上海道路工程固结系数的测试应用

田丽霞

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引言

道路工程路基必须密实、均匀，具有足够的稳定性、抗变形能力和耐久性。路基一般采用天然地基，对路基影响较大的是天然地基的沉降。上海是软土地基，承载能力差，容易发生路基变形、强度不足等诸多问题，而且道路是长线路工程，若未采取一定的措施，极易导致路基发生不均匀沉降，影响车辆的正常通行。另外，在路桥接坡段，路基一般填筑较高，需要考虑路桥差异沉降的控制，减少跳车现象的产生。由于道路建设标准的提高和建设周期的缩短，对路基沉降控制要求越来越严格。道路设计需要根据勘察提供的固结系数指标来分析地基随时间的沉降关系，并估算道路地基施工期沉降和工后沉降，以采用适宜的地基处理方案来控制路基沉降。目前固结系数指标主要由室内土工试验测试提供。影响固结系数指标的因素有很多，主要有试验方法、试验稳定时间标准、试验加荷大小、地基土性质、试验取值确定等。另外固结系数指标在具体应用方面，需要根据地基土受力情况和地基处理方案进行合理选择。

1 室内土工试验方法

室内土工试验确定固结系数的方法有很多，主要有时间平方根法（t90，见图1）、时间对数法（t50，见图 2）、时间对数坡度法（t68）、三点法、两点法、速率法、标准曲线比拟法等。这些方法皆是利用泰沙基的一维固结理论，根据试验时间和变形关系曲线的形状相似性，以图解法或经验配合法，找出某一固结度U下，理论曲线上时间因数Tv相当于试验曲线上某一时间的t值，再根据相应公式计算出固结系数。由于固结度和时间之间没有简单的数学关系，在实际试验过程中得出的土样变形和时间之间的关系曲线，受土的性质、应力历史、试验方法、加荷大小及稳定时间等影响都很大，不可能得出一致的结果，即使同一组土样试验，确定的固结系数也有差别。在所有影响因素中，试验方法对试验结果影响最大。在工程应用中，时间平方根法和时间对数法积累经验较多，试验结果更加可靠，故国家《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）等大多数规范推荐采用这两种试验方法。在这两种试验方法的选择上，时间平方根法由于受试验时间影响较小，可缩短试验周期，利于工程实践，故建议优先使用时间平方根法。如该方法不能准确定出试验曲线开始的直线段，则采用时间对数法。

2 试验稳定时间标准

地基土沉降稳定时间受制于土体排水固结时间的快慢。在排水固结过程中，有效应力会对地基土产生主固结和次固结两部分的体积变化。在不同的稳定时间就会出现不同的固结曲线，尤其是粘性土渗透性差，排水固结达到稳定所需时间更长，因此固结系数试验稳定时间标准对固结系数结果影响很大。目前规范对固结系数试验一般要求采用每级压力下固结稳定24 h的标准固结时间，一方面考虑土的变形能达到基本稳定，另一方面也考虑便于在每天同一时间施加压力和测计变形读数。但在实际工程中，采用24 h的稳定时间标准，试验周期较长，不利于生产实践。另外，对粉砂性土由于排水固结稳定时间很快，试验时间显得过长；而对液性指数较大的软粘性土，稳定时间又嫌不够。

图1 时间平方根法（t90）曲线图

图2 时间对数法（t50）曲线图

上海规范对固结系数试验允许采用次固结增量校正的快速法（即每级2 h加荷，最后一级采用24 h加荷的稳定标准），仅规定对次固结系数测定时采用慢速法（即每级加荷压力下固结24 h的稳定标准）。对时间平方根法而言，试验的关键是确定试验曲线开始的直线段，试验稳定时间要求相对较低，采用次固结增量校正的快速法是适宜的；而对时间对数法，试验的关键是确定试验曲线中部的直线段和曲线末尾直线段，稳定时间越长末尾直线段越明显，故对试验稳定时间要求较高。因此上海规范对采用次固结增量法有特别说明：该方法适用于时间平方根法，对时间对数法宜采用慢速法。

具体试验时，可根据地基土性质确定试验稳定时间标准：对粉砂性土及液性指数不大的粘性土可采用时间平方根法，稳定时间可适当缩短（如采用次固结增量校正的快速法）；对液性指数较大的粘性土可采用时间对数法，稳定时间可按标准固结时间（每级荷载下稳定时间24 h的慢速法），其中对高液性指数的淤泥质土试验稳定时间还宜延长。

3 试验加荷大小

固结系数测试范围宜为土的自重压力至自重压力与附加压力之和，试验加荷需根据土的附加压力和自重压力确定，另外还需考虑土的应力历史。

3.1 附加压力确定

附加压力为道路路基填料产生的荷载，可根据道路路基填筑高度和断面形式确定。上海地区一般道路路基填筑高度不大于2.0 m，路桥接坡段路基填筑高度控制在不大于3.0 m，附加压力按100 kPa可满足要求。但对路基填筑高度较大的高填土道路（如高速公路等），附加压力将很大，试验前需详细了解道路路基填筑高度和断面情况，以便确定适宜的试验加荷压力。

3.2 自重压力确定

自重压力需要根据各地基土埋深和地下水位深度确定，对涉及的地基土范围可按路基压缩层厚度采用应力比法（附加压力与自重压力比）确定。对道路路基填筑高度较大（如桥头段）、以及软土分布较厚的地段，应力比可选择0.1；对路基压缩层范围内遇到土质较好的硬土层或密实的粉砂性土时，应力比可适当增大。

3.3 土的应力历史

原始状态下的土根据前期固结压力可分为正常固结、欠固结、超固结三种情况。对超固结土如不考虑先期固结压力影响，按常规要求加荷，试验荷载会偏小，土受到的应力状态不能准确反映土的真实状态，固结稳定时间偏短，在此条件下测得的固结系数指标会偏大。对欠固结土，由于土自身固结还未稳定，试验荷载施加后，固结沉降变形会偏大，在此条件下测得的固结系数指标会偏小。因此在进行固结试验前宜根据土的性质，判别土的应力状态，试验加荷大小宜根据地基土自重压力、附加压力和应力状态综合考虑，以确定适宜的加载压力。

4 地基土的性质

4.1 饱和度影响

固结试验是以泰沙基的单向固结理论为基础，只适用于饱和土，不适用于非饱和土，因此土样的饱和度对固结系数试验影响很大。土样质量是保证饱和度的关键因素，在保证取土质量的前提下，在制样的过程中要尽量减少对土样的扰动，以防止土样中水分的流失，确保土样的饱和度。对地下水位以上的土样及饱和度偏低的土样在试验前可先进行饱和，其中对渗透系数较大的粉砂性土可采用毛细管饱和法，对渗透系数较小的粘性土可采用抽气饱和法。

4.2 土性影响

根据大量工程试验数据结果统计表明，地基土的性质对固结系数影响很大，特别是土的压缩性、渗透性、含水量和状态。图3和图4为上海地区典型地基土（粉质黏土、淤泥质黏性土、砂质粉土）的固结系数试验成果。

图3 典型地基土垂直向固结系数曲线图

图4 典型地基土水平向固结系数曲线图

根据上海地区典型地基土试验成果可以总结出：

（1）地基土的压缩性与固结系数密切相关。地基土压缩性越低，土体固结变形稳定时间越快，固结系数越大（如粉砂性土）；地基土压缩性越大，土体固结变形稳定时间越慢，固结系数越小（如黏性土）。

（2）地基土的渗透性决定土中孔隙水的排出时间快慢。对渗透性较好的粉砂性土，孔隙水排出时间较快，因而固结系数较大；对渗透性较低的黏性土，由于孔隙水排出时间较长，因而固结系数较小。

（3）对含水量来说，土体中含水量越大，相应排水时间越长，固结系数越小；反之，含水量越小固结系数越大。

（4）地基土的状态对固结系数影响很大。对黏性土：液性指数越高，其渗透性越低，压缩变形越大，固结排水稳定时间就越长，因而固结系数越小；液性指数越低，压缩变形越小，固结排水稳定时间就越短，因而固结系数越大。对粉砂性土：密实度越好，压缩变形及含水量就越小，因而固结系数越大；反之密实度越差固结系数越小。

4.3 次固结影响

地基土的次固结对道路路基沉降影响也不能忽视。大量研究和实践表明，软土在主固结完成后，在荷载作用下还会发生次固结沉降，尤其是含水量和孔隙比较大的淤泥质土。道路设计中需考虑软土次固结沉降带来的不利影响，室内试验需根据土性提供次固结系数指标。

5 试验取值确定

固结系数试验采用时间平方根法时，对试验初始数据采集数量和准确性要求较高，但由于土样性质的不均匀及试验操作的影响，初始段直线往往存在一定的离散性，需要根据土性选取适当的直线段。当采用时间平方根法无法确定直线段时，需改用时间对数法。

地基土在不同荷载级别压力情况下（见图3、图4），随着加荷压力的增大，孔隙比会逐渐减小，渗透性也变小，导致排水固结时间增加，因而固结系数会逐级变小，在确定不同压力级别下的指标时需加以注意。另外对土质不均匀的地基土，不同荷载下的试验数据常会有异常值，在数据统计时需注意取值的合理性，适当删选。

从上海地基土的沉积成因来看，水平向易形成水平层理，故水平向固结系数往往大于垂直向固结系数，在确定指标时需加以注意。

6 道路工程中的应用

在道路路基填筑高度较大或有软土分布地段，地基沉降会较大。为此，在道路设计时，需预估地基的沉降量及施工期的沉降量，以确定地基处理方案，控制路基工后沉降。固结系数是地基处理设计中的关键参数，特别在软土地基处理采用排水固结法时，固结系数更是一项必不可少的指标。

6.1 地基沉降量估算

地基土在荷载作用下的沉降变形主要分为瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降。其中：瞬时沉降是地基土加荷初期侧向变形引起的体积不变的快速沉降；主固结沉降是地基土在荷载作用下随时间不断排水固结引起的沉降，与固结系数密切相关；次固结沉降是地基土在主固结完成后有效应力保持不变的条件下，土体随时间增长而发生的长期蠕变沉降，与次固结系数密切相关。工程上主要关心主固结沉降，对软土尚需考虑次固结沉降影响。一般采用单向压缩分层总和法计算地基主固结沉降量，然后乘上经验系数得到地基最终沉降量。根据最终沉降量可估算道路施工期地基沉降量和工后沉降量。对施工期沉降量要先采用固结系数计算地基土的固结度，再根据固结度与主固结沉降量来估算施工期任意时刻的地基沉降。对软土的次固结沉降量，可采用次固结系数计算。

6.2 固结系数指标的应用

地基土固结度包括垂直向固结与水平向固结两部分，可分别由地基土的垂直向固结系数和水平向固结系数计算而得。室内土工试验提供道路路基影响深度范围内各地基土不同压力级别下的垂直向和水平向固结系数指标，设计在选择指标时，要根据每层地基土受力情况和地基处理方案，分别选用自重压力至自重压力与附加压力之和级别下的指标，以符合地基土受力条件。

当道路地基处理采用堆载预压（不设竖向排水通道）时，地基沉降量估算只考虑垂直向固结，参数只需用到地基土的垂直向固结系数；当地基处理采用袋装砂井或塑料排水带等方法进行排水固结时，地基固结沉降估算需综合考虑垂直向固结和水平向固结两部分，参数需用到地基土的垂直向固结系数和水平向固结系数。

对于软土的次固结，主要是土的蠕变变形，估算时仅需考虑垂直向次固结系数，故室内试验提供垂直向次固结系数指标即可。

7 结语

（1）在工程应用上，室内土工试验确定固结系数是最普遍的方法。其中，时间平方根法（t90）和时间对数法（t50）积累经验较多，被大多数规范推荐。在这两种方法的选择上建议先采用时间平方根法，如不能准确定出试验曲线开始的直线段，则采用时间对数法。

（2）试验稳定时间标准宜根据地基土性质确定。对粉砂性土及土性较好、压缩性和液性指数较低的粘性土可采用时间平方根法，稳定时间可采用时间较短的次固结增量校正的快速法；对土性较差、压缩性和液性指数较高的黏性土宜采用时间对数法，如采用时间平方根法，稳定时间宜采用时间相对较长的标准固结慢速法。对于次固结系数，稳定时间宜采用慢速法。

（3）试验加荷宜根据地基土自重压力、附加压力和应力状态综合考虑。

（4）试验指标确定时，需综合考虑试验方法和地基土性质的影响。

（5）在道路工程设计中，宜根据地基土受力条件和地基处理方案合理选择固结系数指标。