高壓固結(jié)試驗儀器設(shè)備

1.固結(jié)容器：由環(huán)刀、護(hù)環(huán)、透水石、水槽、加壓上蓋組成；

2.環(huán)刀：高20mm，面積30cm²或50cm²；

3.加壓設(shè)備：應(yīng)能垂直地在瞬間施加各級規(guī)定的壓力，且沒有沖擊力，壓力準(zhǔn)確度應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《土工儀器的基本參數(shù)及通用技術(shù)條件》GB/T15406的規(guī)定；

4.變形量測設(shè)備：量程10mm，最小分度值為0.01mm的百分表或準(zhǔn)確度為全量程0.2%的位移傳感器。 5.其它：開土刀、過濾紙等。

側(cè)限壓縮試驗又稱固結(jié)試驗。土體的固結(jié)是指土體在外力作用下，土體中的水和氣體被逐漸排走，孔隙體積減小，土顆粒之間重新排列的現(xiàn)象。

土的固結(jié)試驗是通過測定土樣在各級垂直荷載作用下產(chǎn)生的變形，計算各級荷載下相應(yīng)的孔隙比，用以確定土的壓縮系數(shù)和壓縮模量等。

對于天然沉積土層，在漫長的地質(zhì)歷史年代中，實(shí)際上是經(jīng)受了反復(fù)的加荷、卸荷的壓密作用，即經(jīng)過沉積、沖刷侵蝕，又重新沉積等自然地質(zhì)作用而得到壓密。而且粘性土從沉積到成巖過程中，經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)等作用，膠結(jié)、風(fēng)化形成目前天然土層的不同固結(jié)狀態(tài)，如果將土層在歷史上曾受到的最大有效應(yīng)力Pc 和和目前上覆土層的有效自重壓力Po 進(jìn)行比較（超固結(jié)比OCR=Pc/Po），可以把土層分成三種不同的固結(jié)狀態(tài)：正常固結(jié)土、超固結(jié)土和欠固結(jié)土。

高壓固結(jié)試驗的主要任務(wù)是測定土的先期固結(jié)壓力Pc，所謂Pc 是指土層在歷史上曾經(jīng)受到過的最大有效應(yīng)力，它是判斷天然土層所處固結(jié)狀態(tài)的重要指標(biāo)，是土體壓縮性分界壓力，也是土體在荷載作用下變形及強(qiáng)度發(fā)生明顯變化的臨界指標(biāo)。同時，高壓固結(jié)試驗還可測出土的壓縮指數(shù)Cc，回彈指數(shù)Cs，利用e—p 曲線計算出的壓縮模量，回彈模量等，都是設(shè)計計算沉降和回彈的重要指標(biāo)。

隨著工程復(fù)雜程度越來越高，基坑開挖越來越深，高壓固結(jié)試驗及其應(yīng)用日益受到重視。土的先期固結(jié)壓力同土的天然結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，它是土的壓縮性能陡變的界限，不僅是受荷歷史所致，其它如風(fēng)化中結(jié)構(gòu)變化、粒間化學(xué)膠結(jié)、地下水的溶濾、干濕等因素，都可使土呈現(xiàn)一種似超固結(jié)性狀。而先期固結(jié)壓力的測定方法及影響因素很多，要十分精確的測定是不容易的，只有合理運(yùn)用試驗方法，兼顧各種影響因素，認(rèn)真分析試驗結(jié)果，才能為設(shè)計提供準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)。

1、試樣制備：按密度試驗要求取原狀土或制備擾動土土樣。并測定試樣的含水率和密度，取切下的余土測定土粒比重。試樣需要飽和時，應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行抽氣飽和；

2、安裝：在壓密容器中放置好透水石和濾紙，將帶有環(huán)刀的試樣和環(huán)刀一起刃口向下小心放入護(hù)環(huán)，再在試樣上放置濾紙和透水石，最后放上傳壓活塞，安裝加壓裝置和百分表；

3、調(diào)零：施加預(yù)壓力使試樣與儀器上下各部件之間接觸，將百分表或傳感器調(diào)整到零位或測讀初讀數(shù)，通常將百分表測距調(diào)到大于8mm；

4、加載：確定需要施加的各級壓力，壓力等級宜為12.5、25、50、100、200、

400、800、1600、3200kPa。第一級壓力的大小應(yīng)視土的軟硬程度而定，宜用12.5kPa、25kPa或50kPa。最后一級壓力應(yīng)大于土的自重壓力與附加壓力之和。只需測定壓縮系數(shù)時，最大壓力不小于400kPa；

5、沉降記錄（建議，實(shí)際操作沒有按照這個執(zhí)行）：施加每級壓力后24h測定試樣高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，每間隔1小時變形小于0.01mm時，作為穩(wěn)定讀數(shù)；測定沉降速率時，施加每一級壓力后宜按下列時間順序測記試樣的高度變化。時間為6s、15s、lmin、2minl5s、4min、6minl5s、9min、12minl5s、16min、20minl5s、25min、30minl5s、36min、42minl5s、49min、64min、l00min、200min、400min、23h、24h，至穩(wěn)定為止；

6、加第二級荷載：記下穩(wěn)定讀數(shù)后，施加第二級荷載。依此逐級加荷，至試驗結(jié)束；

7、試驗結(jié)束：最后一級荷載穩(wěn)定后，先卸除百分表，然后卸除砝碼，升起加壓框，拆除儀器各部件，取出試樣，測定含水率。

1、曲線特征

通過大量的試驗證明，室內(nèi)壓縮曲線（如圖1）具有以下幾個特征：

a) 開始平緩，隨著壓力的增大，明顯向下彎曲，繼而近乎直線向下延伸。

b) 無論試樣擾動與否，當(dāng)壓力較大時，其曲線都近乎直線，且大致交于0.42e0點(diǎn)（e0 為初始孔隙比）。

c) 擾動越大，壓縮曲線越低，曲率越不明顯。

d) 卸荷點(diǎn)在再壓縮曲線曲率最大點(diǎn)的右下側(cè)。

2、幾點(diǎn)說明：

a) 由于土樣取出后應(yīng)力釋放不可避免，而且取樣難免有所擾動，因此，嚴(yán)格的說室內(nèi)壓縮曲線相對現(xiàn)場壓縮曲線而言已是再壓縮曲線，和天然狀態(tài)有偏離。

b) 當(dāng)考慮原位應(yīng)力場和應(yīng)力進(jìn)行沉降計算時，應(yīng)按e--logP 曲線整理資料，且最大壓力應(yīng)滿足繪制e—logP 曲線的要求。

c) 在按Pc 區(qū)分出不同固結(jié)狀態(tài)后，分別計算兩部分沉降量，可得到比較準(zhǔn)確的總下沉量，以便更合理、經(jīng)濟(jì)、安全的設(shè)計地基。

d) 需要時，將室內(nèi)的高壓固結(jié)曲線加以修正，推出原位壓縮曲線。

e) 回彈指數(shù)、回彈模量可在工程中估算基坑開挖的回彈程度。

通過高壓試驗來確定Pc 的方法很多，最常用的是卡氏法：先繪制e—logP曲線，在曲線上定出曲率半徑最小點(diǎn)，在該點(diǎn)分別作水平線及切線，并作兩線夾角的角平分線，該角平分線與壓縮曲線直線段延長線的交點(diǎn)對應(yīng)的壓力即為Pc。

1、土樣擾動的影響

這是影響Pc 值的重要因素，土樣一旦受到擾動，則e—logp 曲線上無法顯示明顯的轉(zhuǎn)折段，使得Pc 確定困難，并導(dǎo)致Pc 值偏小。因此在野外要用較大口徑的薄壁取樣器，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，用勻速連續(xù)壓入法取樣，運(yùn)輸中注意防震，試驗室開土要小心細(xì)致。正常且理想的e—logP 曲線應(yīng)有明顯的水平段、彎曲段、直線段。

圖2為一有所擾動的土樣做出的曲線，可見其無明顯拐點(diǎn)。

2、加荷等級的影響及最大荷重的確定

測定Pc 時加荷等級十分重要，資料表明，荷重率大，引起試樣的觸變破壞, 導(dǎo)致土的壓縮性偏大（如圖3）。因此，應(yīng)盡可能的采用較小的荷重率，特別是自重壓力P0以前。

選擇最大一級荷重要保證直線段的出現(xiàn)，通常采用（P0 △P ）的兩倍，△P 為附加應(yīng)力。有資料建議最后一級荷重下的穩(wěn)定孔隙比要達(dá)到0.42e0 ，這需要很大的壓力，困難較大，對超固結(jié)土和需要分段計算沉降量時，應(yīng)進(jìn)行卸荷再加荷來評價其再壓縮性。

3、歷時與穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

試樣變形的穩(wěn)定時間，取決于它的透水性和流變性，土的粘性越大，達(dá)到穩(wěn)定所需的時間越長，某些軟粘土要幾天甚至幾周時間才能完成穩(wěn)定。采用不同穩(wěn)定時間作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，就會得出不同的壓縮曲線，得到不同的參數(shù)。資料表明，荷重歷時越長，次固結(jié)量越大，得到的Pc 卻越?。–c 變化很?。鴺?biāo)規(guī)定24小時穩(wěn)定，主要考慮每級荷重下，固結(jié)時間能明確定出變形與時間對數(shù)曲線后段直線的坡度為原則。一些單位為了節(jié)省時間采用12h，8h，6h 還有2h 快速法，比較試驗說明，快速法比24 小時穩(wěn)定求得的Pc 偏大，因此，縮短時間和采用快速法或采用每小時0.01mm 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，要依據(jù)土的具體情況而定，如砂性土可縮短時間或采用快速法，比較硬的粘性土可采用每小時0.01mm 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，而軟粘土則必須嚴(yán)格24 小時穩(wěn)定，這樣才能保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4、作圖方法的影響

e—logP 曲線縱橫坐標(biāo)比例要選用恰當(dāng)，不同比例影響曲線的形狀，而曲率半徑最小的準(zhǔn)確確定，會影響Pc 值。曲線高寬比太大，曲線拉長，Rmin 點(diǎn)左移，Pc 偏??；高寬比太小，曲線壓扁，Rmin 點(diǎn)右移，Pc 偏大。進(jìn)行回彈試驗時，回彈壓力應(yīng)大于上覆壓力，并在估算的Pc 值之后，退至第一級壓力。對于深基坑開挖，回彈問題不可忽視，測定回彈模量、回彈指數(shù)時壓力施加應(yīng)模擬實(shí)際的加卸荷狀態(tài)，首先分級加荷到大于開挖前的自重壓力，然后逐級卸荷到開挖后的上覆土壓力，接著進(jìn)行再壓縮試驗，如果要求Pc 值，最大荷重加至大于兩倍的（P0 △P ）或0.42e0 點(diǎn)。

試驗室做壓縮試驗所用的原狀土，實(shí)際上已經(jīng)過了一個卸荷階段。即卸除了土樣在土層中所承受上覆土層的有效自重壓力，因而室內(nèi)試驗所得的壓縮曲線實(shí)際是卸荷后的首次再壓縮曲線。加之在取樣和制備試樣過程中，難免有不同程度的擾動。因此，室內(nèi)測得的壓縮曲線與實(shí)際土層的現(xiàn)場壓縮曲線不相吻合，為使沉降計算更符合實(shí)際，需要對室內(nèi)壓縮曲線進(jìn)行修正。

1、正常固結(jié)土： 依據(jù)室內(nèi)高壓固結(jié)試驗，繪制e—logP 曲線；確定前期固結(jié)壓力Pc 的位置，圖4中a點(diǎn)；由e0 坐標(biāo)點(diǎn)作一水平線，與前期固結(jié)壓力Pc交于A 點(diǎn)；在室內(nèi)壓縮曲線上找出相當(dāng)于0.42 e0的C 點(diǎn)，連接AC，即得正常固結(jié)土的現(xiàn)場壓縮曲線。

2、超固結(jié)土；做室內(nèi)試驗，繪出回彈、再壓縮的e—logP 曲線；確定前期固結(jié)壓力Pc 的位置；求該土層現(xiàn)有上覆土層的有效自重壓力Po 及相應(yīng)的天然孔隙比e0，在圖4中得B點(diǎn)，該點(diǎn)為現(xiàn)場再壓縮曲線的起點(diǎn)；過B 點(diǎn)作一與室內(nèi)滯回圈割線平行的線，并與Pc 交于A 點(diǎn)，則AB 為超固結(jié)土的現(xiàn)場再壓縮曲線；在室內(nèi)曲線上找出相當(dāng)于0.42 e0的C 點(diǎn)，連接AC，即得超固結(jié)土的現(xiàn)場壓縮曲線；

3、欠固結(jié)土，其現(xiàn)場壓縮曲線的推求可近似與正常固結(jié)土相同，但欠固結(jié)土的有效自重壓力P0>Pc ,故其位置在Pc 的右邊。

1、在高壓壓縮試驗中，儀器變形量不能忽略；

2、濾紙浸濕后的變形量較大，因此，壓縮試驗要求使用薄濾紙或用孔徑較細(xì)的透水石而不使用濾紙，但這時易使透水石淤堵；

3、固結(jié)試驗僅進(jìn)行需要固結(jié)系數(shù)的那幾級荷載，其它僅測讀穩(wěn)定沉降量；

4、壓縮試驗中，使用卡薩格蘭德(Casagrande)方法確定前期固結(jié)應(yīng)力時，前面幾級加載比應(yīng)小于1；

5、壓縮試驗過程中，使加載杠桿始終保持水平。 2100433B

前言

試驗一 顆粒分析試驗

第一節(jié) 篩析法

第二節(jié) 密度計法(比重計法)

試驗二 土粒相對密度試驗(相對密度瓶法)

試驗三 含水率試驗

試驗四 測定土的液限和塑限

第一節(jié) 錐式液限儀測液限

第二節(jié) 搓條法測塑限

第三節(jié) 液限、塑限聯(lián)合測定法

試驗五 測定土的密度

第一節(jié) 環(huán)刀法

第二節(jié) 蠟封法

試驗六 固結(jié)試驗

第一節(jié) 壓縮試驗(杠桿式壓縮儀法)

第二節(jié) 高壓固結(jié)試驗

試驗七 直接剪切試驗

試驗八 三軸壓縮試驗

試驗九 擊實(shí)試驗

試驗十 回彈模量試驗(杠桿壓縮儀法)

試驗十一 滲透試驗

附錄 試驗記錄表

參考文獻(xiàn)

結(jié)束語

…… 2100433B

又稱壓縮試驗、壓密試驗。用以測定土在完全側(cè)限(指側(cè)向不發(fā)生變形)條件下承受垂直壓力后的壓縮特性的試驗。可分為常規(guī)固結(jié)試驗、快速固結(jié)試驗、高壓固結(jié)試驗和連續(xù)加荷固結(jié)試驗。試驗儀器稱固結(jié)儀，有多種型號。試驗時先用內(nèi)徑61.8mm、高20mm的環(huán)刀在土樣上切取試樣，兩端用鋼絲鋸整平后連同環(huán)刀一起裝入試驗容器中，后在完全側(cè)限和容許豎向排水的條件下分級加壓，記錄壓力、試樣發(fā)生的壓縮變形量及其相應(yīng)的時間，用以計算土的壓縮模量和壓縮指數(shù)等表示土的壓縮特性的參數(shù)。如在分級加荷后分級卸荷，即為加荷與卸荷回彈試驗，可用以測定土的回彈指數(shù)。2100433B

項目以深部地下工程建設(shè)中的深部土力學(xué)響應(yīng)為背景，以高壓下飽和黏土的固結(jié)剪切特性為研究目標(biāo)，以孔隙水-黏土顆粒骨架相互作用為研究基點(diǎn)，對重塑飽和黏土展開了高壓試驗、微觀測試、數(shù)值模擬以及理論分析。首先設(shè)計研制了適用于黏土高壓力學(xué)試驗的高壓固結(jié)試驗系統(tǒng)和三軸試驗系統(tǒng)，彌補(bǔ)了目前高壓固結(jié)儀精度不夠以及三軸試驗時間過長的不足；然后進(jìn)行了不同固結(jié)壓力下的一維固結(jié)和三軸剪切試驗，獲得了高壓固結(jié)過程中靜止側(cè)壓力系數(shù)、孔隙水壓力系數(shù)、滲透系數(shù)、壓縮性等不同于常壓下的特性，以及高壓剪切過程中孔隙水壓、應(yīng)力路徑以及抗剪強(qiáng)度的演變特性；針對試驗揭示的高壓特性，進(jìn)行了基于宏觀土力學(xué)理論的理論分析和數(shù)值模擬，提出可以獲得非線性靜止側(cè)壓力系數(shù)的臨界土力學(xué)分析方法，發(fā)展出可以考慮高壓長時固結(jié)導(dǎo)致的膠結(jié)作用的新的臨界土力學(xué)模型，并對三軸試驗進(jìn)行了有限元模擬，建立了考慮材料幾何非線性的有限元分析模型，對高壓三軸剪切試驗中剪切速率、端部摩擦以及非線性滲透系數(shù)的影響進(jìn)行了分析；然后分別從孔隙水-黏土顆粒間的微觀相互作用出發(fā)，對飽和黏土高壓壓縮特性和剪切過程中孔隙水壓變化及強(qiáng)度特性進(jìn)行了機(jī)理分析，并由試樣的環(huán)境掃描電鏡圖像予以支持；采用分子動力學(xué)模擬和耗散粒子動力模擬技術(shù)，分別對孔隙水-黏土顆粒之間的微觀與介觀壓縮和剪切進(jìn)行了計算分析，得到了孔隙水-黏土顆粒相互作用在高壓下飽和黏土固結(jié)和剪切過程中發(fā)揮的機(jī)理；為進(jìn)一步認(rèn)識孔隙水-黏土顆粒響應(yīng)機(jī)制，利用有限元方法對黏土顆粒之間的電勢分布、斥力計算進(jìn)行了研究，修正了現(xiàn)有計算公式的錯誤之處，定量揭示了不同尺寸孔隙在壓縮過程中具有不同變形順序的機(jī)理；最后構(gòu)建了基于Linux系統(tǒng)的二維黏土離散元模擬平臺，該模擬程序不同于現(xiàn)有商用離散元程序模擬顆粒為圓盤形或球形，可以模擬平板形狀的黏土顆粒之間的相互作用。 2100433B