两种测定固结系数试验方法——孔隙水压力消散法与固结仪法的比较

李雄飞

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

两种测定固结系数试验方法
——孔隙水压力消散法与固结仪法的比较

李雄飞

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

随着社会经济的发展，各种类型建筑物的新建，越来越多的建筑类型对沉降的要求也越来越高。如何多方面提供沉降计算参数成为土工试验中所要研究的新课题。目前室内试验中广泛采用固结仪法来计算固结系数，通过绘图计算结果，如何从其他试验途径寻求计算固结系数的方法为人们所探究的方向。现将以孔隙水压力消散试验法计算固结系数，通过与固结仪法的比较，分析两种试验方法所得结果的差异，评价两种方法的差异性。

固结系数；孔隙水压力；时间因子；消散度

1　固结仪法

采用土工试验固结仪，依据太沙基单向固结理论，假设条件为土体是均匀的、土体完全饱和、土颗粒和水是不可压缩的、孔隙水只沿一个方向渗流、渗流符合达西定律，同时土颗粒也只沿竖直方向位移，在外荷载一次瞬时施加时，孔隙水从土体中排出，土体开始变形（即开始固结）。试验模型见图1所示。

图1　试验模型

目前在国家标准中对固结系数的计算方法多采用时间平方根法及时间对数法确定。时间平方根法：对某一级压力，以试样的变形为纵坐标，时间平方根为横坐标，绘制变形与时间平方根关系曲线，延长曲线开始段的直线，交纵坐标于ds为理论零点，过ds作另一直线，令其横坐标为前一直线的1.15倍，则后一直线与d-曲线交点所对应的时间的平方即为试样固结度达90%所需要的时间t90（见图2（a）），则该级压力下的固结系数按下式计算：

通过时间对数法（操作方法略，见规范GB/T50123-1999）计算固结度达到50%所需的时间t50（见图2（b）），则该压力下固结系数按下式计算：

2　孔隙水压力消散试验法

当土体在受压时，将发生变形，而土体的变形主要是通过土体中孔隙的减少。相对于饱和土体而言，土体中的孔隙减少实质是土中孔隙水的排出，土体中孔隙水的排出过程，即为土的固结过程。该项试验主要通过孔隙水压力消散的过程，结合相关公式，计算出相应土体的固结系数。

孔隙水压力消散试验采用三轴试验仪，三轴试验仪配有孔压传感器和排水传感器（传感器精度满足误差小于、等于0.5%）。试验中饱和土试样在周围压力作用下（受力条件见图3所示），产生一定孔隙水压力，孔隙水压力相关系数（B）大于95%开始排水，在排水过程中，各级压力下产生的消散系数C′V，即为土体相应压力下的固结系数。相关的试验操作方法见水利部土工试验规程（SL237-1999）。计算方法见下式：

图2　固结度曲线图

图3受力条件示意图

任一时间t后的孔隙压力消散百分数：

式中：ui、ut——分别为起始及tmin后不排水端的孔隙压力值，kPa。

各向等压力下任一消散度的消散系数：

式中：t——散时间（达任意消散度所需的时间），min；

Tv——任一消散度的时间因数；

60——秒与分的换算系数；

式中：

AC——试样固结后的断面面积，cm2；

ΔV——试样固结后与固结前的体积变化，

cm3（排水体积）；

V0、A0——试样的初始体积，cm3、初始面积，cm2。

孔隙压力消散百分数（Dc）与时间因数（Tv）关系见图4所示，对任一消散度下的时间因数可采用内差法取值。

图4　Dc与Tv关系曲线图

通过上面公式可以看出，根据孔隙水压力消散试验测得的固结系数是由计算而得，人为影响因素较小。

3　两种试验方法比较

在固结仪法和孔隙水压力消散试验法中，其实质都是孔隙水从土体中排出的过程，所以对土体中饱和度要求较高。试验过程中土体的均匀程度对试验数据影响很大。由于孔隙水消散试验的应用还处于探索阶段，相关技术还不是很成熟，为了保证试验数据的准确性和两种试验方法的可比性，此次试验采用土质较为均匀的上海地区④层饱和软粘土作为研究对象。通过对20组试样进行试验，两种方法试验数据结果统计对比见表1所列。

试验数据的比较：通过两种试验方法的比较可以看出，在各项物理指标都比较接近的情况下，相同压力下固结仪法测得的固结系数比孔隙水压力消散试验法所测得固结系数偏小。数据差异原因分析如下：

（1）排水条件不同。固结试验法排水条件为竖向双面排水，而孔隙水消散法受仪器的限制为单向排水，排水条件的差异势必对土体固结系数产生影响。

（2）受力条件不同。固结仪法依据太沙基单向固结理论，受力方向为竖直方向，土体只沿竖向变形，侧向不发生变形；孔隙水压力消散试验为各向等压，土体在受压过程中产生整体变形。

（3）计算方式不同。固结试验法主要通过作图法求得，而目前广泛采用的时间平方根法和时间对数法，只能通过t90和t50计算固结系数；而孔隙水消散试验通过所测数据直接使用相关公式计算，求得任一消散度下的固结系数。

表1　两种方法实验数据结果对比表

4　结论

从试验条件来看，孔隙水压力消散试验的受力条件更接近于土体在施工中的实际受力条件，固结程度相对较好，所得数据更精确，在计算方式上采用公式计算人为因素较小。但从试验操作步骤来看，孔隙水消散试验法要求试验人员应具有相当高技术操作能力，而固结试验法操作起来比较简单，试验周期相对也较短。目前工程设计中大多采用固结仪法测定的固结系数参数，积累了丰富的经验数据，设计人员容易接受，而孔隙水消散法还处在理论运用阶段，积累经验相对较少。总体来讲孔隙水压力消散法在试验精度上更接近于真实值，适用于更精确的沉降计算；固结仪法试验程序相对简单适合大规模的常规计算。在建筑对沉降要求较高时，能满足工期的情况下，孔隙水消散法测固结系数还是可行的。

由于该项试验尚在探索中，研究过程中为了保证试验数据的准确性，试验中所采用土层为均质类粘性土，存在一定的局限性，在工程中涉及的其他非均质土还有待进一步总结经验。

U432

A

1009-7716（2015）01-0156-03

2014-08-13

李雄飞（1983-），男，四川广安人，工程师，从事岩土工程检测工作。