固結試驗及固結參數確定方法研究綜述

周文淵（安徽省·水利部淮委水利科學研究院 蚌埠 233000）

固結試驗及固結參數確定方法研究綜述

周文淵
（安徽省·水利部淮委水利科學研究院 蚌埠 233000）

固結試驗是測定土體固結參數的主要試驗方法。常規固結試驗所需時間長、試驗數據少且試驗過程中沿試樣高度有效應力分布不均，但操作簡單、試驗結果可靠，是我國相關規范標準推薦的試驗方法。快速法固結試驗缺乏理論依據，試驗結果受土的性質與試驗者經驗影響較大。連續加載固結試驗具有試驗時間短、有效應力分布均勻和對試樣擾動小等優點，且能測得可靠的固結參數，是固結試驗發展的一個方向。本文總結與評述了不同類型固結試驗的優缺點及固結參數確定方法研究成果，指出了各自的局限性、適用性與發展方向。

固結試驗 固結參數 連續加載 快速法

1 引言

土的固結是土力學學科中最根本的課題之一。固結是土體在荷載作用下，超靜孔隙水壓力消散，有效應力增加的過程。通常采用室內固結試驗測定土的壓縮、固結特性參數，為設計計算提供指標。常用的固結參數主要有：壓縮系數、壓縮指數、回彈指數、先期固結壓力與固結系數。現有的室內固結試驗方法主要有三種：常規固結試驗、快速法固結試驗和連續加載固結試驗。本文從這三種試驗方法出發，較系統地總結了固結試驗及通過試驗確定固結參數的研究現狀。

2 常規固結試驗

常規固結試驗比較可靠，是被普遍認可的，為我國《土工試驗方法標準》（GB/T50123）推薦使用的方法。但該方法有一些顯著的缺點，主要表現在：（1）試驗所需的時間較長。按照《土工試驗方法標準》（GB/T50123）要求，分級加載的每級荷載要作用24h，這樣完成一個固結試驗所需的最終時間大概9d左右，若需進行回彈試驗，則時間更長。（2）試驗獲得數據少而且比較分散，致使試驗得到的曲線不連續，影響測定參數的準確性。（3）固結試驗過程中沿試樣高度的有效應力分布不均勻，根據有效應力原理，靠近排水面的有效應力最大，靠近不排水面處的有效應力最小，水力梯度沿高度方向變化相當大，致使有效應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。

祝劉文等結合工程實例與室內常規固結試驗研究，認為在100～200kPa固結壓力區間下的壓縮指數與壓縮系數呈線性關系。在固結壓力小于100kPa時，固結系數變化較大；固結壓力小于50kPa時，固結系數隨壓力增加而減少，大于50kPa時，固結系數隨壓力增加而增加；固結壓力在100～400kPa區間時，固結系數變化較小，并隨固結壓力增加而增大。

吳宏偉等通過對上海地區原狀軟土的常規固結試驗研究，認為上海黏土的壓縮指數隨固結壓力的增大而不斷增大，達到最大值后隨之減小；固結壓力較大時壓縮指數并不是常數，而是隨固結壓力增大而減小。作者通過擬合得到上海黏土的壓縮系數與壓縮指數之間是線性關系。

張明等對常規固結試驗結果與原狀淤泥固結系數進行了統計分析對比研究。結果表明：在小壓力范圍（0～100kPa）下，各土樣的固結系數分布集中，實際工程中可近似采用此壓力范圍內的固結系數均值進行變形計算；在壓力大于100kPa時，各土樣的固結系數分布比較分散；同區域內吹填淤泥的固結系數小于原狀淤泥，隨著固結應力的增加，兩者間的差異越來越小。

固結參數與土的性質、狀態、應力歷史及測試方式等因素有關。因此，選擇有代表性的試樣與制定合理的測試方式，是取得正確試驗結果的基本要求。

3 快速固結試驗

《土工試驗方法標準》（GB/T50123）推薦的時間平方根法計算固結系數時，要求土體固結度達到90%，大量的試驗表明高度為2cm的試樣在荷載作用下1h的固結度一般可達到90%以上（24h穩定標準）。因此，快速法固結試驗把每級荷載的加載時間縮短到1～2h，最后對試驗結果進行校正，可得到與常規固結試驗近似的結果。此法大大縮短了試驗時間，得到了相當廣泛的應用。

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（固結度達到99%）需要的時間不超過4h，粉土和粉質粘土則少于1h。并建議對不同的土質應采用不同的加載時間進行試驗研究。

祝劉文通過試驗研究發現，對飽和軟土而言，隨固結壓力的增加，試樣在每級荷載初始1h的沉降量與穩定沉降量的比值逐漸增加，故對飽和軟土層不宜采用快速法進行固結試驗。

快速法只是為了減少時間而進行固結試驗的一種方法，缺乏理論基礎，對于試驗結果的校正也以經驗為主。該法只有對滲透性較大的土，或建筑物對地基變形要求不高，不需要估算地基沉降發展過程時才適用。

4 連續加載固結試驗

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

4.1 等應變速率固結試驗

Hamilton和Crawford（1959）改進了常規固結儀，首次進行了CRS固結試驗，試驗中的豎向固結壓力由機械力提供，沒有設置反壓；Wissa等（1971）與Gorman等（1978）利用水利機械聯合控制固結儀進行了CRS固結試驗，其中豎向固結壓力由機械力或水壓力提供，反壓為水壓力，容器里還設置了傳感器用于測定試樣底部的孔隙水壓力。Rowe和Barden（1966）研制了Rowe型固結容器，其豎向固結壓力和反壓均由水壓提供，同時可以測定試樣底部的孔隙水壓力。Sheahan等（1996）對新型的Rowe型固結儀作出了改進，沿土樣不同深度設置針型孔隙水壓力傳感器，用于測定試驗中沿試樣高度的孔隙水壓力分布，克服了Rowe型固結儀只能測底部孔隙水壓力的局限。

Hamilton和Crawford（1959）最早提出了連續加載的CRS固結試驗，并借助孔隙比與有效應力關系來測定土樣的前期固結壓力。由于傳統的一維固結理論不能考慮連續加載，因此有必要針對CRS固結試驗提出新的理論；Smith 和Wahls（1969）在假定滲透性不變的前提下，提出了CRS線性固結理論；Wissa等（1971）在Davis（1965）假定的基礎上，提出了非線性固結理論。

張建新和朱小林通過對上海市區粘土及粉質粘土的等應變速率固結試驗的研究，探明了該法所得的壓縮曲線及各壓縮性指標的變化規律與常規固結試驗曲線基本一致，并可根據測量數據計算固結系數和滲透系數等，而試驗所需的時間縮短到了常規法的1/20。該文也對試驗土樣提出了合適的應變速率控制值，并提出了確定前期固結應力的一種新方法。

Sheahan和Watters利用自動化控制操作的Rowe Cell進行了應變速率為每小時0.1%和1%的CRS固結試驗，并和常規分級加載試驗作了對比。證實了基于Wissa非線性CRS固結理論得到的試驗數據分析結果和常規加載試驗得到的結果相差不大，說明利用Rowe固結儀進行CRS試驗可得到可靠的固結參數。

潘國政和張定娟認為等應變速率固結試驗能大大縮短試驗時間，得到相似于常規分級加載固結試驗測得的壓縮系數和壓縮指數，而且該方法對試樣擾動小。但利用CRS固結試驗得到的前期固結應力比常規分級加載試驗測得的數值大。

現有研究成果表明：等應變速率固結試驗與常規固結試驗結果相差不大；可以得到可靠的壓縮系數、固結系數等參數；試驗時間相較于常規固結試驗大大縮短，且對試樣的擾動小。

4.2 控制梯度固結試驗

控制梯度固結試驗（CG）與等應變速率固結試驗（CRS）的原理類似，本質上是通過調整試樣應變率來設定底部孔隙水壓力不變，進行連續加載試驗。由于在常規固結試驗中沿試樣高度的有效應力分布不均勻，不同高度處孔隙水壓力梯度相差很大，這樣隨著固結的發展，試樣的應變速率變化很大，為了克服上述缺點，提出了控制梯度試驗法。

Lowe等首先提出了該試驗方法，并建立了線性固結理論來測定固結系數。Gorman等將控制梯度固結試驗、等應變速率固結試驗與常規固結試驗的結果進行了比較，并證實了CG、CRS固結試驗的可行性。

考慮到CRS、CG固結試驗會受到應變率的影響而導致測定結果出現偏差，Sheahan等提出了設定底部孔隙水壓力為零的CG固結試驗，用以模擬土體的主固結狀態。該試驗的優點在于：固結過程中試樣的應變率較低，可以更好的模擬現場狀態；試樣的應變率與有效應力沿深度方向分布更均勻，不易受到次固結的影響。

王正宏和李文林主要介紹了控制梯度固結試驗的方法與理論。對控制梯度固結試驗與常規固結試驗進行了對比，前者得到的固結系數大于后者，但前者可以獲得更穩定的前期固結應力。該文獻只是對連續加載試驗的初探，尚有許多地方需要完善。

盛樹馨進一步研究了控制梯度固結試驗，認為對正常固結土，CG固結試驗可以看作是等加荷速率試驗；對于不同的試樣底部孔隙水壓力對試驗結束時的孔隙比影響不大；可以通過排水量求得土樣的滲透系數，試樣的e～logk曲線呈線性關系。

張惠忠描述了等梯度固結試驗方法的特點，并與常規固結試驗進行了比較分析，詳細介紹了等梯度固結試驗的操作方法和如何利用等梯度固結試驗求取土體的固結參數。

控制梯度固結試驗要求試樣在固結中底部的孔隙水壓力保持常數，這對試驗儀器要求較高。需要在試驗中隨時監測試樣的孔隙水壓力，并及時反饋到加載系統，控制加載速率，確保孔隙水壓力恒定。

4.3 等加載速率固結試驗

等加載速率固結試驗（CRL）是連續加載固結試驗中最簡單的一種，具有很顯著的優點。不僅克服了常規固結試驗的缺點，而且加荷穩定，利于操作，對土樣擾動小，能更好地模擬實際現場加載的條件。

Aboshi等首次提出了等加載速率（CRL）試驗，并基于Schiffman變荷載一維固結理論，確定了固結系數隨有效應力變化的關系式。與常規固結試驗相比，CRL固結試驗的加載速率對試樣的先期固結壓力和固結系數的測定影響不大。Von Fay等發現常規固結試驗與CRL固結試驗測得的固結系數與有效應力的關系曲線基本一致；CRL固結試驗所需的時間取決于加載速率、土體的滲透與壓縮特性，而且遠小于常規固結試驗，因此作者認為CRL固結試驗可代替常規固結試驗。Hsu等推廣了Olson假定固結系數為常數的變荷載問題的一維固結解，通過CRL固結試驗總結出固結系數隨時間變化的經驗公式，進而推導出關于超靜孔隙水壓力與平均位移的解析解；與CRL固結試驗結果對比表明，變固結系數條件下的求解結果要優于常固結系數條件下的求解結果。孟曉非利用計算機對CRL固結試驗過程進行了模擬分析，作者證實了在CRL固結試驗條件下，試樣的變形速率～平均有效應力曲線在前期固結應力附近出現典型的波動變化，而且這種現象與前期固結應力有唯一確定關系，并提出了利用CRL固結試驗的變形速率～平均有效應力曲線確定前期固結應力的方法。

CRL固結試驗自動化程度高，能隨時控制或監測到土樣在固結過程中的荷載大小、試樣變形與孔隙水壓力消散情況。與常規固結試驗相比，具有時間短，對試樣擾動小等優點，而且試驗結果可靠。

5 結論

（1）常規固結試驗具有時間長、試驗數據少和有效應力分布不均勻等缺陷。大量試驗結果表明土的固結參數與土的性質、狀態、應力歷史及測試方式等因素有關。因此，選擇有代表性的試樣與制定合理的試驗方法是取得正確結果的基本要求。

（2）快速法固結試驗缺乏理論基礎，對于試驗結果的校正也以經驗為主。且該法僅適用于對建筑物沉降計算精度要求不高、不需要估算地基沉降發展過程的工程。

（3）連續加載試驗具有對試樣擾動小，試驗時間短，能隨時測定試樣的變形和孔隙水壓力，可控制荷載施加方式，試驗結果可靠等諸多優點，該試驗方法具有廣泛的應用前景