前期固结压力对沉降的影响研究

前期固结压力对沉降的影响研究

要：土层应力历史与土层的性质如压缩性等有着重要关系，只有确定土层应力历史后，才能正确划分土层固结状态。而前期固结压力即土层历史上曾经承受过的最大固结压力又是了解土层应力历史的重要指标，它是一个非常有用的概念和物理量。并且，由于不同固结状态下的土体沉降量计算方法有异，因此，在沉降计算中考虑前期固结压力的影响，能够使得计算结果更加符合实际情况。

关键词：土层应力历史；前期固结压力；土体沉降

1 土层应力历史

土层的应力历史是指在历史过程中土的应力变化情况。土层的应力历史与土层的力学等性质密切相关，并且影响着土层的应力状态。

在进行施工设计前，应当准确地确定土层应力历史，这样才能正确地划分土层的固结状态。否则，由于设计因素掌握不足会使得设计过于浪费或是不安全。

历史应力会压缩土体，一般情况下，前期应力压缩大，然后逐渐减小，直到后期应力平衡不再产生压缩。工程设计中应当考虑土体在卸除负载后的回弹。

2 土层的固结

2.1 土层的固结压力

土体压缩是指土体颗粒在外力作用下重新排列使得体积缩小的现象。一般情况下，孔隙水和土粒本身的压缩量可以忽略不计，土体的压缩全是由土中孔隙体积减小的结果。

土体的压缩随时间增长的过程就叫做土的固结。而使土体固结或压缩的力称为固结压力。而土层历史上曾经承受过的最大固结压力，也就是地质历史上土体在固结过程中所承受的最大有效应力，称为前期固结压力。

对于地基土层，固结压力主要包括土的自重压力和由外荷引起的附加压力两种。饱和的新沉积土中颗粒处于悬浮状态，在自重压力作用下，土体逐渐固结，这类自重压力就是一种固结压力。而对于经历了漫长地质年代并且已经完全固结的土层，此时的自重压力已不再起作用，只有附加压力才能进一步引起土层的进一步压缩，而这时的附加压力即是另一种固结压力。

2.2 土层的固结状态

经过漫长的地质年代，由于各种地质作用，如搬运、剥蚀和堆积等形式，形成了今天的天然土层。在土层形成历史中曾受过的最大有效固结压力称为前期固结压力，而前期固结压力与现有上覆压力之比则表示超固结比（Ocr），根据超固结比的大小可将土层划分为正常固结、超固结和欠固结三种固结状态。

当Ocr = 1时，即前期固结应力等于现有上覆压力，土体为正常固结土；当Ocr 1时，即前期固结力大于现有上覆压力，土体为超固结土；当Ocr 1时，即前期固结力小于现有上覆压力，土体为欠固结土。

3 土层沉降及前期固结压力对其影响

3.1 土层沉降量

在附加压力作用下，地基土体积缩小并在竖直方向下沉的现象称为沉

降。沉降的计算方法大体可分为弹性理论法、工程实用法、经验法和数值计算法几种。

目前分层总合法是计算沉降的常用规范方法，土体在荷载作用下产生的总沉降量St由瞬时沉降Si、主固结沉降Sc和次固结沉降Ss三部分组成，即：

St = Si + Sc + Ss

其中，瞬时沉降是指在在负载下瞬时发生的沉降。由于时间很短，土中孔隙水来不及排出，并且由于土粒和水的不可压缩，因而瞬时沉降没有体积变形。瞬时沉降是由土体侧向变形引起的形状变形。如果土体没有侧向变形，则Si = 0。

主固结沉降是指由于孔隙水的排出而导致土体体积随时间逐渐缩小的过程。主固结沉降即是通常所指的固结，它是总沉降的主要组成部分。次固结沉降是指在主固结沉降完成之后以及有效应力保持不变的情况下土体随时间进一步沉降的过程。

如果土体沉降量过大，将会影响上部建筑的正常使用，甚至危及安全。

3.2 前期固结压力对土层沉降的影响

不同固结状态的土层的沉降量计算方法不同。因此，在考虑前期固结压力对土层压缩性的影响时，必须要解决以下两个方面的内容。首先，需要判定土层的固结状态；其次，绘制反映现场土层实际情况的压缩曲线。现场压缩曲线的绘制方法是通过现场取样，并根据室内压缩曲线的特征，建立两者的关系，进而推求现场压缩曲线。

压缩曲线是指通过侧限压缩试验测得的e - p和e - lgp曲线。其中e - lgp

曲线在低压力时比较平缓，而压力较大时曲线较陡。

而固结曲线则是指压缩过程曲线。一般情况下，粘土固结曲线近似由两条直线组成，两条直线延长线的交点的横坐标将固结曲线分为两部分，前一部分为主固结曲线，后一部分为次压缩曲线。

在采用分层总合法计算沉降时，按照规范，应当先确定固结状态，再根据压缩曲线和固结曲线求得各项压缩性指标。计算时先分层计算土体的沉降，然后合计总沉降，最后根据地区经验进行进一步地修正。

首先，对超固结土的沉降计算。

（1）当超固结土层中的前期固结压力较大时，沉降量为：

式中P0i指第i层土有效附加压力平均值（kPa）；Si指第i层土的固结沉降量（mm）；Pzi指第i层土的有效自重压力平均值（kPa）；hi指第i 层土的平均厚度（mm）；Pci指第i层土的前期固结压力平均值（kPa）；e0i指第i层土的初始孔隙比平均值；Cri指第i层土的回弹再压缩指数平均值。

（2）当超固结土层中的前期固结压力较小时，沉降量为：

式中Cci指第i层土的压缩指数平均值。

其次，对正常固结土的沉降计算。

再次，对欠固结土的沉降计算。

最后，总的沉降量为各土层沉降量之和。由此可见，前期固结压力在沉降计算中的重要性，它直接影响着计算结果的准确性。

4 结论

应力历史对沉降的影响是不容忽视的，而前期固结压力又是确定土层应

力历史的重要指标，因此，考虑前期固结压力对沉降的影响可以使得计算结果更加准确。并且对于超固结土而言，考虑前期固结压力的影响会使所得到的沉降量显著减少，从而可以节省一定的地基加固费用，减少成本。