快速固結法測定固結系數(shù)的試驗研究

陳素俠，王 楠，孟令福，胡相波（.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300； .中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300）

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快速固結法測定固結系數(shù)的試驗研究

陳素俠1，王 楠1，孟令福1，胡相波2
（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222； 2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

摘要：本文以鲅魚圈地區(qū)粘性土為研究對象，進行了2 h快速固結試驗和24 h標準固結試驗，對兩種試驗所得的數(shù)據(jù)進行對比，經(jīng)過數(shù)據(jù)的歸納分析，發(fā)現(xiàn)兩者間具有良好的相關性，對2 h快速固結試驗所得固結數(shù)據(jù)修正可以得到24 h標準固結試驗的固結系數(shù)。提出在工程實踐中可以用2 h快速固結試驗法代替24 h標準固結試驗法，以提高固結試驗的效率。

關鍵詞：固結試驗；固結系數(shù)；2 h快速法；相關性

引 言

固結系數(shù)是固結理論的一項重要的指標，也是土力學中重要的計算參數(shù)。目前，固結系數(shù)主要通過室內標準固結試驗獲取，這種方法被普遍認為是比較可靠的方法，國家標準《土工試驗方法標準》（GB/T 50123- 1999）和水利部行業(yè)標準《土工試驗規(guī)程》（SL237—1999）都推薦使用該方法。標準固結試驗采用各級荷載下固結24 h作為穩(wěn)定標準，因而試驗持續(xù)時間較長。為了解決這一問題，近年來，許多學者都在進行快速固結試驗方法的研究，但多數(shù)僅針對少數(shù)地區(qū)，其研究結果也有差異。1990年錢炳生、莫群華［1］研究了快速固結測定固結系數(shù)的理論，對快、慢速法試驗成果進行對比，認為2 h快速試驗測定土的固結系數(shù)是可取的；1997年田岳峰［2］通過大量對比試驗，研究了固結試驗快速法的誤差，提出了快速法的適用范圍；2001年馮蓓蕾、趙玉花［3］在大量統(tǒng)計對比和相應理論分析基礎上提出了上海地區(qū)快速法固結試驗經(jīng)驗修正系數(shù)K值；2004年羅來芬［4］結合工程實際對土的固結試驗快速法壓縮系數(shù)與常規(guī)法壓縮系數(shù)進行了對比分析，并得到土的固結試驗快速法可得到與常規(guī)試驗近似的結果；2007年馬莉［5］通過工程實際對標準固結試驗與快速固結試驗兩種方法分別測到的壓縮系數(shù)進行分析，指出土的壓縮系數(shù)與試驗方法和土的性質有很大關系等。上述學者們主要從壓縮系數(shù)和壓縮模量方面對快速固結法和標準固結法進行了研究，而對固結系數(shù)方面的研究卻很少，所以，通過對快速固結法和標準固結法試驗得到的固結系數(shù)進行深入研究是有重要意義的。

本次試驗以營口鲅魚圈地區(qū)粘性土為研究對象，共選取 72個代表性土樣進行對比試驗，主要為粘土和粉質粘土，粘土的顏色主要為灰褐色、灰黃色、黃褐色等，處于可塑～硬塑狀態(tài)，部分土樣或夾少量砂斑或夾少量鐵銹斑或含有少量有機質；粉質粘土的顏色主要為灰褐色、灰黃色、黃褐色等，處于可塑～硬塑狀態(tài)，部分土樣或夾少量砂斑或夾少量鐵銹斑。其主要物理力學指標如表1所示。

1 土樣的選取

表1 土的主要物理力學指標

2 試驗儀器及方法

本次試驗采用的儀器為北京華勘科技有限責任公司生產(chǎn)的KTG-98全自動固結儀，試驗過程由電腦自動控制、直接采集信息，避免人為讀數(shù)時可能造成的誤差。所有傳感器、采集器等儀器儀表都在檢定期內。

標準固結試驗法是采用每級壓力下固結 24 h的穩(wěn)定標準；2 h快速固結試驗法（以下簡稱2 h快速法）是采用每級壓力下固結時間為 2 h，僅在最后一級壓力下，除測記 2 h的變形量外，還測記24 h達到變形穩(wěn)定的讀數(shù)。其成立的理由是，對于2 cm厚的試樣，在壓力作用下2 h的固結度一般可以達到90 %以上，可以有效縮短試驗時間。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗共選取 72個代表性土樣，在壓力級別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa下分別進行2 h快速固結試驗和24 h標準固結試驗，并分別對各壓力級別下兩種試驗得到的固結系數(shù)進行統(tǒng)計，詳見表2。表2中：Cv1為24 h標準固結系數(shù)；Cv2為2 h快速法固結系數(shù)。

表2 兩種試驗方法所得各級壓力下的固結系數(shù)的統(tǒng)計

圖1 50 kPa壓力下固結系數(shù)關系曲線

圖2 100 kPa壓力下固結系數(shù)關系曲線

圖3 200 kPa壓力下固結系數(shù)關系曲線

圖4 400 kPa壓力下固結系數(shù)關系曲線

同時，通過分別對各壓力級別下兩種試驗得到的固結系數(shù)進行分析，得到了圖1～4中兩種固結系數(shù)的線性關系。

從圖1～圖4中可以看出：

1）在相同的固結荷載下，2 h快速法得到的固結系數(shù)與 24 h標準固結試驗法得到的固結系數(shù)線性相關性很好；

2）在不同荷載下，土的兩種試驗方法下的固結系數(shù)的相關性并不相同，在50 kPa壓力下時，固結系數(shù)的相關性相比其他壓力下較小，在100 kPa壓力下時，相關性比50 kPa壓力下時的要好，相關系數(shù)也提高了，但并不是隨著壓力的增加，兩種方法的得到的固結系數(shù)的相關性也相應增高，在200 kPa 和400 kPa壓力下兩者的相關性卻降低了。其主要原因是：在50 kPa壓力下時，由于在試樣的安裝過程中，受到不同程度的人為因素影響造成的，而不同壓力下固結系數(shù)的相關性并不相同或呈現(xiàn)增長趨勢，這主要由于地基土在外荷載作用下，水和空氣逐漸被擠出，土骨架顆粒之間相互擠密，土的孔隙減小，從而引起土的壓縮變形，而土體是不均勻的，因此土的壓縮并不是線性的，從而導致土的壓縮變形是不均勻的。

4 檢驗分析

1）方差分析

考察公式中2個變量的各種方差（見表3），從表中我們可以看到 50 kPa、100 kPa、200 kPa及400 kPa壓力下其對應的F值遠遠大于置信度1-α =0.95和1-α=0.99時的臨界值，說明公式本身的線性相關性是非常顯著的，即2 h快速試驗法得到的各級壓力下的固結系數(shù)與標準 24 h試驗法得到各級壓力下的固結系數(shù)的數(shù)據(jù)之間的相關性是非常高的。

表3 公式方差分析

2）相關系數(shù)分析

經(jīng)計算， 50 kPa壓力下，公式相關系數(shù)：

r2= 0.833 8 ，|r| = 0.913 1；

100 kPa壓力下，公式相關系數(shù)：

r2= 0.919 5，|r| =0.958 9；

200 kPa壓力下，公式相關系數(shù)：

r2= 0.910 2 ，|r| = 0.954 0；

400 kPa壓力下，公式相關系數(shù)：

r2= 0.895 5 ，|r| = 0.946 3；

而置信度1-α =0.95和1-α=0.99時的相關系數(shù)臨界值 r0.01（70）≈0.30＞ r0.05（70）≈0.23，|r ＞＞ | r0.01。

所以從相關系數(shù)角度分析，各級壓力下，兩種試驗方法所得的固結系數(shù)之間的相關性是非常高。

綜上所述，我們通過2 h快速試驗法得到的固結系數(shù)與標準 24 h試驗法得到的固結系數(shù)存在良好的線性相關關系，其各級壓力下的線性回歸方程如下：

50 kPa壓力下的修正公式：

Cv1= 0.945 3Cv2 + 0.132 6

100 kPa壓力下的修正公式：

Cv1 = 1.067 7Cv2- 0.622 5

200 kPa壓力下的修正公式：

Cv1 = 0.961 1Cv2- 0.242 1

400 kPa壓力下的修正公式：

Cv1= 0.948Cv2 + 0.04

5 結 論

本試驗主要通過對營口港鲅魚圈地區(qū)的一組粘性土樣（其塑性指數(shù)在10～26之間的粉質粘土和粘土）進行研究，通過對試驗數(shù)據(jù)分析研究可以得到以下結論：

1）2 h快速固結試驗法和24 h標準固結試驗法得到的各級壓力下的固結系數(shù)有良好的線性相關性，在工程實踐中，用 2 h快速固結試驗法代替24 h標準固結試驗法用于生產(chǎn)是可行的，可以起到縮短試驗周期，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力的目的，在實際生產(chǎn)中具有實用價值。

2）由于土是非均質的，土的沉降不是隨荷載的增加呈線性增長的，所以兩種試驗方法得到的固結系數(shù)的相關性在不同壓力下并不相同也不呈線性增長趨勢。

3）本文僅對鲅魚圈地區(qū)的粘性土的固結系數(shù)進行的歸納研究，由于土具有區(qū)域性。故對其它地區(qū)的土，在使用2 h快速固結試驗法代替24 h標準固結試驗時，需先進行可行性驗證。

參考文獻：

［1］ 錢炳生，莫群歡.快速固結試驗測定土的固結系數(shù)的研究［J］.大壩觀測土與土工測試，1991.

［2］ 田岳峰.固結試驗快速法可靠性研究［J］.巖土工程技術， 1997， 3： 21-22.

［3］ 馮蓓蕾， 趙玉花.快速法固結試驗經(jīng)驗修正系數(shù)的探討［J］.上海地質， 2001， 78（2）.

［4］ 羅來芬.土的固結試驗快速法與常規(guī)法試驗結果的對比分析［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程） ， 2004， 10：201-23.

［5］ 馬莉.標準固結試驗與快速固結試驗方法的對比分析［J］.山西建筑， 2007， 33（20）： 116-117.

［6］ JTS133-2013水運工程巖土勘察規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2013

［7］ 南京水利科學研究院土工研究所.土工試驗技術手冊［M］.北京：人民交通出版社，2003

［8］ SL237-1999土工試驗規(guī)程［S］.北京：中國水利水電出版社，1999.

The Experimental Research on Rapid Consolidation Method of Scale Coefficient Consolidation

Chen Suxia1，Wang Nan1，Meng Lingfu1，Hu Xiangbo2
（1.CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China； 2.China Water Resources Beifang Investigation Design and Research Co.， Ltd.， Tianjin 300222，China）

Abstract：In this paper， clay soil from Bayuquan area was chosen for the study.2-hour rapid consolidation test and 24-hour standard consolidation test were conducted.The results of the two types of test shows that they has a good relevance.The data of 24-hour standard consolidation test can be calculated from data of 2-hour rapid consolidation test with data correction.It means in engineering practice 2-hour apid consolidation test method can be used to replace the 24-hour standard consolidation test method to improve the efficiency of consolidation tests.

Key words：standard consolidation test；coefficient of consolidation； 2-hour rapid method；correlation

中圖分類號：TU472

文獻標識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）02-0095-04

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160225

收稿日期：2015-10-26

作者簡介：陳素俠（1984-），女，工程師，主要從事港口及航道工程地質勘察和土工試驗相關工作。