地基基础设计要考虑地基土体的先期固结压力

陈贤挺 陈洁荣

(1.广西电力工业勘察设计研究院地质部，广西南宁 530023; 2.大唐岩滩水力发电有限责任公司计划经营部，广西南宁 530811)

0 引言

天然土层在历史上所受过的包括自重和其他荷载作用形成的最大竖向有效固结压力称为土体的先前固结压力(又称为前期固结压力)，用Pc表示。将地基中土体的先前固结压力Pc与现有上覆土层压力P0进行对比的比值定义为超固结比OCR。

依据土体的超固结比OCR值可以将土体分为三种:若地基土体历史上曾在比现有上覆压力P0还要大的压力下固结，即OCR＞1.0，这类地基土称为超固结土;若地基土体历史上没有受过比现有上覆压力P0更大的压力，且在P0作用下地基土固结已经完成，即OCR=1.0，为正常固结土;若地基土体在上覆压力P0作用下固结尚未完成，土层还在继续固结过程中，即OCR＜1.0，为欠固结土。

正常固结状态土经卸荷可以进入超固结状态，成为超固结土。超固结土经加荷，当压力超过历史上最大的固结压力，土体进入正常固结状态，成为正常固结土。超固结状态和正常固结状态两者在一定条件下是可以相互转变的［1］。

1 先前固结压力对地基基础设计的重要性

应力历史对土的压缩性有显著的影响，以下就分别对在这三类地基土上建造工程时可能出现的土体变形现象进行分析。

1.1 超固结土

由于超固结土历史上曾在比现有上覆压力还要大的压力下固结，在这种地基土体上建造建筑物时:

1)如果上覆土体自重和基础及建筑物重量始终小于土体的先前固结压力Pc，则反映到土的压缩和回弹曲线上将出现应力点沿着回弹曲线向上走，并最终停在回弹曲线上对应于现有上覆压力P0及相应的孔隙比e的点处，这样的规律对工程的影响就是由于建筑物地基土体孔隙比e的增大，建筑物不断被抬升，直至地基土体孔隙比e达到稳定值，造成建筑物的基础及本身与周围地基土及相连接的地表建筑连接的破坏，同时也破坏埋设于地下的管道，也可能造成建筑物本身的倾斜和结构的破坏。这样的超固结土包括在城市建设中拆除原大建筑建造小建筑的地基土体及土地开发时将高海拔平整为相对低海拔地域并建造小于原上覆压力的建筑物的地基土体等;

2)如果上覆土体自重和基础及建筑物重量先小于后大于土体的先前固结压力Pc，则反映到土的压缩和回弹曲线上将出现首先应力点沿着回弹曲线向上走，再沿着回弹压缩曲线下降至交接点并继续沿压缩曲线下降，并最终停在压缩曲线上对应于现有上覆压力P0及相应的孔隙比e的点处，这样的规律对工程的影响就是工程在建造过程中先随着孔隙比e的增大而上升，再随着孔隙比e的降低而沉降，同样会造成建筑物的基础及本身与周围地基土及相连接的地表建筑连接的破坏，同时也破坏埋设于地下的管道，也可能造成建筑物本身的倾斜和结构的破坏。这样的超固结土包括在城市建设中拆除原小建筑建造大建筑的地基土体及土地开发时将高海拔平整为相对低海拔地域并建造大于原上覆压力的建筑物的地基土体等［2］。

1.2 正常固结土

由于正常固结土是地基土体历史上没有受过比现有上覆压力P0更大的压力，且在P0作用下地基土固结已经完成的土体。在这种地基土体上建造建筑物时，建造过程中地基土体上覆压力一旦超过建造前的先前固结压力，反映到土的压缩和回弹曲线上将出现应力点沿压缩曲线下降，并最终停在压缩曲线上对应于建造后现有上覆压力及相应的孔隙比e的点处，这样的规律对工程的影响就是工程在建造过程中随着孔隙比e的降低而沉降，假如在设计时合适的考虑了建筑物的沉降这个问题不难解决，如果未能合适考虑建筑物的沉降也会造成建筑物的基础及本身与周围地基土及相连接的地表建筑连接的破坏，同时也破坏埋设于地下的管道，也可能造成建筑物本身的倾斜和结构的破坏。这样的情况尤其在高孔隙的土体中要引起重视，比如软粘土。

1.3 欠固结土

欠固结土是指地基土体在上覆压力P0作用下固结尚未完成，土层还在继续固结的土体。在这种地基土体上建造建筑物时，由于地基土体本身就在继续固结，随着建筑物的建造，其上覆压力逐渐增大，反映到土的压缩和回弹曲线上将出现应力点沿压缩曲线以比建造前更快的速度下降，并最终停在压缩曲线上对应于建造后现有上覆压力P0及相应的孔隙比e的点处，这样的规律对工程的影响就是工程在建造过程中随着孔隙比e的降低而沉降。在欠固结地基土上建造工程其沉降量一般是较大的，需要重点考虑，假如在设计时合适的考虑了建筑物的沉降这个问题不难解决，如果未能合适考虑建筑物的沉降也会造成建筑物的基础及本身与周围地基土及相连接的地表建筑连接的破坏，同时也破坏埋设于地下的管道，也可能造成建筑物本身的倾斜和结构的破坏。这样的情况尤其在高孔隙的土体中要引起重视，比如软粘土。

从以上分析中可以得出以土体的超固结比OCR划分出的三种土的压缩特性是不同的，因此在进行地基基础的设计过程中要将地基土体的先前固结压力和超固结比作为一个重要的影响因素进行考虑，超固结土尤为必要。

1.4 先前固结压力Pc的测定方法

先前固结压力Pc取决于土层的受力历史(长期自然地质作用)，目前还没有针对获取Pc的现场试验方法，也没有发展具体的计算理论，工程中只能根据原状土样的e—logP曲线推求，这样推求出的结果只是一种经验的估计，原状土的扰动及其扰动程度对结果的可靠度和准确度影响很大，工程应用最多的还是Casagrande 作图法［3］。

2 考虑先前固结压力沉降的计算方法

考虑先前固结压力沉降的计算方法也称为超固结土地基沉降计算方法。目前对土层复杂的地基土体沉降的计算一般都采用分层总和法。

考虑先前固结压力沉降的计算方法首先应分析土体的OCR值［4］:

如果土体处于超固结状态:

如果土体由超固结状态已转变为正常固结状态:

得到各土层压缩量后，再求和得到总沉降量。考虑先前固结压力沉降的计算方法适用于计算超固结土地基以及加载—卸载—再加载的情况。

对正常固结土:

［1］龚晓南.高等土力学［M］.杭州：浙江大学出版社，1996.

［2］卢廷浩.土力学［M］.南京：河海大学出版社，2002.

［3］陈仲颐，周景星，王洪瑾，等.土力学［M］.北京：清华大学出版社，1994.

［4］顾慰慈.渗流计算原理及应用［M］.北京：中国建材工业出版社，2000.