土的固结实试验影响因素的研究

土的固结实试验影响因素的研究

摘要：固结系数是岩土工程中较常采用的计算参数之一,大量的实际工程计算与监测结果表明,试验得到的固结系数偏小.为了探讨固结试验过程的内在特征,将常规固结试验仪器进行了改进,使其能够进行土样底部的孔压测定。

关键词：土固结实；试验；影响；因素

1 引言

在岩土工程土工试验中，包含着样品（土体）的物理性质试验和力学性质试验。在许多工程中，通过土工试验的物理性质试验，除了对土进行定名、判定其状态外，还必须对其进行力学性质的试验，以便为工程提供必要的设计参数。本文所涉及的固结试验，就是力学性质试验当中的一种，这里所谓的固结，一般来说是指垂直方向上的固结，也就是单向固结。我们在了解了单向固结及其力学机理后，进行固结试验在严格遵守试验规程的同时，还要特别重视影响试验的种种因素并采取有效措施进行控制，为土工试验成果提供保证[1]。

2 土体的单向固结及力学机理

土的固结是指土体在某一压力作用下，与时间有关的压缩过程。对于饱和的土体来说，是由于土中孔隙水的逐渐向外排出而引起的。如果土中孔隙水只朝着一个方向向外排出，土体的压缩也只是在一个方向上发生（一般指垂直方向），那么我们就把这种压缩过程称为单向固结；土体单向固结的快慢取决于它的渗透速度。

在压力作用下，土体中的孔隙水不断地向外排出，它的体积在逐渐地减小，这只是我们观察到的一种表面现象，而它的本质却与土体固结内部所受到的压力有着直接关系，也就是土体固结的力学机理。在某一垂直压力作用下，饱和土的固结过程也就是土体中各点的超静孔隙水应力不断消散，附加有效应力相应的增加的过程，或者说是超静孔隙水应力逐渐转换为附加有效应力的过程，而在这个转化过程中，任一时刻、任一深度上的应力始终遵循着有效应力基本原理：所施加的垂直压力等于附加有效应力与超静孔隙水应力之和。这就是土体单向固结的力学机理[2]。

根据饱和土体的力学机理，我们可以解决在附加应力的作用下，地基内的孔隙水应力问题。

关于土体的单向固结，我们对土有以下假设：土是均质、各向同性和饱和的；土的压缩完全是由于孔隙体积的减小，土粒和孔隙水是不可压缩的；土的压缩和

排水仅在竖直方向上发生；孔隙水的向外排出符合达赛定律，因此土的固结快慢决定于它的渗透速度，所以常称这种固结为单向渗透固结；土的渗透系数和压缩系数在整个固结过程中均为常量；地面上作用着连续均匀分布荷载并且是一次施加的。

通过考察得出粘土层在固结过程中，土层内部的竖直附加应力与水平地面施加连续均布荷载的关系[3]。假设一均质各向同性的饱和粘土层，位于不透水的岩石上，粘土层有一定的厚度，在自重应力作用下已经固结稳定，仅考虑外加载荷引起的固结，若在水平地面上施加连续均布荷载，则在土层内部引起的竖直附加应力（固结应力）沿高度的分布将是均匀的且等于外加均布载荷。

3 影响固结试验的因素

土的固结试验是了解试样在压力作用下产生变形的过程。其目的是测定试样在有侧向与径向排水及受稳定荷重作用下变形和压力或孔隙比和压力以及变形和时间的关系。通过固结试验，可以计算土的单位沉降量、压缩系数、压缩指数、回弹指数、压缩模量、固结系数等等。所求得的各项固结试验的指标用来分析、判断土的固结特性和天然土层的固结状态，计算建筑物及地基的沉降，估算区域性的地面沉降等。

目前，国内的土体固结试验是以单向固结理论为基础，实验方法一般采用标准固结和快速固结两种，对于饱和土体而言，根据工程要求，如果需要测定固结系数，则采用标准固结的实验方法，如果工程没有特殊要求，只是提供一般的压缩性指标，那么无论是饱和土还是非饱和土都采用快速固结的方法，这样可以加速工程的进度。

进行固结试验时，目前国内所采用的固结仪加压设备有气压、液压、磅秤式、杠杆式，固结容器包括环刀、护环、透水板、水槽、加压盖板，无论采用上述哪种加压设备进行试验，对固结试验成果都有着一定的影响，其影响因素主要从以下几个方面考虑：（1）试验前先检查百分表是否灵敏，环刀、容器、透水石的完好度，加压设备采用气压或液压的要观察压力是否充足，另外要定期对压力泵进行排水。（2）试样要按实验操作规程取样，装入容器盒的试样上下均用事先剪好的薄型滤纸与透水石隔开，这样能保证透水石良好的透水性，使试样中的孔隙水能够及时排出。试样装好后，要检查容器摆放是否平稳，然后再施以零点压力进行初始荷重的加荷。（3）加压荷重的确定和加荷比率对固结试验成果有着直接影响，一般是根据工程要求确定，特殊情况下，可根据土层含水量大小和土层深度确定，对于含水量较大的试样，初始荷重应选择小些，加荷比率也不宜过大，否则试样就容易从容器盒中挤出来，从而影响试验结果。（4）试样在加荷后，应根据其天然含水量来决定向容器盒中的加水量，当含水量大于液限时，向盒中注水使试样处于饱和状态，当含水量小于液限时，透水石需要浸湿，用湿棉纱围住加压盖板周围，并保持棉纱的湿度直至试验结束。对于硬塑状态的高塑性粘土，工程没有特殊要求时，一般不能注水，因为试样在吸水后会发生膨胀，因此，这类试样初始荷重可以稍大些，使试样不膨胀即可。（5）在试验进行当中，观察每级荷重下的数据是否正常，发现异常及时查找原因，采取有效措施，以免造成不必

要的损失。（6）试验完毕，及时清洗容器盒和透水石，使透水石常保持良好的透水性，透水石的规格应符合试样要求，发现不合格的及时更换。（7）定期对仪器、仪表、传感器等进行校正，以确保其性能完好，量值准确；并做到每个月对仪器、百分表等进行一次全面保养和维护[4]。

因此，充分了解和掌握影响固结试验的各种因素，并加以有效控制是十分重要的。

参考文献：

[1] 姚仰平,牛雷,杨一帆,崔文杰,胡贺祥.考虑温度影响的非饱和土本构模型

[A]. 第十二届全国岩石动力学学术会议暨国际岩石动力学专题研讨会资料之二

[C]. 2011

[2] 顾行文,徐光明,蔡正银,米占宽,刘滨,刘京生.人工岛软基处理离心模型试验研究[J]. 水利与建筑工程学报. 2010(04)

[3] Yoichi Watabe,Serge Leroueil.Simplified Modelling of Isotache Concept for Consolidation[A]. Springer Series in Geomechanics & Geoengineering Constitutive Modeling of Geomaterials Advances and New Applications[C]. 2012

[4] Ze-Xiang Wu,Yin-Fu Jin,Zhen-Yu Yin.Nonlinear Creep Behavior of Normally Consolidated Soft Clay[A]. Springer Series in Geomechanics & Geoengineering Constitutive Modeling of Geomaterials Advances and New Applications[C]. 2012