实测孔隙水压力固结度计算方法探讨

实测孔隙水压力固结度

计算方法探讨

侯健飞(天津港建设公司，天津300256)摘要：在采用排水预压法加固地基时，孔隙水压力固结度U。为孔隙水压力消散值与总超静水压力的比值。本文根据大量的孔隙水压力观测结果，提出了一套由实测孔隙水压力u〜t曲线，直接确定总超静水压力，进而计算孔隙水应力固结度的方法，回避了理论计算时被测点的应力增加总值、加固过程固结系数变化以及固结理论的基本假设和实际地基差异等因素造成的理论固结度与实际情况的差异。该方法经实际应用，效果较好，可在孔隙水压力固结度计算中参考。关键词：排水预压法；孔隙水压力；孔隙水压力固结度计算1问题的提出在采用排水预压法加固地基时，孔隙水压力固结度采用如下表达式〔1〕：U二坐x100% (1)u0式中：U。：孔隙水压力固结度；u0：孔隙水压力值，即地基承受的总超静水压力；△u：孔隙水消散值，△u=u0-ut；ut：预压加固过程中t时刻的孔隙水压力值；由表达式(1)，只有当u0和ut都准确时才能得到可靠的孔隙水压力固结度Uo。对于u0，为在上覆荷载作用下，由所计算位置的正应力。x、oy、oz和一组剪应力T作用而产生，在被加固地基处于欠固结状态时，u0值还应包括由于地基欠固结引起的那部分超静水压力。理论计算中，上覆荷载产生的地基附加应力，目前一般假定地基土是连续、均匀、各向同性的完全弹性体，然后根据弹性理论的基本公式进行计算；而欠固结部分引起的超静水压力要确定地基在自重作用下的固结程度。对于ut的计算，仅有一维固结和三维轴对称问题情况下存在解析解，且建立解析解的基本假设如下：土是均质、各项同性且饱和；土的压缩完全由孔隙体积的减少引起，土粒和孔隙水是不可压缩的；孔隙水的向外排除符合达西定律；土的固结系数在整个渗流过程保持不变。但是，由于地基在沉积历史上沉积环境的差异，地基土是成层分布的，并且各土层的地质情况差异很大，地基土的理想均质实际是不存在的；对于被加固地基，其为弹塑体，而非弹性体，属于大变形非线性问题；大量的原状土取土试验成果证明，地基土的饱和度大多无法保证为100%；孔隙水的渗流也难以达到完全符合达西定律，地基土的固结系数实际是随着加固过程是变化的⑵。因此，采

用理论解析解的方式确定的孔隙水压力固结度与实际地基加固过程中的固结度还是存在一定的差异。而对于地基地质条件、孔隙水排水条件、荷载条件复杂的地基的固结计算目前还无法得到适用的解析解，基于以上因素，采用孔隙水压力实测结果推算孔隙水压力固结度更显得实在、重要。2实测观测结果推算固结度的基本原理首先，根据孔隙水压力实测结果，可直接得到地基加固不同时刻的消散值Au。剩下的问题是确定u0。大量实测资料根据分析，排水预压加固法的地基土应力〜应变关系呈双曲线形〔3〕，并且实测的S〜t曲线也为双曲线〔4〕，由此可证明排水预压加固地基过程中实测的孔隙水压力时间关系曲线也呈双曲线形：S〜t曲线表达式：S邓a+土⑵11u〜t曲线表达式：u=u+ p—(3)2 2由式(2)、(3)tut一ua= a2+p2t令S=St-Sa；U=ut-ua，则S=-^-a+ptSa1+Spy=tSa=Sa=(1-Spt)1 1(4)同理Ua=(1-Upt)(5)2 2(4)/(5)则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)将表达式(6)进行坐标轴平移可得：xy=K1(7)表达式(7)中：x=S+b/cy=U+a/cK1=ab/c2由以上分析，排水预压加固过程中u〜t曲线为双曲线形式，其表达式形式可采用表达式(3)来描述。3.孔隙水压力消散过程线的双曲线拟合确定u03.1孔隙水压力消散过程线与双曲线拟合相关性考证根据国内十几个排水预压法加固地基项目，119个孔隙水压力测头实测孔隙水压力观测u〜t曲线，采用双曲线表达式(3)进行拟合的相关性分析结果表1。实测u〜t曲线双曲线法拟合相关性分析表 表1土层名称淤泥质粘土淤泥质亚粘土亚粘土粘土淤泥R20.374〜0.9980.743〜0.9970.720〜0.9930.898〜0.9960.832〜0.995样本个数4819151621方左。0.14250.06470.08550.03390.0475变异系数015.746.799.343.535.09平均R20.90520.95370.91590.96090.9328表中的统计结果可见，孔隙水压力消散时间过程线采用双曲线方法进行拟合，拟合线和实测曲线的相关性较好。3.2孔隙水压力消散过程线的双曲线拟合法的应用孔隙水压力双曲线拟合表达式：u=u+ ^-p— (8)2 2

式中：t:从满载开始的时间ut：t时刻孔隙水压力消散值ua：满载时孔隙水压力消散值a2、62：与孔隙水压力实测曲线相关的常数由表达式（8）进行移项得a2+g21（9）ta该表达式为一线性表达式，线性表达式的截距为a2,斜率为62。地基的固结度才能达

表达式（8）也具有以固结理论和现场实测孔隙水压力观测结果表明，排水预压加固地基过程的孔隙水压力的消散值随着时间的增加而增加，当加固时间足够长时，地基在上覆荷载作用下的孔隙水压力消散完毕，相应的孔隙水消散值达到最大，固结度达到100%。固结理论的精确解表明，只有加固时间无限长时，到100%，也就是说地基的固结度才能达

表达式（8）也具有以将表达式（8）对时间t求极限，令t—+8，Ut变为uu=u+土（10）3ag28=棒。七的土力学含义为地基加固过程中孔隙水压力消散的最大值，即u8=棒。对于单向排水固结问题，由实测孔隙水压力观测结果推算的固结度就代表了就代表了孔隙水埋设位置土层的孔隙水排水距离，计算的固结度即为土层平均固结度。对于排水预压法常用的打设塑料排水板的情况，孔隙水压力测头通常埋设在排水板所围土体平面位置的中心，所以实测得到的孔隙水压力固结度代表了该土层最远排水位置的固结度值，也即该土层固结度的最小值，该固结度计算值并不能代表土层的平均孔隙水压力固结度，需要由孔隙水压力点固结度换算为平均固结度。打设塑料排水板时，孔隙水压力的计算通常采用地基三维轴对称问题的固结理论的解析解，该解沿着半径方向的孔隙水压力的巴隆表达式如式（1）、（2）。8Tru=%^二(r2lnL—土口 (11)r r2F er2(12)(13)F=工ln(〃)-』n2—1 4(13)(14)ur、ur：!时刻的孔隙水应力、平均孔隙水应力Tr：径向固结时间因数由表达式(11)、(12)(15)由式(15)，计算不同排水板布置形式，不同间距的K=土值如表2,计算中rwure按0.07m计⑸。不同排水板布置形式、不同间距的K值 表2塑料排水板间距(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，在根据实测孔隙水压力观测结果确定打设排水板地基的固结度表达式如式(16)。Ur=u0-urx100%="0-%x100% (16)u u5结论综合以上分析，可得到一下主要结论：实测孔隙水压力消散曲线符合双曲线规律；计算固结度的总超静水压力u可采用文中的表达式(8)确定；采用实测数据确定u回避了附加应力计算和固结理论中诸多假设，计算结果更切合实际0在荷载条件、地基地质条件、孔隙水排水条件复杂而无法采用固结方程式求解时，该方法提供了孔隙水压力固结度计算的一种途径；打设塑料排水板地基的孔隙水压力固结度应采用平均固结度结果，平均固结度可采用表达式(16)计算。采用孔隙水压力观测曲线确定u0，继而计算固结度的方法仅仅是作者的尝试，仅得到数目有限的工程验证，势必还存在一些问题，希望与专家共同探