非饱和土固结试验
简述固结----不排水剪试验的适用条件。
简述固结----不排水剪试验的适用条件。
固结-不排水剪试验是一种用于土壤力学研究领域的常见试验方法。
它主要用于测定土体的剪切强度特性，在土工工程和地质工程中具有广泛的应用价值。
适用固结-不排水剪试验的条件包括：
首先，试验对象应为具有较高的饱和度的土体。
因为不排水剪切试验是在土体在较短时间内没有排水的情况下进行的，试验对象需要具备一定的饱和度才能保证剪切过程中水分不排出。
其次，试验对象应为非饱和土体。
不排水剪试验主要应用于非饱和土体的研究，这种土体在水分含量较低且孔隙介质内存在气体时，其力学性质与饱和土体有所不同。
此外，试验过程中需要保持土体的有效应力状态。
有效应力是指除去孔隙水压力的土体颗粒间接触导致的应力。
在不排水剪试验中，需要通过有效应力判断土体的剪切强度，因此试验过程中需要保持土体的饱和度和孔隙水压力的稳定。
最后，试验设备和技术要求较高。
不排水剪试验需要用到专门的仪器和设备，如剪切盒、应变计等。
同时，操作人员需要具备相关的专业知识和技术经验，以确保试验结果的准确性和可靠性。
综上所述，固结-不排水剪试验适用于研究饱和度较高、非饱和土体的剪切强度特性。
通过该试验可以获取土体的力学参数，为土工工程和地质工程提供重要的参考依据。
固结试验
固结试验姓名：学号：班级：一、试验目的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a v和压缩模量E s等。
二、试验方法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。
三、试验设备1．固结仪：如附图8－1所示，试样面积30cm2，高2cm。
2．量表：量程10mm，最小分度0.01mm。
3．其它：刮土刀、电子天平、秒表。
四、试验步骤（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0.005mm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。
七、固结试验（标准固结试验）
七、固结试验（标准固结试验）基本原理土的压缩性是指土在压应力作用下发生压缩变形，体积被压缩变小的性能。
饱水土在压应力作用下，由于孔隙水的不断排出而引起的压缩过程称为渗透固结。
因此，饱水土的压缩试验亦称固结试验。
固结试验是将土样放在金属器内，在有侧限的条件下施加压力，观察土在不同压力下的压缩变形量，以测定土的压缩系数、压缩模量、压缩指数、固结系数、前期固结压力等有关压缩性指标，作为工程设计计算的依据。
1 本试验方法适用于饱和的粘土。
当只进行压缩时，允许用于非饱和土。
2 本试验所用的主要仪器设备，应符合下列规定：1 固结容器：由环刀、护环、透水板、水槽、加压上盖组成1)环刀：内径为61．8mm和79．8mm，高度为20mm。
环刀应具有一定的刚度，内壁应保持较高的光洁度，宜涂一薄层硅脂或聚四氟乙烯。
2)透水板：氧化铝或不受腐蚀的金属材料制成，其渗透系数应大于试样的渗透系数。
用固定式容器时，顶部透水板直径应小于环刀内径O．2～O．5mm；用浮环式容器时上下端透水板直径相等，均应小于环刀内径。
2 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。
3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。
3 固结仪及加压设备应定期校准，并应作仪器变形校正曲线，具体操作见有关标准。
4 试样制备应按有关标准的规定进行。
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，应按有关标准步骤的规定进行抽气饱和。
5 固结试验应按下列步骤进行：(1) 在固结容器内放置护环、透水板和薄型滤纸，将带有试样的环刀装入护环内，放上导环、试样上依次放上薄型滤纸、透水板和加压上盖，并将固结容器置于加压框架正中，使加压上盖与加压框架中心对准，安装百分表或位移传感器。
注：滤纸和透水板的湿度应接近试样的湿度。
非饱和土土力学(新)
传统（经典）土力学的局限
1、传统土力学理论都是针对饱和土建立的，对非饱和土无能为力，只
能称之为饱和土力学
两相介质(固体和液体)
只涉及土的变形，不考虑水量的变化（因为对饱和土
v w）
唯一应力状态变量——有效应力
用总应力或有效应力分析
pw
传统（经典）土力学的局限
一屈服面模型。
* p0 p0 ms n[e / patm 1]
吸力的影响
200
吸力 s(kPa)
150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 净平均应力 p(kPa)
LC屈服面
s
s * p p0 ms n e pat 1
Ri (1 sin )( 1 3 ) 3 ua m 2 0 Et patm[1 ] ( K m1s)( ) b 2(c s f tan ) cos 2( 3 ua ) sin patm
Kt Kt0 m2 s
起始模量、体积模量、土骨架和水量变化都与吸力有关
修正SSCC 含水率4.8% 含水率15.2% 含水率25.4% 未修正SSCC 饱和试样
'
10 20 30
饱和破坏包络线 40 50 60
和及非饱和时，其摩擦
角变化不大，主要是粘 聚力随含水量在变化。 明确了粘聚力的物理含 义。
-50
-40
-30
-20
-10 0 -20 -40
n '(kPa)
未修正SSCC曲线
-60 -80 修正SSCC曲线 -100
(ua uw)(kPa)
) tan ( ua ) tan ( s
非饱和试验步骤-动三轴
非饱和土试验步骤1．控制器充排水：试验之前先将控制器中的水排出一部分然后再吸水，确保控制器中水装满2/3且无气泡；2．饱和陶土板:：施加不超过50kPa的反压，打开孔压传感器端阀门，排出管路和底座内部的气泡，然后关闭阀门，当发现陶土板上表面完全被水覆盖表明陶土板基本饱和；3．安装试样：安装试样时小心土颗粒，特别是砂子掉入压力时内部，安装试样尽量采用三半模以减小对试样的扰动；4．内压力室和参照管注水：试样装好之后安装内压力室，将差压传感器的两根管道分别与内压力室和参照管相连，给内压力室和参照管注水，打开湿湿差压传感器上部的堵头，排出管路中的气泡，气泡排完后保证参照管水位大约在2/3位置，内压力室水位在细管中间位置；5．安装外压力室：安装压力室之前确保轴向力传感器处于最上位置，安放压力室时观察拉伸帽是否压住试样，螺栓需要对称拧紧；6．荷重传感器清零：通过软件对力传感器清零；7．调接触：调节荷重传感器位置，观察荷重传感器读数，当读数达到0.005左右时锁紧轴向加载杆；8．压力室充水：打开压力室顶部排气孔的堵头，打开进水阀门给压力室注水，装满之后关闭进水阀门和排气孔的堵头；9．加压检查：通过电脑施加20kPa围压，观察压力室是否漏水，观察孔压传感器读数是否迅速上升到与围压值相等，如果相等则橡皮膜破裂；10.吸力平衡：吸力平衡阶段主要的目的是给试样施加一个基质吸力让试样由饱和状态变成非饱和状态。
为了保护设备并让试样与压力杆接触，在设置压力时应该遵循一个原则：轴向压力>径向压力>孔隙气压>反压；11.等吸力固结：等吸力固结也采用应力控制模块。
等吸力固结时反压和孔隙气压保持不变，同步增大围压和轴向压力，过观察反压体积是否稳定来判断固结是否完成；12.等吸力剪切：剪切包括应力控制和应变控制。
剪切过程一定要比较缓慢避免孔隙水压力发生较大变化；13.压力卸载：试验完成之后要卸载压力，卸载压力时应该按照由内向外的一个原则，即卸载压力的顺序是反压、孔隙气压、轴压和围压(注意轴压采用体积清零进行卸载)。
试验设备清单土工仪器公路仪器等
量力环（直剪仪）\（无侧限）\（石灰土无侧限）
1.2KN\0.6KN\5KN
2
量力环（三轴仪）
1KN \ 3KN \ 10KN
3
量力环（三轴仪、CBR、路强仪）
30\50\60\100KN
4
不锈钢环刀（恒重）(Φ61.8x20) \ (Φ79.8x20)
30cm2\ 50cm2
5
不锈钢环刀(Φ50.4x50) \ (Φ50.4x50成套）
10
柔性壁渗透仪（数采）
RXB1.0
十一、颗 粒 分 析 试 验 类：
1
高速万能土壤粉碎机
FT-200
2
高速万能土壤粉碎机
FT-300
3
高速万能土壤粉碎机（倾斜式）
FT-400
4
高速万能土壤粉碎机（倾斜式）
FT-500
5
洗筛 \ 漏斗
Φ100（不锈钢）
（四）
（岩土仪器）
序号
产 品 名 称
规格型号
备注
YBSZ-3.0
6
应变控制式三轴仪（6T无级调速）（无数采）
YBSZ-6.0
7
全自动应变控制式三轴仪 （1T、无级调速、数采）
ZDSZ-1.0
8
全自动应变控制式三轴仪 （3T、无级调速、数采）
ZDSZ-3.0
9
全自动应变控制式三轴仪 （6T、无级调速、数采）
ZDSZ-3.0
10
应力应变控制式三轴、剪切、渗透试验仪（数采）
透水石（55型渗透仪）
Φ65x10\Φ68x10
11
透水石（固结仪）
Φ61.8x10 \ Φ79.8x10、Φ83x10
30cm2\50cm2
非饱和土固结试验
石家庄铁道大学研究生课程论文培养单位土木工程学院学科专业建筑与土木工程课程名称非饱和土力学任课教师考试日期 2015.1.15学生姓名学号研究生学院非饱和土固结实验报告一、非饱和土固结试验工程意义土体的压缩变形特性决定了地基沉降量的大小和固结时间的长短, 尤其是非饱和土体的压缩变形特性是目前工程界关注的焦点。
在荷载作用下，土体中产生超孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体中有效应力逐渐增大，直至超孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结。
饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。
非饱和土的孔隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著。
这些使非饱和土的固结过程非常复杂。
由于土体内部结构复杂, 使得非饱和土体在固结变形特性上与饱和土体存在巨大差异, 同时也导致非饱和土地基在设计和施工中存在大量不确定因素。
因此掌握非饱和土体的固结变形机理, 并且有针对性的对地基沉降加以控制是目前极待解决的问题。
二、实验方案通过一维固结试验，利用实验数据整理出在分级施加垂直压力p下试件的竖向变形s与时间t的s-t曲线、试件排水v与时间t的v-t曲线以及e-p曲线，研究非饱和重塑粉质粘土在饱和度Sr=0.569下的压缩变形特性。
1.土样本实验使用重塑非饱和粉质粘土，土的压实度DC=0.9 、含水率w=12%、土粒比重Gs=2.72、最大干密度pdmax=1.92g/com，实验中的试件尺寸为Ф61.8mm×H20mm，总质量m=116.04g，其中固体颗粒质量ms=103.6g2. 实验设备本实验采用的非饱和土固结仪（如图1-1所示）由中国人民解放军后勤工程学院、电力部电力自动化院大坝所、江苏省溧阳市永昌工程实验仪器有限公司联合研制生产。
其主要结构有:2.1 压缩部件：由压缩容器、压力室座、导环、陶土板、透水板、加压帽表杆支座等组成，承放土样用。
固结试验方法
固结试验方法1、在切好土样的环刀外壁涂一薄层凡士林，然后将刀口向下放入护环内。
2、将底板放入容器内，底板上放透水石和薄型滤纸，借助提环螺丝将土样环刀及护环放入容器中，土样上面依次放上薄型滤纸、透水石和加压上盖，然后放下加压导环和传压活塞，使各部密切接触，保持平稳。
3、将压缩容器置于加压框架正中，密合传压活塞及横梁，预加1.0Kpa压力，使固结仪各部份紧密接触，装好百分表，并调整读数至零。
4、去掉预压荷载，立即加第一级荷载。
加砝码时应壁免冲击和摇晃，在加上砝码的同时，立即开动秒表。
荷载等级一般规定为50kpa、100kpa、300kpa和400kpa。
有时可以根据土的软硬程度。
第一级荷载可考虑用25kpa加荷后经常观看杠杆的情况或根据需要可逆时针方向旋转手轮调节升降杆，保持杠杆平衡。
5、如系饱和试样，则在施加第一级荷载后，立即向容器中注水至满。
如系非饱和试样，须以湿棉纱围住上下透水面四周，避免水份蒸发。
6、如需确定原状土的先期固结压力时，荷载率宜小于1，可采用0.5或0.25倍，施加的压力应使测得的e-lgP曲线下端出现直线段。
7、如需测定沉降速率，固结系数等指标，一般按15S、1min、2min、4min、6min、9min、12min、16min、20min、25min、30min、36min、49min、64min、100min、200min、400min、23h、24h，至稳定为止。
当不需测定沉降速度时，则施加每级压力后24h，测记试样高度变化作为稳定标准，当试样渗透系数在于10-5cm/S时，允许以主固结完成作为相对稳定标准。
按此步骤逐级加压至试验结束。
（注：测定沉降速率仅适用于饱和土）8、试验结束后拆除仪器，小心取出完整土样，称其质量，并测定其终结含水量（如不需测定试验后的饱和度，则不必测定终结含水量），并将仪器洗干净。
9、试验结束后，登记仪器使用记录。
中国水利水电第十六工程局有限公司中心实验室二O一三年九月。
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石家庄铁道大学
研究生课程论文
培养单位土木工程学院
学科专业建筑与土木工程
课程名称非饱和土力学
任课教师
考试日期 2015.1.15
学生姓名
学号
研究生学院
非饱和土固结实验报告
一、非饱和土固结试验工程意义
土体的压缩变形特性决定了地基沉降量的大小和固结时间的长短, 尤其是非饱和土体的压缩变形特性是目前工程界关注的焦点。
在荷载作用下，土体中产生超孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体中有效应力逐渐增大，直至超孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结。
饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。
非饱和土的孔隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著。
这些使非饱和土的固结过程非常复杂。
由于土体内部结构复杂, 使得非饱和土体在固结变形特性上与饱和土体存在巨大差异, 同时也导致非饱和土地基在设计和施工中存在大量不确定因素。
因此掌握非饱和土体的固结变形机理, 并且有针对性的对地基沉降加以控制是目前极待解决的问题。
二、实验方案
通过一维固结试验，利用实验数据整理出在分级施加垂直压力p下试件的竖向变形s与时间t的s-t曲线、试件排水v与时间t的v-t曲线以及e-p曲线，研究非饱和重塑粉质粘土在饱和度Sr=0.569下的压缩变形特性。
1.土样
本实验使用重塑非饱和粉质粘土，土的压实度DC=0.9 、含水率w=12%、土粒比重Gs=2.72、最大干密度pdmax=1.92g/com，实验中的试件尺寸为Ф61.8mm×H20mm，总质量m=116.04g，其中固体颗粒质量ms=103.6g
2. 实验设备
本实验采用的非饱和土固结仪（如图1-1所示）由中国人民解放军后勤工程学院、电力
部电力自动化院大坝所、江苏省溧阳市永昌工程实验仪器有限公司联合研制生产。
其主要结构有:
2.1 压缩部件：由压缩容器、压力室座、导环、陶土板、透水板、加压帽表杆支座等组成，承放土样用。
2.2 容器罩子部件：由筒身、顶盖、活塞、活塞套等组成起密封作用及用来传递荷重力。
2.3加荷部件：由上横梁、拉捍、下横梁、杠杆轴承座、平衡锤、吊环、砝码等组成。
为产生荷重供土样受力之用。
2.4台架部件：由机架、台面板、杠杆支架、杠杆固定螺捍等组成，压缩容器，加荷部件和唯一传感器支架等都固定安装在台架部件上。
2.5 数据采集：该仪器舍友三个数据采集通道，装有一只0~10mm位移电位器和一只孔压传感器。
由土工试验数据采集系统微机统一进行实验数据采集。
图1- 1
3. 实验方案及步骤
3.1制作试件：根据《土工实验规程》SL237-1999，按实验需要，配制含水量W=12%的土样，将土样倒入预先装好的环刀内并固定在底板上的击实器内用击实方法将土击入环刀内（分两层击实，每层土样质量m1=58.02g）。
3.2饱和陶土板：在固结仪土样容器中注入脱水（近满），关闭进水阀门，拧紧固结仪上盖。
打开排水阀，施加气压300~400KPa直到排水阀门有较多的睡排出。
冲洗陶土板下集聚的气泡，打开进水阀，让无气水流过陶土板先的螺旋槽冲洗30秒，关闭进水阀门。
释放容器中气压力到零，移开固结仪上盖，用吸球吸走土样容器中的余水，注入无气水(近满)。
重复这些步骤，直到排水阀有连续的水流出，排除气压力，移走压力室上盖
3.3装土样：将土样压入固结容器内，顺次放上洁净而湿润的滤纸，在试样上再置洁净而湿润的滤纸和透水石各一，最后放下导环和加压上盖，加装竖向压缩位移传感器，保证试样与仪器上下各部件之间接触良好。
3.4 排空气：将土样放入固结容器内后，固结容器内会残存一些气体，饱和的陶土板透水不透气，为了及时排走这些气体，在仪器装好之后，打开底座连接处排水系统阀门，水可有底座中心进人螺旋槽，最后从螺旋槽末端流出。
从而排除陶土板中溶于水的气体。
当排水不掺杂气泡时，关闭排水系统阀门。
3.5 实验通过控制气压进气值Ua的大小来控制基质吸力的大小。
实验分级加载前，应先达到气水平衡条件。
打开气压阀门通气和蠕变、固结数据采集系统，静置一定时间，等数据出现上、下跳动的波浪折线时，证明达到气水平衡，再分级加载。
应当注意，气压的增加引起压力的波动，为此，专门配置了小祛码进行补偿。
3.6 控制基质吸力为50 kPa，净竖向压力按50,100 ,300,410,600,800,1000kPa逐级增加。
试验过程中要量测排水量。
施加竖向压力时，一般需要半天时间土样才能达到压缩变形稳定和不再排水。
因此等稳定后才能施加下一级压力。
3.7 实验结束后，卸除气压和砝码，卸除土样并关闭计算机，清洗土样容器及陶土板，以便供下次实验使用。
三、实验数据处理
1. 实验数据计算主要公式
1.1土的质量计算
=
其中
—干密度（g/cm3）
—密度（g/cm3）
—含水率（%）
M —质量（g）
—最大干密度（g/cm3）
V—体积（cm3）
1.2 计算试样的初始孔隙比e o
1
)
01
.0
1(
w
s
-
⋅
+
=
γ
γ
w
G
e
式中e0——初始孔隙比；
w0——试验前土样的含水率，%；
γ——试样初始密度，g/cm3；
w
γ——水的密度，g/cm3。
1.3 计算各级荷载下压缩稳定后的相对沉降量S i
h
h
S i
i
∑∆
=
式中∑△h i——某一压力下，试样压缩稳定后的总变形量（等于该荷载下压缩稳定后的量表读数减去仪器变形量。
仪器变形量由实验室给出），mm；
h0——试样的初始高度（等于环刀高度），mm。
1.4 计算各级荷载下压缩稳定后的孔隙比e i
i i S e e e )1(00+-=
2. 实验数据图表
2.1 绘制s -t 曲线，以竖向变形s 为纵坐标，以压力t 为横坐标，作沉降量与时间的关系曲线（ s - t 曲线）
2.2 绘制v - t 曲线，以排水 v 为纵坐标，以时间t 为横坐标，作排水与时间的关
系曲线（ v - t 曲线）
2.3绘制e - p 曲线，以孔隙比 e 为纵坐标，以压力p 为横坐标，作孔隙比与压
力的关系曲线（ e - p 曲线）
四、实验总结及体会
从实验开始时的材料搜集、方案制定，再到实际操作、数据处理以及生成报告的整个过程中，使自己对非饱和土的固结有了更深入的了解。
本来实验方案是50,100,200,300,410,600,800,1000KPa 逐级加压，但是在加载200KPa时，电脑出现了蓝屏，数据丢失，所以只能删掉200KPa这一档，虽然少了一个加载，但是还是能看到一些非饱和土固结时的规律：从s-t曲线可以明显看出，加载竖向压力时，竖向位移马上就显现出明显沉降，且之后很快趋于稳定。
从整条曲线来看，随着竖向压力的增大，竖向位移很明显呈现阶梯型增长；对于v-t曲线，可以看出一开始随着压力加大排水呈现线性增长，但是到100KPa至300KPa之间排水趋于稳定，随后一直波动；而e - p 曲线趋近
斜线，孔隙比随着轴向应力的增大而线性减小。
这次做实验我深刻的体会到，具体操作对实验结果的重要性，即使同样的土样实验数据也会有很大的偏差，给之后处理数据带来了一定的麻烦，甚至有一些数据完全不正确，因此我们每做一步都要认真仔细，努力达到完美。
最后感谢冯老师以及各位同学们，感谢你们不厌其烦的给我讲解实验细节以及数据处理方法，谢谢！
五、参考文献
[1].《土工实验规程》SL237-1999
[2].弗雷德隆德（Fredlund，D.G.），拉哈尔佐(Rahardjo.H.).非饱和土土力学（Siol
Mechanics for Unsaturated Soils）[M].陈仲颐，等，译．北京：中国建筑工业出版社.
[3].牛文明,高武振,杨贺荣,刘进虎.饱和土与非饱和土固结理论及其联系与差别[J].科技信息，
2010,3:480-481.
[4].陈正汉.非饱和土固结仪和直剪仪的研制及应用[J]岩土工程学报，2004。