高压固结试验

测定土体在外力作用下排水、排气、气泡压缩性质的测试方法

高压固结试验是指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。试验的目的在于测定试样在侧限和轴向排水条件下的变形和压力、变形和时间以及空隙比和压力间的关系，以便绘制压缩曲线，求得土的压缩系数、压缩模量，以便来判断土的压缩性和进行变形计算。

试验背景

随着工程复杂程度越来越高，基坑开挖越来越深，高压固结试验及其应用日益受到重视。土的先期固结压力同土的天然结构密切相关，它是土的压缩性能陡变的界限，不仅是受荷历史所致，其它如风化中结构变化、粒间化学胶结、地下水的溶滤、干湿等因素，都可使土呈现一种似超固结性状。而先期固结压力的测定方法及影响因素很多，要十分精确的测定是不容易的，只有合理运用试验方法，兼顾各种影响因素，认真分析试验结果，才能为设计提供准确的试验数据。

试验简介

高压固结试验的主要任务是测定土的先期固结压力Pc，所谓Pc 是指土层在历史上曾经受到过的最大有效应力，它是判断天然土层所处固结状态的重要指标，是土体压缩性分界压力，也是土体在荷载作用下变形及强度发生明显变化的临界指标。同时，高压固结试验还可测出土的压缩指数Cc，回弹指数Cs，利用e—p 曲线计算出的压缩模量，回弹模量等，都是设计计算沉降和回弹的重要指标。

土的先期固结压力

对于天然沉积土层，在漫长的地质历史年代中，实际上是经受了反复的加荷、卸荷的压密作用，即经过沉积、冲刷侵蚀，又重新沉积等自然地质作用而得到压密。而且粘性土从沉积到成岩过程中，经过一系列的物理、化学等作用，胶结、风化形成目前天然土层的不同固结状态，如果将土层在历史上曾受到的最大有效应力Pc 和和目前上覆土层的有效自重压力Po 进行比较（超固结比OCR=Pc/Po），可以把土层分成三种不同的固结状态：正常固结土、超固结土和欠固结土。

基本原理

侧限压缩试验又称固结试验。土体的固结是指土体在外力作用下，土体中的水和气体被逐渐排走，孔隙体积减小，土颗粒之间重新排列的现象。

土的固结试验是通过测定土样在各级垂直荷载作用下产生的变形，计算各级荷载下相应的孔隙比，用以确定土的压缩系数和压缩模量等。

仪器设备

1.固结容器：由环刀、护环、透水石、水槽、加压上盖组成；

2.环刀：高20mm，面积30cm2或50cm2；

3.加压设备：应能垂直地在瞬间施加各级规定的压力，且没有冲击力，压力准确度应符合现行国家标准《土工仪器的基本参数及通用技术条件》GB/T15406的规定；

4.变形量测设备：量程10mm，最小分度值为0.01mm的百分表或准确度为全量程0.2%的位移传感器。 5.其它：开土刀、过滤纸等。

试验步骤

1、试样制备：按密度试验要求取原状土或制备扰动土土样。并测定试样的含水率和密度，取切下的余土测定土粒比重。试样需要饱和时，应按规定进行抽气饱和；

2、安装：在压密容器中放置好透水石和滤纸，将带有环刀的试样和环刀一起刃口向下小心放入护环，再在试样上放置滤纸和透水石，最后放上传压活塞，安装加压装置和百分表；

3、调零：施加预压力使试样与仪器上下各部件之间接触，将百分表或传感器调整到零位或测读初读数，通常将百分表测距调到大于8mm；

4、加载：确定需要施加的各级压力，压力等级宜为12.5、25、50、100、200、

400、800、1600、3200kPa。第一级压力的大小应视土的软硬程度而定，宜用12.5kPa、25kPa或50kPa。最后一级压力应大于土的自重压力与附加压力之和。只需测定压缩系数时，最大压力不小于400kPa；

5、沉降记录（建议，实际操作没有按照这个执行）：施加每级压力后24h测定试样高度变化作为稳定标准，每间隔1小时变形小于0.01mm时，作为稳定读数；测定沉降速率时，施加每一级压力后宜按下列时间顺序测记试样的高度变化。时间为6s、15s、lmin、2minl5s、4min、6minl5s、9min、12minl5s、16min、20minl5s、25min、30minl5s、36min、42minl5s、49min、64min、l00min、200min、400min、23h、24h，至稳定为止；

6、加第二级荷载：记下稳定读数后，施加第二级荷载。依此逐级加荷，至试验结束；

7、试验结束：最后一级荷载稳定后，先卸除百分表，然后卸除砝码，升起加压框，拆除仪器各部件，取出试样，测定含水率。

高压固结曲线

1、曲线特征

通过大量的试验证明，室内压缩曲线（如图1）具有以下几个特征：

a) 开始平缓，随着压力的增大，明显向下弯曲，继而近乎直线向下延伸。

b) 无论试样扰动与否，当压力较大时，其曲线都近乎直线，且大致交于0.42e0点（e0 为初始孔隙比）。

c) 扰动越大，压缩曲线越低，曲率越不明显。

d) 卸荷点在再压缩曲线曲率最大点的右下侧。

2、几点说明：

a) 由于土样取出后应力释放不可避免，而且取样难免有所扰动，因此，严格的说室内压缩曲线相对现场压缩曲线而言已是再压缩曲线，和天然状态有偏离。

b) 当考虑原位应力场和应力进行沉降计算时，应按e--logP 曲线整理资料，且最大压力应满足绘制e—logP 曲线的要求。

c) 在按Pc 区分出不同固结状态后，分别计算两部分沉降量，可得到比较准确的总下沉量，以便更合理、经济、安全的设计地基。

d) 需要时，将室内的高压固结曲线加以修正，推出原位压缩曲线。

e) 回弹指数、回弹模量可在工程中估算基坑开挖的回弹程度。

确定Pc的方法

通过高压试验来确定Pc 的方法很多，最常用的是卡氏法：先绘制e—logP曲线，在曲线上定出曲率半径最小点，在该点分别作水平线及切线，并作两线夹角的角平分线，该角平分线与压缩曲线直线段延长线的交点对应的压力即为Pc。

影响Pc值的主要因素

1、土样扰动的影响

这是影响Pc 值的重要因素，土样一旦受到扰动，则e—logp 曲线上无法显示明显的转折段，使得Pc 确定困难，并导致Pc 值偏小。因此在野外要用较大口径的薄壁取样器，回转钻进，用匀速连续压入法取样，运输中注意防震，试验室开土要小心细致。正常且理想的e—logP 曲线应有明显的水平段、弯曲段、直线段。

图2为一有所扰动的土样做出的曲线，可见其无明显拐点。

2、加荷等级的影响及最大荷重的确定

测定Pc 时加荷等级十分重要，资料表明，荷重率大，引起试样的触变破坏, 导致土的压缩性偏大（如图3）。因此，应尽可能的采用较小的荷重率，特别是自重压力P0以前。

选择最大一级荷重要保证直线段的出现，通常采用（P0 +△P ）的两倍，△P 为附加应力。有资料建议最后一级荷重下的稳定孔隙比要达到0.42e0 ，这需要很大的压力，困难较大，对超固结土和需要分段计算沉降量时，应进行卸荷再加荷来评价其再压缩性。

3、历时与稳定标准

试样变形的稳定时间，取决于它的透水性和流变性，土的粘性越大，达到稳定所需的时间越长，某些软粘土要几天甚至几周时间才能完成稳定。采用不同稳定时间作为技术标准，就会得出不同的压缩曲线，得到不同的参数。资料表明，荷重历时越长，次固结量越大，得到的Pc 却越小（Cc 变化很小）。国标规定24小时稳定，主要考虑每级荷重下，固结时间能明确定出变形与时间对数曲线后段直线的坡度为原则。一些单位为了节省时间采用12h，8h，6h 还有2h 快速法，比较试验说明，快速法比24 小时稳定求得的Pc 偏大，因此，缩短时间和采用快速法或采用每小时0.01mm 稳定标准，要依据土的具体情况而定，如砂性土可缩短时间或采用快速法，比较硬的粘性土可采用每小时0.01mm 稳定标准，而软粘土则必须严格24 小时稳定，这样才能保证试验数据的准确性。

4、作图方法的影响

e—logP 曲线纵横坐标比例要选用恰当，不同比例影响曲线的形状，而曲率半径最小的准确确定，会影响Pc 值。曲线高宽比太大，曲线拉长，Rmin 点左移，Pc 偏小；高宽比太小，曲线压扁，Rmin 点右移，Pc 偏大。进行回弹试验时，回弹压力应大于上覆压力，并在估算的Pc 值之后，退至第一级压力。对于深基坑开挖，回弹问题不可忽视，测定回弹模量、回弹指数时压力施加应模拟实际的加卸荷状态，首先分级加荷到大于开挖前的自重压力，然后逐级卸荷到开挖后的上覆土压力，接着进行再压缩试验，如果要求Pc 值，最大荷重加至大于两倍的（P0 +△P ）或0.42e0 点。

现场压缩曲线的推求

试验室做压缩试验所用的原状土，实际上已经过了一个卸荷阶段。即卸除了土样在土层中所承受上覆土层的有效自重压力，因而室内试验所得的压缩曲线实际是卸荷后的首次再压缩曲线。加之在取样和制备试样过程中，难免有不同程度的扰动。因此，室内测得的压缩曲线与实际土层的现场压缩曲线不相吻合，为使沉降计算更符合实际，需要对室内压缩曲线进行修正。

1、正常固结土：依据室内高压固结试验，绘制e—logP 曲线；确定前期固结压力Pc 的位置，图4中a点；由e0 坐标点作一水平线，与前期固结压力Pc交于A 点；在室内压缩曲线上找出相当于0.42 e0的C 点，连接AC，即得正常固结土的现场压缩曲线。

2、超固结土；做室内试验，绘出回弹、再压缩的e—logP 曲线；确定前期固结压力Pc 的位置；求该土层现有上覆土层的有效自重压力Po 及相应的天然孔隙比e0，在图4中得B点，该点为现场再压缩曲线的起点；过B 点作一与室内滞回圈割线平行的线，并与Pc 交于A 点，则AB 为超固结土的现场再压缩曲线；在室内曲线上找出相当于0.42 e0的C 点，连接AC，即得超固结土的现场压缩曲线；

3、欠固结土，其现场压缩曲线的推求可近似与正常固结土相同，但欠固结土的有效自重压力P0>Pc ,故其位置在Pc 的右边。

注意事项

1、在高压压缩试验中，仪器变形量不能忽略；

2、滤纸浸湿后的变形量较大，因此，压缩试验要求使用薄滤纸或用孔径较细的透水石而不使用滤纸，但这时易使透水石淤堵；

3、固结试验仅进行需要固结系数的那几级荷载，其它仅测读稳定沉降量；

4、压缩试验中，使用卡萨格兰德(Casagrande)方法确定前期固结应力时，前面几级加载比应小于1；

5、压缩试验过程中，使加载杠杆始终保持水平。

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