17  固 結(jié) 試 驗

17.1  一 般 規(guī) 定

17.1.1      土樣應(yīng)為飽和的細(xì)粒土。當(dāng)只進(jìn)行壓縮試驗時，可用于 非飽和土。

17.1.2      滲透性較大的細(xì)粒土，可進(jìn)行快速固結(jié)試驗。

17.2  標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗

17.2.1      本試驗所用的儀器設(shè)備應(yīng)符合下列規(guī)定：

1    固結(jié)容器：由環(huán)刀、護(hù)環(huán)、透水板、加壓上蓋和量表架等組成。環(huán)刀、透水板的技術(shù)性能和尺寸參數(shù)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《土工實驗儀器  環(huán)刀》SL370 切土環(huán)刀及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定(圖17.2.1)。

圖17.2.1 固結(jié)容器示意圖

1一水槽；2一護(hù)環(huán)；3一環(huán)刀；4一導(dǎo)環(huán)；5一透水板；6—加壓上蓋；

7一位移計導(dǎo)桿；8一位移計架；9一試樣

         2   加壓設(shè)備：可采用量程為5kN～10kN 的杠桿式、磅秤式或 其他加壓設(shè)備，其最大允許誤差應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗儀 器  固結(jié)儀  第1部分：單杠桿固結(jié)儀》GB/T4935.1、《土工試驗儀 器  固結(jié)儀  第2部分：氣壓式固結(jié)儀》GB/T4935.2的有關(guān)規(guī)定。

3   變形測量設(shè)備：百分表量程10mm, 分度值為0.01mm, 或 最大允許誤差應(yīng)為±0.2%F.S的位移傳感器。

4   其他：刮土刀、鋼絲鋸、天平、秒表。

17.2.2      標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

1    根據(jù)工程需要，切取原狀土試樣或制備給定密度與含水率 的擾動土試樣。制備方法應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第4.3節(jié)、第4.4節(jié)執(zhí)行。

2    沖填土應(yīng)先將土樣調(diào)成液限或1.2倍～1.3倍液限的土 膏，拌和均勻，在保濕器內(nèi)靜置24h。 然后把環(huán)刀倒置于小玻璃板 上用調(diào)土刀把土膏填入環(huán)刀，排除氣泡刮平，稱量。

3   試樣的含水率及密度的測定應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)第5.2.2條、第 6.2.2條的規(guī)定。對于擾動試樣需要飽和時，應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第4.6 節(jié)規(guī)定的方法將試樣進(jìn)行飽和。

4   在固結(jié)容器內(nèi)放置護(hù)環(huán)、透水板和薄濾紙，將帶有環(huán)刀的 試樣小心裝入護(hù)環(huán)，然后在試樣上放薄濾紙、透水板和加壓蓋板， 置于加壓框架下，對準(zhǔn)加壓框架的正中，安裝量表。

5    為保證試樣與儀器上下各部件之間接觸良好，應(yīng)施加 1kPa 的預(yù)壓壓力，然后調(diào)整量表，使讀數(shù)為零。

6   確定需要施加的各級壓力。加壓等級宜為12.5kPa、25kPa、 50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa、1600kPa、3200kPa。 最后一  級的壓力應(yīng)大于上覆土層的計算壓力100kPa～200kPa。

7 需要確定原狀土的先期固結(jié)壓力時，加壓率宜小于1,可 采用0.5或0.25。最后一級壓力應(yīng)使e-lgp 曲線下段出現(xiàn)較長的 直線段。

8   第1級壓力的大小視土的軟硬程度宜采用12.5kPa、25.0kPa 或50.0kPa(第1級實加壓力應(yīng)減去預(yù)壓壓力)。只需測定壓縮系數(shù)時，最大壓力不小于400kPa。

9  如系飽和試樣，則在施加第1級壓力后，立即向水槽中注 水至滿。對非飽和試樣，須用濕棉圍住加壓蓋板四周，避免水分 蒸發(fā)。

10 需測定沉降速率時，加壓后宜按下列時間順序測記量表  讀數(shù)：6s 、15s 、lmin 、2min15s 、4min 、6min15s 、9min 、12min15s、16min 、20min15s 、25min 、30min15s 、36min 、42min15s 、49min、64min 、100min 、200min、400min 、23h和24h至穩(wěn)定為止。

11  當(dāng)不需要測定沉降速率時，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為每級壓力下 固結(jié)24h 或試樣變形每小時變化不大于0.01mm 。 測記穩(wěn)定讀數(shù) 后，再施加第2級壓力。依次逐級加壓至試驗結(jié)束。

12  需要做回彈試驗時，可在某級壓力(大于上覆有效壓力) 下固結(jié)穩(wěn)定后卸壓，直至卸至第1級壓力。每次卸壓后的回彈穩(wěn)  定標(biāo)準(zhǔn)與加壓相同，并測記每級壓力及最后一級壓力時的回彈量。

13  需要做次固結(jié)沉降試驗時，可在主固結(jié)試驗結(jié)束繼續(xù)試 驗至固結(jié)穩(wěn)定為止。

14  試驗結(jié)束后，迅速拆除儀器各部件，取出帶環(huán)刀的試樣。 需測定試驗后含水率時，則用干濾紙吸去試樣兩端表面上的水，測  定其含水率。

17.2.3  固結(jié)試驗各項指標(biāo)計算應(yīng)符合下列規(guī)定：

1  試樣的初始孔隙比e₀應(yīng)按下式計算：

(17.2.3-1)

式中：e₀—— 初始孔隙比。

2  各級壓力下固結(jié)穩(wěn)定后的孔隙比e_i應(yīng)按下式計算：

(17.2.3-2)

式中：e_i—— 某級壓力下的孔隙比；

∑△h_i-—  某級壓力下試樣的高度總變形量(cm);

h₀——試樣初始高度(cm)。

3  某一壓力范圍內(nèi)的壓縮系數(shù) a_v，應(yīng)按下式計算：

 (17.2.3-3)

 式中：a_v——壓縮系數(shù)(MPa^-1);

p_i—— 某一單位壓力值(kPa)。

4  某一壓力范圍內(nèi)的壓縮模量E_s和體積壓縮系數(shù) m_v，應(yīng)按下列公式計算：

 (17.2.3-4)

(17.2.3-5)

式中：E_s—— 壓縮模量(MPa);

m_v——體積壓縮系數(shù)(MPa^-1)。

5  壓縮指數(shù)C_c及回彈指數(shù)C_s(C_c即 e-lgp曲線直線段的斜 率。用同法在回彈支上求其平均斜率，即C_s)應(yīng)按下式計算：

(17.2.3-6)

式中：C_c—— 壓縮指數(shù)；

C_s—— 回彈指數(shù)。

17.2.4  以孔隙比e 為縱坐標(biāo)，單位壓力 p 為橫坐標(biāo)，繪制孔隙比 與單位壓力的關(guān)系曲線。

17.2.5  原狀土的先期固結(jié)壓力 p_c的確定方法可按圖17.2.5執(zhí) 行，用適當(dāng)比例的縱橫坐標(biāo)作 e-lgp 曲線，在曲線上找出最小曲率 半徑 R_min點O。過 O點作水平線OA、切線 OB及∠AOB的平分線OD,OD與曲線的直線段C  的延長線交于點E,  則對應(yīng)于E 點 的壓力值即為該原狀土的先期固結(jié)壓力。

圖17.2.5 e-lgp 曲線和求 p_c示意圖

17.2.6      固結(jié)系數(shù) C_v應(yīng)按下列方法求算：

1    時間平方根法：對于某一壓力，以量表讀數(shù) d(mm) 為縱坐 標(biāo)，時間平方根(min) 為橫坐標(biāo)，繪制d- 曲線(圖17.2.6-1)。延 長d-曲線開始段的直線，交縱坐標(biāo)軸于d_s(d_s稱理論零點)。過d_s繪制另一直線，令其橫坐標(biāo)為前一直線橫坐標(biāo)的1.15倍，則后一直線與 d-曲線交點所對應(yīng)的時間的平方根即為試樣固結(jié)度達(dá)90%所需的時間 t₉₀。該壓力下的固結(jié)系數(shù)應(yīng)按下式計算：

圖17.2.6-1 時間平方根法求 t₉₀

(17.2.6-1)

式中：C_v-—    固結(jié)系數(shù)(cm2/s);

            —— 最大排水距離，等于某一壓力下試樣初始與終了高度的平均值之半(cm);

t₉₀——固結(jié)度達(dá)90%所需的時間(s)。

2  時間對數(shù)法：對于某一壓力，以量表讀數(shù) d(mm)  為縱坐 標(biāo)，時間在對數(shù)(min)  橫坐標(biāo)上，繪制d-lgt    曲線(圖17.2.6-2)。 延長 d-lgt   曲線的開始線段，選任一時間 t?,  相對應(yīng)的量表讀數(shù)為d?, 再取時間 ,相對應(yīng)的量表讀數(shù)為d?, 則 2d?-d? 之值為 d_o1。如此再選取另一時間，依同法求得 d₀₂、d₀₃、d₀₄ 等，取其平均值即為理論零點d₀。延長曲線中部的直線段和通過曲線尾部數(shù)點切線的交點即為理論終點d₁₀₀,則  ,對應(yīng)于d₅₀的時間即為試樣固結(jié)度達(dá)到50%所需的時間 t₅₀。該壓力下的固 結(jié)系數(shù) C_v應(yīng)按下式計算：

圖17.2.6-2 時間對數(shù)法求 t₅₀ 

      (17.2.6-2)

式中：t₅₀—— 固結(jié)度達(dá)50%所需的時間(s)。

17.2.7  對于某 一 壓力，以孔隙比 e為縱坐標(biāo)，時間在對數(shù) (min) 橫坐標(biāo)上，繪制 e-lgt  曲線。主固結(jié)結(jié)束后試驗曲線下部 的直線段的斜率即為次固結(jié)系數(shù) 。 次固結(jié)系數(shù)應(yīng)按下式計算：

  (17.2.7)

式中：C_a—— 次固結(jié)系數(shù)；

△e——對應(yīng)時間t? 到 t? 的孔隙比的差值；

t?、t ?——次固結(jié)某一時間(min)。

17.2.8  標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗的記錄格式應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)附錄 D 表 D.26~ 表 D.28  的規(guī)定。

17.3  快速固結(jié)試驗

17.3.1  儀器設(shè)備應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)第17.2.1條的規(guī)定。

17.3.2  試驗應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第17.2.2條第1款～第6款、第8款、 第9款和第14款執(zhí)行。

17.3.3  計算應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)第17.2.3條第1款～第4款的規(guī)定。 對快速法所得的試驗結(jié)果，當(dāng)需要校正時，各級壓力下試樣校正后  的總變形量應(yīng)按下式計算：

(17.3.3)

式中： ∑△h_i—— 某一壓力下校正后的總變形量(mm);

(h_i),——   某一壓力下固結(jié)1h 的總變形量減去該壓力下的 儀器變形量(mm);

(h_n) _tw——  最后一級壓力下達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的總變形量減去該 壓力下的儀器變形量(mm);

(h_n) _t—— 最后一級壓力下固結(jié)1h 的總變形量減去該壓力下的儀器變形量(mm)。

17.3.4       制圖應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)第17.2.4條的規(guī)定。

17.3.5       快速固結(jié)試驗的記錄格式應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)附錄 D 表 D.29 的規(guī)定。

17.4  應(yīng)變控制加荷固結(jié)試驗

17.4.1       本試驗所用的儀器設(shè)備應(yīng)符合下列規(guī)定：

1    固結(jié)儀(圖17 .4 . 1):由具有連續(xù)測孔隙水壓力裝置的剛 性底座、護(hù)環(huán)、環(huán)刀、透水板、加壓上蓋等組成：

圖17.4.1 固結(jié)儀組裝示意圖

1-底座；2一排氣孔；3一下透水板；4一試樣；5一護(hù)環(huán)；6-環(huán)刀；7一上透水板

8—上蓋：9-加壓蓋板；10—加荷架；11一負(fù)荷傳感器；12—孔壓傳感器；

13—密封圈；14-加壓機(jī)座；15一位移傳感器

1)環(huán)刀、透水板的技術(shù)性能和尺寸參數(shù)應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)《土工實驗儀器  環(huán) 刀 》SL370 及 有 關(guān) 標(biāo) 準(zhǔn) 的 規(guī) 定 ；

2)環(huán)刀和護(hù)環(huán)底部與剛性底座要密封，應(yīng)能經(jīng)受1.0MPa 的內(nèi)壓不泄漏。

2    軸向加荷設(shè)備：可采用螺旋桿式、液壓式和氣壓式加荷裝 置。應(yīng)能反饋、伺服跟蹤連續(xù)加荷。軸向測力計采用負(fù)荷傳感器 等。測量裝置應(yīng)具有相應(yīng)的剛度。量程應(yīng)為0kN～10kN; 最大允 許誤差應(yīng)為±0.5%F.S。

3   孔隙水壓力量測設(shè)備：可采用壓力傳感器，量程：0MPa~ 1MPa; 最大允許誤差應(yīng)為±0.5%F.S。 其體積因數(shù)應(yīng)小于1.5×10^-5cm3/kPa。

4    變形測量設(shè)備：可采用位移傳感器，量程應(yīng)為0mm~ 10mm; 最大允許誤差應(yīng)為±0.2%F.S。

5   其他：切土器、刮土刀、天平、秒表、烘箱、土樣盒。

17.4.2     應(yīng)變控制式加荷固結(jié)試驗應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

1   制備試樣應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第17.2.2條第1款執(zhí)行。

2   測定試樣的密度和含水率應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)第17.2.2條第3款的規(guī)定，并對試樣飽和。

3   將固結(jié)容器底部連接孔隙水壓力傳感器的閥門打開，用無 氣水排除底部滯留的氣泡。并將透水板用無氣水飽和，使水淹蓋 底部透水板。透水板上放薄濾紙。

4   將裝有試樣的環(huán)刀放入護(hù)環(huán)內(nèi)，裝入固結(jié)容器，壓入密 封圈內(nèi)。試樣上放薄濾紙、透水板、上蓋和加壓蓋板，用螺絲 擰緊，使環(huán)刀和護(hù)環(huán)與底座密封。然后將固結(jié)儀放置到軸向加 荷設(shè)備正中。在組裝固結(jié)儀時，孔隙水壓力測量系統(tǒng)不應(yīng)帶入氣體。

5   裝上位移傳感器，并對試樣施加1kPa 的設(shè)置壓力，然后 調(diào)整孔隙水壓力和位移傳感器的初始讀數(shù)或零讀數(shù)。

6    選擇適宜的應(yīng)變速率。其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)使在試驗時的任何時間 試樣底部產(chǎn)生的孔隙水壓力為施加垂直應(yīng)力的3%～20%。應(yīng)變 速率可按表17.4.2選擇。試驗時，當(dāng)超孔隙水壓力值超出建議的 范圍時，可調(diào)整應(yīng)變速率。

                 表17.4.2 應(yīng)變速率

7    接通控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和加壓設(shè)備的電源，預(yù)熱30mim,  采集初始讀數(shù)。在所選的常應(yīng)變速率下，施加軸向荷載，使產(chǎn)生軸 應(yīng)變。

8  數(shù)據(jù)采集時間間隔。在歷時前10min 內(nèi)間隔 1min; 隨后 的1h 以內(nèi)間隔 5min;1h以后間隔15min采集1次軸荷載、超孔隙水壓力和變形值。

9  連續(xù)加荷一直到預(yù)期應(yīng)力或應(yīng)變?yōu)橹?。?dāng)軸向荷載施加 完成后，在軸向荷載不變或變形不變的條件下使孔隙水壓力消散。

10  在試驗時，需獲得次固結(jié)數(shù)據(jù)時，在所需軸向荷載時中斷 控制應(yīng)變加荷，并保持該荷載不變條件下，應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第17.2.2 條第10款規(guī)定的時間順序記錄變形值， 一直延續(xù)至變形和對數(shù)時 間關(guān)系曲線上呈現(xiàn)一次固結(jié)部分線性特性階段為止。若需進(jìn)一步 加荷，則在先前常應(yīng)變速率條件下，恢復(fù)控制應(yīng)變的軸向加荷。

11  當(dāng)要求回彈或卸荷特性時，試樣在等于加荷時的應(yīng)變速  率條件下卸荷。卸荷時關(guān)閉孔隙水壓力測量系統(tǒng)。應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第  17 .4 . 2條第8款規(guī)定的時間間隔記錄軸向荷載和變形?；貜椡?/span>  成后，打開孔隙水壓力測量系統(tǒng)，監(jiān)測孔隙水壓力，并允許其消散。

12    所有試驗完成后，從固結(jié)儀中取出整個試樣，稱量、烘干， 求得干密度及含水率。

17.4.3       應(yīng)變控制加荷固結(jié)試驗指標(biāo)應(yīng)按下列規(guī)定計算：

1    試樣的初始孔隙比 e₀應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)式(17.2.3-1)計算；

2    任意時刻試樣的孔隙比e_i 應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)式(17.2.3-2)計算；

3    任意時刻試樣的有效壓力應(yīng)按下式計算：

      (17.4.3-1)

式中：——任意時刻 t 試樣上的有效壓力(kPa);

σ_i—— 任意時刻t 試樣上施加的總壓力(kPa);

u_b——任意時刻 t試樣底部的孔隙水壓力(kPa)。

4 某一壓力范圍內(nèi)的壓縮系數(shù) a_v應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)式(17.2.3-3) 計算；

5  某一壓力范圍內(nèi)壓縮模量 E_s和體積壓縮系數(shù)m_v應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)式(17.2.3-4)、式(17.2.3-5)計算；

6  壓縮指數(shù) C_c 和回彈指數(shù) C_s應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)式(17.2.3-6) 計算；

7  任意時刻t 的固結(jié)系數(shù)C_v應(yīng)按下式計算：

(17.4.3-2)

式中：△e—— 兩讀數(shù)間的應(yīng)變變化(%);

h—— 兩讀數(shù)間的試樣平均高度(cm);

△t——兩讀數(shù)間的歷時(s);

——兩讀數(shù)間試樣底部測得的孔隙水壓力平均值(kPa)。

17.4.4  以孔隙比e 為縱坐標(biāo)，有效壓力在對數(shù)橫坐標(biāo)上，繪制 e-lg的關(guān)系圖。

17.4.5  以固結(jié)系數(shù)C_v為縱坐標(biāo)，有效壓力為橫坐標(biāo)，繪制 C_v- 的關(guān)系圖。

17.4.6  為獲得次壓縮數(shù)據(jù)，在半對數(shù)坐標(biāo)上繪制變形與時間圖。

17.4.7  應(yīng)變控制式加荷固結(jié)試驗的記錄格式應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)附錄 D 表 D.26～表 D.28、表 D.30的規(guī)定。