1、2023/5/13,1,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2016,2023/5/13,2,七、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,2023/5/13,3,（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:(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。,2023/5/13,4,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
2、重力、静水压力及外荷载所产生的应力，称为总应力。总应力一部分是由土颗粒间的接触面承担，称为有效应力；另一部分是由土体孔隙内的水承担，称为孔隙水压力u。=+u这个关系式称为有效 应力公式。,2023/5/13,5,压缩变形h与孔隙比变化e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h与孔隙比变化e的关系为,2023/5/13,6,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
3、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。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%。,(二)固结试验,2023/5/13,7,应变控制连续加荷固结试验仪,2023/5/13,8,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。,2023/5/13,9,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
4、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。,2023/5/13,10,1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。,2023/5/13,11,(2)加荷设备可采用量程为510kN的杠杆式、磅秤式或气压式等加荷设备。,GDG-4S三联高压固结仪,WG系列三联固结仪,2023/5/13,12,KTG-BY气压式固结仪,KTG-GY气压式高压固结仪,2023/5/13,13,气压式固结仪,2023/5/13,14,(3)变形量测设备采用最大量程10mm、最小分度值
5、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。,2023/5/13,15,(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。,2023/5/13,16,2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。,1 制备土样,2023/5/13,17,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。
6、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。,2023/5/13,18,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。,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,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,2023/5/13,28,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
7、，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、测定项目以及试验方法。,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,2023/5/13,36,第7步加压等级可采用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50k
8、Pa；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100200kPa，但最大压力不应小于400kPa。,2023/5/13,37,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；最后一级压力应使测得的elogp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。,2023/5/13,38,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。对于
9、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。,2023/5/13,39,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。,2023/5/13,40,第11步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
10、分、64分、100分、200分、400分、23小时、24小时，直至稳定为止。当测定cH时，需具备水平向固结的径向多孔环，环的内壁与土样之间应贴有滤纸。,2023/5/13,41,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。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。,2023/5/13,42,3.固结试验成果整理计算试样的初始孔隙比：计算试样的颗粒
11、(骨架)净高：计算某级压力下固结稳定后土的孔隙比：,2023/5/13,43,绘制ep压缩曲线。绘制半对数直角坐标系统的elgp曲线。,2023/5/13,44,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。,工程实用上常以p=100200kPa时的压缩系数a1-2 作为评价土层压缩性的标准。,2023/5/13,45,根据ep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。,2023/5/13,46,当采用半对数的直角坐标来绘制室
12、内压缩试验ep关系时，就得到了elgp曲线，可以看到，在压力较大部分，elgp关系接近直线，这是这种表示方法区别于ep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。,2023/5/13,47,将elgp曲线直线段的斜率用Cc来表示，称为压缩指数，无量纲。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。,2023/5/13,48,2023/5/13,49,2023/5/13,50,固结系数的计算,时间平方根法对于某一级压力
13、，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。,2023/5/13,51,令其另一端的横坐标为前一直线横坐标的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,延长曲线开始段的直线，交纵坐标于ds(理论零点),2023/5/13,52,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；该级压力下的垂直向固结系数Cv按下式
14、计算：,2023/5/13,53,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。,2023/5/13,54,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。,2023/5/13,55,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t24t1，查得相对应的变形值d2，则 2d2-d1即为d01。另取时间按同样方法可求得d02、d03、d04等，取
15、其平均值作为平均理论零点ds。延长曲线中部的直线段和通过曲线尾部切线的交点即为固结度U=100%的理论终点dl00。,2023/5/13,56,时间对数法根据ds和dl00即可定出相应于固结度U=50%的纵坐标d50(d0+d100)/2对应于d50的时间即为试样固结度U=50%所需的时间t50，对应的时间因数为Tv=0.197。某级压力下的垂直向固结系数可按下式计算：在实际应用时，宜先用时间平方根法，如不能准确定出开始的直线段，则用时间对数法。,2023/5/13,57,先期固结压力及判断,先期固结压力pc 土层历史上所曾经承受过的最大固结压力称为先期固结压力pc，也就是土体在固结过程中所受
16、的最大有效应力，先期固结压力pc是一个了解土层应力历史的重要指标。目前确定pc的主要方法仍是通过室内压缩试验作出e-lgp曲线,再用一种简便的作图方法确定pc，这一方法是由卡萨格兰德于1936年提出的，一直沿用至今。,2023/5/13,58,2023/5/13,59,土层天然固结状态判断通过先期固结压力pc与土层自重应力p0(即自重作用下固结稳定的有效竖向应力)状态的比较，可将天然土层划分为正常固结土、超固结土和欠固结土三类固结状态，并用超固结比OCR pc/p0去判别：(1)如果土层的自重应力p0等于前期固结压力pc，也就是说土的自重应力就是该土层历史上受过的最大的有效应力，这种土称为正常
17、固结土，则OCR=1。,2023/5/13,60,(2)如果土层的自重应力p0小于前期固结压力pc，也就是说该土层历史上受过的最大的有效压力大于土自重应力，这种土称为超固结土，如覆盖的土层由于被剥蚀等原因，使得原来长期存在于土层中的竖向有效压应力减小了，则OCR1。(3)如果土层的前期固结压力pc小于土层的自重应力p0，也就是说该土层在自重作用下的固结尚未完成，这种土称为欠固结土，如新近沉积粘性土、人工填土等，由于沉积的时间短，在自重作用下还没有完全固结，则OCR1。,2023/5/13,61,快速固结试验 对于沉降计算精度要求不高，而渗透性又较大的土，且不需要求固结系数时，可采用快速固结试验
18、方法，仅最后一级压力延长至24小时。快速固结试验法规定，当固结压力小于等于400kPa时，在各级压力下的固结时间为1小时；当固结压力大于400kPa时，在各级压力下的固结时间为2小时。当固结压力小于等于400kPa时，以等比例综合固结度进行修正。当固结压力大于400kPa时，以次固结增量方法进行修正。,2023/5/13,62,等比例综合固结度校正法校正系数的计算计算某级压力下固结稳定后(即修正后)的土的孔隙比：,或,2023/5/13,63,4.37/4.24=1.031,2023/5/13,64,次固结增量校正法,2023/5/13,65,次固结压缩指数,压缩指数,次固结压缩指数C与相应荷
19、重下的压缩指数Cc成线性关系,2023/5/13,66,2023/5/13,67,2023/5/13,68,2023/5/13,69,最终荷重下2h与24h孔隙比之差,各荷重点分别作切线，求出C,用公式(3)计算ei,2023/5/13,70,（三）黄土湿陷试验,目的：测定黄土的大孔隙比和相对下沉系数仪器设备：同单轴固结仪,2023/5/13,71,（三）黄土湿陷试验,试验步骤：对试样施加不同荷载，并在每级荷载下测读不同时间的试样变形量，直至达到沉降稳定标准(每小时变形量不超过0.01mm)。在某压力下达到稳定沉降后，自试样顶面加水，求其在该荷载下的大孔隙比及相对下沉系数。,2023/5/13
20、,72,大孔隙比和相对下沉系数计算(JTGE40-2007)epp(kPa)压力时浸水前试样的稳定孔隙比；epp(kPa)压力时浸水后试样的稳定孔隙比；e0试验开始时孔隙比。,2023/5/13,73,2023/5/13,74,湿陷系数计算(GB/T50123-1999)(2008版)h1pkPa压力时浸水前试样的稳定高度；h2pkPa压力时浸水后试样的稳定高度；e0试验开始时试样的高度。,2023/5/13,75,2023/5/13,76,（四）膨胀试验,根据不同的试验目的和适用范围，膨胀试验有四种试验方法1.自由膨胀率试验目的：自由膨胀率为松散的烘干土粒在水中和空气中分别自由堆积的体积之差
21、与在空气中自由堆积的体积之比，用百分率表示，用以判定无结构力的松散土粒在水中的膨胀特性。适用范围：适宜于膨胀土,2023/5/13,77,用于搅拌量筒内悬液,用于测量干土自由堆积体积,2023/5/13,78,搅拌器,漏斗,量土杯,支架,自由膨胀率测定装置,2023/5/13,79,自由膨胀率计算：,2023/5/13,80,土样在量筒中不同时间的膨胀体积,(16.8-10)/10=68%,2023/5/13,81,2.无荷载膨胀量试验目的：无荷载膨胀量试验用于测定试样在无荷载有侧限条件下，浸水后在高度方向上的单向膨胀与原高度的比值，这一比值称为膨胀量，以百分数表示。适用范围：适宜于测定原状土
22、和击实土样的无荷载膨胀量，供评价粘性土膨胀势能时参考。仪器设备：膨胀仪或固结仪。,2023/5/13,82,2023/5/13,83,WZ-2型膨胀仪,2023/5/13,84,2023/5/13,85,(2.5-0)/20100%=12.5%,H0=20mm,R0=0R0为百分表初读数,2023/5/13,86,3.有荷载膨胀量试验目的：为了模拟覆盖压力或某一特定荷载条件，可按实际荷载大小作有荷载有侧限的膨胀量试验，或做不同荷载下的的膨胀量试验。适用范围：适宜于测定原状土和击实粘质土在特定荷载下的膨胀量，或测定荷载与膨胀的关系曲线。仪器设备：固结仪。,2023/5/13,87,2023/5/
23、13,88,2023/5/13,89,(2.5+0-0)/20100%=12.5%,H0=20mm,R0=0,Rp=0 Rp为荷载P作用下仪器的压缩变形量,2023/5/13,90,4.膨胀力试验目的：膨胀力是土体在吸水膨胀时所产生的内应力，膨胀力试验是测定试样在体积不变时由于吸水膨胀而产生的竖向最大内应力。适用范围：适用于原状土和击实土试样，采用加荷平衡法。仪器设备：单向固结仪。,2023/5/13,91,2023/5/13,92,4.012/3010=16kPa注：12为加压设备的杠杆比,2023/5/13,93,（五）静止侧压力系数K0试验,定义：土的静止侧压力系数K0是指土体在无侧向变
24、形条件下，侧向有效应力与竖向有效应力之比，即(4-62)试验的目的：是为了确定土的静止侧压力系数K0值。实际建筑物地基土的应力场是处于K0状态，因此在计算土体变形、挡土墙静止土压力、地下建筑物墙体土压力、桩的侧向摩阻力时，需要用K0值来计算。,2023/5/13,94,仪器设备(1)刚性密封式容器由一个整体不锈钢圆钢锻压切削而成，容器的刚度大，密封性能好。传力介质采用无气泡水或甘油与水配置而成的液体。为了便于使容器的液腔中气泡排净，内壁采用弧形断面，消除了矩形断面所造成的滞留气泡的死角，从而满足土样在试验过程中无侧向应变的条件。,2023/5/13,95,GJY型KO固结仪,2023/5/13
25、,96,图5-44 K0容器,GJY型KO固结仪,2023/5/13,97,KO固结仪,2023/5/13,98,(2)竖向压力传递装置对于应变控制试验可用三轴仪加荷传动装置。若采用分级加荷的应力控制法，则可将刚性密封式容器置于固结仪的加荷装置上进行试验。,2023/5/13,99,(3)量测系统采用量程为05kN的拉压力传感器。采用量程为01000kPa的液压传感器采用量程为010mm的位移计量测土中的竖向应力1、竖向位移1、侧向应力3和孔隙压力u等物理量。(4)其它切土环刀(内径61.8，高40mm)、钢丝锯、切土刀、无气泡水、滴淀管、吸气球、乳胶薄膜(厚度0.4mm)、滤纸以及硅油等。,
26、2023/5/13,100,操作步骤1.用K0切土环刀细心切取原状试样或扰动试样；2.在试样的两端贴上与土样直径一样大小的滤纸；3.打开进水阀门，采用负压法或水头降低法，使K0容器的乳胶膜向内壁凹进，以减少试样与乳胶膜的摩擦；4.在乳胶膜表面抹上薄层硅油；5.刀口向上将环刀置于K0容器定位器内；6.用传压活塞将试样从环刀中推入K0容器中；,2023/5/13,101,7.消除负压力并提高到正压1kPa或提高水头到10cm，使乳胶膜贴紧土样，然后关闭进水阀门；8.若采用三轴仪，转动三轴仪手轮使传压活塞与荷重传感器接触；若利用固结仪，则施加1kPa的预压力；9.根据不同试样性质确定压缩速率，开动马达，合上传动离合器进行K0试验。10.当竖向应力1约为400kPa或是所需要的最大竖向应力1时，停止试验。11.试验结束后，取出试样称量，并测定含水率，然后清洗容器，关闭各种电器开关。,2023/5/13,102,成果整理以竖向有效应力为横坐标，侧向有效应力为纵坐标，绘制13关系曲线，如图所示,2023/5/13,103,
