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先期固结压力的确定方法

发布时间: 2019-12-29  点击次数: 1405次

张家港晟泰克智能仪器有限公司 杨熙章

       土的先期固结压力可以反映其应力历史。具体来说先期固结压力是反映地质历史形成过程中土所承受的最大有效应力。

       确定土的先期固结压力,一般以评价和确定建筑物地基的压密状态(固结状态)和应力历史,从而对建筑物地基的设计与施工更能符合客观实际。土的压密(固结)状态,通常用超压密(超固结)比OCR表示。先期固结压力PC与土的自重应力P0的比值为超压密比(超固结比)。

       当PC/P0=1时,为正常压密,也称正常固结。

       当PC/P0>1时,为超压密,也称超固结。

       当PC/P0<1时,为欠压密,也称欠固结。

       先期固结压力的形成过程是一个十分复杂的过程,在自然界里,由于地壳表面变动,如水流的冲刷,冰川的溶化,覆盖层厚度的增加,或人工开挖和大面积堆料或填土以及地壳升降、海水涨退等等。另外气候条件的变化,如表面土层往往由于水分蒸发产生了干缩作用导致超压密状态,相反,由于地表水浸入使土体颗粒膨胀或湿陷使土体内应力平衡转化,有可能使原来超压密(视超压密)变为欠压密或正常压密状态。

       先期固结压力PC的确定,通常用的方法是卡萨格兰特(Casagrande,1936年)依据室内圧缩曲线(e-lgP坐标曲线)寻找最小曲率半径然后以经验图解法求得,在此基础上陆续发表了波密斯特(Burmister,1942年)建议的确定PC方法、三笠氏CC法,施默特曼(Schmertmann,1955年)以及国内一些学者和研究人员也相应地提出f法,割线平移法以及快速固结试验法等等。我们将在下面一一介绍这些方法,通过大量的研究试验表明,确定先期固结压力的方法,宜用几种方法同时进行,并在此基础上提出一个比较适当的数值PC。下面具体介绍先期固结压力的确定方法:

       1、C法(即Casagrande法)

       将压缩试验的结果整理成e-lgP曲线,然后按下属步骤进行(见图2-1):

       ①在e-lgP曲线上作AB和CD公切线,在EF圆弧段内找出最小曲率半径的O点,O点是通过EF圆弧段内作若干个切线的法线而获得最小曲率半径即OM为Rmin

       ②过O点作切线OH和平行于横坐标水平线OG;

       ③GOH的角平分线OI;

       ④CD与OI的交点J,该点所对应的压力,即为先期固结压力PC

        2、B法(即Burmister法)

        B法如图2-2所示,当压缩实验的e-lgP曲线进入接近直线段时,使试样逐级卸荷回弹(不一定全部卸荷),然后重复加荷直至实验完毕。通过计算各级荷重下稳定后的孔隙比,绘制e-lgP曲线,曲线AB段为加荷阶段,B点荷重已进入圧缩曲线的直线段,然后回弹得BC段和再加荷CED,根据曲线的直线段作一公切线FBD,过B点作垂线交CED曲线上E点,取BE段实际长度h并在过FD直线和AB曲线段上找出HG垂线长度h等h的长度,则H点的横坐标为先期固结压力PC

                               

 

              图2-1                                 图2-2

       3、CC法(即日本三笠氏法)

       如图2-3

       本法适用于软粘土,即适用于压缩指数CC大于0.2。

       根据试验结果在e-lgP坐标系内绘制圧缩曲线AB。

       在圧缩曲线后半段直线部分,作公切线CB,CB段的斜率为压缩指数:

 

       式中,e10和e100分别表示公切线CB交于横坐标lg10(10kPa)和lg100(100kPa)所对应的纵坐标孔隙比。

        计算CC=0.25CC+0.1和C’’C=0.5CC的具体数值,根据上述原理作ED段斜率等于CC,FD段斜率等于C’’C。利用三角板平移方法,将三角板斜边与ED重合,并向上(向曲线方向)平动交于AB曲线上点O(只有一个点)。通过点O作FD斜率C’’C的直线交于公切线CB得G点,G的横坐标为Py,Py称为压密屈服应力,屈服应力Py与先期固结压力P0有着相同的意义。

       4、S法(即Schmertmann法)

       这种方法比较复杂一些,因为要有一个试选过程,但它没有局限于只从试验曲线本身寻找解决问题的办法,从而选定野外圧缩曲线提出某些假设,并以此对C法作进一步改进。在目前尚无可靠的确定野外曲线的方法的情况下,S法通过选试确定野外圧缩曲线和 相应的先期固结压力PC的建议是有一定价值的。因此,现今在国外S法仍受到重视。

       此法与B法相同,需作加荷,卸荷回弹和再加荷的压缩试验。将试验结果在e-lgP坐标纸绘制成圧缩曲线。

       过O点作OF直线,使OF直线的坡度等于回环曲线的平均坡度;作过孔隙比e0和自重压力P0的O点的直线OF,使OF平行于OF;在OF线上选取不同的D,E……等点,然后与圧缩曲线上孔隙比等于0.42e0的C点相连;根据折线ODC或OEC……便可描绘出几条假定的“原始”圧缩曲线;作出假定的“原始”圧缩曲线与试验的e-lgP关系曲线之间的孔隙比差值Δei;绘制Δei-lgP的关系曲线,如图2-4所示,重复上述步骤可得到数组Δe-lgP关系曲线。

       最后选取对称性较好的那条曲线所对应的折线如ODC折线,该D点所示的压力即先期固结压力PC,DC段的斜率为现场压缩指数CC

      

       图2-3                                             图2-4

       5、f线法

       F线法是由同济大学高大钊教授提出确定PC的一种方法。该方法根据土体在固结试验过程中,所获得的次固结变形速率来确定PC。通常认为土体在先期固结压力之前的次固结变形速率较小,因为漫长的历史已经完成了相当部分,而先期固结压力之后次固结变 形速率突然增大,在它们突变之间的固结压力即为先期固结压力PC

       试验方法与正常的慢固结试验一样,按lgt时间测记各级荷重下的试样变形量ΔS;在lgt~ΔS的对半数的坐标纸内绘制时间圧缩曲线,如图2-5所示。并下式计算各级荷重下的固结变形速率:

 

       式中,t2,t1分别代表时间圧缩曲线进入后面的直线段。

       在一般情况下,也可按时间100分钟与1000分钟时所产生的次固结变形量ΔS,或144分钟与1440分钟所产生的次固结变形量ΔS,那么

 

     或

 

       然后根据Σfi-lgPi绘制曲线如图2-5所示。

       曲线在PC前面段和后面段几乎呈线性状态,两直线的交点即PC的坐标,不难看出,当取Δlgti=1时,则fi=ΔSi,这样使计算更为简便,试验研究表明,次固结阶段的压缩速率是随着压力增大而增大,而当压力超过某一数值后(即屈服压力值),压缩变形速率突然增大,这也表明屈服应力值是客观存在的,因此用这种方法来研究土的先期固结压力是一种可以作比较的新方法。

 

图2-5

       6、割线平移法

       我们在举办“土的前期固结压力”专题短训班的讨论和实践中,由交通部第四航务工程局李秉光工程师提出,采用“割线平移法”确定最小曲线半径。经过实践的比较和数学上的论证认为,对于C法确定最小曲率半径是比较简便并可以减小人为误差。

       该方法具体如下:

       在e-ΔlgP坐标内绘制曲线(见图2-6);

       向左移动一级对数即横坐标为0.01kg/cm2(1kPa)固结压力,过纵坐标e0作公切线AB1交E点;

       过C点作公切线CD,交F点,为此曲线EF段为确定最小曲率半径的所在段;

       过EF两点作割线,用两只三角板配合平移EF割线(向上平移),即可获得切点O,该O点为压缩曲线最小曲率半径的基准点。

       仍用Casagrande提出的方法,过O点作切线和水平线,然后作该夹角的角平分线与CC线相交,即能获得先期固结压力PC值。

 

图2-6

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