固结试验d 文档

1、固结（压缩）实验（一）、基本原理1土的压缩性土在外荷载的作用下，其孔隙间的水和空气逐渐被挤出，土的骨架颗粒之间相互挤紧，封闭气泡的体积也将缩小，从而引起土层的压缩变形，土在外力作用下体积缩小的这种特性，称为土的压缩性。土的压缩性主要有两个特点：土的压缩主要是由于土中孔隙体积的减少而引起的。对于饱和土而言，土是由固体颗粒和水组成的，在工程上一般的压力作用下（600kPa），固体颗粒和水本身体积压缩量都非常微小，可不予考虑，但由于土中的水具有流动性，在外力作用下会沿着土中孔隙排出，从而引起土的体积减少而发生压缩；由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘性土来说是需要一定时间的，土的压缩随时间增长的过

2、程称为土的固结。2土的压缩曲线及有关指标图1-3 固结实验土样孔隙比的变化固结试验（亦称压缩试验）是研究土的压缩性的最基本的方法。固结试验就是将天然状态下的原状土或人工制备的扰动土，制备成一定规格的土样，然后将土样置于固结仪容器内，逐级施加荷载，测定试样在侧限与轴向排水条件下压缩变形，变形和压力的关系，孔隙比和压力的关系，变形和时间的关系，以便计算土的压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、压缩指数、回弹指数、竖向固结系数以及原状土的先期固结压力等。如图1-3所示，设土样的初始高度为H0，初始孔隙比为e0，在荷载荷载P作用下，土样稳定后的总压缩量为H，假设土粒体积Vs=1，（不变），根据土的孔隙比的

3、定义e=Vv/Vs，则受压前后土的孔隙体积Vv分别为e0和e，因为受压前后土粒体积不变，且土样横截面积不变，所有受压前后试样中土粒所占的高度不变，因此，根据荷载作用下土样压缩稳定后的总压缩量H，即可得到相应的孔隙比e的计算公式： (1-1)于是有： (1-2)式中，其中为土粒比重，为土样的初始含水量，为土样的初始密度，为水的密度。如此，根据式(1-2)各级荷载P下对应的孔隙比e，从而可绘制出土的e-P曲线及e-lgP曲线等。（1）e-P曲线及有关指标通常将由固结试验得到的e-P关系，采用普通直角坐标系绘制成如图所示的e-P曲线。压缩系数 图1-4 土的压缩曲线从图1-4可以看出，由于软土的压缩

4、性大，当发生压力变化P时，则相应的孔隙比的变化e也大，因而曲线就比较陡；反之，像密实砂土的压缩性小，当发生相同压力P变化时，相应的孔隙比的变化e就小，因而曲线比较平缓，因此，土的压缩性的大小可用e-P曲线斜率来反映。如图1-5所示，设压力由P1增加到P2，相应的孔隙比由e1增加到e2，当压力变化范围不大时，可将该压力范围的曲线用割线来代替，并用割线的斜率来表示土在这一段压力范围的压缩性，即： (1-3)式中，为土的压缩系数（Mpa-1）,压缩系数越大，土的压缩性愈高。图1-5 由压缩曲线确定压缩指标 从图1-5中还可以看出，压缩系数值与土所受的荷载大小有关。为了便于比较，一般采用压力间隔P1=

5、100kPa至P2=200kPa时对应的压缩系数1-2l来评价土的压缩性。压缩模量Es图1-6 侧限条件下土样高度变化 与孔隙比变化的关系由e-P曲线，还可以得到另一个重要的压缩指标压缩模量，用Es来表示。其定义为土在完全侧限的条件下，竖向应力增量P（从P1增至P2）与相应的应变增量的比值由图1-6可以得到： (1-4)式中，Es为压缩模量（Mpa）。在无侧向变形，即横截面积保持不变的条件下，土样高度的变化H可用相应的孔隙比的变化来表示： (1-5)得到 (1-6)将式(1-6)代入式(1-5)得： (1-7)同压缩系数一样，压缩模量Es也不是常数，而是随着压力的变化而变化。显然，在压力小的时

6、候，压缩系数大，压缩模量Es小；在压力大的时候，压缩系数小，压缩模量Es大。在工程上，一般用压力间隔P1=100kPa至P2=200kPa时对应的压缩模量Es1-2；也可根据实际竖向应力的大小，在压缩曲线上取相应的值计算压缩模量。2土的回弹曲线和再压缩曲线当土体加压到某一荷载值P1(相应于图1-7a中曲线上的b点)后不再加压，逐级进行卸载直至零，并且测得各卸荷等级下土样回弹稳定后的高度，进而换算得到相应的孔隙比，即可绘制出卸荷阶段的关系曲线，如图中的bc曲线所示，称为回弹曲线（或膨胀曲线）。从图中还可以看出，回弹曲线不与初始加载的曲线ab重合，当卸载至零时，土样的孔隙比没有恢复到初始应力为零时

7、的孔隙比e0。这就显示了土残留了一部分压缩变形，称之为残余变形，但也恢复了一部分压缩变形，称之为弹性变形。图1-7 土的回弹再压缩曲线若对土样重新逐级加压，则可得到土样各级荷载作用下再压缩稳定后的孔隙比，相应地可绘制出再压缩曲线，如图1-7a中的cdf曲线所示。可以发现其中的df段象是ab段的延续，犹如期间没有经过卸荷和再压缩的过程一样。3e-lgP曲线及有关指标当采用半对数的直角坐标来绘制固结实验e-P关系时，就得到了e-lgP曲线（如图1-7b），可以看到，在压力较大部分，e-lgP关系接近直线，这是这种表示方法区别于e-lgP曲线的独特的优点。它通常用来整理有特殊要求的实验，如先期固结压

8、力的确定，同样，图1-7a中的回弹再压缩曲线也可绘制成e-lgP曲线（如图1-7b）。（1）压缩指数和回弹指数将图1-5b中e-lgP曲线直线段的斜率用Cc来表示，称为是指数，无量纲，如下式所示： (1-8)压缩指数Cc与压缩系数不同，值随压力变化而变化，而Cc值在压力较大时为常数，不随压力变化而变化，Cc值越大，土的压缩性则越高。（2）先期固结压力土层历史上所曾经承受过的最大固结压力称为先期固结压力，也就是土体在固结过程中所受的最大有效应力，用PC来表示，先期固结压力是一个非常有用的量和概念，是了解土层应力历史的重要指标。通过先期固结压力PC与土层的自重应力（即自重作用下固结稳定的有效竖向应

9、力）状态的比较，可将天然土层划分为正常固结土、超固结土和欠固结土三类固结状态，并用超固结比OCR=Pc/Po去判别：如果土层的自重应力Po等于先期固结压力Pc，也就是说土自重应力就是该土层历史上受过的最大有效应力，这种土称为正常固结土，则OCR=1。如果土层的自重应力Po小于先期固结压力Pc，也就是说该土层历史上受过的最大的有效压力大于自重应力，这种土称为超固结土，如覆盖的土层由于被剥蚀等原因，使得原来长期存在于土层中的竖向有效应力减小了，则OCR>1。如果土层的先期固结压力Pc小于土层的自重应力Po，也就是说该土层在自重作用下的固结尚未完成，这种土称为欠固结土，如新近沉积粘性土、人工填

10、土等，由于沉积的时间短，在自重作用下还没有完全固结，则OCR<1。（二）、实验方法1标准固结试验：就是将天然状态下的原状土或人工制备的扰动土，制备成一定规格的土样，然后在侧限与轴向排水条件下测定土在不同荷载下的压缩变形，且试样在每级压力下的固结稳定时间均为24h。2快速固结试验：规定试样在各级压力下的固结时间为1小时，仅在最后一级压力下除测记1小时的量表读数外，还应测读达压缩稳定时的量表读数。3应变控制连续加荷固结试验：是试样在侧限和轴向排水条件下，采用应变速率控制方法在试样上连续加荷，并测定试样的固结量和固结速率以及底部孔隙水压力。这里只介绍标准固结试验。（三）、仪器设备 1杠杆加压式

11、双联固结仪：包括固结容器（如图3所示）和加荷设备。2百分表：量距10mm，精度0.01mm；3天平：称量200g，感量0.01g；4其它：秒表、环刀、切土刀、钢丝锯、烘干箱、铝盒、滤纸、圆玻璃片、凡士林等。（四）、操作步骤图1-8 固结容器示意图1-水槽 2-护环 3-环刀 4-加压上盖5-透水石 6-量表导杆 7-量表架 8-试样1根据工程需要，选择面积为30cm2或50cm2的环刀，切取原状土试样或制备给定密度与含水量的扰动土样。切土的方法同密度试验，注意切取原状土样时，切土的方向应和天然状态时垂直方向一致。 2测定试样的密度并在余土中取代表性土样测定其含水量。对于需要饱和的试样，应按规范

12、规定的方法将试样进行抽气饱和。3在固结容器内依次放置透水石、护环、薄滤纸，将带有试样的环刀（刀口向下），小心装入护环内，然后在环刀上放置导环，在试样上放薄滤纸、透水石和加压盖板以及定向钢珠。4将装有土样的固结容器置于加压框架下，对准加压框架的正中，调节杠杆的平衡，安装竖向变形量表，量表的位置应和定向钢珠上下对齐。 5施加1kPa的预压压力，使试样与仪器上下各部分之间接触良好，然后调整量表，使指针读数为零。6根据工程需要确定加压等级、测定项目以及试验方法。加压等级一般为12.5、25.0、50.0、100、200、400、800、1600、3200kPa。第一级压力的大小视土的软硬程度，分别采用

13、12.5kPa，25kPa或50kPa；最后一级压力应大于土层的自重应力与附加应力之和，或大于上覆土层的计算压力100200kPa，但最大压力不应小于400kPa。7当需要测定原状土的先期固结压力时，初始段的荷重率应小于1，可采用0.5或0.25，最后一级压力应使测得的曲线下段出现直线段。对于超固结土，应采用卸压再加压方法来评价其再压缩特性。8当需要做回弹试验时，回弹荷重可由超过自重应力或超过先期固结压力的下一级荷重依次卸压至25kPa，然后再依次加荷，一直加到最后一级荷重为止。卸压后的回弹稳定与加压相同，即每次卸压后24h测定试样的回弹量。但对于再加荷时间因考虑到固结已完成，稳定较快，因此可

14、采用12h或更短的时间。9如系饱和试样，则在施加第1级压力后，立即向固结仪容器的水槽中注水浸没试样。如系非饱和试样，则不必向水槽中注水，须用湿棉纱或湿海绵围住加压盖板四周，避免水分蒸发。10当需要预估建筑物对于时间与沉降的关系，需要测定竖向固结系数，或对于层理构造明显的软土需测定水平向固结系数时，应在某一级荷重下测定时间与试样高度的变化关系。读数时间为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，直至稳定为止。当测定时，需具备水平向固结的径向多孔环，环的内壁与土样之间应贴有滤纸。 11当不需要测定沉降速率时，则施加每级压力后24小时测定试样高度变化作为稳定标准。只需测定压缩系数的试样，以试样每小时变形小于0.01mm为稳定标准，测记稳定读数后，再施加第2级压力。依次逐级加压至试验结束。 12实验结束后，应先排除固结容器内的水，迅速拆除仪器部件，取出带环刀的试样。（如系饱和试样，则用干滤纸吸去试样两端表面上的水），取出试样，测定试验后的密度和含水量。（五）成果整理 1按下式计算试样的初始孔隙比 (1-9)式中：试样初始密度， g/cm3； 试样的初始含水量， %； 试样初始孔隙比； 土粒比重； 水的密度， g/cm3。1 按下式计算各级压力下固结稳定后的孔隙比 (1