高壓固結試驗

高壓固結試驗是指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。試驗的目的在於測定試樣在側限和軸向排水條件下的變形和壓力、變形和時間以及空隙比和壓力間的關係，以便繪製壓縮曲線，求得土的壓縮係數、壓縮模量，以便來判斷土的壓縮性和進行變形計算。

基本介紹

• 中文名：高壓固結試驗
• 外文名：high pressure consolidation test
• 學科：土木工程
• 目的：求得土的壓縮係數、壓縮模量
• 方法：繪製壓縮曲線
• 設備：固結容器、環刀、加壓設備等

試驗背景

隨著工程複雜程度越來越高，基坑開挖越來越深，高壓固結試驗及其套用日益受到重視。土的先期固結壓力同土的天然結構密切相關，它是土的壓縮性能陡變的界限，不僅是受荷歷史所致，其它如風化中結構變化、粒間化學膠結、地下水的溶濾、乾濕等因素，都可使土呈現一種似超固結性狀。而先期固結壓力的測定方法及影響因素很多，要十分精確的測定是不容易的，只有合理運用試驗方法，兼顧各種影響因素，認真分析試驗結果，才能為設計提供準確的試驗數據。

試驗簡介

高壓固結試驗的主要任務是測定土的先期固結壓力Pc，所謂Pc 是指土層在歷史上曾經受到過的最大有效應力，它是判斷天然土層所處固結狀態的重要指標，是土體壓縮性分界壓力，也是土體在荷載作用下變形及強度發生明顯變化的臨界指標。同時，高壓固結試驗還可測出土的壓縮指數Cc，回彈指數Cs，利用e—p 曲線計算出的壓縮模量，回彈模量等，都是設計計算沉降和回彈的重要指標。

土的先期固結壓力

對於天然沉積土層，在漫長的地質歷史年代中，實際上是經受了反覆的加荷、卸荷的壓密作用，即經過沉積、沖刷侵蝕，又重新沉積等自然地質作用而得到壓密。而且粘性土從沉積到成岩過程中，經過一系列的物理、化學等作用，膠結、風化形成目前天然土層的不同固結狀態，如果將土層在歷史上曾受到的最大有效應力Pc 和和目前上覆土層的有效自重壓力Po 進行比較（超固結比OCR=Pc/Po），可以把土層分成三種不同的固結狀態：正常固結土、超固結土和欠固結土。

基本原理

側限壓縮試驗又稱固結試驗。土體的固結是指土體在外力作用下，土體中的水和氣體被逐漸排走，孔隙體積減小，土顆粒之間重新排列的現象。

土的固結試驗是通過測定土樣在各級垂直荷載作用下產生的變形，計算各級荷載下相應的孔隙比，用以確定土的壓縮係數和壓縮模量等。

儀器設備

1.固結容器：由環刀、護環、透水石、水槽、加壓上蓋組成；

2.環刀：高20mm，面積30cm²或50cm²；

3.加壓設備：應能垂直地在瞬間施加各級規定的壓力，且沒有衝擊力，壓力準確度應符合現行國家標準《土工儀器的基本參數及通用技術條件》GB/T15406的規定；

4.變形量測設備：量程10mm，最小分度值為0.01mm的百分表或準確度為全量程0.2%的位移感測器。 5.其它：開土刀、過濾紙等。

試驗步驟

1、試樣製備：按密度試驗要求取原狀土或製備擾動土土樣。並測定試樣的含水率和密度，取切下的余土測定土粒比重。試樣需要飽和時，應按規定進行抽氣飽和；

2、安裝：在壓密容器中放置好透水石和濾紙，將帶有環刀的試樣和環刀一起刃口向下小心放入護環，再在試樣上放置濾紙和透水石，最後放上傳壓活塞，安裝加壓裝置和百分表；

3、調零：施加預壓力使試樣與儀器上下各部件之間接觸，將百分表或感測器調整到零位或測讀初讀數，通常將百分表測距調到大於8mm；

4、載入：確定需要施加的各級壓力，壓力等級宜為12.5、25、50、100、200、

400、800、1600、3200kPa。第一級壓力的大小應視土的軟硬程度而定，宜用12.5kPa、25kPa或50kPa。最後一級壓力應大於土的自重壓力與附加壓力之和。只需測定壓縮係數時，最大壓力不小於400kPa；

5、沉降記錄（建議，實際操作沒有按照這個執行）：施加每級壓力後24h測定試樣高度變化作為穩定標準，每間隔1小時變形小於0.01mm時，作為穩定讀數；測定沉降速率時，施加每一級壓力後宜按下列時間順序測記試樣的高度變化。時間為6s、15s、lmin、2minl5s、4min、6minl5s、9min、12minl5s、16min、20minl5s、25min、30minl5s、36min、42minl5s、49min、64min、l00min、200min、400min、23h、24h，至穩定為止；

6、加第二級荷載：記下穩定讀數後，施加第二級荷載。依此逐級加荷，至試驗結束；

7、試驗結束：最後一級荷載穩定後，先卸除百分表，然後卸除砝碼，升起加壓框，拆除儀器各部件，取出試樣，測定含水率。

高壓固結曲線

1、曲線特徵

通過大量的試驗證明，室內壓縮曲線（如右圖）具有以下幾個特徵：

a) 開始平緩，隨著壓力的增大，明顯向下彎曲，繼而近乎直線向下延伸。

b) 無論試樣擾動與否，當壓力較大時，其曲線都近乎直線，且大致交於0.42e0點（e0 為初始孔隙比）。

c) 擾動越大，壓縮曲線越低，曲率越不明顯。

d) 卸荷點在再壓縮曲線曲率最大點的右下側。

2、幾點說明：

a) 由於土樣取出後應力釋放不可避免，而且取樣難免有所擾動，因此，嚴格的說室內壓縮曲線相對現場壓縮曲線而言已是再壓縮曲線，和天然狀態有偏離。

b) 當考慮原位應力場和應力進行沉降計算時，應按e--logP 曲線整理資料，且最大壓力應滿足繪製e—logP 曲線的要求。

c) 在按Pc 區分出不同固結狀態後，分別計算兩部分沉降量，可得到比較準確的總下沉量，以便更合理、經濟、安全的設計地基。

d) 需要時，將室內的高壓固結曲線加以修正，推出原位壓縮曲線。

e) 回彈指數、回彈模量可在工程中估算基坑開挖的回彈程度。

確定Pc的方法

通過高壓試驗來確定Pc 的方法很多，最常用的是卡氏法：先繪製e—logP曲線，在曲線上定出曲率半徑最小點，在該點分別作水平線及切線，並作兩線夾角的角平分線，該角平分線與壓縮曲線直線段延長線的交點對應的壓力即為Pc。

影響Pc值的主要因素

1、土樣擾動的影響

這是影響Pc 值的重要因素，土樣一旦受到擾動，則e—logp 曲線上無法顯示明顯的轉折段，使得Pc 確定困難，並導致Pc 值偏小。因此在野外要用較大口徑的薄壁取樣器，迴轉鑽進，用勻速連續壓入法取樣，運輸中注意防震，試驗室開土要小心細緻。正常且理想的e—logP 曲線應有明顯的水平段、彎曲段、直線段。

右圖為一有所擾動的土樣做出的曲線，可見其無明顯拐點。

2、加荷等級的影響及最大荷重的確定

測定Pc 時加荷等級十分重要，資料表明，荷重率大，引起試樣的觸變破壞, 導致土的壓縮性偏大（如右圖）。因此，應儘可能的採用較小的荷重率，特別是自重壓力P0以前。

選擇最大一級荷重要保證直線段的出現，通常採用（P0 +△P ）的兩倍，△P 為附加應力。有資料建議最後一級荷重下的穩定孔隙比要達到0.42e0 ，這需要很大的壓力，困難較大，對超固結土和需要分段計算沉降量時，應進行卸荷再加荷來評價其再壓縮性。

3、歷時與穩定標準

試樣變形的穩定時間，取決於它的透水性和流變性，土的粘性越大，達到穩定所需的時間越長，某些軟粘土要幾天甚至幾周時間才能完成穩定。採用不同穩定時間作為技術標準，就會得出不同的壓縮曲線，得到不同的參數。資料表明，荷重歷時越長，次固結量越大，得到的Pc 卻越小（Cc 變化很小）。國標規定24小時穩定，主要考慮每級荷重下，固結時間能明確定出變形與時間對數曲線後段直線的坡度為原則。一些單位為了節省時間採用12h，8h，6h 還有2h 快速法，比較試驗說明，快速法比24 小時穩定求得的Pc 偏大，因此，縮短時間和採用快速法或採用每小時0.01mm 穩定標準，要依據土的具體情況而定，如砂性土可縮短時間或採用快速法，比較硬的粘性土可採用每小時0.01mm 穩定標準，而軟粘土則必須嚴格24 小時穩定，這樣才能保證試驗數據的準確性。

4、作圖方法的影響

e—logP 曲線縱橫坐標比例要選用恰當，不同比例影響曲線的形狀，而曲率半徑最小的準確確定，會影響Pc 值。曲線高寬比太大，曲線拉長，Rmin 點左移，Pc 偏小；高寬比太小，曲線壓扁，Rmin 點右移，Pc 偏大。進行回彈試驗時，回彈壓力應大於上覆壓力，並在估算的Pc 值之後，退至第一級壓力。對於深基坑開挖，回彈問題不可忽視，測定回彈模量、回彈指數時壓力施加應模擬實際的加卸荷狀態，首先分級加荷到大於開挖前的自重壓力，然後逐級卸荷到開挖後的上覆土壓力，接著進行再壓縮試驗，如果要求Pc 值，最大荷重加至大於兩倍的（P0 +△P ）或0.42e0 點。

現場壓縮曲線的推求

試驗室做壓縮試驗所用的原狀土，實際上已經過了一個卸荷階段。即卸除了土樣在土層中所承受上覆土層的有效自重壓力，因而室內試驗所得的壓縮曲線實際是卸荷後的首次再壓縮曲線。加之在取樣和製備試樣過程中，難免有不同程度的擾動。因此，室內測得的壓縮曲線與實際土層的現場壓縮曲線不相吻合，為使沉降計算更符合實際，需要對室內壓縮曲線進行修正。

1、正常固結土： 依據室內高壓固結試驗，繪製e—logP 曲線；確定前期固結壓力Pc 的位置，圖中a 點；由e0 坐標點作一水平線，與前期固結壓力Pc交於A 點；在室內壓縮曲線上找出相當於0.42 e0的C 點，連線AC，即得正常固結土的現場壓縮曲線。

2、超固結土；做室內試驗，繪出回彈、再壓縮的e—logP 曲線；確定前期固結壓力Pc 的位置；求該土層現有上覆土層的有效自重壓力Po 及相應的天然孔隙比e0，在圖中得B 點，該點為現場再壓縮曲線的起點；過B 點作一與室內滯迴圈割線平行的線，並與Pc 交於A 點，則AB 為超固結土的現場再壓縮曲線；在室內曲線上找出相當於0.42 e0的C 點，連線AC，即得超固結土的現場壓縮曲線；

3、欠固結土，其現場壓縮曲線的推求可近似與正常固結土相同，但欠固結土的有效自重壓力P0>Pc ,故其位置在Pc 的右邊。

注意事項

1、在高壓壓縮試驗中，儀器變形量不能忽略；

2、濾紙浸濕後的變形量較大，因此，壓縮試驗要求使用薄濾紙或用孔徑較細的透水石而不使用濾紙，但這時易使透水石淤堵；

3、固結試驗僅進行需要固結係數的那幾級荷載，其它僅測讀穩定沉降量；

4、壓縮試驗中，使用卡薩格蘭德(Casagrande)方法確定前期固結應力時，前面幾級載入比應小於1；

5、壓縮試驗過程中，使載入槓桿始終保持水平。