土的先期固结压力和结构性研究

先期固结压力指的是天然土层在地质历史过程中受到的最大的有效固结压力。通常把土的先期固结压力来判断土长期受到的应力历史情况。在不同应力历史的土层变形研究中土的先期固结压力值同样也被当作一个非常重要的计算参数来看待[在工程的设计和研究过程中先期固结压力指标都应该被充分考虑，使建筑物的设计情况更接近工程实际的情况，使工程设计图纸更加优化合理，这一指标对保证建筑物的安全具有重要的意义，同时也可以通过合理优化设计来降低工程成本。所以准确确定先期固结压力是工程人员应该注意的问题。

1 先期固结压力理论

1.1 传统的先期固结压力理论

把土体在其应力历史中荷载对土体的压缩变形作为研究基础是传统的先期固结压力理论的特征。先期固结压力用Pc 符号表示。判断土体应力历史的时候先期固结压力被作为一个非常关键的指标。地基沉降计算中受到先期固结压力值的影响非常的大。我们所说的超固结比是指先期固结压力和当今的土层上面覆盖的土的自重应力的比, 用OCR 符号来表示，土的天然压密状态这个指标我们经常用超固结比这个指标来描述。国内广泛分布南方红土、东北黄土状土、长江中下游下蜀土等粘土。通过对这些广泛分布的具有地质特征的土进行的地质研究发现，以上各种土体的Pc 值除了和土的应力历史紧密联系以外，它的大小还跟土的组成物质和结构特征有关系。这些联系表现明显的土是老粘土。

粘性土体的结构特征和物质组成各具独特的性质，原因在于它们各自形成过程的不同，各自的地质经历以及形成的环境的不同，这些土体相对应的先期固结压力值也千差万别，而且对于同一种类型的土体的Pc 值在地质剖面上的变化情况也比较显著。本文主要就花岗岩残积红土、黄土状土和下蜀土的基本物理特性进行对比分析，通过对他们的形成环境、物质组成和结构特征进行比较分析，来分析哪些影响因素决定了先期固结压力值的大小。期望通过研究使土的Pc 值在建筑行业中得到有效运用。

（1）各类粘性土的组成和结构特点

土的形成经历了漫长的沉淀，它的物理化学以及力学特性复杂而且多变。岩石的物理风化和化学风化作用决定了土的物质的组成成分。由于长时间的风化、剥蚀等外力作用，地壳表面比较坚硬的岩石被外力分成形状不同的颗粒，这些颗粒在各种不同种类的外界力的作用下，被带到相对稳定的环境下沉积下来，常年积累就产生了土。通常状况下固体颗粒、液体水以及气体这三个方面被看作是天然条件下土的基本组成成分。土的这三个组成部分不是孤立的联系在一起的而是在他们的共同作用下形成了土的基本性质。土的结构主要用于从微观的尺度描述土粒的排列组合和粒间连结，土的结构也受到土的形成环境、地质历史和后生等条件影响, 因此说土的组成和土的结构决定了土体的工程地质特征。

花岗岩残积红土的成分多是砂砾或者是微含砂砾的亚粘土，它里面含有的游离氧化物要比其他土体高一些。还由于不同风化程度的影响导致了粒度的成分以及游离氧化物的差异也非常显著；通常认为由下而上风化程度要依次加大，粒度慢慢变细，粘性物质的含量依次加大，游离氧化物含量加大。下蜀土粒度变细, 所含有的砂粒相对来说比较少，归纳为粉质轻粘土，其中的游离氧化铁、铝含量相对大。被认为是粉质亚粘土和粉质轻粘土的黄土状土的关键成分为粉粒和粘粒，它里面的游离氧化物的数量要少于其他两种土。

土体中基本的单元体之间有着很多胶结物质的连接方式称为胶结连结，这样的连接把单元体牢固的胶结在了一起，由于连结强度较强大多数情况结构非常牢固。粘土物质有可能是胶结物，还有钙质或钠质形成的的盐晶状态的胶结，然而物质中的盐晶由于含水量变大后溶解使得物质丧失胶结力；也可以是游离氧化物。特别是最后一种胶结由于相对不容易被破坏使得受水含量变化的影响很小甚至没有影响。

几种常见的胶结一般存在于以下几种土中：多在盐土和黄土中见到盐晶胶结，而常在红土和老粘性土中见到游离氢化物的胶结方式，最常见的粘土胶结方式在一般性粘土中普遍存在。

连接体是通过粘土和有机物质集合在一起的链条状物质被认为是链条连结，这种连接长短各不相同，在基本单元体间起有效的连接作用力的正是这些基本连接方式。但是这些连接的强度相对较低，同时还极易在外力作用下产生变形，直接导致了由这种连接方式作为主要连接的土体，强度比较低而可能导致土体的流变的发生。海相淤泥或淤泥质粘土中这种连结方式可常见。

结合水膜接触连结的方式往往可见于粘性土里面，特别在叠聚体而形成的胀缩性土中这样的连接方式非常常见。水分由于受到基本单元体之间的不平衡力被这种力吸附在单元体的表面，当两个单元体在受到外界的影响进而相互接近的时候，单元体之间存在结合水膜，这些水膜就使单元体连接在一起。结合水膜越厚这样的的连接力越强，反之越弱。土中含水量比较低的时候，结合水膜就很薄，使得连结力很强，进而土体不易被破坏；相反含水量相对高的时候，水膜之间空隙较大连结力就相对减小，土的强度就减小。

同相接触连结通常可见于老粘性土中。由于长期颗粒间的接触，或者是受到上覆土层长期的荷载作用，使得由硅酸盐物质组成的基本单元体之间的接触处发生再结晶现象而使土单元连结在一起。

长江中下游地区中、晚更新世风尘沉积形成的土体被称为为下蜀土。下蜀土属我国的南京市下蜀、镇江一带最具有代表性。多分布在长江的一、二级阶地上。下蜀土主要有胶结和结合水连结两种连接方式，它以絮凝体为主要排列，而且结构单元体之间非常紧密，下蜀土中含有游离氧化铝、粘土矿物、铁和水等各种胶结物；结构类型以孔隙相对较小的紧密的絮凝状结构为主要的类型, 但是由于武汉地区絮凝状结构发育程度优于南京地区，由此武汉土的胶结力要大于南京地区的土，所以武汉和南京地区土体的结构特性由于以上原因也各有其特点。

花岗岩残积红土的微观结构单元体组成以絮凝体和凝块体为主, 胶结连结是单元体之间或单元体内的主要连接方式。含水率低下的原因使得强结合水连结力在颗粒间有较强的作用。具有很高的矿物质结晶程度；我们利用能谱测试得出游离氧化铁和粘土矿物为重要的胶结物类型, 而且颗粒间的胶结绝大多都是以“包膜”和“桥”的方式存在，它的颗粒孔隙相比其他来说要小，还有许多溶孔存在于颗粒间而导致团聚度较高。

对于集粒和单粒两种类型的结构单元体的黄土状土，主要由石英、长石碎屑矿物组成单粒，多以粘土矿物及其它粘粒组成集粒，其中含有以团粒排列为主的细小矿物，还有以粒间孔隙为主的絮凝体和叠聚体，胶结连结力小于花岗岩残积红土体，土中存在的水的胶连结对颗粒团聚度仍起到关键作用，这种土的以团粒状结构为主要的结构类型, 也存在着絮凝一团粒、絮粒一骨架状结构等的结构类型。

（2）各类粘性土先期固结压力的特点

土的物理化学以及力学性质与各种土的决定了土的形成情况, 而在土体形成的过程中所经历过的物理化学变化的土一定有着与其相对应的物质组成和结构特征，所以在不同历史时期以及特定的环境下土的性质必定各不相同。

1.2 Pc值的形成机制

天然状态土体的形成原因与其Pc 值有着紧密的联系，一般由冲积、洪积、残积和坡积等不同的情况形成粘性土，土中的颗粒在土体形成的历史过程受到不同外部荷载的影响，各自出现了不同程度的位移，运动结果导致了新的颗粒的组合方式和不同的物质组成，土层一部分的结构性特征在形成土体的漫长应力过程的作用下被保存了下来。有了水介质的长期影响, 相邻的土颗粒之间在结合水的影响下连结起来而形成了水胶结构的连结方式；在土体形成的地质历史过程中土颗粒相互间存在的盐类、游离氧化物等微小物质慢慢演变成了比较强的化学胶结力，土体间的离子连结、离子静电连结等连结力由此产生；还有土的颗粒之间的相互镶嵌、交换的作用，经过长时间的力的作用相互之间产生固化力也可以产生较强的连结力。

1.3 影响先期固结压力的物理化学等因素

土的先期固结压力值反应了土体的结构性特征，而土体的结构性特征却可以通过土的力学性质得以表现。所以土的Pc 值除了能够体现出土体的受荷历史、后生变化情况以及胶结强度等一些特征，先期固结压力值对土的力学性质也有一定的意义。通过分析Pc 与土层的埋深相关的曲线变化规律发现，Pc 值主要与土的自重应力有关，土体本身的因素、物质组成、搬运介质和形成环境等也在某种程度上影响了先期固结压力。我们通过分析总结可以把有关的因素分成粒度、交换离子类型以及含量、含水率、矿物成分、结构类型、游离氧化物、围压和温度等。而土体的组成成分、结构特点和土层所处的地质环境是影响先期固结压力值的关键问题。

（1）游离物质的影响

游离氧化物在大多数土的组成物质中只占有很小的部分，然而含量虽小但对物质的影响却很大。这些矿物质有的包裹在颗粒的表面，有的沉淀在之间的孔隙壁上，通过他们能够将土粒很强的胶结在一起。它们绝大多数呈凝胶状，部分呈微结晶，性质相对来说比较稳定，与水的结合作用不强，胶结作用力强。拿国内的南方的红粘土来说，虽然其所含水分和孔隙数量与软土差别不大，工程性质却要大大优于软土，主要是因为红粘土中含有叫多的游离氧化物，这些物质在粒间使土体产生了稳定的胶结作用，从而在很大程度上加大了红粘土的结构连结强度，随之使这种土体产生了较高的承载能力以及很低的变形特性。

一般来说，土颗粒胶结主要是游离氧化物以微晶、包膜或覆盖等方式将颗粒连接起来，这样土体就出现了很强的结构连结，且物质的多少与连接强度成正比，该物质越多连结力就越强，同时Pc 值也就越大。通过对土体氧化物含量的分析我们知道下蜀土和红土游离氧化物的含量明显大于黄土状土氧化物的含量。因此，黄土状土的先期固结压力比下蜀土和红土的Pc 值小很多，且OCR值也随着这种氧化物含量的增加而加大，反之则减小。