论土的固结试验方法及其原理和应用

刘仕娇

（广东省工程勘察院，广州 510510）

1 引言

地基土在外荷载作用下，水和空气逐渐被挤出，且土的骨架颗粒之间相互挤紧、封闭，气泡的体积也将减少，因而引起土层的压缩变形。通常，土的这一受压缩过程被称之为土的固结。

固结试验，是指将天然状态下原状土或人工制备的扰动土，制备成一定规格的试件后，置于压缩固结仪内，并在不同荷载和侧限的条件下测定其压缩变形。

2 试验目的

通过试验测定土的压缩系数、压缩模量、压缩指数、回弹指数、固结系数、先期固结压力等固结试验指标，可用来分析、判别土的固结特性和天然土层的固结状态，从而计算出土工建筑物及地基的沉降，并估算出区域性的地面沉降等。

3 试验方法

根据工程的需要，固结试验一般可选择标准固结试验和快速固结试验2 种方法。

3.1 标准固结试验

标准固结试验，是指以每级荷重下（一般加压等级为12.5kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa、3 200 kPa，最后一级的压力应大于上覆土层的计算压力100～200 kPa）固结24 h 或每小时固结变形≤0.01 mm作为相对固结稳定标准，通过e-p 曲线（e 为土的孔隙比；p 为土体压力值，kPa）计算求得土的压缩系数、压缩模量等。

3.2 快速固结试验

对沉降计算精度要求不高，渗透性较大的土，可采用快速固结的试验方法。该实验方法以荷重下固结1 h 作为稳定标准，最后一级稳定标准为每小时固结变形≤0.01 mm，并最终以等比例综合固结度进行修正，同时通过e-p 曲线计算求得土的压缩系数、压缩模量等。

3.3 仪器设备

仪器设备一般有杠杆式固结仪、磅秤式固结仪、气压式固结仪、液压式固结仪等。垂直变形测量设备一般用百分表。近年来，随着土工试验仪器的自动化，多数实验室都会采用数据自动采集系统软件，以及灵敏度为零级的位移传感器。

4 主要计算公式和曲线

4.1 计算初始孔隙比

计算初始孔隙比的公式见式（1）：

式中，e0为初始孔隙比；ρω为水的密度，g/cm3；CS为土的比重；ω0为土的含水率，%；ρ0为土的天然密度，g/cm3。

4.2 计算各级压力固结稳定后的孔隙比

计算各级压力固结稳定后的孔隙比见式（2）：

式中，ei为压力pi时固结稳定后的孔隙比；Δhi为某一荷重下压缩变形稳定后试样的变形量，cm；h0为试样原始高度，cm。

4.3 计算某一压力范围内的压缩系数

计算某一压力范围内的压缩系数见式（3）：

式中，av为某一压力范围内的压缩系，MPa-1；ei+1为压力pi+1时固结稳定后的孔隙比；pi+1为第i+1 级的垂直压力，kPa；pi为第i 级的垂直压力，kPa。

4.4 计算某一压力范围内的压缩模量

计算某一压力范围内的压缩模量见式（4）：

式中，Es为某一压力范围内的压缩模量，MPa。

4.5 计算体积压缩系数

计算体积压缩系数见式（5）：

式中，mv为体积压缩系数，MPa-1；Es为某一压力范围内的压缩模量，MPa。

5 试验要点

在实验过程中，需要注意的事项有：

1）透水石要经常清洗，其直径略小于试样直径，做试验时要浸湿。

2）仪器要定期校正，包括位移、力值、仪器变形量等。

3）加荷前平衡自重后一定要检查量程、试样接触等。

4）试验压力应大于或等于400 kPa，标准固结时如果原状土已达到饱和状态，允许天然状态下进行固结试验，但试验过程中要采取措施防止水分散发，否则要将样品加水饱和，以模拟其实际情况。

5）高压固结试验一定要选择满足试验压力的固结仪，软土第一级荷重不宜过大，一般选择从12.5 kPa 或25 kPa 开始加荷；回弹试验应在估计的先期固结压力之后进行一次卸荷回弹，然后继续加荷载，直至完成预定的最后一级压力。

6 实验案例

以一组淤泥样品为例，其物理指标为：含水率ω0＝53.5%，湿密度ρ0＝1.618 g/cm3，液限ωL＝48.1，塑限ωp＝28.1，液性指数IL＝1.27，饱和度Sr＝92.6%，孔隙比e0＝1.536。采用全自动气压固结仪，按标准固结试验方法测先期固结压力和回弹指数等参数。

6.1 固结系数的测定

固结系数的试验实际上是在某级荷重下测定时间与变形的关系，通过测定沉降速率，求出t90（试样达到固结度90%的时间），计算某级压力下的CV（为垂直固结系数）及CH（水平固结系数），并可估算出土的有荷渗透系数KV（有荷垂直渗透系数）及KH（有荷水平固结系数）。固结系数又分水平固结和垂直固结系数（主要在于排水方向不同），对于层理构造明显的软土（如淤泥和砂石互层）需测定水平方向的固结系数CH，但测定时须备有水平向固结的径向多孔环刀，环的内壁与土样之间应贴有滤纸，水平向固结压力可按垂直向固结压力乘以静止侧压力系数K0而求得。由时间平方根法求t90（见图1），而垂直固结系数计算见式（6）、水平固结系数计算见式（7）：

图1 时间平方根法求t90

注：d 为量表读数,mm；ds为理论零点；k 为渗透系数。

式（6）、式（7）中，Cv为垂直固结系数，cm2/s；CH为水平固结系数，cm2/s；h 为最长排水距离，等于某一荷重下初始与终了高度的平均值之半，cm；R 为径向排水距离，取试样半径3.09 cm；t90为试样达到固结度90%的时间，s。

6.2 先期固结压力的确定

土的先期固结压力是反映地质历史形成过程中土所承受的最大有效力压力，土的先期固结压力测定试验的最后一级荷重，应大于估算先期固结压力或自重压力的5 倍以上（对于软土最少要1 000 kPa），以每级压力下固结24 h 或每小时变形≤0.01 mm 作为相对固结稳定标准，通过试验绘制e-lgp 曲线（见图2）。

图2 e-p 曲线图和e-l g p 曲线图

该曲线有一个较明显的转折点，在此点之前，当外荷重增加时变形较为微小，超过此点之后变形量突增，此点所对应的应力通常称为先期固结压力pc；另外，还可以计算土的压缩指数Cc（压缩曲线直线段分斜率），做回弹试验时求得回弹指数Cs（回弹滞回圈两端连线斜率）。

7 试验应用

在设计等级甲级和乙级建筑物时要求进行沉降计算，其地基沉降和沉降差必须控制在容许范围之内才会保证安全。而固结试验的一些参数就是为计算沉降而服务的。在应用实验过程中，需注意的要点有：

1）压缩系数av是指单位压力下土的孔隙比的变化值，在某压力变化范围内，压缩系数越大说明土的压缩变形越大。当采用压缩模量Es进行最终沉降量计算时，压缩模量的计算应取土的有效自重压力和附加压力之和的压力段。堆填时间超过10 年的黏性土，以及超过5 年的粉土所填的素填土才用Es1－2来确定其承载力特征的经验值，Es1－2为压力100～200 kPa下的压缩模量，MPa。

2）当需进行沉降历时关系分析时，即计算某时刻的沉降量应用固结系数CV及CH进行计算，选取土的有效自重压力与附加压力之和下的固结系数[1]。

3）当考虑土的应力历史进行沉降计算时，需要先期固结压力pc和压缩指数Cc进行计算求出最终沉降量。

4）当考虑深基坑开挖卸荷和再加荷影响时应进行回弹试验，其压力的施加应模拟实际的加荷、卸荷状态。所求的回弹指数可参加土的沉降量计算。考虑地基土会产生蠕变可用次固结指数Ca计算建筑物地基由于次固结产生的地基沉降。

8 结语

土的压缩性，实质上反映了土的孔隙在外力作用下可能发生的变化。因此，影响土的压缩性的主要因素决定于2 大方面：（1）土本身的成分等内在因素，如土的粒度成分、矿物成分、含水率、密实度、结构特征和构造特征；（2）受力条件是影响土压缩性的外部因素，如受力大小、性质、速率等。从压缩曲线可知，荷载越大，土的总压缩变形量也越大，但随着荷载的增大，孔隙体积逐渐减少，压缩曲线逐渐平缓。不同压力的压缩量是不同的，每级加荷的增荷率越大，则土的压缩性越高。由压缩固结试验的结果估算的沉降量一般常比实测的沉降量大，因此室内的固结试验应尽量模拟实际情况，采用的加荷速度和增荷率应视土的软硬程度和工程施工速度来决定。