固結(jié)試驗及固結(jié)參數(shù)確定方法研究綜述

周文淵（安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

固結(jié)試驗及固結(jié)參數(shù)確定方法研究綜述

周文淵
（安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

固結(jié)試驗是測定土體固結(jié)參數(shù)的主要試驗方法。常規(guī)固結(jié)試驗所需時間長、試驗數(shù)據(jù)少且試驗過程中沿試樣高度有效應(yīng)力分布不均，但操作簡單、試驗結(jié)果可靠，是我國相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)推薦的試驗方法。快速法固結(jié)試驗缺乏理論依據(jù)，試驗結(jié)果受土的性質(zhì)與試驗者經(jīng)驗影響較大。連續(xù)加載固結(jié)試驗具有試驗時間短、有效應(yīng)力分布均勻和對試樣擾動小等優(yōu)點，且能測得可靠的固結(jié)參數(shù)，是固結(jié)試驗發(fā)展的一個方向。本文總結(jié)與評述了不同類型固結(jié)試驗的優(yōu)缺點及固結(jié)參數(shù)確定方法研究成果，指出了各自的局限性、適用性與發(fā)展方向。

固結(jié)試驗 固結(jié)參數(shù) 連續(xù)加載 快速法

1 引言

土的固結(jié)是土力學(xué)學(xué)科中最根本的課題之一。固結(jié)是土體在荷載作用下，超靜孔隙水壓力消散，有效應(yīng)力增加的過程。通常采用室內(nèi)固結(jié)試驗測定土的壓縮、固結(jié)特性參數(shù)，為設(shè)計計算提供指標(biāo)。常用的固結(jié)參數(shù)主要有：壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、先期固結(jié)壓力與固結(jié)系數(shù)?，F(xiàn)有的室內(nèi)固結(jié)試驗方法主要有三種：常規(guī)固結(jié)試驗、快速法固結(jié)試驗和連續(xù)加載固結(jié)試驗。本文從這三種試驗方法出發(fā)，較系統(tǒng)地總結(jié)了固結(jié)試驗及通過試驗確定固結(jié)參數(shù)的研究現(xiàn)狀。

2 常規(guī)固結(jié)試驗

常規(guī)固結(jié)試驗比較可靠，是被普遍認(rèn)可的，為我國《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123）推薦使用的方法。但該方法有一些顯著的缺點，主要表現(xiàn)在：（1）試驗所需的時間較長。按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123）要求，分級加載的每級荷載要作用24h，這樣完成一個固結(jié)試驗所需的最終時間大概9d左右，若需進(jìn)行回彈試驗，則時間更長。（2）試驗獲得數(shù)據(jù)少而且比較分散，致使試驗得到的曲線不連續(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。

祝劉文等結(jié)合工程實例與室內(nèi)常規(guī)固結(jié)試驗研究，認(rèn)為在100～200kPa固結(jié)壓力區(qū)間下的壓縮指數(shù)與壓縮系數(shù)呈線性關(guān)系。在固結(jié)壓力小于100kPa時，固結(jié)系數(shù)變化較大；固結(jié)壓力小于50kPa時，固結(jié)系數(shù)隨壓力增加而減少，大于50kPa時，固結(jié)系數(shù)隨壓力增加而增加；固結(jié)壓力在100～400kPa區(qū)間時，固結(jié)系數(shù)變化較小，并隨固結(jié)壓力增加而增大。

吳宏偉等通過對上海地區(qū)原狀軟土的常規(guī)固結(jié)試驗研究，認(rèn)為上海黏土的壓縮指數(shù)隨固結(jié)壓力的增大而不斷增大，達(dá)到最大值后隨之減小；固結(jié)壓力較大時壓縮指數(shù)并不是常數(shù)，而是隨固結(jié)壓力增大而減小。作者通過擬合得到上海黏土的壓縮系數(shù)與壓縮指數(shù)之間是線性關(guān)系。

張明等對常規(guī)固結(jié)試驗結(jié)果與原狀淤泥固結(jié)系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析對比研究。結(jié)果表明：在小壓力范圍（0～100kPa）下，各土樣的固結(jié)系數(shù)分布集中，實際工程中可近似采用此壓力范圍內(nèi)的固結(jié)系數(shù)均值進(jìn)行變形計算；在壓力大于100kPa時，各土樣的固結(jié)系數(shù)分布比較分散；同區(qū)域內(nèi)吹填淤泥的固結(jié)系數(shù)小于原狀淤泥，隨著固結(jié)應(yīng)力的增加，兩者間的差異越來越小。

固結(jié)參數(shù)與土的性質(zhì)、狀態(tài)、應(yīng)力歷史及測試方式等因素有關(guān)。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(jié)果的基本要求。

3 快速固結(jié)試驗

《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123）推薦的時間平方根法計算固結(jié)系數(shù)時，要求土體固結(jié)度達(dá)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(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)試驗把每級荷載的加載時間縮短到1～2h，最后對試驗結(jié)果進(jìn)行校正，可得到與常規(guī)固結(jié)試驗近似的結(jié)果。此法大大縮短了試驗時間，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)采用不同的加載時間進(jìn)行試驗研究。

祝劉文通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，對飽和軟土而言，隨固結(jié)壓力的增加，試樣在每級荷載初始1h的沉降量與穩(wěn)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(jìn)行固結(jié)試驗。

快速法只是為了減少時間而進(jìn)行固結(jié)試驗的一種方法，缺乏理論基礎(chǔ)，對于試驗結(jié)果的校正也以經(jīng)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(fā)展過程時才適用。

4 連續(xù)加載固結(jié)試驗

根據(jù)試驗中的控制條件不同，連續(xù)加載試驗可分為以下幾種主要試驗方法：（1）等應(yīng)變速率固結(jié)試驗（簡稱CRS固結(jié)試驗），加載過程中控制單位時間內(nèi)試樣的應(yīng)變增量為一常數(shù)。（2）控制梯度固結(jié)試驗（簡CG固結(jié)試驗），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（簡稱CRL固結(jié)試驗），加載過程中控制試樣的應(yīng)力增長（加載速率）為一常數(shù)。

4.1 等應(yīng)變速率固結(jié)試驗

Hamilton和Crawford（1959）改進(jìn)了常規(guī)固結(jié)儀，首次進(jìn)行了CRS固結(jié)試驗，試驗中的豎向固結(jié)壓力由機(jī)械力提供，沒有設(shè)置反壓；Wissa等（1971）與Gorman等（1978）利用水利機(jī)械聯(lián)合控制固結(jié)儀進(jìn)行了CRS固結(jié)試驗，其中豎向固結(jié)壓力由機(jī)械力或水壓力提供，反壓為水壓力，容器里還設(shè)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(jié)容器，其豎向固結(jié)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(jié)儀作出了改進(jìn)，沿土樣不同深度設(shè)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(jié)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(xù)加載的CRS固結(jié)試驗，并借助孔隙比與有效應(yīng)力關(guān)系來測定土樣的前期固結(jié)壓力。由于傳統(tǒng)的一維固結(jié)理論不能考慮連續(xù)加載，因此有必要針對CRS固結(jié)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(jié)理論；Wissa等（1971）在Davis（1965）假定的基礎(chǔ)上，提出了非線性固結(jié)理論。

張建新和朱小林通過對上海市區(qū)粘土及粉質(zhì)粘土的等應(yīng)變速率固結(jié)試驗的研究，探明了該法所得的壓縮曲線及各壓縮性指標(biāo)的變化規(guī)律與常規(guī)固結(jié)試驗曲線基本一致，并可根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)等，而試驗所需的時間縮短到了常規(guī)法的1/20。該文也對試驗土樣提出了合適的應(yīng)變速率控制值，并提出了確定前期固結(jié)應(yīng)力的一種新方法。

Sheahan和Watters利用自動化控制操作的Rowe Cell進(jìn)行了應(yīng)變速率為每小時0.1%和1%的CRS固結(jié)試驗，并和常規(guī)分級加載試驗作了對比。證實了基于Wissa非線性CRS固結(jié)理論得到的試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果和常規(guī)加載試驗得到的結(jié)果相差不大，說明利用Rowe固結(jié)儀進(jìn)行CRS試驗可得到可靠的固結(jié)參數(shù)。

潘國政和張定娟認(rèn)為等應(yīng)變速率固結(jié)試驗?zāi)艽蟠罂s短試驗時間，得到相似于常規(guī)分級加載固結(jié)試驗測得的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)，而且該方法對試樣擾動小。但利用CRS固結(jié)試驗得到的前期固結(jié)應(yīng)力比常規(guī)分級加載試驗測得的數(shù)值大。

現(xiàn)有研究成果表明：等應(yīng)變速率固結(jié)試驗與常規(guī)固結(jié)試驗結(jié)果相差不大；可以得到可靠的壓縮系數(shù)、固結(jié)系數(shù)等參數(shù)；試驗時間相較于常規(guī)固結(jié)試驗大大縮短，且對試樣的擾動小。

4.2 控制梯度固結(jié)試驗

控制梯度固結(jié)試驗（CG）與等應(yīng)變速率固結(jié)試驗（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。由于在常規(guī)固結(jié)試驗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，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(jié)理論來測定固結(jié)系數(shù)。Gorman等將控制梯度固結(jié)試驗、等應(yīng)變速率固結(jié)試驗與常規(guī)固結(jié)試驗的結(jié)果進(jìn)行了比較，并證實了CG、CRS固結(jié)試驗的可行性。

考慮到CRS、CG固結(jié)試驗會受到應(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，用以模擬土體的主固結(jié)狀態(tài)。該試驗的優(yōu)點在于：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。

王正宏和李文林主要介紹了控制梯度固結(jié)試驗的方法與理論。對控制梯度固結(jié)試驗與常規(guī)固結(jié)試驗進(jìn)行了對比，前者得到的固結(jié)系數(shù)大于后者，但前者可以獲得更穩(wěn)定的前期固結(jié)應(yīng)力。該文獻(xiàn)只是對連續(xù)加載試驗的初探，尚有許多地方需要完善。

盛樹馨進(jìn)一步研究了控制梯度固結(jié)試驗，認(rèn)為對正常固結(jié)土，CG固結(jié)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(jié)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(shù)，試樣的e～logk曲線呈線性關(guān)系。

張惠忠描述了等梯度固結(jié)試驗方法的特點，并與常規(guī)固結(jié)試驗進(jìn)行了比較分析，詳細(xì)介紹了等梯度固結(jié)試驗的操作方法和如何利用等梯度固結(jié)試驗求取土體的固結(jié)參數(shù)。

控制梯度固結(jié)試驗要求試樣在固結(jié)中底部的孔隙水壓力保持常數(shù)，這對試驗儀器要求較高。需要在試驗中隨時監(jiān)測試樣的孔隙水壓力，并及時反饋到加載系統(tǒng)，控制加載速率，確?？紫端畨毫愣?。

4.3 等加載速率固結(jié)試驗

等加載速率固結(jié)試驗（CRL）是連續(xù)加載固結(jié)試驗中最簡單的一種，具有很顯著的優(yōu)點。不僅克服了常規(guī)固結(jié)試驗的缺點，而且加荷穩(wěn)定，利于操作，對土樣擾動小，能更好地模擬實際現(xiàn)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(jié)理論，確定了固結(jié)系數(shù)隨有效應(yīng)力變化的關(guān)系式。與常規(guī)固結(jié)試驗相比，CRL固結(jié)試驗的加載速率對試樣的先期固結(jié)壓力和固結(jié)系數(shù)的測定影響不大。Von Fay等發(fā)現(xiàn)常規(guī)固結(jié)試驗與CRL固結(jié)試驗測得的固結(jié)系數(shù)與有效應(yīng)力的關(guān)系曲線基本一致；CRL固結(jié)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(yuǎn)小于常規(guī)固結(jié)試驗，因此作者認(rèn)為CRL固結(jié)試驗可代替常規(guī)固結(jié)試驗。Hsu等推廣了Olson假定固結(jié)系數(shù)為常數(shù)的變荷載問題的一維固結(jié)解，通過CRL固結(jié)試驗總結(jié)出固結(jié)系數(shù)隨時間變化的經(jīng)驗公式，進(jìn)而推導(dǎo)出關(guān)于超靜孔隙水壓力與平均位移的解析解；與CRL固結(jié)試驗結(jié)果對比表明，變固結(jié)系數(shù)條件下的求解結(jié)果要優(yōu)于常固結(jié)系數(shù)條件下的求解結(jié)果。孟曉非利用計算機(jī)對CRL固結(jié)試驗過程進(jìn)行了模擬分析，作者證實了在CRL固結(jié)試驗條件下，試樣的變形速率～平均有效應(yīng)力曲線在前期固結(jié)應(yīng)力附近出現(xiàn)典型的波動變化，而且這種現(xiàn)象與前期固結(jié)應(yīng)力有唯一確定關(guān)系，并提出了利用CRL固結(jié)試驗的變形速率～平均有效應(yīng)力曲線確定前期固結(jié)應(yīng)力的方法。

CRL固結(jié)試驗自動化程度高，能隨時控制或監(jiān)測到土樣在固結(jié)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(guī)固結(jié)試驗相比，具有時間短，對試樣擾動小等優(yōu)點，而且試驗結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

（1）常規(guī)固結(jié)試驗具有時間長、試驗數(shù)據(jù)少和有效應(yīng)力分布不均勻等缺陷。大量試驗結(jié)果表明土的固結(jié)參數(shù)與土的性質(zhì)、狀態(tài)、應(yīng)力歷史及測試方式等因素有關(guān)。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(jié)果的基本要求。

（2）快速法固結(jié)試驗缺乏理論基礎(chǔ)，對于試驗結(jié)果的校正也以經(jīng)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(fā)展過程的工程。

（3）連續(xù)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(jié)果可靠等諸多優(yōu)點，該試驗方法具有廣泛的應(yīng)用前景