固結(jié)試驗(yàn)d 文檔

1、固結(jié)（壓縮）實(shí)驗(yàn)（一）、基本原理1土的壓縮性土在外荷載的作用下，其孔隙間的水和空氣逐漸被擠出，土的骨架顆粒之間相互擠緊，封閉氣泡的體積也將縮小，從而引起土層的壓縮變形，土在外力作用下體積縮小的這種特性，稱為土的壓縮性。土的壓縮性主要有兩個特點(diǎn)：土的壓縮主要是由于土中孔隙體積的減少而引起的。對于飽和土而言，土是由固體顆粒和水組成的，在工程上一般的壓力作用下（600kPa），固體顆粒和水本身體積壓縮量都非常微小，可不予考慮，但由于土中的水具有流動性，在外力作用下會沿著土中孔隙排出，從而引起土的體積減少而發(fā)生壓縮；由于孔隙水的排出而引起的壓縮對于飽和粘性土來說是需要一定時間的，土的壓縮隨時間增長的過

2、程稱為土的固結(jié)。2土的壓縮曲線及有關(guān)指標(biāo)圖1-3 固結(jié)實(shí)驗(yàn)土樣孔隙比的變化固結(jié)試驗(yàn)（亦稱壓縮試驗(yàn)）是研究土的壓縮性的最基本的方法。固結(jié)試驗(yàn)就是將天然狀態(tài)下的原狀土或人工制備的擾動土，制備成一定規(guī)格的土樣，然后將土樣置于固結(jié)儀容器內(nèi)，逐級施加荷載，測定試樣在側(cè)限與軸向排水條件下壓縮變形，變形和壓力的關(guān)系，孔隙比和壓力的關(guān)系，變形和時間的關(guān)系，以便計算土的壓縮系數(shù)、壓縮模量、體積壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、豎向固結(jié)系數(shù)以及原狀土的先期固結(jié)壓力等。如圖1-3所示，設(shè)土樣的初始高度為H0，初始孔隙比為e0，在荷載荷載P作用下，土樣穩(wěn)定后的總壓縮量為H，假設(shè)土粒體積Vs=1，（不變），根據(jù)土的孔隙比的

3、定義e=Vv/Vs，則受壓前后土的孔隙體積Vv分別為e0和e，因?yàn)槭軌呵昂笸亮ｓw積不變，且土樣橫截面積不變，所有受壓前后試樣中土粒所占的高度不變，因此，根據(jù)荷載作用下土樣壓縮穩(wěn)定后的總壓縮量H，即可得到相應(yīng)的孔隙比e的計算公式： (1-1)于是有： (1-2)式中，其中為土粒比重，為土樣的初始含水量，為土樣的初始密度，為水的密度。如此，根據(jù)式(1-2)各級荷載P下對應(yīng)的孔隙比e，從而可繪制出土的e-P曲線及e-lgP曲線等。（1）e-P曲線及有關(guān)指標(biāo)通常將由固結(jié)試驗(yàn)得到的e-P關(guān)系，采用普通直角坐標(biāo)系繪制成如圖所示的e-P曲線。壓縮系數(shù) 圖1-4 土的壓縮曲線從圖1-4可以看出，由于軟土的壓縮

4、性大，當(dāng)發(fā)生壓力變化P時，則相應(yīng)的孔隙比的變化e也大，因而曲線就比較陡；反之，像密實(shí)砂土的壓縮性小，當(dāng)發(fā)生相同壓力P變化時，相應(yīng)的孔隙比的變化e就小，因而曲線比較平緩，因此，土的壓縮性的大小可用e-P曲線斜率來反映。如圖1-5所示，設(shè)壓力由P1增加到P2，相應(yīng)的孔隙比由e1增加到e2，當(dāng)壓力變化范圍不大時，可將該壓力范圍的曲線用割線來代替，并用割線的斜率來表示土在這一段壓力范圍的壓縮性，即： (1-3)式中，為土的壓縮系數(shù)（Mpa-1）,壓縮系數(shù)越大，土的壓縮性愈高。圖1-5 由壓縮曲線確定壓縮指標(biāo) 從圖1-5中還可以看出，壓縮系數(shù)值與土所受的荷載大小有關(guān)。為了便于比較，一般采用壓力間隔P1=

5、100kPa至P2=200kPa時對應(yīng)的壓縮系數(shù)1-2l來評價土的壓縮性。壓縮模量Es圖1-6 側(cè)限條件下土樣高度變化 與孔隙比變化的關(guān)系由e-P曲線，還可以得到另一個重要的壓縮指標(biāo)壓縮模量，用Es來表示。其定義為土在完全側(cè)限的條件下，豎向應(yīng)力增量P（從P1增至P2）與相應(yīng)的應(yīng)變增量的比值由圖1-6可以得到： (1-4)式中，Es為壓縮模量（Mpa）。在無側(cè)向變形，即橫截面積保持不變的條件下，土樣高度的變化H可用相應(yīng)的孔隙比的變化來表示： (1-5)得到 (1-6)將式(1-6)代入式(1-5)得： (1-7)同壓縮系數(shù)一樣，壓縮模量Es也不是常數(shù)，而是隨著壓力的變化而變化。顯然，在壓力小的時

6、候，壓縮系數(shù)大，壓縮模量Es?。辉趬毫Υ蟮臅r候，壓縮系數(shù)小，壓縮模量Es大。在工程上，一般用壓力間隔P1=100kPa至P2=200kPa時對應(yīng)的壓縮模量Es1-2；也可根據(jù)實(shí)際豎向應(yīng)力的大小，在壓縮曲線上取相應(yīng)的值計算壓縮模量。2土的回彈曲線和再壓縮曲線當(dāng)土體加壓到某一荷載值P1(相應(yīng)于圖1-7a中曲線上的b點(diǎn))后不再加壓，逐級進(jìn)行卸載直至零，并且測得各卸荷等級下土樣回彈穩(wěn)定后的高度，進(jìn)而換算得到相應(yīng)的孔隙比，即可繪制出卸荷階段的關(guān)系曲線，如圖中的bc曲線所示，稱為回彈曲線（或膨脹曲線）。從圖中還可以看出，回彈曲線不與初始加載的曲線ab重合，當(dāng)卸載至零時，土樣的孔隙比沒有恢復(fù)到初始應(yīng)力為零時

7、的孔隙比e0。這就顯示了土殘留了一部分壓縮變形，稱之為殘余變形，但也恢復(fù)了一部分壓縮變形，稱之為彈性變形。圖1-7 土的回彈再壓縮曲線若對土樣重新逐級加壓，則可得到土樣各級荷載作用下再壓縮穩(wěn)定后的孔隙比，相應(yīng)地可繪制出再壓縮曲線，如圖1-7a中的cdf曲線所示?？梢园l(fā)現(xiàn)其中的df段象是ab段的延續(xù)，猶如期間沒有經(jīng)過卸荷和再壓縮的過程一樣。3e-lgP曲線及有關(guān)指標(biāo)當(dāng)采用半對數(shù)的直角坐標(biāo)來繪制固結(jié)實(shí)驗(yàn)e-P關(guān)系時，就得到了e-lgP曲線（如圖1-7b），可以看到，在壓力較大部分，e-lgP關(guān)系接近直線，這是這種表示方法區(qū)別于e-lgP曲線的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它通常用來整理有特殊要求的實(shí)驗(yàn)，如先期固結(jié)壓

8、力的確定，同樣，圖1-7a中的回彈再壓縮曲線也可繪制成e-lgP曲線（如圖1-7b）。（1）壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)將圖1-5b中e-lgP曲線直線段的斜率用Cc來表示，稱為是指數(shù)，無量綱，如下式所示： (1-8)壓縮指數(shù)Cc與壓縮系數(shù)不同，值隨壓力變化而變化，而Cc值在壓力較大時為常數(shù)，不隨壓力變化而變化，Cc值越大，土的壓縮性則越高。（2）先期固結(jié)壓力土層歷史上所曾經(jīng)承受過的最大固結(jié)壓力稱為先期固結(jié)壓力，也就是土體在固結(jié)過程中所受的最大有效應(yīng)力，用PC來表示，先期固結(jié)壓力是一個非常有用的量和概念，是了解土層應(yīng)力歷史的重要指標(biāo)。通過先期固結(jié)壓力PC與土層的自重應(yīng)力（即自重作用下固結(jié)穩(wěn)定的有效豎向應(yīng)

9、力）狀態(tài)的比較，可將天然土層劃分為正常固結(jié)土、超固結(jié)土和欠固結(jié)土三類固結(jié)狀態(tài)，并用超固結(jié)比OCR=Pc/Po去判別：如果土層的自重應(yīng)力Po等于先期固結(jié)壓力Pc，也就是說土自重應(yīng)力就是該土層歷史上受過的最大有效應(yīng)力，這種土稱為正常固結(jié)土，則OCR=1。如果土層的自重應(yīng)力Po小于先期固結(jié)壓力Pc，也就是說該土層歷史上受過的最大的有效壓力大于自重應(yīng)力，這種土稱為超固結(jié)土，如覆蓋的土層由于被剝蝕等原因，使得原來長期存在于土層中的豎向有效應(yīng)力減小了，則OCR>1。如果土層的先期固結(jié)壓力Pc小于土層的自重應(yīng)力Po，也就是說該土層在自重作用下的固結(jié)尚未完成，這種土稱為欠固結(jié)土，如新近沉積粘性土、人工填

10、土等，由于沉積的時間短，在自重作用下還沒有完全固結(jié)，則OCR<1。（二）、實(shí)驗(yàn)方法1標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)：就是將天然狀態(tài)下的原狀土或人工制備的擾動土，制備成一定規(guī)格的土樣，然后在側(cè)限與軸向排水條件下測定土在不同荷載下的壓縮變形，且試樣在每級壓力下的固結(jié)穩(wěn)定時間均為24h。2快速固結(jié)試驗(yàn)：規(guī)定試樣在各級壓力下的固結(jié)時間為1小時，僅在最后一級壓力下除測記1小時的量表讀數(shù)外，還應(yīng)測讀達(dá)壓縮穩(wěn)定時的量表讀數(shù)。3應(yīng)變控制連續(xù)加荷固結(jié)試驗(yàn)：是試樣在側(cè)限和軸向排水條件下，采用應(yīng)變速率控制方法在試樣上連續(xù)加荷，并測定試樣的固結(jié)量和固結(jié)速率以及底部孔隙水壓力。這里只介紹標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)。（三）、儀器設(shè)備 1杠桿加壓式

11、雙聯(lián)固結(jié)儀：包括固結(jié)容器（如圖3所示）和加荷設(shè)備。2百分表：量距10mm，精度0.01mm；3天平：稱量200g，感量0.01g；4其它：秒表、環(huán)刀、切土刀、鋼絲鋸、烘干箱、鋁盒、濾紙、圓玻璃片、凡士林等。（四）、操作步驟圖1-8 固結(jié)容器示意圖1-水槽 2-護(hù)環(huán) 3-環(huán)刀 4-加壓上蓋5-透水石 6-量表導(dǎo)桿 7-量表架 8-試樣1根據(jù)工程需要，選擇面積為30cm2或50cm2的環(huán)刀，切取原狀土試樣或制備給定密度與含水量的擾動土樣。切土的方法同密度試驗(yàn)，注意切取原狀土樣時，切土的方向應(yīng)和天然狀態(tài)時垂直方向一致。 2測定試樣的密度并在余土中取代表性土樣測定其含水量。對于需要飽和的試樣，應(yīng)按規(guī)范

12、規(guī)定的方法將試樣進(jìn)行抽氣飽和。3在固結(jié)容器內(nèi)依次放置透水石、護(hù)環(huán)、薄濾紙，將帶有試樣的環(huán)刀（刀口向下），小心裝入護(hù)環(huán)內(nèi)，然后在環(huán)刀上放置導(dǎo)環(huán)，在試樣上放薄濾紙、透水石和加壓蓋板以及定向鋼珠。4將裝有土樣的固結(jié)容器置于加壓框架下，對準(zhǔn)加壓框架的正中，調(diào)節(jié)杠桿的平衡，安裝豎向變形量表，量表的位置應(yīng)和定向鋼珠上下對齊。 5施加1kPa的預(yù)壓壓力，使試樣與儀器上下各部分之間接觸良好，然后調(diào)整量表，使指針讀數(shù)為零。6根據(jù)工程需要確定加壓等級、測定項(xiàng)目以及試驗(yàn)方法。加壓等級一般為12.5、25.0、50.0、100、200、400、800、1600、3200kPa。第一級壓力的大小視土的軟硬程度，分別采用

13、12.5kPa，25kPa或50kPa；最后一級壓力應(yīng)大于土層的自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和，或大于上覆土層的計算壓力100200kPa，但最大壓力不應(yīng)小于400kPa。7當(dāng)需要測定原狀土的先期固結(jié)壓力時，初始段的荷重率應(yīng)小于1，可采用0.5或0.25，最后一級壓力應(yīng)使測得的曲線下段出現(xiàn)直線段。對于超固結(jié)土，應(yīng)采用卸壓再加壓方法來評價其再壓縮特性。8當(dāng)需要做回彈試驗(yàn)時，回彈荷重可由超過自重應(yīng)力或超過先期固結(jié)壓力的下一級荷重依次卸壓至25kPa，然后再依次加荷，一直加到最后一級荷重為止。卸壓后的回彈穩(wěn)定與加壓相同，即每次卸壓后24h測定試樣的回彈量。但對于再加荷時間因考慮到固結(jié)已完成，穩(wěn)定較快，因此可

14、采用12h或更短的時間。9如系飽和試樣，則在施加第1級壓力后，立即向固結(jié)儀容器的水槽中注水浸沒試樣。如系非飽和試樣，則不必向水槽中注水，須用濕棉紗或濕海綿圍住加壓蓋板四周，避免水分蒸發(fā)。10當(dāng)需要預(yù)估建筑物對于時間與沉降的關(guān)系，需要測定豎向固結(jié)系數(shù)，或?qū)τ趯永順?gòu)造明顯的軟土需測定水平向固結(jié)系數(shù)時，應(yīng)在某一級荷重下測定時間與試樣高度的變化關(guān)系。讀數(shù)時間為6s，15s，1min，2.25min，4min，6.25min，9min，12.25min，16min，20.25min，25min，30.25min，36min，42.25min，49min，64min，100min，200min，400mi

15、n，23h，24h，直至穩(wěn)定為止。當(dāng)測定時，需具備水平向固結(jié)的徑向多孔環(huán)，環(huán)的內(nèi)壁與土樣之間應(yīng)貼有濾紙。 11當(dāng)不需要測定沉降速率時，則施加每級壓力后24小時測定試樣高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。只需測定壓縮系數(shù)的試樣，以試樣每小時變形小于0.01mm為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，測記穩(wěn)定讀數(shù)后，再施加第2級壓力。依次逐級加壓至試驗(yàn)結(jié)束。 12實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)先排除固結(jié)容器內(nèi)的水，迅速拆除儀器部件，取出帶環(huán)刀的試樣。（如系飽和試樣，則用干濾紙吸去試樣兩端表面上的水），取出試樣，測定試驗(yàn)后的密度和含水量。（五）成果整理 1按下式計算試樣的初始孔隙比 (1-9)式中：試樣初始密度， g/cm3； 試樣的初始含水量， %； 試樣初始孔隙比； 土粒比重； 水的密度， g/cm3。1 按下式計算各級壓力下固結(jié)穩(wěn)定后的孔隙比 (1