工程勘察报告中压缩指标存在的问题、应用现状及改进建议

覃震林

(柳州市勘察测绘研究院，广西 柳州 545006)

1 引 言

使土产生压缩或固结的应力有两种:其一是土的自重应力;其二是外荷在地基内部引起的附加应力。对于新近沉积土或填土，起初土颗粒尚处于悬浮状态，土的自重应力由孔隙水承担，有效应力为零。随着时间的推移，土在自重作用下逐渐沉降固结，最后自重应力全部转化为有效应力，故这类土的自重应力就是固结应力。对于很多天然土层，其自重作用下已完全固结，则自重应力不再使土产生固结，只是在外加的荷载下产生附加应力才能使土产生固结，把天然土层在历史上受到的最大固结应力(指竖向有效应力)称为先期固结应力。根据应力历史将土层分为正常固结土、固结土和欠固结土。

将先期固结压力与现有覆盖土之比值定义为超固结比OCR:

OCR=PC/PZ

PC——先期固结应力

PZ——土的有效自重应力

当OCR=1 时，为正常固结土;当OCR ＞1 时为超固结土;当OCR ＜1 时为欠固结土。在实践中考虑到取样、封装、运输、保存、制样等扰动及其他人为影响因素条件，在工程实践中一般按超固结比略大于理论取值，通常当OCR=1.0 ～1.2 时，视为正常固结土，如在《高层建筑岩土工程勘察规程》JGJ72 －2004 就是如此规定。当前在勘察工程实践中对土的应力历史普遍存在一定程度的忽视，不重视提供准确合理的压缩曲线、OCR 指标，对工程建设可能有较大不良影响。

2 关于e ～p 室内压缩曲线

在一般的工程勘察中，勘察单位只提供各个土样的e ～p 室内压缩曲线图，甚至不提供该类压缩曲线图而仅提供各土样的压缩系数和压缩模量。但按室内e～p 曲线未考虑土层的应力历史，而在取原状土样时，应力已经释放，按天然含水量W、土粒比重GS、土的天然重度γ 计算得出土样的天然孔隙比e0，此e0即是e～p 曲线图中对应于试验所施加的应力p =0 时的孔隙比，即视为土已有回弹，如果是正常固结土，其即从自重应力pz1=γz1解除为PZ=0 时，孔隙比由e1回弹至e0，试验时从压力p=0 加荷至pz1时，此段变形实际上是土的再压缩过程，当压力p ＞pz1时，才是土正常的压缩曲线。由于近年来高层建筑普遍采用筏板基础，需要勘察报告提供关于土的压缩性指标，对于正常固结土，勘察单位分别按各个土样提供各土样的e ～p 室内压缩曲线，由于在不同深度采样，一个场地同一个土层可能有多达数十个样，提供数十个曲线图，各曲线未能有效统一整合，令设计人员难以应用此成果，且天然土层是一个空间分布不太均匀的地质体，必须有相当数量的试验数据进行分析、取舍、统计方能得到一个能满足工程安全要求可靠度的代表值——勘察报告的岩土参数建议值，压缩指标也不例外。此外，有的勘察单位仅提供E100－200、E200－300、E300－400、E400－5400，如此压缩模量建议值难以满足设计计算需要，如计算需要E200－400值呢，总不能想当然的按E200－300与E300－400平均取值吧?这也是一个问题。又如，需要E150－300值呢?更不能从以上所列压模值计算出来。因此，无论是从统计学保证可靠性的角度，还是便于应用压缩指标的角度看，都应该有一个合理的方法对如此多个的曲线进行统计，本人认为，应最终提供一条代表性压缩曲线才能较好解决这个问题。

如何对同一土层提供一个代表性e ～p 压缩曲线，其又有什么不足呢?我们从图1～图4结合上述论述进行分析，为便于论述，举一个简单的工程示例:在一个大筏基下为一层正常固结土层，现分别在基底下深度3 m、6 m、9 m处取样进行压缩试验，得到a、b、c 三条压缩曲线，则各曲线表示含意为:

图1 3 m 深度土样的室内压缩曲线图(e ～p)

图2 6 m 深度土样的室内压缩曲线图(e ～p)

图3 9 m 深度土样的室内压缩曲线图(e ～p)

图4 同一层土不同深度(3 m、6 m、9 m)土样的室内压缩曲线合图(e ～p)

(1)a 曲线，如图1所示:土在3 m 处自重应力P1(3)，图上P1(3)压力左侧即P ＜P1(3)的曲线实际上是再压缩段(取样时土样所受应力从P1(3)减至0，在曲线图上表示也可视为回弹至0 kPa时此样的孔隙比，记为e0(3))，对于该土样而言(注意，是针对该土样而非该土层)，P ＜P1(3)时，曲线实际上为再压缩段，P ＞P1(3)时，曲线为压缩段。

(2)b 曲线，如图2所示:土在6 m 处自重应力P1(6)，图上P1(6)压力左侧即P ＜P1(6)的曲线实际上是再压缩段(取样时土样所受应力从P1(6)减至0，在曲线图上表示也可视为回弹至0 kPa时此样的孔隙比，记为e0(6))，对于该土样而言(注意，是针对该土样而非该土层)，P ＜P1(6)时，曲线实际上为再压缩段，P ＞P1(6)时，曲线为压缩段。

(3)c 曲线，如图3所示:土在9 m 处自重应力P1(9)，图上P1(3)压力左侧即P ＜P1(9)的曲线实际上是再压缩段(取样时土样所受应力从P1(9)减至0，在曲线图上表示也可视为回弹至0 kPa时此样的孔隙比，记为e0(9))，对于该土样而言(注意，是针对该土样而非该土层)，P ＜P1(9)时，曲线实际上为再压缩段，P ＞P1(9)时，曲线为压缩段。

由于土是弹塑性体，且残余变形大于弹性变形，故容易理解理论上6 m处(自重应力P1(6))回弹至P=0 的e0(6)＜e0(3)，而P=0 处的e0(9)＜e0(6)。或者换个思路，将三条曲线放在同一个曲线图中比较，如图4，由于为同一土层，此a、b、c 三条曲线应大致在P1(9)点重合，向右侧重合为一条曲线;同理，在P1(6)右侧a、b 两条线重合，在此图中，对于b 线而言，P1(6)左侧为b 线的再压缩段，又因P1(6)＞P1(3)，对于a 曲线而言，此段却为压缩段，从土工原理中可知，再压缩曲线缓于压缩段(因前期已经过压缩)，依此类推，可知在小于P1(6)压力段c 线缓于b线，b 线缓于a 线，过P1(9)后三线重合。

由上述分析可知，同一层土在不同深度取样得出的压缩试验结果是不一样的，如果要统计成一条代表性曲线，会使a 线前部压缓，而c 线前部抬高，为避免此不合理的统计，故在提供每一层正常固结土的代表性压缩曲线时，应将同一层土按深度分为厚度不太大的分层，即力学分层，再按每一层试验所得的e0取平均值，e0按式，各分层P1取同一分层的中间深度的自重压力为宜，再取P1平均值。P2亦如此取值，即可得每一力学分层的各一条代表性室内压缩曲线。对一个场地来说，先按地质成因、土的状态等划分土层(地质分类)，在按每一土层划分亚层(力学分层)，按每一亚层进行压缩性试验并统计一条代表性e ～p 压缩曲线。如此，勘察报告可提供不同土层、不同力学分层的代表性e ～p 压缩曲线，极大地方便设计应用，而不是面对可能多达数十条的曲线而难以取舍，合理地简化正常固结土的压缩沉降计算问题。

图5 先期固结压力对实际压缩段影响关系示意图(e ～p)

但如果工程面对的是超固结土，欠固结土，则以上方法不适用，如果按上述方法计算，对于超固结土，其计算结果大于实际值，而对于欠固结土，其计算结果小于实际值。其原因亦可用土的室内压缩试验曲线图解释(如图5所示):

(1)如果先期固结压力PC＜PZ自重压力，即图中PC在自重压力PZ左侧，此土实为欠固结土。该沉降计算压力段取值应为PC～PZ+P0，即压力段为先期固结压力至土的自重压力与附加压力之和。

(2)如果先期固结压力PC＞PZ自重压力，即图中PC在自重压力PZ右侧，此土实为超固结土。该沉降计算压力段取值应为PZ～PZ+P0，即压力段为土和自重压力至土的自重压力与附加压力之和，但此段已包含了再压缩段沉降，具体在e ～logp 曲线图中分析。

(3)如果先期固结压力PC=PZ自重压力，即图中PC与自重压力PZ重合，此土即为正常固结土。该沉降计算压力段取值应为PZ～PZ+P0，即压力段为土和自重压力至土的自重压力与附加压力之和。

但实际上此先期固结压力不知道是多少，是大于还是小于土的自重压力同样不知道，即并不能从e ～p室内压缩曲线图中知道PC值，也就意味着面对勘察报告提供的e ～p 曲线图，如果想当然地将其当作正常固结土按《建筑地基基设计规范》分层总和法计，则产生如下后果:

①如果该土实际上其为欠固结土，则计算结果是沉降计算值小于实际沉降值，偏不安全。

②如果该土实际上其为超固结土，则计算结果是沉降计算值大于实际沉降值，可能导致按沉降控制原本应该可行的筏基方案因计算不合理而使合理的方案不成立，造成地基基础方案选择上的被动。

③如果该土实际上其为正常固结土，则计算结果符合实际情况。

可见，仅凭e ～p 图不能理所当然地进行沉降计算，它是有前提条件的，但即使是勘察人员都不可能仅凭e ～p 图就知道如何计算，更遑论设计人员，故此，可采用e ～logp 曲线。

3 关于e ～logp 室内、现场压缩曲线

按《高层建筑岩土工程勘察规程》8.2.11 －1 ～8.2.11 ～11 －4。

(1)正常固结土的固结沉降量

(2)超固结土的固结沉降量

(3)欠固结土的固结沉降量

计算示意图如图6～图9所示。

图6 正常固结土现场压缩曲线(e ～logp)沉降计算示意图

图7 超固结土现场压缩曲线在Pzi +P0i ＞Pci时沉降计算示意图

图8 超固结土现场压缩曲线在Pzi +P0i ＜Pci时沉降计算示意图

图9 欠固结土现场压缩曲线沉降计算示意图

si—第i 层土的固结沉降量(mm);

hi—第i 层土的平均厚度(mm);

e0i—第i 层土的初始孔隙比平均值;

Cri—第i 层土的回弹再压缩指数平均值;

PZi—第i 层土有效自重压力平均值(kPa);

P0．i—对应于荷载效应准永久组合时，第i 层土有效附加压力平均值(kPa);

pc．i—第i 层土的先期固结压力平均值(kPa);

以上3 种土4 种应力状态下的沉降计算如同e ～p曲线图分析一样表明不同土类、不同应力状态下其沉降是不一样的，如果不考虑应力历史，均按正常固结以室内压缩曲线e ～p 计算，是完全不合理的，且可能不安全。

由于判断土层超固结比对沉降计算的合理性有重要影响，因此得到土层超固结比是勘察工作的一个重要内容，而按室内试验确定前期固结应力准确性受取样、制样等影响很大，故此，非常强调必须采取高质量Ⅰ级原状土试样，对取土器的要求，取样的注意事项，包括封样、运输、保存一系列环节，都必须严格按相关要求进行，这一问题对勘察单位、勘察人员及土试人员提出了相当高的要求，而非轻取样、重原位测试(指标贯)的习惯所能担当。另外，勘察工作前尚需岩土工程师对场地的地形、地貌、地层组成、土层沉积、剥蚀历史等有一个宏观把握，搜集、分析邻近已有勘察资料，了解土层的应力历史，结合室内试验对比分析才能得出较为准确合理的前期固结应力值，如一个大面积人工剥蚀场地，则需勘察人员对比新老地形图了解剥蚀厚度，对土试曲线最大曲率点的选择和适合作图比例尺的选择都有对比、参照作用，提高作图的准确性。

推求现场压缩曲线的大致步骤为:通过搜集区域地质资料及邻近勘察资料，并经现场踏勘，大致了解推测土的应力历史后，制定勘察方案，包括土工试验要求，在获得初步的钻探资料后划分出场地标准代表性地层剖面，此后，要求实验室在试验过程中随时绘制e～logp 曲线，待压缩曲线出现急转折后，立即逐级缷荷至P0(P0为前期最大固结压力)，让回弹稳定，再分级加荷，则可得如下曲线ADFC，如图10所示，以备推测超固结土的现场压缩曲线。具体过程在《土工试验方法标准》已有具体步骤，不再此一一赘述，如果PZ=PC，即为正常固结土，PZ＜PC为欠固结土，PC＞PZ，即为超固结土。

图10 超固结土现场压缩曲线(e ～logp)推求方法示意图

4 结 语

通过以上分析，勘察方须重视取样质量，在提供各压缩曲线时应明确其应用条件(固结、超固结、欠固结)，切实了解压缩指标的含义和应用。

［1］华东水利学院土力学教研室．土工原理与计算［M］．水利电力出版社，1984．

［2］钱家欢．土力学［M］．河海大学出版社，1988．

［3］GB/T50123 －1999．土工试验方法标准［S］．

［4］JGJ72 －2004．高层建筑岩土工程勘察规程［S］．

［5］SDS 01 －79．土工试验规程［S］．