试验七 固结综合试验

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1、试验七、固结综合试验一、基本原理(一) 土的压缩性土在外荷载作用下，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孔隙体积减少而引进的。对于饱和 土，土是由颗粒和水组成的，在工程上一般的压力作用下，固体颗粒和水本身的体积压缩量 都非常微小，可不予考虑，但由于土中水具有流动性，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 需要时间的，土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。(二)

2、 土的压缩曲线及有关指标 固结试验(亦称压缩试验)是研究土的压缩性的基本的方法。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，然后置于固结仪内，在不同荷载和 在完全侧限条件下测定土的压缩变形。由固结试验可得到土的压缩变形AH与荷载p之间的关系，并可进一步得到相应的孔 隙比e与荷载p之间的关系：e-p曲线或e-lgp曲线。图 7 - 1 固结试样中土样孔隙比的变化如图7-1所示，设土样的初始高度为H0，初始孔隙比为e0，在荷载p作用下，土样稳 定后的总压缩量为AH，假设土粒体积Vs=l (不变)，根据土的孔隙比的定义e=Vv/ Vs， 则受压前后土粒体积不变，且土样

3、横截面积不变，所以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AH，即可得到相应的孔隙比e的计算公 式：(7-1)H H H -AH0- = 01 + e 1 + e 1 + e于是有：e 二 e -(1 + e )(7 - 2)0 H 00G (1 + w)式中e二 p -1，其中，Gs为土粒比重，30为土样的初始含水量，p0为0pw0土样的初始密度(g/cm3),Pw为水的密度(g/cm3)。如此，根据式(7-2)即可得到各级荷载 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 曲线及有关指标图 7 - 2

4、 土的压缩曲线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 (7-2)所示的 e-p 曲线。(1) 压缩系数 a从图(7-2)可以看出，由于软粘土的压缩性大，当发生压力变化Ap时，则相应的孔隙比 的变化Ae也大，因而曲线就比较陡；反之，像密实砂土的压缩性小，当发生相同压力变化 Ap 时，相应的孔隙比的变化 Ae 就小，因而曲线比较平缓，因此，土的压缩性的大小可 用 e-p 曲线的斜量来反映。如图(7-2)所示，设压力由 p1 增至 p2 ，相应的孔隙比由 e1 减小到 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，并用割线的斜量来表示土在这一段压力 范

5、围的压缩性，即：Aee ea = tan a =1 2App p21式中，a为土的压缩系数(MPa-i)(73)，压缩系数愈大，土的压缩性愈高。M?LPlI即厂I即Ibj血“L辭肋紳确定压琳卅敖匕a) liiir丿曲缆确运用谢義数口图 7 -3 由压缩曲线确定压缩指标从图7-3a)还可以看出，压缩系数a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P=100kPa至p2=200kPa时对应的压缩系数a1-2来评价土的压缩性。(2) 压缩模量 Es由e-p曲线，还可以得到另一个压缩指标一压缩模量用Es来表示。其定义为土在完全 侧限的条件下竖向应力增量Ap与相应的应变增量A&的比值，由

6、图7-4可得到：Ap _ApAH/H(7 - 4)s式中，图 7 -4 侧限条件下土样高度变化与孔隙比变化的关系1Es 为压缩模量 (mPa) 。在无侧向变形，即横截面积不变的情况下，同样根据土粒所占高度不变的条件，土样高度的变化AH可用相应的孔隙比的变化Ae= e1 -e2 来表示：HHH - AH1+e1+e1 + e得到122AH =ee1-厂H1 + e -Ae H1 + e i1将式(7-5)代入式(7-4)得：1E -ApAp1 + eAH / H Ae /(1 + e ) 一 _a11(7 -5)(7-6)(7-7)同压缩系数 a 一样，压缩模量 Es 也不是常数，而是随着压力的

7、变化而变化。显然在压 力小的时候，压缩系数a大，压缩模量Es小；在压力大的时候，压缩系数a小，压缩模量 E大。在工程上，一般采用压力间隔lOOkPa至200kPa时对应的压缩模量E12 ；也可根 ss1-2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 pi 后不再加压，逐级进行卸载直至零，并且测得各卸载等级 下土样回弹稳定后的高度，进而换算得到相应的孔隙比，即可绘制出卸载阶段的关系曲线， 如图中 bc 曲线所示，称为回弹曲线(或膨胀曲线)。从图中还可以看到，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

8、到初始压力为零时的孔隙比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。若对土样重新逐级加压，则可测得土样在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7-5a中cdf曲线所示。可以发现其中df段象是ab段的延续， 犹如期间没有经过卸载和再压缩的过程一样。Miim图 7 -5 土的回弹-再压缩曲线3. e-lgp 曲线及有关指标当采用半对数的直角坐标来绘制固结试验关系曲线时，就得到了 e-lgp曲线(如图7-2b), 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-p曲线的独 特的优点。它通

9、常用来整理有特殊要求的试验，如先期固结压力的确定，同样，图7-5a)中 的回弹再压缩曲线也可绘制成e-lgp曲线(如图7-5b)。(1) 压缩指数、回弹指数将图7-3b)中e-lgp曲线段的斜量用Cc来表示，称为压缩指数，无量纲，如下式所示： ce - ee - eC = i 2 一厂(7 - 8)c lg p - lg p p21Igrp1压缩指数C与压缩系数a不同,a值随压力变化而变化，而C值在压力较大时为常数，CC不随压力变化而变化，C值越大，土的压缩性则越高。C卸载段和再压缩段的平均斜量(如图7-5b)称为回弹指数或再压缩指数Cc。C4. 先期固结压力土层历史上所曾经承受过的最大固结压

10、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 层应力历史的指标。通过先期回结压力pc与土层自重应力p0 (即自重作用下固结稳定的有效应力)状态的 比较，可将天然土层划分为下沉固结土、超固结土和欠固结土三类固结状态，并用超固结比 OCR=pc /p0 去判别：(1) 如果土层的自重应力p0等于前期固结压力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。(2) 如果土层的自重应力 p0 小于前期固结压力 pc ，也就是说该土层历史上受过的最 大的有效压力大于土自重应力，

11、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压应力减少了，则OCR1。(3) 如果土层的前期固结压力 pc 小于土层的自重应力 p0 ，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、人工填土等，由于沉积的时 间短，在自重作用下还没有完全固结，则OCR1。二、试验方法根据工程需要，固结试验可以进行如下方法的试验:标准固结试验;快速固结试验； 应变控制连续加荷固结试验。通过固结试验，可以测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形与压力的关系、孔隙比与 通过固结试验，可以测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形与压力的关系、孔隙比与

12、压力 的关系及变形与时间的关系，并可确定土的压缩系数a、压缩模量Es、体积压缩系数mV 、 压缩指数C、回弹指数C、竖向固结系数C以及先期固结压力p。csvc以下主要介绍快速固结试验。(一)、快速固结试验 对于计算精度要求不高，而渗透性又较大的土用不需要固结系数时，可采用快速固结试 验方法。快速固结试验法规定在各级压力下的固结时间为lh,仅最后一级压力延长至24 h， 并以等比例综合固结度进行修正。1. 仪器设备(1)固结容器。由环刀、护环、透水板、加压上盖待组成，土样面积30cm2或50 cm2.高度2 cm,如图7-6所示。1水楓卜2护环 3环打I 4咖伍上蛙5ift水石a 6量握爭杆F

13、7虫农變:A试样图 7-6 固结容器示意图(2) 加荷设备。可采用量程为510kn的杠杆式、磅秤式或气压式等加荷设备。(3) 变形量测设备。可采用最大量程10mm、最小分度值0.01 mm的百分表，也可采用 准确度为全量程0.2%的位移传感器及数字显示仪表或计算机。(4) 毛玻璃板、圆玻璃板、滤纸、切土刀、钢丝锯和凡士林或硅油等。2. 试验步骤(1) 按工程需要选择面积为30cm2或50 cm2的切土环刀，环刀内侧涂上一层薄薄的凡 士林或硅油，刀口应向下放在原状或人工制备的扰动土上，切取原状土样时应按天然状态时 垂直方向一致。(2) 小心地边压边削，注意避免环刀偏心入土，应使整修土样进入环刀并

14、凸出环刀为止， 然后用钢丝锯(软土)或用修土刀(较硬的土或硬土)将环刀两侧余土修平，擦净环刀外壁。(3) 测定土样密度，并在余土中取代表性土样测定其含水量，然后用圆玻璃片将环刀两 端盖上，防止水分蒸发。(4) 在固结仪的固结宣传品内装上带有试样的切土样刀(刀口向下)，在土样两端应贴上 洁净而湿润的滤纸，再用担环螺丝将导环置于固结，然后放在透水石和传夺活塞以及定向钢球。(5) 将装有土样的固结容器，准确地放在加荷横梁的中心，如杠杆式固结仪，应调整杠 杆平衡，为保证试样与容器上下各部件之间接触良好，应施加lkpa预压荷载；如采用气压 式压缩仪，可按规定调节气压力，使之平衡，同时使各部件之间密合。(

15、6) 调整百分表或位移传感器至“0”读数，并按工程需要确定加压等级、测定项目以 及试验方法。(7) 加压等级可采用 l2.5kpa， 25 kpa， 50 kpa， 200 kpa， 400 kpa， 800 kpa， l600 kpa， 3200 kpa。第一大小视土的软硬程度，分别采用12.5 kpa，25 kpa或50 kpa；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100200 kpa，但最大 压力不应小于 400 kpa。(8) 对于饱和试样，在试样受第一级荷重后，应立即向固结容器的水槽中注水浸没试样 而对于非饱和土样，须用湿棉纱或湿海绵覆盖于加压盖板四周，避免水分蒸发。 当试验结束时，应先排队固结容器内水分，然后拆除容器内各部件，取出带环刀