論土的固結(jié)試驗方法及其原理和應(yīng)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(jié)。

固結(jié)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(jié)儀內(nèi)，并在不同荷載和側(cè)限的條件下測定其壓縮變形。

2 試驗?zāi)康?/h2>

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(jié)系數(shù)、先期固結(jié)壓力等固結(jié)試驗指標(biāo)，可用來分析、判別土的固結(jié)特性和天然土層的固結(jié)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(jié)試驗一般可選擇標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗和快速固結(jié)試驗2 種方法。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗

標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)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(yīng)大于上覆土層的計算壓力100～200 kPa）固結(jié)24 h 或每小時固結(jié)變形≤0.01 mm作為相對固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)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(jié)的試驗方法。該實驗方法以荷重下固結(jié)1 h 作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，最后一級穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時固結(jié)變形≤0.01 mm，并最終以等比例綜合固結(jié)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(shè)備

儀器設(shè)備一般有杠桿式固結(jié)儀、磅秤式固結(jié)儀、氣壓式固結(jié)儀、液壓式固結(jié)儀等。垂直變形測量設(shè)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(jié)穩(wěn)定后的孔隙比

計算各級壓力固結(jié)穩(wěn)定后的孔隙比見式（2）：

式中，ei為壓力pi時固結(jié)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(jié)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(yīng)大于或等于400 kPa，標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)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(jié)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(jié)試驗一定要選擇滿足試驗壓力的固結(jié)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(yīng)在估計的先期固結(jié)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(yù)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(biāo)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(jié)儀，按標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗方法測先期固結(jié)壓力和回彈指數(shù)等參數(shù)。

6.1 固結(jié)系數(shù)的測定

固結(jié)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(guān)系，通過測定沉降速率，求出t90（試樣達到固結(jié)度90%的時間），計算某級壓力下的CV（為垂直固結(jié)系數(shù)）及CH（水平固結(jié)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(jié)系數(shù)）。固結(jié)系數(shù)又分水平固結(jié)和垂直固結(jié)系數(shù)（主要在于排水方向不同），對于層理構(gòu)造明顯的軟土（如淤泥和砂石互層）需測定水平方向的固結(jié)系數(shù)CH，但測定時須備有水平向固結(jié)的徑向多孔環(huán)刀，環(huán)的內(nèi)壁與土樣之間應(yīng)貼有濾紙，水平向固結(jié)壓力可按垂直向固結(jié)壓力乘以靜止側(cè)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(jié)系數(shù)計算見式（6）、水平固結(jié)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(jié)系數(shù)，cm2/s；CH為水平固結(jié)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(jié)度90%的時間，s。

6.2 先期固結(jié)壓力的確定

土的先期固結(jié)壓力是反映地質(zhì)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(jié)壓力測定試驗的最后一級荷重，應(yīng)大于估算先期固結(jié)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(jié)24 h 或每小時變形≤0.01 mm 作為相對固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，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(zhuǎn)折點，在此點之前，當(dāng)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(yīng)的應(yīng)力通常稱為先期固結(jié)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(yīng)用

在設(shè)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(jié)試驗的一些參數(shù)就是為計算沉降而服務(wù)的。在應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)需進行沉降歷時關(guān)系分析時，即計算某時刻的沉降量應(yīng)用固結(jié)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(jié)系數(shù)[1]。

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

4）當(dāng)考慮深基坑開挖卸荷和再加荷影響時應(yīng)進行回彈試驗，其壓力的施加應(yīng)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?？紤]地基土?xí)a(chǎn)生蠕變可用次固結(jié)指數(shù)Ca計算建筑物地基由于次固結(jié)產(chǎn)生的地基沉降。

8 結(jié)語

土的壓縮性，實質(zhì)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(jié)構(gòu)特征和構(gòu)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(zhì)、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(jié)試驗的結(jié)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(jié)試驗應(yīng)盡量模擬實際情況，采用的加荷速度和增荷率應(yīng)視土的軟硬程度和工程施工速度來決定。