度更顯得實在、重要。2實測觀測結(jié)果推算固結(jié)度的基本原理首先，根據(jù)孔隙水壓力實測結(jié)果，可直接得到地基加固不同時刻的消散值A(chǔ)u。剩下的問題是確定u0。大量實測資料根據(jù)分析，排水預壓加固法的地基土應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系呈雙曲線形〔3〕，并且實測的S?t曲線也為雙曲線〔4〕，由此可證明排水預壓加固地基過程中實測的孔隙水壓力時間關(guān)系曲線也呈雙曲線形：S?t曲線表達式：S鄧a+土⑵11u?t曲線表達式：u=u+ p—(3)2 2由式(2)、(3)tut一ua= a2+p2t令S=St-Sa；U=ut-ua，則S=-^-a+ptSa1+Spy=tSa=Sa=(1-Spt)1 1(4)同理Ua=(1-Upt)(5)2 2(4)/(5)則Sa 1-SP 1= 1-Ua 1-U。2 2Sa-Ua+(aP-aP)US=0令a=a1；b=-a2;c=(a2p1-a1p2)aS+bU+cSU=0(6)將表達式(6)進行坐標軸平移可得：xy=K1(7)表達式(7)中：x=S+b/cy=U+a/cK1=ab/c2由以上分析，排水預壓加固過程中u?t曲線為雙曲線形式，其表達式形式可采用表達式(3)來描述。3.孔隙水壓力消散過程線的雙曲線擬合確定u03.1孔隙水壓力消散過程線與雙曲線擬合相關(guān)性考證根據(jù)國內(nèi)十幾個排水預壓法加固地基項目，119個孔隙水壓力測頭實測孔隙水壓力觀測u?t曲線，采用雙曲線表達式(3)進行擬合的相關(guān)性分析結(jié)果表1。實測u?t曲線雙曲線法擬合相關(guān)性分析表 表1土層名稱淤泥質(zhì)粘土淤泥質(zhì)亞粘土亞粘土粘土淤泥R20.374?0.9980.743?0.9970.720?0.9930.898?0.9960.832?0.995樣本個數(shù)4819151621方左。0.14250.06470.08550.03390.0475變異系數(shù)015.746.799.343.535.09平均R20.90520.95370.91590.96090.9328表中的統(tǒng)計結(jié)果可見，孔隙水壓力消散時間過程線采用雙曲線方法進行擬合，擬合線和實測曲線的相關(guān)性較好。3.2孔隙水壓力消散過程線的雙曲線擬合法的應(yīng)用孔隙水壓力雙曲線擬合表達式：u=u+ ^-p— (8)2 2

式中：t:從滿載開始的時間ut：t時刻孔隙水壓力消散值ua：滿載時孔隙水壓力消散值a2、62：與孔隙水壓力實測曲線相關(guān)的常數(shù)由表達式（8）進行移項得a2+g21（9）ta該表達式為一線性表達式，線性表達式的截距為a2,斜率為62。地基的固結(jié)度才能達

表達式（8）也具有以固結(jié)理論和現(xiàn)場實測孔隙水壓力觀測結(jié)果表明，排水預壓加固地基過程的孔隙水壓力的消散值隨著時間的增加而增加，當加固時間足夠長時，地基在上覆荷載作用下的孔隙水壓力消散完畢，相應(yīng)的孔隙水消散值達到最大，固結(jié)度達到100%。固結(jié)理論的精確解表明，只有加固時間無限長時，到100%，也就是說地基的固結(jié)度才能達

表達式（8）也具有以將表達式（8）對時間t求極限，令t—+8，Ut變?yōu)閡u=u+土（10）3ag28=棒。七的土力學含義為地基加固過程中孔隙水壓力消散的最大值，即u8=棒。對于單向排水固結(jié)問題，由實測孔隙水壓力觀測結(jié)果推算的固結(jié)度就代表了就代表了孔隙水埋設(shè)位置土層的孔隙水排水距離，計算的固結(jié)度即為土層平均固結(jié)度。對于排水預壓法常用的打設(shè)塑料排水板的情況，孔隙水壓力測頭通常埋設(shè)在排水板所圍土體平面位置的中心，所以實測得到的孔隙水壓力固結(jié)度代表了該土層最遠排水位置的固結(jié)度值，也即該土層固結(jié)度的最小值，該固結(jié)度計算值并不能代表土層的平均孔隙水壓力固結(jié)度，需要由孔隙水壓力點固結(jié)度換算為平均固結(jié)度。打設(shè)塑料排水板時，孔隙水壓力的計算通常采用地基三維軸對稱問題的固結(jié)理論的解析解，該解沿著半徑方向的孔隙水壓力的巴隆表達式如式（1）、（2）。8Tru=%^二(r2lnL—土口 (11)r r2F er2(12)(13)F=工ln(〃)-』n2—1 4(13)(14)ur、ur：!時刻的孔隙水應(yīng)力、平均孔隙水應(yīng)力Tr：徑向固結(jié)時間因數(shù)由表達式(11)、(12)(15)由式(15)，計算不同排水板布置形式，不同間距的K=土值如表2,計算中rwure按0.07m計⑸。不同排水板布置形式、不同間距的K值 表2塑料排水板間距(m)正方形布置梅花形布置0.70.8790.8760.80.8850.8820.90.8910.8871.00.8950.8921.10.8980.8961.20.9020.8991.30.9040.9021.40.9070.9041.50.9090.907有以上分析，在根據(jù)實測孔隙水壓力觀測結(jié)果確定打設(shè)排水板地基的固結(jié)度表達式如式(16)。Ur=u0-urx100%="0-%x100% (16)u u5結(jié)論綜合以上分析，可得到一下主要結(jié)論：實測孔隙水壓力消散曲線符合雙曲線規(guī)律；計算固結(jié)度的總超靜水壓力u可采用文中的表達式(8)確定；采用實測數(shù)據(jù)確定u回避了附加應(yīng)力計算和固結(jié)理論中諸多假設(shè)，計算結(jié)果更切合實際0在荷載條件、地基地質(zhì)條件、孔隙水排水條件復雜而無法采用固結(jié)方程式求解時，該方法提供了孔隙水壓力固結(jié)度計算的一種途徑；打設(shè)塑料排水板地基的孔隙水壓力固結(jié)度應(yīng)采用平均固結(jié)度結(jié)果，平均固結(jié)度可采用表達式(16)計算。采用孔隙水壓力觀測曲線確定u0，繼而計算固結(jié)度的方法僅僅是作者的嘗試，僅得到數(shù)目有限的工程驗證，勢必還存在一些問題，希望與專家共同探