李广信

        黄河是中国的母亲河，黄河流域是中华民族生长的摇篮。但她又是横行肆虐，狂放不羁，在公元前602年至1938年间，黄河下游决口1590次，大的改道26次。有时南夺淮河入黄海，有时北侵海河进渤海，纵横游荡于南北千里之野。如今的河北（冀）、河南（豫）、山东（鲁）的许多地区均为黄河故道。当年黄河挟甘陕黄土高原的泥沙滚滚而来，淤积、固结形成现在的华北平原。两千多年在地质历史上尚属于“新近”，这个区域以后也没有受到大的冲蚀与构造运动，这就形成了大片的正常固结土大地。
       1938年国民党扒开郑州花园口黄河大堤，以阻日军西侵郑州。河水南流入淮河，洪水肆虐，灾民遍野。1947年复堵花园口，河水北归，在山东东营进入渤海，直至今日。含沙量极高的黄河在河口大量淤积，每年可淤积造地34万亩，但俱“稀泥嫩滩，人马不能驻足”。
这种新近沉积下的稀泥，颗粒处于半悬浮状态，颗粒间尚未完全接触，未能充分形成有效应力，处于欠固结状态。这里的“嫩滩”十分形象，这是一种骨架的雏形，是正在成长的稚嫩的土，它甚至还不能承担土在水中的粒自重 z，其中一部分自重靠超静孔隙水压力承担。
       最近延安正在进行一个岩土界的超大工程。那就是挖塬填沟，拟造上百平方公里的延安新城，动用土方8亿，挖塬与填沟大约都在2030m左右，可谓壮举。目前北部已经基本完工，市党委、政府大楼建于挖方区。这里的黄土高地被挖去20多米，等于卸去了近40t/m2的荷载，如果再建一座20层的高楼，基本上没有附加荷载，其沉降也就有限了，这就是超固结土地基。
       1.原位地基土的应力历史

 

图1 应力历史中的三种应力

        在图1(a)中，表示的是静地下水下的地基土体。土单元①表示的是正常固结土，其现地面就是历史最高地面，并且固结完成；单元②是欠固结土，现地面也是历史最高地面，但没有用完全固结，尚存在超静孔隙水压力；单元③代表超固结土，现地面小于历史最高地面，历史上曾被冲蚀、风蚀或者挖除，其地质历史一般较长。
       这里要分清三个应力。在图1(b)中， 是深度z处的土单元的固结应（压）力，所谓固结应力就是会转化为有效应力的竖向应力； 是前期固结应（压）力，是深度z处的土单元历史上承受的最大有效固结应（压）力；  是土目前的实际有效固结应力。超固结比OCR定义为
                              (1)
    不同应力历史土的各项应力见表1

注：U为平均固结度，对欠固结土U<1.0。

    从表1可以归纳出：
(1)正常固结土当前的有效固结应力等于其当前的固结应力= ，它也就是其历史上的最大固结应力（前期固结应力）；
(2)欠固结土当前的有效固结应力也就是历史上的最大固结应力（前期固结应力）；但它们小于其当前的固结应力= ；
(3)超固结土当前的有效固结应力也等于其当前的固结应力= ，但它们小于其历史上的最大固结应力（前期固结应力）。
        “文革”后期，大批城市青年上山下乡，一些只有17、8岁的青少年兴高采烈地相应号召到了北大荒、海南农场、西双版纳原始森林、西北黄土高原。饥饿、严寒与酷热、荒凉与闭塞，透支的体力劳动使他们受到了巨大的压力。当他们大部分在几年、十几年后回到城市时，就有一些超固结土的味道：沧桑、坚韧与成熟。有人讲这个上山下乡的经历锻炼培养了我国一代青年。但让本应在学校学习文化知识的青少年，承受那么多的苦难，回城后除了少数红、官二代和精英外，多数只能从事环卫、公交、农场等底层的工作，其中的辛酸只有自己知道。最近见到一些报道，8岁的女孩边上学边承担家务，照顾盲目的母亲；十几岁的大学生背着瘫痪的父亲到城里上大学，这也很有超固结土的意思。缺失的社会保障体系，让稚嫩的青少年承受力过大的压力。
        另一方面，有年近30仍然在家“啃老”，不去工作，上网玩游戏。不能（不愿）承担自己应承担的责任与义务，这就是一些欠固结土，稀泥一样，是扶不上墙了。

2.实验室中的正常固结土
    如上所述，正常固结土当前的有效固结应力就是历史上最大的固结应力。这正如一个从未爬过山的人在爬一座山，他每登一步，都是他历史上的最高的高度。
    在实验室里，我们研究饱和黏性土，需要重塑土样时，是先把现场取来的黏土粉碎，加水调成泥浆状，再在一定的压力下固结到一定的密度。对于实验室的重塑土而言，不管从现场什么深度取得土，经历了粉碎、调泥浆以后，实际上已经抹去了它的应力历史，它就像初生儿一样，没有了历史，随后的任何经历都是它的新的历史。其固结曲线和强度包线见图2。

图2 实验室的正常固结黏土

实验室调成的泥浆，如果固结压力为0，亦即现在与历史上的最大有效固结压力为0，它仍然是泥浆，则其孔隙比e是很大的，相当于流动的含泥砂量很高的黄河之水，实际上还不能称之为“土”，其抗剪强度自然为0。在图2中，当施加的固结压力分别为p1和p2时，其试样仍然是正常固结土，对应的孔隙比为e1与e2，抗剪强度分别为，根据库伦公式，其破坏包线过原点。

3.正常固结原状土的野外测试与室内试验
       如果场地有一深厚的正常固结饱和软黏土，从上到下进行十字板剪切试验，那么从图2可知，其孔隙比e从上到下是逐渐减小的，不固结不排水强度f =cu是逐渐增加的。

图3 深厚正常固结软黏土层中的十字板剪切试验

       图3是在天津某正常固结饱和软黏土场地进行的十字板剪切试验结果，它们可以近似用一直线表示。并且这条直线应当通过地面原点。实际上由于地面风吹日晒及人类活动，表面形成一定厚度的硬壳层。
       如果在上述场地的土层取原状土样，然后在实验室进行试验（见图4），则会出现一些复杂的情况。譬如在10m深处，土的有效自重应力为p1=50kPa；取出地面后有效应力为零，在直剪仪上进行慢剪试验，如果正应力，则其前期固结压力为，当前的有效固结压力，它就成为超固结土，e-p曲线在初始固结曲线之下，强度包线在正常固结包线之上。反之，如果正应力，前期固结压力为，则它就成为正常固结土了，固结曲线和强度包线都服从正常固结土的规律。对于在10m深处取样，土的有效自重应力为p2=100kPa时，情况相同。

图4正常固结土的室内试验

4. 基坑开挖中地基土的应力历史
       在岩土工程中，基坑开挖是应力路径和应力历史都十分复杂的。在当前的勘察报告中，一个土层有一套确定的强度参数c和，那么图5中具有相同埋深土单元就有相同的抗剪强度。这显然是不对的。在支挡结构前的开挖区当前的固结应力小于其前期固结应力，属于超固结土。

图5 基坑开挖时的应力路径

图6 墙前后土的强度包线

       对于基坑工程，墙后的土体的竖向应力在开挖过程中，始终是不变的，只是侧向应力在不断减少，应当采用正常固结土的强度指标；而墙前坑底以下的地基土，在开挖过程中，竖向应力一直在减少，属于超固结土，应当用其前期固结应力=左边的超固结土强度包线计算。例如在图5(b)中的Nh和M点的强度值分别在图6中的N和M处。