固结试验及固结参数确定方法研究综述

周文渊（安徽省·水利部淮委水利科学研究院 蚌埠 233000）

固结试验及固结参数确定方法研究综述

周文渊
（安徽省·水利部淮委水利科学研究院 蚌埠 233000）

固结试验是测定土体固结参数的主要试验方法。常规固结试验所需时间长、试验数据少且试验过程中沿试样高度有效应力分布不均，但操作简单、试验结果可靠，是我国相关规范标准推荐的试验方法。快速法固结试验缺乏理论依据，试验结果受土的性质与试验者经验影响较大。连续加载固结试验具有试验时间短、有效应力分布均匀和对试样扰动小等优点，且能测得可靠的固结参数，是固结试验发展的一个方向。本文总结与评述了不同类型固结试验的优缺点及固结参数确定方法研究成果，指出了各自的局限性、适用性与发展方向。

固结试验 固结参数 连续加载 快速法

1 引言

土的固结是土力学学科中最根本的课题之一。固结是土体在荷载作用下，超静孔隙水压力消散，有效应力增加的过程。通常采用室内固结试验测定土的压缩、固结特性参数，为设计计算提供指标。常用的固结参数主要有：压缩系数、压缩指数、回弹指数、先期固结压力与固结系数。现有的室内固结试验方法主要有三种：常规固结试验、快速法固结试验和连续加载固结试验。本文从这三种试验方法出发，较系统地总结了固结试验及通过试验确定固结参数的研究现状。

2 常规固结试验

常规固结试验比较可靠，是被普遍认可的，为我国《土工试验方法标准》（GB/T50123）推荐使用的方法。但该方法有一些显著的缺点，主要表现在：（1）试验所需的时间较长。按照《土工试验方法标准》（GB/T50123）要求，分级加载的每级荷载要作用24h，这样完成一个固结试验所需的最终时间大概9d左右，若需进行回弹试验，则时间更长。（2）试验获得数据少而且比较分散，致使试验得到的曲线不连续，影响测定参数的准确性。（3）固结试验过程中沿试样高度的有效应力分布不均匀，根据有效应力原理，靠近排水面的有效应力最大，靠近不排水面处的有效应力最小，水力梯度沿高度方向变化相当大，致使有效应力沿试样高度分布不均匀，造成了试样的压缩性分布不均匀。

祝刘文等结合工程实例与室内常规固结试验研究，认为在100～200kPa固结压力区间下的压缩指数与压缩系数呈线性关系。在固结压力小于100kPa时，固结系数变化较大；固结压力小于50kPa时，固结系数随压力增加而减少，大于50kPa时，固结系数随压力增加而增加；固结压力在100～400kPa区间时，固结系数变化较小，并随固结压力增加而增大。

吴宏伟等通过对上海地区原状软土的常规固结试验研究，认为上海黏土的压缩指数随固结压力的增大而不断增大，达到最大值后随之减小；固结压力较大时压缩指数并不是常数，而是随固结压力增大而减小。作者通过拟合得到上海黏土的压缩系数与压缩指数之间是线性关系。

张明等对常规固结试验结果与原状淤泥固结系数进行了统计分析对比研究。结果表明：在小压力范围（0～100kPa）下，各土样的固结系数分布集中，实际工程中可近似采用此压力范围内的固结系数均值进行变形计算；在压力大于100kPa时，各土样的固结系数分布比较分散；同区域内吹填淤泥的固结系数小于原状淤泥，随着固结应力的增加，两者间的差异越来越小。

固结参数与土的性质、状态、应力历史及测试方式等因素有关。因此，选择有代表性的试样与制定合理的测试方式，是取得正确试验结果的基本要求。

3 快速固结试验

《土工试验方法标准》（GB/T50123）推荐的时间平方根法计算固结系数时，要求土体固结度达到90%，大量的试验表明高度为2cm的试样在荷载作用下1h的固结度一般可达到90%以上（24h稳定标准）。因此，快速法固结试验把每级荷载的加载时间缩短到1～2h，最后对试验结果进行校正，可得到与常规固结试验近似的结果。此法大大缩短了试验时间，得到了相当广泛的应用。

张海霞指出对于高度为2cm的试样，在每级压力作用下，常见土体完成主固结（固结度达到99%）需要的时间不超过4h，粉土和粉质粘土则少于1h。并建议对不同的土质应采用不同的加载时间进行试验研究。

祝刘文通过试验研究发现，对饱和软土而言，随固结压力的增加，试样在每级荷载初始1h的沉降量与稳定沉降量的比值逐渐增加，故对饱和软土层不宜采用快速法进行固结试验。

快速法只是为了减少时间而进行固结试验的一种方法，缺乏理论基础，对于试验结果的校正也以经验为主。该法只有对渗透性较大的土，或建筑物对地基变形要求不高，不需要估算地基沉降发展过程时才适用。

4 连续加载固结试验

根据试验中的控制条件不同，连续加载试验可分为以下几种主要试验方法：（1）等应变速率固结试验（简称CRS固结试验），加载过程中控制单位时间内试样的应变增量为一常数。（2）控制梯度固结试验（简CG固结试验），保证试样底部不排水的情况下，使连续加载产生的底部孔隙水压力为一常数。（3）等加载速率固结试验（简称CRL固结试验），加载过程中控制试样的应力增长（加载速率）为一常数。

4.1 等应变速率固结试验

Hamilton和Crawford（1959）改进了常规固结仪，首次进行了CRS固结试验，试验中的竖向固结压力由机械力提供，没有设置反压；Wissa等（1971）与Gorman等（1978）利用水利机械联合控制固结仪进行了CRS固结试验，其中竖向固结压力由机械力或水压力提供，反压为水压力，容器里还设置了传感器用于测定试样底部的孔隙水压力。Rowe和Barden（1966）研制了Rowe型固结容器，其竖向固结压力和反压均由水压提供，同时可以测定试样底部的孔隙水压力。Sheahan等（1996）对新型的Rowe型固结仪作出了改进，沿土样不同深度设置针型孔隙水压力传感器，用于测定试验中沿试样高度的孔隙水压力分布，克服了Rowe型固结仪只能测底部孔隙水压力的局限。

Hamilton和Crawford（1959）最早提出了连续加载的CRS固结试验，并借助孔隙比与有效应力关系来测定土样的前期固结压力。由于传统的一维固结理论不能考虑连续加载，因此有必要针对CRS固结试验提出新的理论；Smith 和Wahls（1969）在假定渗透性不变的前提下，提出了CRS线性固结理论；Wissa等（1971）在Davis（1965）假定的基础上，提出了非线性固结理论。

张建新和朱小林通过对上海市区粘土及粉质粘土的等应变速率固结试验的研究，探明了该法所得的压缩曲线及各压缩性指标的变化规律与常规固结试验曲线基本一致，并可根据测量数据计算固结系数和渗透系数等，而试验所需的时间缩短到了常规法的1/20。该文也对试验土样提出了合适的应变速率控制值，并提出了确定前期固结应力的一种新方法。

Sheahan和Watters利用自动化控制操作的Rowe Cell进行了应变速率为每小时0.1%和1%的CRS固结试验，并和常规分级加载试验作了对比。证实了基于Wissa非线性CRS固结理论得到的试验数据分析结果和常规加载试验得到的结果相差不大，说明利用Rowe固结仪进行CRS试验可得到可靠的固结参数。

潘国政和张定娟认为等应变速率固结试验能大大缩短试验时间，得到相似于常规分级加载固结试验测得的压缩系数和压缩指数，而且该方法对试样扰动小。但利用CRS固结试验得到的前期固结应力比常规分级加载试验测得的数值大。

现有研究成果表明：等应变速率固结试验与常规固结试验结果相差不大；可以得到可靠的压缩系数、固结系数等参数；试验时间相较于常规固结试验大大缩短，且对试样的扰动小。

4.2 控制梯度固结试验

控制梯度固结试验（CG）与等应变速率固结试验（CRS）的原理类似，本质上是通过调整试样应变率来设定底部孔隙水压力不变，进行连续加载试验。由于在常规固结试验中沿试样高度的有效应力分布不均匀，不同高度处孔隙水压力梯度相差很大，这样随着固结的发展，试样的应变速率变化很大，为了克服上述缺点，提出了控制梯度试验法。

Lowe等首先提出了该试验方法，并建立了线性固结理论来测定固结系数。Gorman等将控制梯度固结试验、等应变速率固结试验与常规固结试验的结果进行了比较，并证实了CG、CRS固结试验的可行性。

考虑到CRS、CG固结试验会受到应变率的影响而导致测定结果出现偏差，Sheahan等提出了设定底部孔隙水压力为零的CG固结试验，用以模拟土体的主固结状态。该试验的优点在于：固结过程中试样的应变率较低，可以更好的模拟现场状态；试样的应变率与有效应力沿深度方向分布更均匀，不易受到次固结的影响。

王正宏和李文林主要介绍了控制梯度固结试验的方法与理论。对控制梯度固结试验与常规固结试验进行了对比，前者得到的固结系数大于后者，但前者可以获得更稳定的前期固结应力。该文献只是对连续加载试验的初探，尚有许多地方需要完善。

盛树馨进一步研究了控制梯度固结试验，认为对正常固结土，CG固结试验可以看作是等加荷速率试验；对于不同的试样底部孔隙水压力对试验结束时的孔隙比影响不大；可以通过排水量求得土样的渗透系数，试样的e～logk曲线呈线性关系。

张惠忠描述了等梯度固结试验方法的特点，并与常规固结试验进行了比较分析，详细介绍了等梯度固结试验的操作方法和如何利用等梯度固结试验求取土体的固结参数。

控制梯度固结试验要求试样在固结中底部的孔隙水压力保持常数，这对试验仪器要求较高。需要在试验中随时监测试样的孔隙水压力，并及时反馈到加载系统，控制加载速率，确保孔隙水压力恒定。

4.3 等加载速率固结试验

等加载速率固结试验（CRL）是连续加载固结试验中最简单的一种，具有很显著的优点。不仅克服了常规固结试验的缺点，而且加荷稳定，利于操作，对土样扰动小，能更好地模拟实际现场加载的条件。

Aboshi等首次提出了等加载速率（CRL）试验，并基于Schiffman变荷载一维固结理论，确定了固结系数随有效应力变化的关系式。与常规固结试验相比，CRL固结试验的加载速率对试样的先期固结压力和固结系数的测定影响不大。Von Fay等发现常规固结试验与CRL固结试验测得的固结系数与有效应力的关系曲线基本一致；CRL固结试验所需的时间取决于加载速率、土体的渗透与压缩特性，而且远小于常规固结试验，因此作者认为CRL固结试验可代替常规固结试验。Hsu等推广了Olson假定固结系数为常数的变荷载问题的一维固结解，通过CRL固结试验总结出固结系数随时间变化的经验公式，进而推导出关于超静孔隙水压力与平均位移的解析解；与CRL固结试验结果对比表明，变固结系数条件下的求解结果要优于常固结系数条件下的求解结果。孟晓非利用计算机对CRL固结试验过程进行了模拟分析，作者证实了在CRL固结试验条件下，试样的变形速率～平均有效应力曲线在前期固结应力附近出现典型的波动变化，而且这种现象与前期固结应力有唯一确定关系，并提出了利用CRL固结试验的变形速率～平均有效应力曲线确定前期固结应力的方法。

CRL固结试验自动化程度高，能随时控制或监测到土样在固结过程中的荷载大小、试样变形与孔隙水压力消散情况。与常规固结试验相比，具有时间短，对试样扰动小等优点，而且试验结果可靠。

5 结论

（1）常规固结试验具有时间长、试验数据少和有效应力分布不均匀等缺陷。大量试验结果表明土的固结参数与土的性质、状态、应力历史及测试方式等因素有关。因此，选择有代表性的试样与制定合理的试验方法是取得正确结果的基本要求。

（2）快速法固结试验缺乏理论基础，对于试验结果的校正也以经验为主。且该法仅适用于对建筑物沉降计算精度要求不高、不需要估算地基沉降发展过程的工程。

（3）连续加载试验具有对试样扰动小，试验时间短，能随时测定试样的变形和孔隙水压力，可控制荷载施加方式，试验结果可靠等诸多优点，该试验方法具有广泛的应用前景