固結實驗

固結試驗是將土樣置於金屬壓縮容器內，在有側限的條件下施加壓力，觀察土在不同壓力下的壓縮變形量。

基本介紹

• 中文名：固結實驗
• 外文名：frozen test
• 分類：穩定壓縮、快速壓縮
• 操作步驟：試樣製備、安裝試樣等
• 操作設備：KTG全自動氣壓式固結儀等
• 類型：實驗

定義

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。

一般壓縮固結儀有槓桿式、磅秤式、氣壓式三種。槓桿式壓縮儀是用砝碼通過槓桿加壓，壓力僅為0.4～0.6MPa，基本上能滿足一般工程要求，且數台儀器可裝在一個試驗台架上, 占地面積小，便於管理，目前被廣泛採用。磅秤式壓縮儀是通過帶有加壓框架的磅秤施加壓力 , 儀器壓力可達5Mpa，適用於較大工程，可以用來測定壓縮指數和前期固結壓力、固結係數等指標。氣壓式壓縮儀是通過空氣壓縮機來施加壓力的，加壓範圍大，適用於各類工程。本試驗採用氣壓式壓縮儀。

壓縮固結試驗中，後一級壓力的施加均是在前一級荷載下壓縮達到穩定後施加的，但所謂穩定是相對的，按照穩定標準的不同，通常將固結試驗分為兩類：

（1）穩定壓縮：每級壓力下持續24h為壓縮穩定標準；測記試樣高度變化後，即可施加下級壓力。這是各類規範的常規標準。對某些滲透係數大於10cm/s的粘性土，以1h內試樣變形量不大於0.005mm作為相對穩定標準，結果能夠滿足工程要求。

（2）快速壓縮：在各級壓力下，壓縮時間規定為1h，僅在最後一級壓力下，除測記1h變形量外，還需測讀達到穩定標準(24h)時的變形量。在整理資料時，根據最後一級變形量，校正前幾級壓力下的變形量。當試驗要求精度不高時，可採用快速壓縮法。

類別

常規固結試驗

常規固結試驗比較可靠，是被普遍認可的，為我國 《土工試驗方法標準》（GB/ T50123） 推薦使用的方法。但該方法有一些顯著的缺點，主要表現：（1）試驗所需的時間較長。按照 《土工試驗方法標準》（GB/ T50123）要求，分級載入的每級荷載要作用 24h，這樣完成一個固結試驗所需的最終時間大概9d 左右，若需進行回彈試驗，則時間更長。（2）試驗獲得數據少而且比較分散，致使試驗得到的曲線不連續，影響測定參數的準確性。（3）固結試驗過程中沿試樣高度的有效應力分布不均勻，根據有效應力原理，靠近排水面的有效應力最大，靠近不排水面處的有效應力最小，水力梯度沿高度方向變化相當大，致使有效應力沿試樣高度分布不均勻， 造成了試樣的壓縮性分布不均勻。

快速固結試驗

《土工試驗方法標準》（GB/ T50123）推薦的時間平方根法計算固結係數時，要求土體固結度達到90%，大量的試驗表明高度為2cm 的試樣在荷載作用下1h 的固結度一般可達到90% 以上（24h 穩定標準）。因此，快速法固結試驗把每級荷載的載入時間縮短到 1~2h，最後對試驗結果進行校正， 可得到與常規固結試驗近似的結果。此法大大縮短了試驗時間，得到了相當廣泛的套用。張海霞指出對於高度為 2cm 的試樣，在每級壓力作用下，常見土體完成主固結（固結度達到 99%） 需要的時間不超過4h， 粉土和粉質粘土則少於 1h。並建議對不同的土質應採用不同的載入時間進行試驗研究。

連續載入固結試驗

根據試驗中的控制條件不同，連續載入試驗可分為以下幾種主要試驗方法：（1）等應變速率固結試驗（簡稱 CRS 固結試驗），載入過程中控制單位時間內試樣的應變增量為一常數。（2） 控制梯度固結試驗（簡CG固結試驗），保證試樣底部不排水的情況下，使連續載入產生的底部孔隙水壓力為一常數。（3）等載入速率固結試驗（簡稱 CRL 固結試驗），載入過程中控制試樣的應力增長（載入速率）為一常數。

控制梯度固結試驗

控制梯度固結試驗（CG）與等應變速率固結試驗（CRS）的原理類似，本質上是通過調整試樣應變率來設定底部孔隙水壓力不變，進行連續載入試驗 由於在常規固結試驗中沿試樣高度的有效應力分布不均勻，不同高度處孔隙水壓力梯度相差很大，這樣隨著固結的發展，試樣的應變速率變化很大，為了克服上述缺點，提出了控制梯度試驗法。Lowe等首先提出了該試驗方法，並建立了線性固結理論來測定固結係數。Gorm an 等將控制梯度固結試驗、 等應變速率固結試驗與常規固結試驗的結果進行了比較，並證實了CG、CRS 固結試驗的可行性。考慮到CRS、CG固結試驗會受到應變率的影響而導致測定結果出現偏差，Sheahan等提出了設定底部孔隙水壓力為零的CG固結試驗，用以模擬土體的主固結狀態。該試驗的優點在於：固結過程中試樣的應變率較低，可以更好的模擬現場狀態；試樣的應變率與有效應力沿深度方向分布更均勻，不易受到次固結的影響。

固結實驗的方法

儀器設備

1.用KTG全自動氣壓式固結儀或其它儀器，固結儀由固結容器(圖4-2)、空氣壓縮機、自動加荷控制器、數據採集器和微機組成。

2.測含水率和密度所需的設備；

3.其它：濾紙、鐘錶等。

操作步驟

1.試樣製備：按工程要求取原狀土或製備所需狀態的擾動土樣，按測定土的密度的方法用環刀切取土樣，測定土的密度，並同時測定土的含水率和土粒密度。

2.安裝試樣：在固結容器內裝上帶有試樣的切土環刀(刀口向下)，在土樣兩端應貼上潔淨而濕潤的濾紙，再用提環螺絲將護環置於固結容器內，然後放上透水石和傳壓活塞及定向鋼球，再裝好帶有感測器的百分表，並調整百分表讀數在8.0mm左右，以便壓縮過程中有足夠的量程。 3.開啟空氣壓縮機，使其壓力源輸出氣壓保持在850～1000kPa之間，並打開空氣過濾器進氣開關。

4.接通自動加荷控制器電源，然後再接通數據採集器電源，使加荷系統處於工作狀態。

5、結束試驗

（1）卸去荷載後，排除儀器中水分，按與安裝相反的順序拆除各部件，取出帶環刀的試樣。必要時，測定試樣試驗後的含水率。將儀器擦淨，塗油放好。

（2）為防止採集數據丟失，先關採集器電源，後關控制器電源，再斷開空氣壓縮機電源，並關空氣過濾器開關。

6、成果整理，由於全自動壓縮固結儀自帶數據採集和處理軟體，故不再需要人工記錄和處理各種試驗數據，就能很快地得出土的壓縮性參數，其數據處理過程詳見附錄A。但作為初學者還是需要很好的理解這些數據整理的過程。