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固结试验

测定饱和粘性土试样在侧限的条件下加压的压缩试验

固结试验是指测定饱和粘性土试样在侧限的条件下加压的压缩试验。将试样在侧限和容许轴向排水的容器中逐渐增加压力，测定压力和试样变形或孔隙比的关系，变形和时间的关系，以便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、 固结系数及原状土的前期固结压力等。测定项目视工程需要而定。有常规固结试验、快速固结试验、高压固结试验和连续加荷固结试验，包括等应变速率固结试验、等速加荷固结试验、等梯度固结试验等。

简介
固结试验，又称压缩试验、压密试验。用以测定土在完全侧限(指侧向不发生变形)条件下承受垂直压力后的压缩特性的试验。可分为常规固结试验、快速固结试验、高压固结试验和连续加荷固结试验。试验仪器称固结仪，有多种型号。试验时先用内径61.8mm、高20mm的环刀在土样上切取试样，两端用钢丝锯整平后连同环刀一起装入试验容器中，后在完全侧限和容许竖向排水的条件下分级加压，记录压力、试样发生的压缩变形量及其相应的时间，用以计算土的压缩模量和压缩指数等表示土的压缩特性的参数。如在分级加荷后分级卸荷，即为加荷与卸荷回弹试验，可用以测定土的回弹指数。
类别
常规固结试验
常规固结试验比较可靠，是被普遍认可的，为我国 《土工试验方法标准》（GB/ T50123） 推荐使用的方法。但该方法有一些显著的缺点，主要表现：（1）试验所需的时间较长。按照 《土工试验方法标准》（GB/ T50123）要求，分级加载的每级荷载要作用 24h，这样完成一个固结试验所需的最终时间大概9d 左右，若需进行回弹试验，则时间更长。（2）试验获得数据少而且比较分散，致使试验得到的曲线不连续，影响测定参数的准确性。（3）固结试验过程中沿试样高度的有效应力分布不均匀，根据有效应力原理，靠近排水面的有效应力最大，靠近不排水面处的有效应力最小，水力梯度沿高度方向变化相当大，致使有效应力沿试样高度分布不均匀， 造成了试样的压缩性分布不均匀。
快速固结试验
《土工试验方法标准》（GB/ T50123）推荐的时间平方根法计算固结系数时，要求土体固结度达到90%，大量的试验表明高度为2cm 的试样在荷载作用下1h 的固结度一般可达到90% 以上（24h 稳定标准）。因此，快速法固结试验把每级荷载的加载时间缩短到 1~2h，最后对试验结果进行校正， 可得到与常规固结试验近似的结果。此法大大缩短了试验时间，得到了相当广泛的应用。张海霞指出对于高度为 2cm 的试样，在每级压力作用下，常见土体完成主固结（固结度达到 99%） 需要的时间不超过4h， 粉土和粉质粘土则少于 1h。并建议对不同的土质应采用不同的加载时间进行试验研究。
连续加载固结试验
根据试验中的控制条件不同，连续加载试验可分为以下几种主要试验方法：（1）等应变速率固结试验（简称 CRS 固结试验），加载过程中控制单位时间内试样的应变增量为一常数。（2） 控制梯度固结试验（简CG固结试验），保证试样底部不排水的情况下，使连续加载产生的底部孔隙水压力为一常数。（3）等加载速率固结试验（简称 CRL 固结试验），加载过程中控制试样的应力增长（加载速率）为一常数。
控制梯度固结试验
控制梯度固结试验（CG）与等应变速率固结试验（CRS）的原理类似，本质上是通过调整试样应变率来设定底部孔隙水压力不变，进行连续加载试验 由于在常规固结试验中沿试样高度的有效应力分布不均匀，不同高度处孔隙水压力梯度相差很大，这样随着固结的发展，试样的应变速率变化很大，为了克服上述缺点，提出了控制梯度试验法。Lowe等首先提出了该试验方法，并建立了线性固结理论来测定固结系数。Gorm an 等将控制梯度固结试验、 等应变速率固结试验与常规固结试验的结果进行了比较，并证实了CG、CRS 固结试验的可行性。考虑到CRS、CG固结试验会受到应变率的影响而导致测定结果出现偏差，Sheahan等提出了设定底部孔隙水压力为零的CG固结试验，用以模拟土体的主固结状态。该试验的优点在于：固结过程中试样的应变率较低，可以更好的模拟现场状态；试样的应变率与有效应力沿深度方向分布更均匀，不易受到次固结的影响。
试验方法
试验目的
固结试验是测定土体在外力作用下排水、排气、气泡压缩性质的一种测试方法。在一般情况下，土体承受三个主应力的作用，发生三相应变。本试验用于测定土的压缩性指标，主要包括土的压缩系数av、压缩指数Cc及固结系数Cv等，为估算建筑物沉降量及历经不同时间的固结度提供必备的计算参数。土的固结系数Cv越大，土的固结速度越快。测定试样在侧限与轴向排水条件下的压缩变形△h和荷载P的关系，以便计算土的单位沉降量S1、压缩系数av和压缩模量Es等。
试验原理
土的压缩性主要是由于孔隙体积减少而引起的。在饱和土中，水具有流动性，在外力作用下沿着土中孔隙排出，从而引起土体积减少而发生压缩，试验时由于金属环刀及刚性护环所限，土样在压力作用下只能在竖向产生压缩，而不可能产生侧向变形，故称为侧限压缩。
仪器设备
1．使用单向固结仪，使用杠杆、气压（或液压）、磅称等加荷装置。
2．量表：最小分度0.01mm。
3．其它：刮土刀、电子天平、秒表。
操作步骤
（1）切取试样：用环刀切取原状土样或制备所需状态的扰动土样。
（2）测定试样密度：取削下的余土测定含水率，需要时对试样进行饱和。
（3）安放试样：将带有环刀的试样安放在压缩容器的护环内，并在容器内顺次放上底
板、湿润的滤纸和透水石各一，然后放入加压导环和传压板。
（4）检查设备：检查加压设备是否灵敏，调整杠杆使之水平。
（5）安装量表：将装好试样的压缩容器放在加压台的正中，将传压钢珠与加压横梁的凹穴相连接。然后装上量表，调节量表杆头使其可伸长的长度不小于8mm，并检查量表是否灵活和垂直（在教学试验中，学生应先练习量表读数）。
（6）施加预压：为确保压缩仪各部位接触良好，施加1kPa的预压荷重，然后调整量表
读数至零处。
（7）加压观测：
1）荷重等级一般为50、100、200、400kPa。
2）如系饱和试样，应在施加第一级荷重后，立即向压缩容器注满水。如系非饱和试
样，需用湿棉纱围住加压盖板四周，避免水分蒸发。
3）压缩稳定标准规定为每级荷重下压缩24小时，或量表读数每小时变化不大于0.005
mm认为稳定（教学试验可另行假定稳定时间）。测记压缩稳定读数后，施加第二级荷重。
依次逐级加荷至试验结束。
4）试验结束后迅速拆除仪器各部件，取出试样，必要时测定试验后的含水率。
注意事项
1．首先装好试样，再安装量表。在装
量表的过程中，小指针需调至整数位，大指针调至零，量表杆头要有一定的伸缩范围，固定在量表架上。
2．加荷时，应按顺序加砝码；试验
中不要震动实验台，以免指针产生移动。
影响因素
1、环刀内壁应保持较高光洁度；
2、透水板渗透系数应大于试样渗透系数；
3、加压设备应能垂直在瞬间施加各级规定压力，且没有冲击力；
4、位移传感器精准；
5、测计量表的时间不得有误差。
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