論土的固結試驗方法及其原理和應用

劉仕嬌

（廣東省工程勘察院，廣州 510510）

1 引言

地基土在外荷載作用下，水和空氣逐漸被擠出，且土的骨架顆粒之間相互擠緊、封閉，氣泡的體積也將減少，因而引起土層的壓縮變形。通常，土的這一受壓縮過程被稱之為土的固結。

固結試驗，是指將天然狀態(tài)下原狀土或人工制備的擾動土，制備成一定規(guī)格的試件后，置于壓縮固結儀內(nèi)，并在不同荷載和側限的條件下測定其壓縮變形。

2 試驗目的

通過試驗測定土的壓縮系數(shù)、壓縮模量、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、固結系數(shù)、先期固結壓力等固結試驗指標，可用來分析、判別土的固結特性和天然土層的固結狀態(tài)，從而計算出土工建筑物及地基的沉降，并估算出區(qū)域性的地面沉降等。

3 試驗方法

根據(jù)工程的需要，固結試驗一般可選擇標準固結試驗和快速固結試驗2 種方法。

3.1 標準固結試驗

標準固結試驗，是指以每級荷重下（一般加壓等級為12.5kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa、3 200 kPa，最后一級的壓力應大于上覆土層的計算壓力100～200 kPa）固結24 h 或每小時固結變形≤0.01 mm作為相對固結穩(wěn)定標準，通過e-p 曲線（e 為土的孔隙比；p 為土體壓力值，kPa）計算求得土的壓縮系數(shù)、壓縮模量等。

3.2 快速固結試驗

對沉降計算精度要求不高，滲透性較大的土，可采用快速固結的試驗方法。該實驗方法以荷重下固結1 h 作為穩(wěn)定標準，最后一級穩(wěn)定標準為每小時固結變形≤0.01 mm，并最終以等比例綜合固結度進行修正，同時通過e-p 曲線計算求得土的壓縮系數(shù)、壓縮模量等。

3.3 儀器設備

儀器設備一般有杠桿式固結儀、磅秤式固結儀、氣壓式固結儀、液壓式固結儀等。垂直變形測量設備一般用百分表。近年來，隨著土工試驗儀器的自動化，多數(shù)實驗室都會采用數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)軟件，以及靈敏度為零級的位移傳感器。

4 主要計算公式和曲線

4.1 計算初始孔隙比

計算初始孔隙比的公式見式（1）：

式中，e0為初始孔隙比；ρω為水的密度，g/cm3；CS為土的比重；ω0為土的含水率，%；ρ0為土的天然密度，g/cm3。

4.2 計算各級壓力固結穩(wěn)定后的孔隙比

計算各級壓力固結穩(wěn)定后的孔隙比見式（2）：

式中，ei為壓力pi時固結穩(wěn)定后的孔隙比；Δhi為某一荷重下壓縮變形穩(wěn)定后試樣的變形量，cm；h0為試樣原始高度，cm。

4.3 計算某一壓力范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)

計算某一壓力范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)見式（3）：

式中，av為某一壓力范圍內(nèi)的壓縮系，MPa-1；ei+1為壓力pi+1時固結穩(wěn)定后的孔隙比；pi+1為第i+1 級的垂直壓力，kPa；pi為第i 級的垂直壓力，kPa。

4.4 計算某一壓力范圍內(nèi)的壓縮模量

計算某一壓力范圍內(nèi)的壓縮模量見式（4）：

式中，Es為某一壓力范圍內(nèi)的壓縮模量，MPa。

4.5 計算體積壓縮系數(shù)

計算體積壓縮系數(shù)見式（5）：

式中，mv為體積壓縮系數(shù)，MPa-1；Es為某一壓力范圍內(nèi)的壓縮模量，MPa。

5 試驗要點

在實驗過程中，需要注意的事項有：

1）透水石要經(jīng)常清洗，其直徑略小于試樣直徑，做試驗時要浸濕。

2）儀器要定期校正，包括位移、力值、儀器變形量等。

3）加荷前平衡自重后一定要檢查量程、試樣接觸等。

4）試驗壓力應大于或等于400 kPa，標準固結時如果原狀土已達到飽和狀態(tài)，允許天然狀態(tài)下進行固結試驗，但試驗過程中要采取措施防止水分散發(fā)，否則要將樣品加水飽和，以模擬其實際情況。

5）高壓固結試驗一定要選擇滿足試驗壓力的固結儀，軟土第一級荷重不宜過大，一般選擇從12.5 kPa 或25 kPa 開始加荷；回彈試驗應在估計的先期固結壓力之后進行一次卸荷回彈，然后繼續(xù)加荷載，直至完成預定的最后一級壓力。

6 實驗案例

以一組淤泥樣品為例，其物理指標為：含水率ω0＝53.5%，濕密度ρ0＝1.618 g/cm3，液限ωL＝48.1，塑限ωp＝28.1，液性指數(shù)IL＝1.27，飽和度Sr＝92.6%，孔隙比e0＝1.536。采用全自動氣壓固結儀，按標準固結試驗方法測先期固結壓力和回彈指數(shù)等參數(shù)。

6.1 固結系數(shù)的測定

固結系數(shù)的試驗實際上是在某級荷重下測定時間與變形的關系，通過測定沉降速率，求出t90（試樣達到固結度90%的時間），計算某級壓力下的CV（為垂直固結系數(shù)）及CH（水平固結系數(shù)），并可估算出土的有荷滲透系數(shù)KV（有荷垂直滲透系數(shù)）及KH（有荷水平固結系數(shù)）。固結系數(shù)又分水平固結和垂直固結系數(shù)（主要在于排水方向不同），對于層理構造明顯的軟土（如淤泥和砂石互層）需測定水平方向的固結系數(shù)CH，但測定時須備有水平向固結的徑向多孔環(huán)刀，環(huán)的內(nèi)壁與土樣之間應貼有濾紙，水平向固結壓力可按垂直向固結壓力乘以靜止側壓力系數(shù)K0而求得。由時間平方根法求t90（見圖1），而垂直固結系數(shù)計算見式（6）、水平固結系數(shù)計算見式（7）：

圖1 時間平方根法求t90

注：d 為量表讀數(shù),mm；ds為理論零點；k 為滲透系數(shù)。

式（6）、式（7）中，Cv為垂直固結系數(shù)，cm2/s；CH為水平固結系數(shù)，cm2/s；h 為最長排水距離，等于某一荷重下初始與終了高度的平均值之半，cm；R 為徑向排水距離，取試樣半徑3.09 cm；t90為試樣達到固結度90%的時間，s。

6.2 先期固結壓力的確定

土的先期固結壓力是反映地質歷史形成過程中土所承受的最大有效力壓力，土的先期固結壓力測定試驗的最后一級荷重，應大于估算先期固結壓力或自重壓力的5 倍以上（對于軟土最少要1 000 kPa），以每級壓力下固結24 h 或每小時變形≤0.01 mm 作為相對固結穩(wěn)定標準，通過試驗繪制e-lgp 曲線（見圖2）。

圖2 e-p 曲線圖和e-l g p 曲線圖

該曲線有一個較明顯的轉折點，在此點之前，當外荷重增加時變形較為微小，超過此點之后變形量突增，此點所對應的應力通常稱為先期固結壓力pc；另外，還可以計算土的壓縮指數(shù)Cc（壓縮曲線直線段分斜率），做回彈試驗時求得回彈指數(shù)Cs（回彈滯回圈兩端連線斜率）。

7 試驗應用

在設計等級甲級和乙級建筑物時要求進行沉降計算，其地基沉降和沉降差必須控制在容許范圍之內(nèi)才會保證安全。而固結試驗的一些參數(shù)就是為計算沉降而服務的。在應用實驗過程中，需注意的要點有：

1）壓縮系數(shù)av是指單位壓力下土的孔隙比的變化值，在某壓力變化范圍內(nèi)，壓縮系數(shù)越大說明土的壓縮變形越大。當采用壓縮模量Es進行最終沉降量計算時，壓縮模量的計算應取土的有效自重壓力和附加壓力之和的壓力段。堆填時間超過10 年的黏性土，以及超過5 年的粉土所填的素填土才用Es1－2來確定其承載力特征的經(jīng)驗值，Es1－2為壓力100～200 kPa下的壓縮模量，MPa。

2）當需進行沉降歷時關系分析時，即計算某時刻的沉降量應用固結系數(shù)CV及CH進行計算，選取土的有效自重壓力與附加壓力之和下的固結系數(shù)[1]。

3）當考慮土的應力歷史進行沉降計算時，需要先期固結壓力pc和壓縮指數(shù)Cc進行計算求出最終沉降量。

4）當考慮深基坑開挖卸荷和再加荷影響時應進行回彈試驗，其壓力的施加應模擬實際的加荷、卸荷狀態(tài)。所求的回彈指數(shù)可參加土的沉降量計算。考慮地基土會產(chǎn)生蠕變可用次固結指數(shù)Ca計算建筑物地基由于次固結產(chǎn)生的地基沉降。

8 結語

土的壓縮性，實質上反映了土的孔隙在外力作用下可能發(fā)生的變化。因此，影響土的壓縮性的主要因素決定于2 大方面：（1）土本身的成分等內(nèi)在因素，如土的粒度成分、礦物成分、含水率、密實度、結構特征和構造特征；（2）受力條件是影響土壓縮性的外部因素，如受力大小、性質、速率等。從壓縮曲線可知，荷載越大，土的總壓縮變形量也越大，但隨著荷載的增大，孔隙體積逐漸減少，壓縮曲線逐漸平緩。不同壓力的壓縮量是不同的，每級加荷的增荷率越大，則土的壓縮性越高。由壓縮固結試驗的結果估算的沉降量一般常比實測的沉降量大，因此室內(nèi)的固結試驗應盡量模擬實際情況，采用的加荷速度和增荷率應視土的軟硬程度和工程施工速度來決定。