8土工试验与原理2016(固结)

该级压力下的垂直向固结系数Cv按下式计算：
Cv

(Tv )90 h 2 t90

0.848h 2 t90
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② 时间对数法
对于某一级压力，以试样的变形为纵坐标，时 间的对数为横坐标，在半对数纸上绘制变形与 时间对数关系曲线(见图4-4)。
该曲线的首段部分接近为抛物线，中部一段为 直线，末段部分随着固结时间的增加而趋于一 直线。
a tg e e1 e2
p p2 p1
工 程 实 用 上 常 以
p=100~200kPa 时 的 压
缩系数a1-2 作为评价土 层压缩性的标准。
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根据e～p曲线，可以得到另一个重要的压缩指 标——压缩模量，用Es来表示。
压缩模量定义：土在完全侧限的条件下竖向应 力增量与相应的应变增量的比值，单位为 MPa。
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(2)加荷设备
可采用量程为5~10kN的杠杆式、磅秤式或气压 式等加荷设备。
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WG系列三联固结仪
GDG-4S三联高压固结仪 11
KTG-GY气压式高压固结仪
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KTG-BY气压式固结仪
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气压式固结仪
(3)变形量测设备
采 用 最 大 量 程 10mm 、 最小分度值0.01mm的 百分表，也可采用准 确度为全量程0.2%的 位移传感器及数字显 示仪表或计算机。
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❖标准固结试验
将天然状态下的原状土或人工制备的扰动土，制 备成一定规格的土样；
在侧限与轴向排水条件下测定土在不同荷载下的 压缩变形；
试样在每级压力下的固结稳定时间为24小时。
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1．仪器设备
(1)固结容器
由环刀、护环、透水 板、加压上盖等组成
土样面积30cm2(内径 6.18cm) 或 50cm2( 内 径 7.98cm) ， 高 度 2cm。
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1 制备土样
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❖ 第2步 小心地边压边削，注意避免环刀偏心入土； 使整个土样进入环刀并凸出环刀为止； 用钢丝锯(软土)或用修土刀(较硬的土或硬土)， 将环刀两端余土修平，擦净环刀外壁。
❖ 第3步 测定土样密度； 在余土中取代表性土样测定其含水率 然后用圆玻璃片将环刀两端盖上，防止水分 蒸发。
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延长曲线开始段的直线， 令其另一端的横坐标为前 交纵坐标于ds (理论零点) 一直线横坐标的1.15倍
后一直线与 变形~时间平 方根关系曲 线交点所对 应的时间的 平方即为试 样固结度达 90% 所 需 的 时间t90
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t90 3.2 t90 10.2
1.根据单向固结理论， 在U<60%之前，U与 Tv 成直线关系，大致 可用 Tv ( / 4) U 2来表 示，若将这直线延长 至U=90%，则可得
Tv ( / 4)0.92 =0.798；
2. 若按理论曲线上的 U=90%直接从公式可 算出 Tv 0.848 0.920
3.两者之比0.920/0.798 =1.15，这一关系是时 间平方根法的主要依据
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① 时间平方根法
1.15倍的直线与变形~时间平方根关系曲线交点 所对应的时间的平方即为试样固结度达90%所 需的时间t90；
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将e～lgp曲线直线段的斜率用Cc来表示，称为压 缩指数，无量纲。
Cc

lg
e1 p2
e2 lg
p1

e1 e2 lg p2
p1
压缩指数Cc与压缩系数a不同，a值随压力变化 而变化，而Cc值在压力较大时为常数，不随压 力变化而变化。
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(1)土体的压缩变形主要是由于孔隙的减小所 引起的。
(2)饱和土的压缩需要一定时间才能完成，这 个过程称为土的渗流固结。
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❖有效应力原理
对于饱和土，如果在土中某点截取某一水平截面， 截面上由土体的重力、静水压力及外荷载所产生 的应力，称为总应力σ。
总应力σ一部分是由土颗粒间的接触面承担，称 为有效应力σ’；另一部分是由土体孔隙内的水承 担，称为孔隙水压力u。
最后一级压力应使测得的e~logp曲线下段出 现直线段；
对于超固结土，应采用卸压、再加压方法来 评价其再压缩特性。
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❖ 第9步
当需要做回弹试验时，回弹荷重可由超过自 重应力或超过先期固结压力的下一级荷重依 次卸压至25kPa，然后再依次加荷，一直加至 最后一级荷重为止。
卸压后的回弹稳定标准与加压相同，即每次 卸压后24小时测定试样的回弹量。
当需要预估建筑物对于时间与沉降的关系， 需要测定竖向固结系数cv，或对于层理构造明 显的软土需测定水平向固结系数cH时，应在 某一级荷重下测定时间与试样高度变化的关 系。
读数时间为6秒、15秒、1分、2分15秒、4分、 6分15秒、9分、12分15秒、16分、20分15秒、 25分、30分15秒、36分、42分15秒、49分、 64分、100分、200分、400分、23小时、24小 时，直至稳定为止。
hs
h0 1 e0
计算某级压力下固结稳定后土的孔隙比：
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ei e0
hi hs
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绘制e~p压缩曲线。 绘制半对数直角坐标系统的e~lgp曲线 。
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❖压缩性指标
在一般的压力变化范围内, 用一段割线近似地代 替该段曲线, 割线的斜率称为土的压缩系数a, 单 位为 MPa-1。
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固结系数的计算
① 时间平方根法
对于某一级压力，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(见图4-3)。
延长曲线开始段的直线，交纵坐标于ds (理论零 点)，过ds作另一直线，令其另一端的横坐标为 前一直线横坐标的1.15倍。
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σ= σ’+ u
这个关系式称为有效
应力公式。
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❖压缩变形Δh与孔隙比变化Δe的关系
在实际地基常遇到的压 力范围内，土颗粒本身 的压缩量很小，故常忽 略不计。
土样的压缩变形为孔隙 体积的减小，可建立压 缩变形Δh与孔隙比变化 Δe的关系为
h e2 e1 h1 (1 e1)
岩土工程试验与测试技术
—室内土工试验(固结)
同济大学 袁聚云 2016
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七、固结试验
❖常规固结试验 ❖快速固结试验 ❖固结系数的计算 ❖黄土湿陷试验 ❖膨胀试验 ❖静止侧压力系数K0试验
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（一）土的压缩机理和有效应力原理
❖压缩机理
由于土是固体颗粒的集合体，具有碎散性，因 而土的压缩性比钢材、混凝土等其他材料大得 多，并具有下列两个特点 :
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(4)其他
毛玻璃板、圆玻璃片、滤纸、切土刀、钢丝锯和 凡士林或硅油等。
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2．试验步骤
❖ 第1步
按工程需要选择面积为 30cm2或50cm2的切土环 刀；
环刀内侧涂上一层薄薄 的凡士林或硅油；
刀口向下放在原状土或 人工制备的扰动土上；
切取原状土样时应按天 然状态时垂直方向一致。
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控制标准是使试验时的任何时间内，试样底部产生的
孔隙水压力为同时施加轴向荷重的3%~20%。
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应变控制连续加荷固结试验仪
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通过固结试验，可以测定：
试样在侧限与轴向排水条件下的变形与压力 的关系；
试样孔隙比与压力的关系及变形与时间的关 系；
确定土的压缩系数av、压缩模量Es、体积压缩 系数mv、压缩指数Cc、回弹指数Cs、竖向固 结系数cv以及先期固结压力pc。
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❖ 第4步 在固结仪的固结容器内装上带有试样的切土 环刀(刀口向下)； 在土样两端贴上洁净而湿润的滤纸 用提环螺丝将导环置于固结容器； 然后放上透水石和传压活塞以及定向钢球。
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2 打开固结仪器的压力盒
3 压力盒中底部放入透水石和潮湿的滤纸
4 将制备好的环刀土样韧口朝下放入压力盒中
5 放平土样
6 放上护环
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7 土样上面放上潮湿的滤纸
8 再放上透水石
9 放上加压盖板
10 土样装好
❖ 第5步
将装有土样的固结容器，准确地放在加荷横 梁的中心；
对于杠杆式固结仪，应调整杠杆平衡，为保 证试样与容器上下各部件之间接触良好，应 施加1kPa预压荷载；
对于采用气压式压缩仪，可按规定调节气压 力，使之平衡，同时使各部件之间密合。
❖ 第6步
调整百分表或位移传感器至“0”读数；
按工程需要确定加压等级、测定项目以及试
2020/3/7 验方法。
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11 放压力盒入固结仪加压框
12 调杠杆水平
13 调整百分表内圈小针初读数
14 旋转百分表外圈调零
15 百分表调整完毕
16 加荷载
17 稳定后读数
❖ 第7步
加压等级可采用12.5、25、50、100、200、 400、800、1600、3200kPa；
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(二) 固结试验
根据工程需要，固结试验可以进行如下方 法的试验：
(1)标准固结试验；
(2)快速固结试验；
(3)应变控制连续加荷固结试验。
应变控制连续加荷固结试验，是在试样上连续加荷， 并随时测定试样的变形量和底部孔隙水压力。
要求试验过程中，试样底部的孔隙水压力不超过轴向 压力的某一值。
对于再加荷时间，因考虑到固结已完成，稳 定较快，因此可采用12小时或更短的时间。
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❖ 第10步 对于饱和试样，在试样受第一级荷重后，应 立即向固结容器的水槽中注水浸没试样；
对于非饱和土样，须用湿棉纱或湿海绵覆盖 于加压盖板四周，避免水分蒸发。
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❖ 第11步
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该曲线的首段部分接近为抛物线，中部一段 为直线，末段部分随着固结时间的增加而趋 于一直线。
Tv

cvt H2
4t 2 t
t50
1.根据单向固结理论， 在U<60%之前，U与 Tv 成直线关系，即与 t 成直线关系。
2.若在曲线上取任一时 间t，相应的变形值da， 再取时间4t，相应的 变形值db，则a、b 两点的垂直坐标距离 Δd=db-da必然等于 a点与初始点之间的 垂直坐标距离da-ds
Es

p h

p e
1 e1 a
h1
1 e1
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当采用半对数的直角坐标来绘制室内压缩试验
e～p关系时，就得到了e～lgp曲线，可以看到，
在压力较大部分，e～lgp关系接近直线，这是这
种表示方法区别于e～p曲线的独特的优点
试验时以较小的压力开 始，采用小增量多级加 荷，并加到较大的荷载 为止，一般为12.5、25、 50、100、200、400、 800、1600、3200kPa。
第一级压力的大小视土的软硬程度，分别采 用12.5、25kPa或50kPa；
最后一级压力应大于土层的自重应力与附加 应力之和，或大于上覆土层的计算压力 100~200kPa，但最大压力不应小于400kPa。
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❖ 第8步 当需要确定原状土的先期固结压力时，初始 段的荷重率应小于1，可采用0.5或0.25；
❖ 第13步
当试验结束时，应先排除固结容器内水分；
然后拆除容器内各部件，取出带环刀的土样；
必要时，揩干试样两端和环刀外壁上的水分， 测定试验后的密度和含水率。
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3.固结试验成果整理
计算试样的初始孔隙比：
e0

Gs (1 w0 ) w 0
1
计算试样的颗粒(骨架)净高：
3.由db-da= da-ds，从而 有：ds=2da-db，由此 可得出理论零点ds
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② 时间对数法
在变形与时间对数关系曲线的开始段抛物线上， 任选一时间t1，查得相对应的变形值d1，再取时 间t2＝4t1，查得相对应的变形值d2，则 2d2-d1即 为d01。
当测定cH时，需具备水平向固结的径向多孔
2020/3/7 环，环的内壁与土样之间应贴有滤纸。
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❖ 第12步
当不需要测定沉降速率时，则施加每级压力 后24小时测定试样高度变化作为稳定标准；
对于需测定压缩系数的试样，施加每级压力 后，每小时变形达0.01mm时，测定试样高度 变化作为稳定标准。