粉土的快速固結試驗精度研究

摘要：通過對普通粉性土的1h快速固結試驗與標準固結試驗的結果進行對比分析，講述了1小時快速固結與標準固結兩種試驗方法所得結果的相關性及差異性，得出什么條件下1小時快速固結試驗方法測得的壓縮性指標可以滿足工程的需要，既不影響工程需要又提高了工作效率。

關鍵詞：壓縮系數;壓縮模量;1小時快速固結試驗;標準固結試驗;垂直荷重

1、土的固結試驗原理

飽和土體受到壓力后，孔隙中的部分水逐漸從土體中排出，土中孔隙水壓力逐漸減少，作用在土骨架上的有效應力逐漸增加，土體積隨之壓縮，直到變形達到穩定為止。土體這一變形的過程稱為土的固結。非飽和土在外力作用下的變形通常是由孔隙中氣體排出或壓縮所引起，主要取決于有效應力的改變，土體的這種變形稱之為壓縮。室內固結試驗的在有側限和能排水的條件下進行的。通過各級垂直荷重下土的變形量來測定土的壓縮性指標：壓縮系數（a_1-2）^①、壓縮模量（Es）、固結系數（Cv）、壓縮指數（Cc）等參數。在進行地基承載力的計算時就要用到土的壓縮模量（Es）。因此如何快速測定土的壓縮系數（a_1-2）和壓縮模量（Es），提高工作效率，是各個土工室首要解決的問題。筆者認為只要了解試驗原理，根據工程精度要求選取適當的固結方法不但可以做好固結試驗而且還能為工程設計提供可靠的依據。

2、土的固結試驗方法比較

土的固結試驗方法有多種：下面我就工作中常用的兩種試驗方法標準固結試驗和1h快速固結試驗作一下簡析與比較。兩種固結試驗所用的儀器相同都用固結儀，試驗時土樣的制備相同。標準固結試驗規定在測定沉降速率和固結系數時加壓后應按下列時間序測記百分表^②讀數：6s、15s、1min、2 min15s、4 min、6 min15、9 min、12 min15s、16 min、20 min15s、25 min、30 min15s、36 min、42 min15s、49 min、64 min、100 min、200 min、400 min、及23、24h直至穩定為止。穩定標準為每級壓力下固結24h。只測定壓縮系數時，每級壓力下穩定標準為每小時試樣的變形量不大于0.005mm。若是飽和試樣，則在施加第一級荷載后，立即向容器中注入水至滿。若是非飽和試樣，須用濕棉布圍住上下透水面四周，避免水分蒸發。按標準固結試驗法做一批樣至少需四天乃至十幾天，雖然提供的數據準確，但是試驗所用時間太長，不能滿足實際工作的需要，所以為了保證經濟利益絕大多數土工室都采用1h快速固結試驗法來求得壓縮系數（a_1-2）及壓縮模量（Es）。與標準固始不同的是在施加第一級壓力后1h測記一次百分表讀數，立即施加下一級壓力，逐級加壓至所需壓力。加最后一級壓力時除測記1h時百分表的讀數外，還需測記試樣達到壓縮穩定時的百分表讀數。穩定標準和標準固結試驗的穩定標準相同。1h快速固結試驗結果應按下列公式計算修正：

∑△h_i=（h_i）_t（h_n）_T（h_n）_t "=K（h_i）_t

式中∑△h_i——某一壓力下校正后的試樣總變形量（mm），計算至0.01mm;

（h_i）_t——某一壓力下固結1h的變形量減去該壓力下的儀器變形量（mm）

（h_n）_t——最后一級壓力固結1h的變形量減去該壓力下的儀器變形量（mm）;

（h_n）_T——最后一級壓力下固結穩定后的總變形量減去該壓力下的儀器變形量（mm）;

K——校正系數。

根據上面的計算公式可以算出各級壓力下試樣變形校正后的總變形量△h_i，利用計算公式：

S_i=∑△h_i/h₀

e_i=h_i（1+e₀）h₀-1

a_v= e_i- e_i+1" p_i+1-p_i

Es=1+ e_i" a_v

S_i——單位沉降量（mm/m）

h_o——試樣的初始高度;

a_v——某一壓力范圍內的壓縮系數（MP^-1）;

E_i——第i級壓力下固結穩定后的孔隙比

P_i——第i級壓力（kP_a）.

根據以上公式求出所需壓力下的壓縮系數（a_1-2）和壓縮模量（Es）。

筆者通過多年工作經驗對1h快速固結試驗法和標準固結試驗法做了大量的試驗數據對比，下表是河南省信陽地區的粉土用兩種固結試驗方法對同一組土樣所做的試驗數據對比表：

1h快速固結試驗法壓縮系數（a_1-2）和標準固結試驗法壓縮系數（a_1-2）¹及其它幾項物理指標的對比表

土樣編 號

含水率

W（﹪）

孔隙比

e

塑性指數

I_P

液性指數

I_L

（a_1-2）

（a_1-2）¹

A工地6個樣品

15.2-22.7

0.589-0.721

5.8-9.6

-0.15-0.32

0.12-0.21

0.12-0.22

B工地4個樣品

17.7-21.8

0.547-0.699

6.7-8.2

0.04-0.28

0.08-0.18

0.09-0.20

C工地22個樣品

16.9-23.3

0.611-0.701

5.2-9.7

0.08-0.22

0.09-0.24

0.09-0.23

D工地16個樣品

22.1-28.2

0.791-0.868

6.1-8.9

0.39-1.06

0.10-0.44

0.11-0.51

E地8樣品

21.8-26.7

0.758-0.842

5.0-9.4

0.20-0.92

0.07-0.34

0.06-0.38

F地16個樣品

15.4-23.1

0.625-0.731

6.1-9.1

-0.11-0.48

0.09-0.24

0.1-0.25

從表中數據對比分析可以看出，孔隙比小于0.75的密實的粉土1h快速固結試驗法所得壓縮系數（a_1-2）和標準固結試驗法所得出的壓縮系數（a_1-2）¹數據相差甚微，孔隙比大于0.75的松散的粉土1h 快速固結試驗法所得壓縮系數（a_1-2）和標準固結試驗法所得出的壓縮系數（a_1-2）¹數據相差較大，所以對于孔隙比小于0.75的密實的粉土我們可以采用1h 快速固結試驗方法來取得相關數據，而1h快速固結試驗與標準固結實驗相比卻大大縮短了工作時間，從而提高了工作效率。

3、結論

由以上敘述和數據的對比結果得知，密實的粉土固結穩定比黏性土快，相應的固結穩定所需的時間較短。試驗用1h快速固結試驗法和標準固結試驗法所測得的壓縮系數（a_1-2）結果接近，但是用1h快速固結試驗法大大縮短了工作時間，同時也能及時為勘察設計提供依據，縮短了整個勘察的工期，提高工作效率，在工程的要求精度不是太高的情況下密實的粉土1h快速固結試驗法可以廣泛的應用和推廣。如果工程要求提供固結系數（Cv）和沉降速率時就不能用1h快速固結試驗法必需用標準固結試驗法才能提供。

參考文獻：

[1]《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）;

[2]《鐵路工程土工試驗規程》（TB10102-2004/J338-2004）。