超載預壓

1　引言　超載預壓法是處理軟粘土地基的有效方法之一。但是超載預壓法的傳統設計計算方法對超載比的大小和超載作用時間的長短，即超載預壓的閾值問題並沒有很好地解決。　通常認為，對大面積場地堆載，當壓縮土層的平均固結度達到下式要求時即可卸載［1］：
U-t=(Sf Ssc)/Sfts　(1)
式中　Sf為使用荷載下土層的最終主固結變形；Ssc為場地使用期間的次固結變形； Sfts為使用荷載及超載共同作用下土層的最終主固結變形。　用式(1)的平均固結度進行卸載控制，應慎重考慮以下問題：(1)當受壓土層的平均固結度達到式(1)要求時，在使用荷載下地基仍有可能產生主固結變形。其原因是：由於土的性質和排水條件不同，即使滿足式(1)，受壓土層內超靜孔隙水壓力也可能沒有充分消散，在使用荷載下，它將繼續產生主固結變形［1］。(2)套用式(1)可能產生這樣的情況，對於次固結變形較大的土，如果超載不太大，可能出現Sf Ssc＞Sfts的現象，這時t＞100%，這顯然是不可能的。(3)用式(1)進行卸載控制難以預測超載卸除後地基的後續沉降情況。　實際上，超載卸除後的變形包括主固結變形，吸水膨脹變形，次固結變形和次回脹變形［1］。當超載足夠大，超載時間足夠長，超載卸除後地基在很長時間內以回脹變形為主。如果合理地選擇超載比及超載作用時間，就會使回脹變形(包括吸水膨脹與次回脹)與固結變形(包括主固結與次固結)在建築物使用期內達到總體上的相對平衡。本文的研究工作就是從這個觀點出發，通過室內模擬試驗探求超載設計和卸載控制的合適標準，希望能給工程實踐提供一些參考。　2　試驗方案　試驗除了用於確定土的物理參數外，主要進行了固結沉降試驗。固結沉降試驗方案如下：　(1) 試驗在固結儀上進行。試樣面積30 cm2，厚2 cm，載入方向為自然沉積方向。　(2) 使用荷載Pf設定為200 kPa。　(3) 加荷等級為12.5 kPa， 25 kPa, 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 200 kPa Ps(如圖1)。其中Ps為超載，在某時刻將超載Ps卸去。　(4)每級荷載是瞬時載入。在正式試驗前進行了每級荷載維持不同時間的多種組合試驗，發現每級荷持續到第23分鐘時，所完成的沉降已達到該級荷載下最終沉降的80%～90%，即這時試樣的固結度至少在80%以上，符合超載預壓法的現場加荷控制標準，即可加下一級荷載，因此本文的固結試驗加荷速率如圖1。
(5)試驗採用雙面排水。由於試樣的天然飽和度很高，且試驗持續的時間長，所以試驗時容器內注滿水。　(6) 試樣均採用原狀土。　(7) 加荷後按下列時間間隔測記百分表讀數：6 s，9 s，15 s，1 min，2.25min，4 min，6.25 min，9 min。
(8) 試驗分5批，每批5～7個。Ps分別為50 kPa，75 kPa，100 kPa，125kPa，150 kPa。分別在不同的時間卸除Ps。測記卸載前及卸載後至變形穩定的百分表讀數，計算後續變形。這裡穩定是指連續兩天肉眼觀察不到百分表的變化。後續變形則是指自超載卸除時到變形穩定所發生的總變形，其值可正可負，以壓縮變形為正，回彈為負。
3　取樣地點及土的物理力學參數　土樣取自漢口國稅局辦公樓工地。場地位於長江沖積一級階地。取土深度距地表4.5m，此處土層屬淤泥質粘土。取土點離樁的距離在1.5倍的樁徑左右，擾動較小。其物理力學參數見表1。
4　試驗結果及分析4.1　後續變形與超載作用時間的關係　對某一超載量Ps，將不同的超載作用時間ts(s)及其對應的實測後續變形Sr繪於半對數坐標上，如圖2(a),(b),(c),(d),(e)。由圖可見，超載作用時間ts越大，總的趨勢是Sr越小。Sr與lgts可近似用雙曲線的關係來描述：Sr=a b/lgts　(2)
式中a，b均為待定常數，Ps不同，a，b也不同。　用最小二乘法對實測數據按式(2)進行回歸處理，所得結果列於表2。圖2(a),(b),(c),(d),(e)中的實線即為回歸曲線。
表2　Sr-LNTS的回歸處理結果
Table 2　The values of a and b gainedfrom regression analysis
Ps/kPa5075100125150a/0.01 mm-10.7-25.8-18.2-33.9-67.8b/0.01 mm90.3178.5105.2216.9336.8相關係數0.580.870.990.910.89　由表2可見，除了Ps=50 kPa外，其餘各組的相關係數均在0.8以上，說明式(2)較好地反映了Sr與ts的關係。4.2　超載比與最佳超載作用時間的關係　所謂最佳超載作用時間是指地基經過超載預壓後，建築物在使用期限內所產生的後續沉降為容許沉降值所對應的超載作用時間。本文令容許的後續變形為0，因此在圖2的各擬合曲線中，令Sr=0,可求出各Ps下對應的最佳超載作用時間t0p。結果於列表3和圖3。
表3　Sr=0時Ps所對應的t0p值
Table 3　The values of t0pcorresponding withdifferent value of Ps when Sr=0
Ps/kPa5075100125150t0p/min77.317.05.39.92.4
圖3　t0p-Ps/Pf關係曲線Fig.3　t0p-Ps/Pf curve
由圖3可見，t0p-Ps/Pf可近似用下式描述為
式中c,d,β皆為待定常數。將表3數據按式(3)進行回歸處理，得β=4.5,c=3.38 min, d=0.15 min,相關係數r=0.9963。　圖3表明，隨著超載比的增大，t0p迅速下降，並逐漸趨於某一漸近值。這個結論對工程有一定的參考價值。4.3　工程套用探討　本文的試驗是在固結儀上進行的，與實際工程有差別，因此以下問題值得注意：　(1)隨著土質、加荷速率、受壓土層厚度、排水條件等不同，式(2)和式(3)中的係數a,b,c,d及β也將發生變化。試圖通過無量綱化來消除這些因素的影響是不可靠的，因為要想無量綱化，就得涉及模型的選擇，而模型是對實際土質的簡化假設，不可能反映各因素間的相互影響。　如果選擇太沙基模型，則可以將時間t(以及ts,t0p等)化為時間因素Tv，後續變形S
對於分級施加的荷載，可以用改進的太沙基方法或改進的高木俊介法［2］計算超載卸除時土樣所達到的平均固結度，這樣又可得出最佳平均固結度0p與超載比Ps/Pf的關係。根據這個思路，由本文的試驗資料繪製了0p-Ps/pf關係曲線(如圖4中的實線)。同時繪出了按進行卸載控制的-Ps/Pf關係曲線(圖4中的虛線所示)。由圖可見0p＞(當Ps/Pf一定時)。由圖4可以預測，當Ps/Pf一定時，用太沙基理論反推出的t0p將比表3中的數據要小很多。　(2)在固結儀上進行的試驗可看成一維壓縮，這與大面積場地堆載時中間部分的變形情況類似。因此，本文的試驗成果僅供大面積場地堆載時參考。　(3)本文的試驗每級加荷幅度較大，而工程中荷載的增加必須考慮地基的穩定性。加荷速率對本文的試驗結果有什麼影響，有待於作進一步的研究。　(4) 對砂井地基，可按文獻［2］中的方法計算地基的平均固結度。　5　結論　(1)超載預壓的效果反映在卸載後沉降的大小，亦即後續變形的大小，而後續變形的大小對一定的場地來說與超載量及超載作用下地基所達到的平均固結度有關。　(2)從本文的試驗結果看，超載比較小時，隨著超載比增加，最佳超載作用時間急劇下降；當超載比增加到一定程度後，超載比對最佳超載作用時間的影響將大大減弱，最佳超載作用時間隨著超載比的增加將趨於某一定值。因此在工程上，超載比不宜過大，過大效果並不顯著，造成浪費。恰當的超載比選在圖3所示曲線的拐點以內(約0.4～0.5)，但必須以地基的穩定為前提。　武漢化工學院白梓豪、孫俊發、賴金耀等同學參加了試驗工作，中國科學院武漢岩土所的吳文同志幫助聯繫取土樣，在此表示感謝!