正确计算土层固结系数的方法及其应用

超载预压采用一次性使路堤填筑高程大于路堤设计填筑高程H0的施工方式,在预压期结束时路堤工作面还没有沉降到H[2]0,地基沉降稳定后,路堤表面高程大于路堤设计高程,则路堤预压期完成时的荷载大于路面竣工后路堤的长期运行荷载,对于竣工后的地基土层而言,处于超固结状态。超载预压可以加速主固结沉降和消除部分次固结沉降,对于减小工后沉降效果显著。为直观的看出超载情况和设计荷载作用下的联系和区别,我们将只有设计荷载Pf作用下的沉降和加载曲线以及设计荷载Pf和超载Ps同时作用下的沉降和加载曲线分别列于图1中。

图1　超载预压引起的主固结

图中虚线表示只有设计荷载作用时路堤的沉降曲线,实线表示超载作用情况下路堤的沉降曲线。由图1可知：当时间为tsr时,有超载引起的沉降已经达到设计荷载所能引起的沉降水平,此时卸去路堤的多余荷载,路基土处于超固结状态,在后期的施工中引起的沉降将会很小,该时间tsr即为卸载时间。

路基的沉降分为三部分：瞬时沉降,固结沉降,次固结沉降。其中瞬时沉降可以由弹性理论来计算,沉降量与荷载成正比；次固结大小和土的性质有关,且发生在主固结之后。由图1可知：在tsr时,荷载为Pf+Ps,主固结尚未结束,次固结还未发生。因此本文不考虑次固结量的影响,只考虑瞬时沉降和主固结沉降,并且假定瞬时沉降量与主固结沉降成正比,比例系数与荷载量呈线性关系。由e-lgP曲线计算沉降量：

即

(Ⅰ)设计荷载Pf作用下

(Ⅱ)超载Ps+Pf作用下

式中 H——土层总厚度；

e0——土的初始孔隙比；(www.xing528.com)

σ′v0——初始垂直有效应力,对于超固结土(或准先期固结土),只有在超过历史上最大压力σ′vm(或在准先期固结情况下的临界压力σ′vc)的压力作用下才有显著的压缩量产生；

Cc——固结系数；

a1、a2——荷载比例系数,a1表示等载时瞬时沉降与主固结沉降的比值,取为0.1。a1/a2=Pf/(Pf+Ps)。

若Pf+Ps作用于tsr后,粘土层的平均固结度为Uf+s,此时的沉降量等于设计荷载Pf作用下的最终沉降,路基将不再发生进一步的沉降。即：

由式(1)、(2)、(3)可得

Uf+s、Pf/σ′v0和Ps/Pf之间的关系如式(4)所示,分别取Pf/σ′v0为0.1、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、8.0、10.0,=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0。由式(4)求出相应的Uf+s,并作出三者的关系图,如图2所示(注：只有当超过过去的最大土压力时,也即(Pf+Ps+σ′v0)＞σ′vm时,式(4)和图2才适用,且只有在这种情况下预压才会有效果)。

图2　Uf+s、Pf/σ′v0和Ps/Pf关系图

由太沙基单向固结基本微分方程的解我们可以发现：固结度U只与时间因素Tv有关,而Tv又与固结系数Cv有关,由此可见本方法的关键在于正确的计算出土层的固结系数。国内外学者提出了许多确定固结系数的方法,目前常见的方法有：时间对数法、时间平方根法、试算法、反弯点法、三点计算法、司各脱法等,土工试验中常用的方法是时间平方根法。本文考虑：当有室内试验资料时使用平方根法估算固结系数；没有资料时由现场条件近似的加以估计。求出固结系数后,即可根据U-Tv的关系图表计算出卸载时间。