非饱和土固结试验

石家庄铁道大学
研究生课程论文
培养单位土木工程学院
学科专业建筑与土木工程
课程名称非饱和土力学
任课教师
考试日期 2015.1.15
学生姓名
学号
研究生学院
非饱和土固结实验报告
一、非饱和土固结试验工程意义
土体的压缩变形特性决定了地基沉降量的大小和固结时间的长短, 尤其是非饱和土体的压缩变形特性是目前工程界关注的焦点。

在荷载作用下，土体中产生超孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体中有效应力逐渐增大，直至超孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结。

饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。

非饱和土的孔隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著。

这些使非饱和土的固结过程非常复杂。

由于土体内部结构复杂, 使得非饱和土体在固结变形特性上与饱和土体存在巨大差异, 同时也导致非饱和土地基在设计和施工中存在大量不确定因素。

因此掌握非饱和土体的固结变形机理, 并且有针对性的对地基沉降加以控制是目前极待解决的问题。

二、实验方案
通过一维固结试验，利用实验数据整理出在分级施加垂直压力p下试件的竖向变形s与时间t的s-t曲线、试件排水v与时间t的v-t曲线以及e-p曲线，研究非饱和重塑粉质粘土在饱和度Sr=0.569下的压缩变形特性。

1.土样
本实验使用重塑非饱和粉质粘土，土的压实度DC=0.9 、含水率w=12%、土粒比重Gs=2.72、最大干密度pdmax=1.92g/com，实验中的试件尺寸为Ф61.8mm×H20mm，总质量m=116.04g，其中固体颗粒质量ms=103.6g
2. 实验设备
本实验采用的非饱和土固结仪（如图1-1所示）由中国人民解放军后勤工程学院、电力
部电力自动化院大坝所、江苏省溧阳市永昌工程实验仪器有限公司联合研制生产。

其主要结构有:
2.1 压缩部件：由压缩容器、压力室座、导环、陶土板、透水板、加压帽表杆支座等组成，承放土样用。

2.2 容器罩子部件：由筒身、顶盖、活塞、活塞套等组成起密封作用及用来传递荷重力。

2.3加荷部件：由上横梁、拉捍、下横梁、杠杆轴承座、平衡锤、吊环、砝码等组成。

为产生荷重供土样受力之用。

2.4台架部件：由机架、台面板、杠杆支架、杠杆固定螺捍等组成，压缩容器，加荷部件和唯一传感器支架等都固定安装在台架部件上。

2.5 数据采集：该仪器舍友三个数据采集通道，装有一只0~10mm位移电位器和一只孔压传感器。

由土工试验数据采集系统微机统一进行实验数据采集。

图1- 1
3. 实验方案及步骤
3.1制作试件：根据《土工实验规程》SL237-1999，按实验需要，配制含水量W=12%的土样，将土样倒入预先装好的环刀内并固定在底板上的击实器内用击实方法将土击入环刀内（分两层击实，每层土样质量m1=58.02g）。

3.2饱和陶土板：在固结仪土样容器中注入脱水（近满），关闭进水阀门，拧紧固结仪上盖。

打开排水阀，施加气压300~400KPa直到排水阀门有较多的睡排出。

冲洗陶土板下集聚的气泡，打开进水阀，让无气水流过陶土板先的螺旋槽冲洗30秒，关闭进水阀门。

释放容器中气压力到零，移开固结仪上盖，用吸球吸走土样容器中的余水，注入无气水(近满)。

重复这些步骤，直到排水阀有连续的水流出，排除气压力，移走压力室上盖
3.3装土样：将土样压入固结容器内，顺次放上洁净而湿润的滤纸，在试样上再置洁净而湿润的滤纸和透水石各一，最后放下导环和加压上盖，加装竖向压缩位移传感器，保证试样与仪器上下各部件之间接触良好。

3.4 排空气：将土样放入固结容器内后，固结容器内会残存一些气体，饱和的陶土板透水不透气，为了及时排走这些气体，在仪器装好之后，打开底座连接处排水系统阀门，水可有底座中心进人螺旋槽，最后从螺旋槽末端流出。

从而排除陶土板中溶于水的气体。

当排水不掺杂气泡时，关闭排水系统阀门。

3.5 实验通过控制气压进气值Ua的大小来控制基质吸力的大小。

实验分级加载前，应先达到气水平衡条件。

打开气压阀门通气和蠕变、固结数据采集系统，静置一定时间，等数据出现上、下跳动的波浪折线时，证明达到气水平衡，再分级加载。

应当注意，气压的增加引起压力的波动，为此，专门配置了小祛码进行补偿。

3.6 控制基质吸力为50 kPa，净竖向压力按50,100 ,300,410,600,800,1000kPa逐级增加。

试验过程中要量测排水量。

施加竖向压力时，一般需要半天时间土样才能达到压缩变形稳定和不再排水。

因此等稳定后才能施加下一级压力。

3.7 实验结束后，卸除气压和砝码，卸除土样并关闭计算机，清洗土样容器及陶土板，以便供下次实验使用。

三、实验数据处理
1. 实验数据计算主要公式
1.1土的质量计算
=
其中
—干密度（g/cm3）
—密度（g/cm3）
—含水率（%）
M —质量（g）
—最大干密度（g/cm3）
V—体积（cm3）
1.2 计算试样的初始孔隙比e o
1
)
01
.0
1(
w
s
-
⋅
+
=
γ
γ
w
G
e
式中e0——初始孔隙比；
w0——试验前土样的含水率，%；
γ——试样初始密度，g/cm3；
w
γ——水的密度，g/cm3。

1.3 计算各级荷载下压缩稳定后的相对沉降量S i
h
h
S i
i
∑∆
=
式中∑△h i——某一压力下，试样压缩稳定后的总变形量（等于该荷载下压缩稳定后的量表读数减去仪器变形量。

仪器变形量由实验室给出），mm；
h0——试样的初始高度（等于环刀高度），mm。

1.4 计算各级荷载下压缩稳定后的孔隙比e i
i i S e e e )1(00+-=
2. 实验数据图表
2.1 绘制s -t 曲线，以竖向变形s 为纵坐标，以压力t 为横坐标，作沉降量与时间的关系曲线（ s - t 曲线）
2.2 绘制v - t 曲线，以排水 v 为纵坐标，以时间t 为横坐标，作排水与时间的关
系曲线（ v - t 曲线）
2.3绘制e - p 曲线，以孔隙比 e 为纵坐标，以压力p 为横坐标，作孔隙比与压
力的关系曲线（ e - p 曲线）
四、实验总结及体会
从实验开始时的材料搜集、方案制定，再到实际操作、数据处理以及生成报告的整个过程中，使自己对非饱和土的固结有了更深入的了解。

本来实验方案是50,100,200,300,410,600,800,1000KPa 逐级加压，但是在加载200KPa时，电脑出现了蓝屏，数据丢失，所以只能删掉200KPa这一档，虽然少了一个加载，但是还是能看到一些非饱和土固结时的规律：从s-t曲线可以明显看出，加载竖向压力时，竖向位移马上就显现出明显沉降，且之后很快趋于稳定。

从整条曲线来看，随着竖向压力的增大，竖向位移很明显呈现阶梯型增长；对于v-t曲线，可以看出一开始随着压力加大排水呈现线性增长，但是到100KPa至300KPa之间排水趋于稳定，随后一直波动；而e - p 曲线趋近
斜线，孔隙比随着轴向应力的增大而线性减小。

这次做实验我深刻的体会到，具体操作对实验结果的重要性，即使同样的土样实验数据也会有很大的偏差，给之后处理数据带来了一定的麻烦，甚至有一些数据完全不正确，因此我们每做一步都要认真仔细，努力达到完美。

最后感谢冯老师以及各位同学们，感谢你们不厌其烦的给我讲解实验细节以及数据处理方法，谢谢！
五、参考文献
[1].《土工实验规程》SL237-1999
[2].弗雷德隆德（Fredlund，D.G.），拉哈尔佐(Rahardjo.H.).非饱和土土力学（Siol
Mechanics for Unsaturated Soils）[M].陈仲颐，等，译．北京：中国建筑工业出版社.
[3].牛文明,高武振,杨贺荣,刘进虎.饱和土与非饱和土固结理论及其联系与差别[J].科技信息，
2010,3:480-481.
[4].陈正汉.非饱和土固结仪和直剪仪的研制及应用[J]岩土工程学报，2004。