固結係數Coefficient of consolidation (Cv) ，是反應受側限土體在荷載作用下固結速度的一個標量。其大小反映軟土固結快慢的程度，即固結係數為反映土層固結特性的參數。
基本介紹
- 中文名：固結係數
- 外文名：Coefficient of consolidation
- 含義：受側限土體固結速度的標量
- 公式：Cv=k (1+e)/(γw*a)
- 性質：反映土層固結特性的參數
- 確定方法：室內固結試驗法、現場試驗法等
簡介,確定方法,室內試驗方法,現場試驗方法,間接推算方法,反演分析方法,公式,實驗設備,
簡介
固結係數Cv 是太沙基( Terzaghi)一維固結理論中的一個重要參數，與固結過程中的超靜孔隙水壓力(u)的消散速率
成正比，其大小反映軟土固結快慢的程度，即固結係數為反映土層固結特性的參數。固結係數既是一項重要的土的試驗指標，也是軟土地基處理設計中的關鍵參數,特別在軟基處理採用排水固結法時，固結係數更是一項必不可少的指標。固結係數有效、準確的獲取對基礎沉降的正確預測有著決定性的意義。
確定方法
根據前人的研究，發現確定固結係數的方法很多，各有特點。把確定固結係數的方法分為四大類：第一類是室內固結試驗法；第二類是現場試驗法；第三類是間接推算法；第四類是反演分析計算法。
室內試驗方法
室內試驗確定固結係數的方法以時間對數法、時間平方根法 、Scott法、反彎點法、三點法、Asaoka 法、速率法、Rectangular hyperbola 法、Parnian 法 、兩點法、標準曲線比擬法、t60法、張儀萍法等為代表。這些方法均基於太沙基的一維固結理論。由於固結度與時間之間沒有簡單的數學關係,只能根據理論變形時間曲線的某些特徵點,或不同線段的相似關係來建立這些方法;可以說這些方法都是圖解法、經驗配合法。
為了在施工設計前得到土層的固結係數,室內試驗確定固結係數的方法還是最普遍的方法,但其缺點是試驗試件小、工作量大、試驗時間長、費用高及土樣擾動大。由於試件無法準確的反映現場實際條件,室內試驗結果與現場土體的真實值有較大的差異。
現場試驗方法
目前固結係數現場試驗法的主要測試設備是孔壓靜力觸探(CPTU) 、BAT測試系統、DTM 測試系統及SPLT測試系統,其中以CPTU與BAT為主。
1、CPTU測試系統的原理及特點
用CPTU測取了地基原位固結係數。其原理為通過CPTU系統貫入土層至預定深度，以停止時作為超淨孔壓初始消散時間，後按一定時間間隔記錄對應時刻的超淨孔壓消散值。對實測超淨孔壓消散曲線與理論消散曲線進行擬合,進而估算地基的水平固結係數。
2、BAT測試系統的原理及特點
瑞典工程師發明了BAT系統並用之測試估算了地基原位(水平)固結係數。其原理為通過BAT系統測量由濾頭貫入引起的超淨孔隙水壓力消散過程，對測得的孔壓曲線進行理論擬合，從而估算地基的水平固結係數。
CPTU和BAT現場測試地基固結係數的基本原理是通過透水元件測得空壁處的初始超靜孔隙水壓力及其消散過程，根據超靜孔壓隨時間的消散曲線即孔壓消散速率來推算原位固結係數。
3、DTM測試系統的原理及特點
義大利學者Marchetti&Totani最先利用DTM測取了地基原位水平固結係數。其原理為用DTM 測取不同時刻的氣體壓值，然後作出氣體壓力P與時間對數logt的關係曲線，找到曲線上的反彎點對應的時刻，由計算公式求得。
該法具有試驗快捷、操作和維護簡單、重複性好、經濟。扁平狀插板很大程度上避免了土拱效應，相對於圓柱形探頭和其它原位測試對土體擾動較小，使土體變形小得多。
4、SPLT測試系統原理及特點
螺旋板載荷試驗( SPLT) ,是由挪威人N. Janbu提出的，它是將一螺旋形的承壓板用人力或機械旋入土層至預定深度，通過傳力桿向螺旋形承壓板施加壓力，測定承壓板的下沉量，以獲得荷載—沉降—時間的關係。然後根據理論公式或經驗公式推算地基土層的參數，如固結係數、壓縮模量、承載力及抗剪強度等。該法有以下幾個優點：
①設備簡單,操作方便,重量小,拆裝靈活；
②可根據需要在不同深度(可以在地下水位以下)進行試驗；
③除可測固結係數外,還可測多個土工參數；
④加荷方式是豎向的,與土層實際受荷方向相同,對各項異性的土體有實際意義；
⑤該法對於有微裂隙、微層理及含有透鏡體的土層或砂層尤為適用。
該法也有以下幾個缺點：
①螺旋板旋入土體時對土體的擾動程度不好判斷,而且測試過程中排水條件也很難控制；
②固結係數(包括其它土工參數)的推算是基於土層為半無限彈性體的假設；
③由於螺旋板的荷載是靠傳力桿傳遞的,當桿達到一定長度後,勢必產生一定的撓曲,這就限制了試驗深度。
以上四種現場測試系統均測試的是地基水平向固結係數Ch ，原因是孔壓消散主要取決於水平向固結係數，即水平向固結係數大於豎直向固結係數cv。從軟土的沉積成因來看，水平向易形成水平層理，水平向固結係數也應大於豎直向固結係數。要得到豎向固結係數,還需通過cv - ch 的相關關係式來求得。現場試驗法的優點是測試時間短、土樣擾動小、方便、經濟，且能較準確的獲取地基水平固結係數。
間接推算方法
間接推算方法以王秀艷法、神經網路計算法 、剩餘沉降對數法、最小二乘法、等比級數推算法、遺傳算法、固結速率半對數法、試算法等為代表。實質上神經網路計算法、最小二乘法、遺傳算法並不能歸於確定固結係數的方法之列，它們只是確定固結係數的過程中用到了神經網路計算法、最小二乘法、遺傳算法的數學處理方法。以上間接推算法最基本的方程還是太沙基一維固結方程。
間接推算法最大的優點是可以有效的消除人為因素在固結係數計算過程中的影響，提高了數據處理的速度和數據的計算精度。
反演分析方法
反演分析計算法以修正Asaoka法、實測沉降推算法、實測孔壓推算法等為代表 。主要是以施工現場實測的孔壓或者沉降量為依據,反演計算出固結係數。
反演分析方法中的計算公式仍然是由太沙基一維固結理論公式推導而來。由於反演法能夠利用已有的沉降或孔壓觀測數據，分析計算軟土的固結係數及其它各種參數,從而能更好的預測後期沉降發展情況。
因此，反演分析方法具有較高的工程實用價值。在軟基處理過程中，往往根據實際監測的各種數據，反演軟土的固結係數，以便更為準確的掌握軟土的固結特性，修正設計誤差，正確判斷工程效果。
公式
式中：
k-----滲透係數
γw-----水的重度，一般近似值等於10.0kN/m3
e-------天然孔隙比
a------壓縮係數
土體在外加荷載作用下，由於孔隙比減少而壓密變形，同時提高了強度。對於飽和土，只有當孔隙水擠出以後，變形才能產生。開始時，土中應力全部由孔隙水承擔。隨著孔隙水的擠出，孔隙水壓力逐步轉變為由土骨架承受的有效應力。研究這兩種應力的相互消長以及土體變形達到最終值的過程，稱為土體固結理論。
在一維固結理論中（詳見土體固結理論），孔隙水主要沿豎直方向滲流，K.泰爾扎吉（一譯太沙基）根據飽和土中微分單元在單位時間內的流量變化與孔隙比變化率相等的條件，建立了孔隙水壓力u和深度z、時間t的一維固結微分方程
式中 為固結係數（ ）；K為豎向滲透係數；e為孔隙比；a為壓縮係數；
為水的容重。式中表示孔隙水壓力u的消散速率與土的滲透係數K和土的壓縮模量
=(1+e)/a成正比。隨著粘土層的逐步固結，K值減小而 值增大，但兩者的乘積，即 卻大致保持不變。根據問題的起始條件和邊界條件，可以用傅立葉級數表述固結方程的解u。
通過固結係數可以大概算出固結率，完全固結所需時間。
實驗設備
試驗儀器K0 固結儀，除可進行常規試驗外，還可同時測出同一土樣的側向固結壓力、孔隙水壓力與土體的滲透係數，其結構如圖所示。具體的試驗過程和具體的操作步驟見《公路土工試驗規程》(JTGE40 —2007) ，在此就不作具體說明。由圖可以看出,當利用該試驗設備進行常規壓縮固結試驗時，如果在試驗過程中需測定土樣的側向固結壓力，則只需把側壓力感測器的開關置在開通的位置即可。基於該試驗設備獨特的結構，如需要測定土樣的滲透係數，可通過該儀器分別做常水頭滲透試驗或變水頭試驗，在滲透試驗時，既可以在每級固結壓力作用下土樣變形穩定後進行測定，也可以在土樣固結變形過程中進行測定,該試驗方法目前尚少見。如果在試驗過程中要測定土樣的孔隙水壓力的變化規律，則只需要將孔隙水壓力感測器的開關打開即可。
以測定土樣在固結壓縮過程中的變水頭滲透試驗為例,其主要的試驗操作步驟如下： ①根據需要切取原狀土樣或製備所需的擾動土樣，切取原狀土樣時，應使試驗受壓情況與天然土層受荷方向一致； ②將土樣裝入壓縮容器內，然後調整好加壓框架，為消除傳壓活塞、橫樑及土樣之間的間隙，預加1. 0 kPa的壓力，並調整好百分表； ③去掉預加荷載，然後按照預定試驗載入方案進行載入；; ④如需測定土樣固結過程中的側壓力和孔隙水壓力時，分別將側壓力和孔隙水壓力感測器開關打開； ⑤打開盛水容器進水閥，同時關閉測管底部左側的進水閥，調整測管內的水頭到一定的高度，然後關閉盛水容器進水閥，打開測管底部左側的進水閥，進行變水頭滲透試驗，測定每級荷載下土樣固結過程中的滲透係數； ⑥如需測定沉降速率、固結係數等指標，則可按《公路土工試驗規程》(J TG E40 —2007) 中規定的時間間隔讀取試驗數據，也可按照預定試驗方案的要求適當調整試驗讀數的時間間隔，直至土樣固結穩定位置，穩定時間標準可參考《公路土工試驗規程》(J TGE40 —2007)；⑦進行試驗數據整理。
由於K0 固結儀在進行一維固結試驗的同時，可進行滲透試驗，避免了傳統試驗方法中土體的壓縮模量與滲透係數必須分別測定的缺陷，且能反映土體在固結過程中滲透係數的變化規律，與此同時還可以反映土體在固結過程中孔隙水壓力的消散情況及側壓力係數的變化趨勢，因此，為固結係數的確定提供了新的方法。
