基本介紹
- 中文名：固結試驗
- 外文名：consolidation test
- 學科：土力學
- 別名：壓縮實驗
- 實驗條件：側限與軸向排水
- 計算：單位沉降量、壓縮係數、壓縮指數
簡介,類別,試驗方法,
簡介
固結試驗，又稱壓縮試驗、壓密試驗。用以測定土在完全側限(指側向不發生變形)條件下承受垂直壓力後的壓縮特性的試驗。可分為常規固結試驗、快速固結試驗、高壓固結試驗和連續加荷固結試驗。試驗儀器稱固結儀，有多種型號。試驗時先用內徑61.8mm、高20mm的環刀在土樣上切取試樣，兩端用鋼絲鋸整平後連同環刀一起裝入試驗容器中，後在完全側限和容許豎向排水的條件下分級加壓，記錄壓力、試樣發生的壓縮變形量及其相應的時間，用以計算土的壓縮模量和壓縮指數等表示土的壓縮特性的參數。如在分級加荷後分級卸荷，即為加荷與卸荷回彈試驗，可用以測定土的回彈指數。
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。
試驗方法
試驗目的
固結試驗是測定土體在外力作用下排水、排氣、氣泡壓縮性質的一種測試方法。在一般情況下，土體承受三個主應力的作用，發生三相應變。本試驗用於測定土的壓縮性指標，主要包括土的壓縮係數av、壓縮指數Cc及固結係數Cv等，為估算建築物沉降量及歷經不同時間的固結度提供必備的計算參數。土的固結係數Cv越大，土的固結速度越快。測定試樣在側限與軸向排水條件下的壓縮變形△h和荷載P的關係，以便計算土的單位沉降量S1、壓縮係數av和壓縮模量Es等。
試驗原理
土的壓縮性主要是由於孔隙體積減少而引起的。在飽和土中，水具有流動性，在外力作用下沿著土中孔隙排出，從而引起土體積減少而發生壓縮，試驗時由於金屬環刀及剛性護環所限，土樣在壓力作用下只能在豎向產生壓縮，而不可能產生側向變形，故稱為側限壓縮。
儀器設備
1．使用單向固結儀，使用槓桿、氣壓（或液壓）、磅稱等加荷裝置。
2．量表：最小分度0.01mm。
3．其它：刮土刀、電子天平、秒表。
操作步驟
（1）切取試樣：用環刀切取原狀土樣或製備所需狀態的擾動土樣。
（2）測定試樣密度：取削下的余土測定含水率，需要時對試樣進行飽和。
（3）安放試樣：將帶有環刀的試樣安放在壓縮容器的護環內，並在容器內順次放上底
板、濕潤的濾紙和透水石各一，然後放入加壓導環和傳壓板。
（4）檢查設備：檢查加壓設備是否靈敏，調整槓桿使之水平。
（5）安裝量表：將裝好試樣的壓縮容器放在加壓台的正中，將傳壓鋼珠與加壓橫樑的凹穴相連線。然後裝上量表，調節量表桿頭使其可伸長的長度不小於8mm，並檢查量表是否靈活和垂直（在教學試驗中，學生應先練習量表讀數）。
（6）施加預壓：為確保壓縮儀各部位接觸良好，施加1kPa的預壓荷重，然後調整量表
讀數至零處。
（7）加壓觀測：
1）荷重等級一般為50、100、200、400kPa。
2）如系飽和試樣，應在施加第一級荷重後，立即向壓縮容器注滿水。如系非飽和試
樣，需用濕棉紗圍住加壓蓋板四周，避免水分蒸發。
3）壓縮穩定標準規定為每級荷重下壓縮24小時，或量表讀數每小時變化不大於0.005
mm認為穩定（教學試驗可另行假定穩定時間）。測記壓縮穩定讀數後，施加第二級荷重。
依次逐級加荷至試驗結束。
4）試驗結束後迅速拆除儀器各部件，取出試樣，必要時測定試驗後的含水率。
注意事項
1．首先裝好試樣，再安裝量表。在裝
量表的過程中，小指針需調至整數位，大指針調至零，量表桿頭要有一定的伸縮範圍，固定在量表架上。
2．加荷時，應按順序加砝碼；試驗
中不要震動實驗台，以免指針產生移動。
影響因素
1、環刀內壁應保持較高光潔度；
2、透水板滲透係數應大於試樣滲透係數；
3、加壓設備應能垂直在瞬間施加各級規定壓力，且沒有衝擊力；
4、位移感測器精準；
5、測計量表的時間不得有誤差。
