兩種測(cè)定固結(jié)系數(shù)試驗(yàn)方法
——孔隙水壓力消散法與固結(jié)儀法的比較

李雄飛

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

兩種測(cè)定固結(jié)系數(shù)試驗(yàn)方法
——孔隙水壓力消散法與固結(jié)儀法的比較

李雄飛

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種類型建筑物的新建，越來(lái)越多的建筑類型對(duì)沉降的要求也越來(lái)越高。如何多方面提供沉降計(jì)算參數(shù)成為土工試驗(yàn)中所要研究的新課題。目前室內(nèi)試驗(yàn)中廣泛采用固結(jié)儀法來(lái)計(jì)算固結(jié)系數(shù)，通過(guò)繪圖計(jì)算結(jié)果，如何從其他試驗(yàn)途徑尋求計(jì)算固結(jié)系數(shù)的方法為人們所探究的方向?，F(xiàn)將以孔隙水壓力消散試驗(yàn)法計(jì)算固結(jié)系數(shù)，通過(guò)與固結(jié)儀法的比較，分析兩種試驗(yàn)方法所得結(jié)果的差異，評(píng)價(jià)兩種方法的差異性。

固結(jié)系數(shù)；孔隙水壓力；時(shí)間因子；消散度

1　固結(jié)儀法

采用土工試驗(yàn)固結(jié)儀，依據(jù)太沙基單向固結(jié)理論，假設(shè)條件為土體是均勻的、土體完全飽和、土顆粒和水是不可壓縮的、孔隙水只沿一個(gè)方向滲流、滲流符合達(dá)西定律，同時(shí)土顆粒也只沿豎直方向位移，在外荷載一次瞬時(shí)施加時(shí)，孔隙水從土體中排出，土體開(kāi)始變形（即開(kāi)始固結(jié)）。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖1所示。

圖1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

目前在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)固結(jié)系數(shù)的計(jì)算方法多采用時(shí)間平方根法及時(shí)間對(duì)數(shù)法確定。時(shí)間平方根法：對(duì)某一級(jí)壓力，以試樣的變形為縱坐標(biāo)，時(shí)間平方根為橫坐標(biāo)，繪制變形與時(shí)間平方根關(guān)系曲線，延長(zhǎng)曲線開(kāi)始段的直線，交縱坐標(biāo)于ds為理論零點(diǎn)，過(guò)ds作另一直線，令其橫坐標(biāo)為前一直線的1.15倍，則后一直線與d-曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間的平方即為試樣固結(jié)度達(dá)90%所需要的時(shí)間t90（見(jiàn)圖2（a）），則該級(jí)壓力下的固結(jié)系數(shù)按下式計(jì)算：

通過(guò)時(shí)間對(duì)數(shù)法（操作方法略，見(jiàn)規(guī)范GB/T50123-1999）計(jì)算固結(jié)度達(dá)到50%所需的時(shí)間t50（見(jiàn)圖2（b）），則該壓力下固結(jié)系數(shù)按下式計(jì)算：

2　孔隙水壓力消散試驗(yàn)法

當(dāng)土體在受壓時(shí)，將發(fā)生變形，而土體的變形主要是通過(guò)土體中孔隙的減少。相對(duì)于飽和土體而言，土體中的孔隙減少實(shí)質(zhì)是土中孔隙水的排出，土體中孔隙水的排出過(guò)程，即為土的固結(jié)過(guò)程。該項(xiàng)試驗(yàn)主要通過(guò)孔隙水壓力消散的過(guò)程，結(jié)合相關(guān)公式，計(jì)算出相應(yīng)土體的固結(jié)系數(shù)。

孔隙水壓力消散試驗(yàn)采用三軸試驗(yàn)儀，三軸試驗(yàn)儀配有孔壓傳感器和排水傳感器（傳感器精度滿足誤差小于、等于0.5%）。試驗(yàn)中飽和土試樣在周圍壓力作用下（受力條件見(jiàn)圖3所示），產(chǎn)生一定孔隙水壓力，孔隙水壓力相關(guān)系數(shù)（B）大于95%開(kāi)始排水，在排水過(guò)程中，各級(jí)壓力下產(chǎn)生的消散系數(shù)C′V，即為土體相應(yīng)壓力下的固結(jié)系數(shù)。相關(guān)的試驗(yàn)操作方法見(jiàn)水利部土工試驗(yàn)規(guī)程（SL237-1999）。計(jì)算方法見(jiàn)下式：

圖2　固結(jié)度曲線圖

圖3受力條件示意圖

任一時(shí)間t后的孔隙壓力消散百分?jǐn)?shù)：

式中：ui、ut——分別為起始及tmin后不排水端的孔隙壓力值，kPa。

各向等壓力下任一消散度的消散系數(shù)：

式中：t——散時(shí)間（達(dá)任意消散度所需的時(shí)間），min；

Tv——任一消散度的時(shí)間因數(shù)；

60——秒與分的換算系數(shù)；

式中：

AC——試樣固結(jié)后的斷面面積，cm2；

ΔV——試樣固結(jié)后與固結(jié)前的體積變化，

cm3（排水體積）；

V0、A0——試樣的初始體積，cm3、初始面積，cm2。

孔隙壓力消散百分?jǐn)?shù)（Dc）與時(shí)間因數(shù)（Tv）關(guān)系見(jiàn)圖4所示，對(duì)任一消散度下的時(shí)間因數(shù)可采用內(nèi)差法取值。

圖4　Dc與Tv關(guān)系曲線圖

通過(guò)上面公式可以看出，根據(jù)孔隙水壓力消散試驗(yàn)測(cè)得的固結(jié)系數(shù)是由計(jì)算而得，人為影響因素較小。

3　兩種試驗(yàn)方法比較

在固結(jié)儀法和孔隙水壓力消散試驗(yàn)法中，其實(shí)質(zhì)都是孔隙水從土體中排出的過(guò)程，所以對(duì)土體中飽和度要求較高。試驗(yàn)過(guò)程中土體的均勻程度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)影響很大。由于孔隙水消散試驗(yàn)的應(yīng)用還處于探索階段，相關(guān)技術(shù)還不是很成熟，為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和兩種試驗(yàn)方法的可比性，此次試驗(yàn)采用土質(zhì)較為均勻的上海地區(qū)④層飽和軟粘土作為研究對(duì)象。通過(guò)對(duì)20組試樣進(jìn)行試驗(yàn)，兩種方法試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比見(jiàn)表1所列。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較：通過(guò)兩種試驗(yàn)方法的比較可以看出，在各項(xiàng)物理指標(biāo)都比較接近的情況下，相同壓力下固結(jié)儀法測(cè)得的固結(jié)系數(shù)比孔隙水壓力消散試驗(yàn)法所測(cè)得固結(jié)系數(shù)偏小。數(shù)據(jù)差異原因分析如下：

（1）排水條件不同。固結(jié)試驗(yàn)法排水條件為豎向雙面排水，而孔隙水消散法受儀器的限制為單向排水，排水條件的差異勢(shì)必對(duì)土體固結(jié)系數(shù)產(chǎn)生影響。

（2）受力條件不同。固結(jié)儀法依據(jù)太沙基單向固結(jié)理論，受力方向?yàn)樨Q直方向，土體只沿豎向變形，側(cè)向不發(fā)生變形；孔隙水壓力消散試驗(yàn)為各向等壓，土體在受壓過(guò)程中產(chǎn)生整體變形。

（3）計(jì)算方式不同。固結(jié)試驗(yàn)法主要通過(guò)作圖法求得，而目前廣泛采用的時(shí)間平方根法和時(shí)間對(duì)數(shù)法，只能通過(guò)t90和t50計(jì)算固結(jié)系數(shù)；而孔隙水消散試驗(yàn)通過(guò)所測(cè)數(shù)據(jù)直接使用相關(guān)公式計(jì)算，求得任一消散度下的固結(jié)系數(shù)。

表1　兩種方法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比表

4　結(jié)論

從試驗(yàn)條件來(lái)看，孔隙水壓力消散試驗(yàn)的受力條件更接近于土體在施工中的實(shí)際受力條件，固結(jié)程度相對(duì)較好，所得數(shù)據(jù)更精確，在計(jì)算方式上采用公式計(jì)算人為因素較小。但從試驗(yàn)操作步驟來(lái)看，孔隙水消散試驗(yàn)法要求試驗(yàn)人員應(yīng)具有相當(dāng)高技術(shù)操作能力，而固結(jié)試驗(yàn)法操作起來(lái)比較簡(jiǎn)單，試驗(yàn)周期相對(duì)也較短。目前工程設(shè)計(jì)中大多采用固結(jié)儀法測(cè)定的固結(jié)系數(shù)參數(shù)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員容易接受，而孔隙水消散法還處在理論運(yùn)用階段，積累經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少。總體來(lái)講孔隙水壓力消散法在試驗(yàn)精度上更接近于真實(shí)值，適用于更精確的沉降計(jì)算；固結(jié)儀法試驗(yàn)程序相對(duì)簡(jiǎn)單適合大規(guī)模的常規(guī)計(jì)算。在建筑對(duì)沉降要求較高時(shí)，能滿足工期的情況下，孔隙水消散法測(cè)固結(jié)系數(shù)還是可行的。

由于該項(xiàng)試驗(yàn)尚在探索中，研究過(guò)程中為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)中所采用土層為均質(zhì)類粘性土，存在一定的局限性，在工程中涉及的其他非均質(zhì)土還有待進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

U432

A

1009-7716（2015）01-0156-03

2014-08-13

李雄飛（1983-），男，四川廣安人，工程師，從事巖土工程檢測(cè)工作。