[科普中国]-先期固结压力

简介

先期固结压力是指土体(层)在其自然地质历史过程中曾承受过的最大固结压力。该值是相对于现存的上覆压力即自重压力而言的，常带有与自重压力相比较的含义，故冠以“先期”二字以示其反映土体自然的(而非人工的)应力历史状态的意义。此值主要是通过室内高压力下的压缩试验方法(e-logP曲线)获得。

先期固结压力确定方法土的先期固结压力是判断土体应力历史的一个指标，在不同应力历史状况的土层的变形分析中它也是一个重要的计算参数。在地基研究和地基设计中都应充分考虑先期固结压力这个特性指标，使得设计更为合理，更接近工程实际，对确保建筑工程质量和降低工程成本具有重要意义。如何确定先期固结压力，国际上普通采用的卡萨兰德法（1936年），伯米斯特法（1951年），休默特曼法（1955 年），“S”法，国内有“f”法（高大钊，1966 年），图解法（西北电力设计院，1981年），密度法（李作勤）等。

卡萨兰德法（简称以 C 法）

由卡萨兰德教授于1936 年提出，一直公认为是确定地基先期固结压力的基本方法，适用于 e-log p 曲线变化比较明显土质，但对e-log p曲线变化不明显的土确定最小曲率点比较困难。

三笠法（Cc 法）

由日本三笠正人提出， 是日本“土质试验法”中推荐使用的方法。该法优 点是确定先期固结压力简单，而且人为误差也较小。只适用于软粘土，即适用于压缩指数 Cc 大于 0.2 的土。

f 法

由同济大学高大钊提出，是根据土体在固结试验过程中所获得的次固结变形速率来确 定先期固结压力。

密度法

由中国科学院武汉岩土力学研究所李作勤提出，是以密度为标准反求固结压力。本法需要进行原状土与扰动土的高压固结试验，找出两种状态土质的压缩分界点，比常规试验工作量 增加一倍，生产单位难以实现的。

强度法

由 D. W.泰勤提出，从固结直快 剪或三轴固结不排水剪的多点试验中确定，但由于原状土样不均匀和土样数量有限，难以满足试验需 要。

S 法

本法不局限于只从试验曲线本身寻找解决问题的办法，而是选定野外压缩曲线提出一些假定，并以此对 C 法作进一步改进。这种方法有一个试算过程，比较复杂，工程中不太使用此法1。

红黏土先期固结压力红黏土是一种区域性的特殊土，是碳酸岩类在热带、亚热带湿热交替气候下经过风化（特别是化学风化）和红土化作用而形成的一种色相带红（褐红、棕红、黄褐色）的高塑性黏土体。其表现出来的反常规力学性质的根源就在于其所处的气候条件、特殊的成土过程和特殊的物质结构。红黏土的矿物成分主要由黏土矿物、游离氧化物和残余碎屑三类物质组成。黏土矿物是红黏土中的主要成分，其在红黏土中是以黏土矿物片聚集成的粒团出现。黏土矿物粒团构成了红黏土的基本骨架。游离氧化物的含量不大，但主要作用是充当红黏土的结构连接物，是红黏土形成特殊结构的重要因素。红黏土微结构基本单元是黏土矿物粒团，这种粒团是牢固的、水稳性的，水和机械力作用都不能破坏它。红黏土粒团间的结构连结主要由游离氧化物，特别是游离氧化铁的胶结作用形成的。这种连接使红黏土具有一定的结构强度。红黏土的剪切破坏主要是粒团间连接的破坏，其变形主要是粒团整体位移的结果。正是由于红黏土的结构强度引起了超固结现象。如果红黏土的先期固结压力仅仅是由自重应力引起的，那么红黏土应该在自重作用下排水固结。随埋深的增加，密实度递增，强度增大，压缩性减小。然而，事实上，红黏土的这些性质正好相反。由此说明，红黏土压缩曲线的拐点值是红黏土结构强度的反映，与传统定义中的从应力历史角度出发的先期固结压力有着本质的区别。由应力历史引起的固结仅仅是物理压密过程，而红黏土的结构强度是在其成土历史过程中形成的，是由土本身物质结构决定的。没有外部应力的影响，这种强度也是存在的。固结压缩曲线的拐点所代表的意义是土样在某一级荷载下达到屈服破坏。对红黏土来说，此时破坏掉的是红黏土内部结构连接。既然红黏土先期固结压力与应力历史无关，与其将压缩曲线拐点定义为先期固结压力，不如将其定义为结构屈服强度。红黏土中游离氧化物的存在，特别是游离氧化铁的胶结作用，使红黏土具有较大的结构强度，这种强度的外在表现形式就是先期固结压力。至于为何红黏土先期固结压力会在垂直剖面由上到下逐渐减小，这主要是和这种的特殊成土过程有关。红黏土的特殊成土过程就在于其成土所经历的两个阶段：岩溶作用和红土化作用。碳酸盐类母岩在含有二氧化碳的水溶液长期作用下，发生化学溶蚀，碳酸盐矿物溶解，随后在流动水的作用下被带走。余下的便是碳酸盐母岩中的杂质（二氧化硅、氧化铝）堆积物。这个阶段就是岩溶作用阶段。岩溶留下的堆积物接着经历红土化作用。红土化作用是一种特殊的化学演变过程，这个过程相当复杂。简单来说，就是在交替明显的气候条件下，土中难溶的氧化铁、铝、硅等物质连续不断溶滤、聚集、胶化、陈化，把松散的土粒胶结起来，并通过氧化铁对土进行染色作用的过程。游离氧化铁在红黏土中的含量是随着红土化作用的增强而增加的。沿着红黏土剖面向下，红土化作用是逐渐减弱的，因此，游离氧化铁的含量也是沿垂直剖面由上到下逐渐减少的。随着氧化铁的含量的减少，其对红黏土的胶结就越来越弱，红黏土的结构强度就越来越小，由此引起的先期固结压力也就越来越小了2。