固结系数

自然科学术语

固结系数Coefficient of consolidation (Cv) ，是反应受侧限土体在荷载作用下固结速度的一个标量。其大小反映软土固结快慢的程度，即固结系数为反映土层固结特性的参数。

简介

固结系数Cv 是太沙基( Terzaghi)一维固结理论中的一个重要参数，与固结过程中的超静孔隙水压力(u)的消散速率成正比，其大小反映软土固结快慢的程度，即固结系数为反映土层固结特性的参数。固结系数既是一项重要的土的试验指标，也是软土地基处理设计中的关键参数,特别在软基处理采用排水固结法时，固结系数更是一项必不可少的指标。固结系数有效、准确的获取对基础沉降的正确预测有着决定性的意义。

确定方法

根据前人的研究，发现确定固结系数的方法很多，各有特点。把确定固结系数的方法分为四大类：第一类是室内固结试验法；第二类是现场试验法；第三类是间接推算法；第四类是反演分析计算法。

室内试验方法

室内试验确定固结系数的方法以时间对数法、时间平方根法、Scott法、反弯点法、三点法、Asaoka 法、速率法、Rectangular hyperbola 法、Parnian 法、两点法、标准曲线比拟法、t60法、张仪萍法等为代表。这些方法均基于太沙基的一维固结理论。由于固结度与时间之间没有简单的数学关系,只能根据理论变形时间曲线的某些特征点,或不同线段的相似关系来建立这些方法;可以说这些方法都是图解法、经验配合法。

为了在施工设计前得到土层的固结系数,室内试验确定固结系数的方法还是最普遍的方法,但其缺点是试验试件小、工作量大、试验时间长、费用高及土样扰动大。由于试件无法准确的反映现场实际条件,室内试验结果与现场土体的真实值有较大的差异。

现场试验方法

目前固结系数现场试验法的主要测试设备是孔压静力触探(CPTU) 、BAT测试系统、DTM 测试系统及SPLT测试系统,其中以CPTU与BAT为主。

1、CPTU测试系统的原理及特点

用CPTU测取了地基原位固结系数。其原理为通过CPTU系统贯入土层至预定深度，以停止时作为超净孔压初始消散时间，后按一定时间间隔记录对应时刻的超净孔压消散值。对实测超净孔压消散曲线与理论消散曲线进行拟合,进而估算地基的水平固结系数。

2、BAT测试系统的原理及特点

瑞典工程师发明了BAT系统并用之测试估算了地基原位(水平)固结系数。其原理为通过BAT系统测量由滤头贯入引起的超净孔隙水压力消散过程，对测得的孔压曲线进行理论拟合，从而估算地基的水平固结系数。

CPTU和BAT现场测试地基固结系数的基本原理是通过透水元件测得空壁处的初始超静孔隙水压力及其消散过程，根据超静孔压随时间的消散曲线即孔压消散速率来推算原位固结系数。

3、DTM测试系统的原理及特点

意大利学者Marchetti&Totani最先利用DTM测取了地基原位水平固结系数。其原理为用DTM 测取不同时刻的气体压值，然后作出气体压力P与时间对数logt的关系曲线，找到曲线上的反弯点对应的时刻，由计算公式求得。

该法具有试验快捷、操作和维护简单、重复性好、经济。扁平状插板很大程度上避免了土拱效应，相对于圆柱形探头和其它原位测试对土体扰动较小，使土体变形小得多。

4、SPLT测试系统原理及特点

螺旋板载荷试验( SPLT) ,是由挪威人N. Janbu提出的，它是将一螺旋形的承压板用人力或机械旋入土层至预定深度，通过传力杆向螺旋形承压板施加压力，测定承压板的下沉量，以获得荷载—沉降—时间的关系。然后根据理论公式或经验公式推算地基土层的参数，如固结系数、压缩模量、承载力及抗剪强度等。该法有以下几个优点：

①设备简单,操作方便,重量小,拆装灵活；

②可根据需要在不同深度(可以在地下水位以下)进行试验；

③除可测固结系数外,还可测多个土工参数；

④加荷方式是竖向的,与土层实际受荷方向相同,对各项异性的土体有实际意义；

⑤该法对于有微裂隙、微层理及含有透镜体的土层或砂层尤为适用。

该法也有以下几个缺点：

①螺旋板旋入土体时对土体的扰动程度不好判断,而且测试过程中排水条件也很难控制；

②固结系数(包括其它土工参数)的推算是基于土层为半无限弹性体的假设；

③由于螺旋板的荷载是靠传力杆传递的,当杆达到一定长度后,势必产生一定的挠曲,这就限制了试验深度。

以上四种现场测试系统均测试的是地基水平向固结系数Ch ，原因是孔压消散主要取决于水平向固结系数，即水平向固结系数大于竖直向固结系数cv。从软土的沉积成因来看，水平向易形成水平层理，水平向固结系数也应大于竖直向固结系数。要得到竖向固结系数,还需通过cv - ch 的相关关系式来求得。现场试验法的优点是测试时间短、土样扰动小、方便、经济，且能较准确的获取地基水平固结系数。

间接推算方法

间接推算方法以王秀艳法、神经网络计算法、剩余沉降对数法、最小二乘法、等比级数推算法、遗传算法、固结速率半对数法、试算法等为代表。实质上神经网络计算法、最小二乘法、遗传算法并不能归于确定固结系数的方法之列，它们只是确定固结系数的过程中用到了神经网络计算法、最小二乘法、遗传算法的数学处理方法。以上间接推算法最基本的方程还是太沙基一维固结方程。

间接推算法最大的优点是可以有效的消除人为因素在固结系数计算过程中的影响，提高了数据处理的速度和数据的计算精度。

反演分析方法

反演分析计算法以修正Asaoka法、实测沉降推算法、实测孔压推算法等为代表。主要是以施工现场实测的孔压或者沉降量为依据,反演计算出固结系数。

反演分析方法中的计算公式仍然是由太沙基一维固结理论公式推导而来。由于反演法能够利用已有的沉降或孔压观测数据，分析计算软土的固结系数及其它各种参数,从而能更好的预测后期沉降发展情况。

因此，反演分析方法具有较高的工程实用价值。在软基处理过程中，往往根据实际监测的各种数据，反演软土的固结系数，以便更为准确的掌握软土的固结特性，修正设计误差，正确判断工程效果。

公式

式中：

-----土的固结系数（）

k-----渗透系数

γw-----水的重度，一般近似值等于10.0kN/m3

e-------天然孔隙比

a------压缩系数

土体在外加荷载作用下，由于孔隙比减少而压密变形，同时提高了强度。对于饱和土，只有当孔隙水挤出以后，变形才能产生。开始时，土中应力全部由孔隙水承担。随着孔隙水的挤出，孔隙水压力逐步转变为由土骨架承受的有效应力。研究这两种应力的相互消长以及土体变形达到最终值的过程，称为土体固结理论。

在一维固结理论中（详见土体固结理论），孔隙水主要沿竖直方向渗流，K.泰尔扎吉（一译太沙基）根据饱和土中微分单元在单位时间内的流量变化与孔隙比变化率相等的条件，建立了孔隙水压力u和深度z、时间t的一维固结微分方程

式中为固结系数（）；K为竖向渗透系数；e为孔隙比；a为压缩系数；为水的容重。式中表示孔隙水压力u的消散速率与土的渗透系数K和土的压缩模量 =(1+e)/a成正比。随着粘土层的逐步固结，K值减小而值增大，但两者的乘积，即却大致保持不变。根据问题的起始条件和边界条件，可以用傅里叶级数表述固结方程的解u。

通过固结系数可以大概算出固结率，完全固结所需时间。

实验设备

试验仪器K0 固结仪，除可进行常规试验外，还可同时测出同一土样的侧向固结压力、孔隙水压力与土体的渗透系数，其结构如图1所示。具体的试验过程和具体的操作步骤见《公路土工试验规程》(JTGE40 —2007) ，在此就不作具体说明。由图1可以看出,当利用该试验设备进行常规压缩固结试验时，如果在试验过程中需测定土样的侧向固结压力，则只需把侧压力传感器的开关置在开通的位置即可。基于该试验设备独特的结构，如需要测定土样的渗透系数，可通过该仪器分别做常水头渗透试验或变水头试验，在渗透试验时，既可以在每级固结压力作用下土样变形稳定后进行测定，也可以在土样固结变形过程中进行测定,该试验方法目前尚少见。如果在试验过程中要测定土样的孔隙水压力的变化规律，则只需要将孔隙水压力传感器的开关打开即可。

以测定土样在固结压缩过程中的变水头渗透试验为例,其主要的试验操作步骤如下： ①根据需要切取原状土样或制备所需的扰动土样，切取原状土样时，应使试验受压情况与天然土层受荷方向一致； ②将土样装入压缩容器内，然后调整好加压框架，为消除传压活塞、横梁及土样之间的间隙，预加1. 0 kPa的压力，并调整好百分表； ③去掉预加荷载，然后按照预定试验加载方案进行加载；; ④如需测定土样固结过程中的侧压力和孔隙水压力时，分别将侧压力和孔隙水压力传感器开关打开； ⑤打开盛水容器进水阀，同时关闭测管底部左侧的进水阀，调整测管内的水头到一定的高度，然后关闭盛水容器进水阀，打开测管底部左侧的进水阀，进行变水头渗透试验，测定每级荷载下土样固结过程中的渗透系数； ⑥如需测定沉降速率、固结系数等指标，则可按《公路土工试验规程》(J TG E40 —2007) 中规定的时间间隔读取试验数据，也可按照预定试验方案的要求适当调整试验读数的时间间隔，直至土样固结稳定位置，稳定时间标准可参考《公路土工试验规程》(J TGE40 —2007)；⑦进行试验数据整理。

由于K0 固结仪在进行一维固结试验的同时，可进行渗透试验，避免了传统试验方法中土体的压缩模量与渗透系数必须分别测定的缺陷，且能反映土体在固结过程中渗透系数的变化规律，与此同时还可以反映土体在固结过程中孔隙水压力的消散情况及侧压力系数的变化趋势，因此，为固结系数的确定提供了新的方法。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省

云南省