[科普中國]-固結(jié)實(shí)驗(yàn)

固結(jié)試驗(yàn)是將土樣置于金屬壓縮容器內(nèi)，在有側(cè)限的條件下施加壓力，觀察土在不同壓力下的壓縮變形量。

定義地基土在外荷載作用下，水和空氣逐漸被擠出，土骨架顆粒之間相互擠密，土的孔隙減小，從而引起土的壓縮變形。

一般壓縮固結(jié)儀有杠桿式、磅秤式、氣壓式三種。杠桿式壓縮儀是用砝碼通過杠桿加壓，壓力僅為0.4～0.6MPa，基本上能滿足一般工程要求，且數(shù)臺(tái)儀器可裝在一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架上, 占地面積小，便于管理，目前被廣泛采用。磅秤式壓縮儀是通過帶有加壓框架的磅秤施加壓力 , 儀器壓力可達(dá)5Mpa，適用于較大工程，可以用來測定壓縮指數(shù)和前期固結(jié)壓力、固結(jié)系數(shù)等指標(biāo)。氣壓式壓縮儀是通過空氣壓縮機(jī)來施加壓力的，加壓范圍大，適用于各類工程。本試驗(yàn)采用氣壓式壓縮儀。

壓縮固結(jié)試驗(yàn)中，后一級壓力的施加均是在前一級荷載下壓縮達(dá)到穩(wěn)定后施加的，但所謂穩(wěn)定是相對的，按照穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的不同，通常將固結(jié)試驗(yàn)分為兩類：

（1）穩(wěn)定壓縮：每級壓力下持續(xù)24h為壓縮穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；測記試樣高度變化后，即可施加下級壓力。這是各類規(guī)范的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。對某些滲透系數(shù)大于10cm/s的粘性土，以1h內(nèi)試樣變形量不大于0.005mm作為相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果能夠滿足工程要求。

（2）快速壓縮：在各級壓力下，壓縮時(shí)間規(guī)定為1h，僅在最后一級壓力下，除測記1h變形量外，還需測讀達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)(24h)時(shí)的變形量。在整理資料時(shí)，根據(jù)最后一級變形量，校正前幾級壓力下的變形量。當(dāng)試驗(yàn)要求精度不高時(shí)，可采用快速壓縮法。

類別常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)比較可靠，是被普遍認(rèn)可的，為我國 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/ T50123） 推薦使用的方法。但該方法有一些顯著的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)：（1）試驗(yàn)所需的時(shí)間較長。按照 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/ T50123）要求，分級加載的每級荷載要作用 24h，這樣完成一個(gè)固結(jié)試驗(yàn)所需的最終時(shí)間大概9d 左右，若需進(jìn)行回彈試驗(yàn)，則時(shí)間更長。（2）試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)少而且比較分散，致使試驗(yàn)得到的曲線不連續(xù)，影響測定參數(shù)的準(zhǔn)確性。（3）固結(jié)試驗(yàn)過程中沿試樣高度的有效應(yīng)力分布不均勻，根據(jù)有效應(yīng)力原理，靠近排水面的有效應(yīng)力最大，靠近不排水面處的有效應(yīng)力最小，水力梯度沿高度方向變化相當(dāng)大，致使有效應(yīng)力沿試樣高度分布不均勻， 造成了試樣的壓縮性分布不均勻。

快速固結(jié)試驗(yàn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/ T50123）推薦的時(shí)間平方根法計(jì)算固結(jié)系數(shù)時(shí)，要求土體固結(jié)度達(dá)到90%，大量的試驗(yàn)表明高度為2cm 的試樣在荷載作用下1h 的固結(jié)度一般可達(dá)到90% 以上（24h 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)）。因此，快速法固結(jié)試驗(yàn)把每級荷載的加載時(shí)間縮短到 1~2h，最后對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正， 可得到與常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)近似的結(jié)果。此法大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間，得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。張海霞指出對于高度為 2cm 的試樣，在每級壓力作用下，常見土體完成主固結(jié)（固結(jié)度達(dá)到 99%） 需要的時(shí)間不超過4h， 粉土和粉質(zhì)粘土則少于 1h。并建議對不同的土質(zhì)應(yīng)采用不同的加載時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)研究。

連續(xù)加載固結(jié)試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)中的控制條件不同，連續(xù)加載試驗(yàn)可分為以下幾種主要試驗(yàn)方法：（1）等應(yīng)變速率固結(jié)試驗(yàn)（簡稱 CRS 固結(jié)試驗(yàn)），加載過程中控制單位時(shí)間內(nèi)試樣的應(yīng)變增量為一常數(shù)。（2） 控制梯度固結(jié)試驗(yàn)（簡CG固結(jié)試驗(yàn)），保證試樣底部不排水的情況下，使連續(xù)加載產(chǎn)生的底部孔隙水壓力為一常數(shù)。（3）等加載速率固結(jié)試驗(yàn)（簡稱 CRL 固結(jié)試驗(yàn)），加載過程中控制試樣的應(yīng)力增長（加載速率）為一常數(shù)。

控制梯度固結(jié)試驗(yàn)控制梯度固結(jié)試驗(yàn)（CG）與等應(yīng)變速率固結(jié)試驗(yàn)（CRS）的原理類似，本質(zhì)上是通過調(diào)整試樣應(yīng)變率來設(shè)定底部孔隙水壓力不變，進(jìn)行連續(xù)加載試驗(yàn) 由于在常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)中沿試樣高度的有效應(yīng)力分布不均勻，不同高度處孔隙水壓力梯度相差很大，這樣隨著固結(jié)的發(fā)展，試樣的應(yīng)變速率變化很大，為了克服上述缺點(diǎn)，提出了控制梯度試驗(yàn)法。Lowe等首先提出了該試驗(yàn)方法，并建立了線性固結(jié)理論來測定固結(jié)系數(shù)。Gorm an 等將控制梯度固結(jié)試驗(yàn)、 等應(yīng)變速率固結(jié)試驗(yàn)與常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較，并證實(shí)了CG、CRS 固結(jié)試驗(yàn)的可行性。考慮到CRS、CG固結(jié)試驗(yàn)會(huì)受到應(yīng)變率的影響而導(dǎo)致測定結(jié)果出現(xiàn)偏差，Sheahan等提出了設(shè)定底部孔隙水壓力為零的CG固結(jié)試驗(yàn)，用以模擬土體的主固結(jié)狀態(tài)。該試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于：固結(jié)過程中試樣的應(yīng)變率較低，可以更好的模擬現(xiàn)場狀態(tài)；試樣的應(yīng)變率與有效應(yīng)力沿深度方向分布更均勻，不易受到次固結(jié)的影響。1

固結(jié)實(shí)驗(yàn)的方法儀器設(shè)備

1.用KTG全自動(dòng)氣壓式固結(jié)儀或其它儀器，固結(jié)儀由固結(jié)容器(圖4-2)、空氣壓縮機(jī)、自動(dòng)加荷控制器、數(shù)據(jù)采集器和微機(jī)組成。

2.測含水率和密度所需的設(shè)備；

3.其它：濾紙、鐘表等。

操作步驟

1.試樣制備：按工程要求取原狀土或制備所需狀態(tài)的擾動(dòng)土樣，按測定土的密度的方法用環(huán)刀切取土樣，測定土的密度，并同時(shí)測定土的含水率和土粒密度。

2.安裝試樣：在固結(jié)容器內(nèi)裝上帶有試樣的切土環(huán)刀(刀口向下)，在土樣兩端應(yīng)貼上潔凈而濕潤的濾紙，再用提環(huán)螺絲將護(hù)環(huán)置于固結(jié)容器內(nèi)，然后放上透水石和傳壓活塞及定向鋼球，再裝好帶有傳感器的百分表，并調(diào)整百分表讀數(shù)在8.0mm左右，以便壓縮過程中有足夠的量程。 3.開啟空氣壓縮機(jī)，使其壓力源輸出氣壓保持在850～1000kPa之間，并打開空氣過濾器進(jìn)氣開關(guān)。

4.接通自動(dòng)加荷控制器電源，然后再接通數(shù)據(jù)采集器電源，使加荷系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。

5、結(jié)束試驗(yàn)

（1）卸去荷載后，排除儀器中水分，按與安裝相反的順序拆除各部件，取出帶環(huán)刀的試樣。必要時(shí)，測定試樣試驗(yàn)后的含水率。將儀器擦凈，涂油放好。

（2）為防止采集數(shù)據(jù)丟失，先關(guān)采集器電源，后關(guān)控制器電源，再斷開空氣壓縮機(jī)電源，并關(guān)空氣過濾器開關(guān)。

6、成果整理，由于全自動(dòng)壓縮固結(jié)儀自帶數(shù)據(jù)采集和處理軟件，故不再需要人工記錄和處理各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就能很快地得出土的壓縮性參數(shù)，其數(shù)據(jù)處理過程詳見附錄A。但作為初學(xué)者還是需要很好的理解這些數(shù)據(jù)整理的過程。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

楊曉紅 - 副教授 - 西南大學(xué)