软土地基固结系数的确定方法概述

葛晓永

江北新区中心区公司 江苏 南京 211500

一、引言

土的固结系数是工程中分析地基土沉降-时间之间关系的关键性参数，试验中往往采用加荷后孔隙比的变化或者量测超静孔隙水压力消散的过程反算土的固结系数。土的固结系数越大，排水性能越好，固结越快。由于土的特殊性，很难就某一种类型的土给出一个其固结系数的特定值，因此，在实际工程中对所面临地基土固结系数的确定是一项必要且基本的工作。固结系数预测的准确性与否直接与地基处理的方式、施工方案和工期、预压荷载的大小以及工程造价相关。

目前，工程中常用的地基土固结系数的确定方法大致可分为三类：（1）室内轴向固结压缩试验；（2）现场沉降资料反算法；（3）原位测试法。其中现场沉降资料反算法所得到的固结系数理应与实际情况最为吻合，但该方法只能用作验证实际参数的合理性，无法在施工之前得到土的固结系数，因此本文不作介绍。

二、室内固结试验求解固结系数

室内固结试验目前依然是应用最为广泛的得到土固结系数的方法，其传统的试验仪器为标准固结仪[1]。一般情况下，试验中对试样施加竖向的分级荷载，并记录在每一级荷载作用下试样高度的变化。试验中默认土颗粒不可压缩，因而可以换算得到土样孔隙比随竖向荷载的变化曲线，再经由曲线根据一定的标准作图之后推算出土体固结系数的预测值。

针对上述固结试验得到的压缩曲线，其应用最广泛的两种推算土的固结系数的方式——时间对数法和时间平方根法早在1989年就被纳入当时由水利部颁布的《土工试验方法标准》[2]。这两种方法都属于绘图法，其主要是根据试验得到的压缩曲线的形式来判别土的固结系数，其缺点是对于部分渗透性较差的粘土而言，由于排水过程十分漫长，因而与固结时间相关的次固结压缩会相应增大，实际绘制的压缩曲线存在较大误差。其次，在图中确定固结起始段和终止段的位置时，主观随意性较大。

此后，鉴于传统方法的不足，有许多学者提出一系列的改进措施，如：反弯点法、三点法、Scott法等，但实际操作起来既费时又费力，因此并没有在实际工程实践中得到推广。

三、原位测试法

虽说室内固结试验被广泛应用在土的固结系数计算中，但其对土体扰动较大、试样太小无法准确地模拟宏观的土层情况使得经由该方法得到的土固结系数与真实情况存在较大偏差。若地基土中存在多层砂层或软弱夹层时，误差尤为巨大。鉴于此，经由广大岩土工程师多年的不懈努力，在近30年间一种利用孔压静力触探（CPTU）[3]技术在工程现场实地计算土体固结系数的方法愈来愈受到工程师们的重视。

CPTU原位测试系统的全套设备全套系统由多功能探头、数据采集仪、数据分析软件及静力触探贯入装置四大部分构成，试验时可以直接读取探头上的锥尖阻力、探头侧壁受到土的摩阻力、孔隙水压力、剪切波速、土的电阻率等基本参数，并通过对上述参数的解译，能够灵敏又可靠地进行土性判别和土类划分，推算某一特定深度处土的固结系数、渗透系数，经过改装之后的探头还能解译出土的小应变剪切模量、承载力特征甚至是土的应力历史（超固结比OCR）等[4]。

CPTU圆锥探头上设有滤水器（也称作孔压过滤环）[5]以及能够量测上述参数的感应元件。试验时，探头与专用的多节探杆相连接，经由液压传动装置贯入原位土体中，探头所量测的数据经由穿过探杆的传输电缆传输到至地面的数据采集器中，实验员可以实时观测到各个参数数据的变化。为了能够得到土的固结系数，试验时将探头贯入至所需的预定深度（需在地下水位以下），此时数据采集器中显示的孔压变化曲线即为探头附近的土因贯入变形而产生的超静孔隙水压力随着时间不断消散的过程。超静孔压最终会因排水作用降至该深度处的静水孔压的理论值。地基土的固结系数即可通过这种孔压消散试验获得。

但是，由于仪器量测和人员操作不可避免的误差，不同深度处的超静孔隙水压力的消散曲线不尽相同，因此首先需要将测量到的不同深度处的孔压按照初始孔压ui和现场的静止孔压u0进行归一化处理，其t时刻归一化的超孔压U可以表示成[6]：

中国土木工程学会于2017年出版了我国首部《孔压静力触探（CPTU）技术规程》，其中针对CPTU试验中，如何依据试验结果得到地基土的固结系数进行了详细的介绍并给出了经验取值。

四、总结

室内固结试验和现场的原位测试试验都能够得到地基土的固结系数。由于试验条件所限，室内试验由于其操作简单，应用时间较长，理论分析成熟，至今仍然是工程中使用最广泛的得到土固结系数的途径。但是由于沉降计算失误的工程案例不断增多，越来越多的专家学者认为室内试验不可避免的钻孔取土、现场至实验室之间的运输、实验室的制样方式等对于土结构的破坏已经严重影响到了计算所得固结系数的准确性。因此，在不久的将来，随着工程技术水平、设计要求的不断提高，原位测试技术研究的不断深入，理论体系架构的不断完善，以CPTU为代表的原位测试技术将会逐步取代目前的室内固结试验法，成为研究计算土固结系数的主流方法。