土的压缩固结试验

3. e-lgp 曲线及有关指标 当采用半对数的直角坐标来绘制固结试验关系曲线时，就得到了 e-lgp 曲线 (如图 7-2b)，可以看到，在压力较大部分，e-lgp 关系接近直线，这是这种表示 方法区别于 e-p 曲线的独特的优点。 它通常用来整理有特殊要求的试验， 如先期 固结压力的确定，同样，图 7-5a)中的回弹再压缩曲线也可绘制成 e-lgp 曲线(如 图 7-5b)。 (1) 压缩指数、回弹指数 将图 7-3b)中e-lgp 曲线段的斜量用Cc 来表示，称为压缩指数，无量纲，如
得到
ΔH = e1 − e 2 1 + e1 H1 = Δe H 1 + e1 1 (7 − 6)
将式(7-5)代入式(7-4)得： Es = 1 + e1 Δp Δp = = ΔH / H 1 Δe /(1 + e1 ) a (7 − 7)
同压缩系数a一样，压缩模量Es 也不是常数，而是随着压力的变化而变化。 显然在压力小的时候，压缩系数a 大，压缩模量Es 小；在压力大的时候，压缩 系数a 小，压缩模量Es 大。在工程上，一般采用压力间隔 100kPa 至 200kPa 时 对应的压缩模量 Es1-2 ；也可根据实际竖向应力的大小，在压缩曲线上取相应的 值计算压缩模量。 2. 土的回弹曲线和再压缩曲线 当土体加压到某一荷载值pi后不再加压，逐级进行卸载直至零，并且测得各 卸载等级下土样回弹稳定后的高度，进而换算得到相应的孔隙比，即可绘制出卸 载阶段的关系曲线，如图中bc曲线所示，称为回弹曲线(或膨胀曲线)。从图中还 可以看到，回弹曲线不与初始加载的曲线ab重合，当卸载至零时，土样的孔隙比 没有恢复到初始压力为零时的孔隙比e0 。这就显示了土残留了一部分压缩变
(1) 计算试验前后土样含水量 (2) 计算试验前后土样密度 (3) 计算试样初始孔隙比e0。 (4) 计算试样的颗粒(骨架)净高 h。 (5) 按式(7-9)计算某级压力下固结稳定后土的孔隙比e0：
ei = e0 − k ⋅
式中
∑ Δh
hs
i
(7 − 9)
ei——某级压力下的孔隙比； ∑△hi——某级压力下试样固结 1h的累计变形量(cm)； k——校正系数，k=(∑△hn )T /(∑△hn )t 或k=(∑△en )T /(∑△en)t (∑△hn )t——最后一级压力下试样固结 1h的总变形量(cm)； (∑△hn )T——最后一级压力下试样固结 24h的总变形量(cm)； (∑△en )T——最后一级压力下试样固结 1h的孔隙比总减缩量；
(3) 测定土样密度，并在余土中取代表性土样测定其含水量，然后用圆玻璃
片将环刀两端盖上，防止水分蒸发。
(4) 在固结仪的固结宣传品内装上带有试样的切土样刀(刀口向下)，在土样
两端应贴上洁净而湿润的滤纸，再用担环螺丝将导环置于固结，然后放在透水石 和传夺活塞以及定向钢球。
(5) 将装有土样的固结容器，准确地放在加荷横梁的中心，如杠杆式固结仪，
从图 7-3a)还可以看出，压缩系数a 值与土所受的荷载大小有关。为了便于 比较，一般采用压力间隔p1=100kPa 至 p2=200kPa 时对应的压缩系数a1-2 来评 价土的压缩性。
(2)压缩模量 Es 由e-p曲线，还可以得到另一个压缩指标—压缩模量用Es 来表示。其定义为 土在完全侧限的条件下竖向应力增量Δp与相应的应变增量Δε的比值，由图 7-4 可得到: Es = 式中， Δp Δp = Δε ΔH / H 1 。 (7 − 4)
Cv 以及先期固结压力pc 。
以下主要介绍快速固结试验。 （一） 、快速固结试验 对于计算精度要求不高，而渗透性又较大的土用不需要固结系数时，可采用 快速固结试验方法。快速固结试验法规定在各级压力下的固结时间为 1h，仅最 后一级压力延长至 24 h，并以等比例综合固结度进行修正。 1. 仪器设备
(1) 固结容器。由环刀、护环、透水板、加压上盖待组成，土样面积 30cm2或 50 cm2，高度 2 cm，如图 7-6 所示。
5
图 7-6 固结容器示意图
(2) 加荷设备。 可采用量程为 5～10kn 的杠杆式、 磅秤式或气压式等加荷设备。 (3) 变形量测设备。可采用最大量程 10mm、最小分度值 0.01 mm 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。
(4) 毛玻璃板、圆玻璃板、滤纸、切土刀、钢丝锯和凡士林或硅油等。
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少了，则
OCR>1。 (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OCR<1。 二、试验方法 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。 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、孔隙比与通过固结试验，可以测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形与压 并可确定土的压缩系数a 、 力的关系、 孔隙比与压力的关系及变形与时间的关系， 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
2. 试验步骤
(1) 按工程需要选择面积为 30cm2或 50 cm2的切土环刀，环刀内侧涂上一层
薄薄的凡士林或硅油，刀口应向下放在原状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。
(2) 小心地边压边削，注意避免环刀偏心入土，应使整修土样进入环刀并凸
出环刀为止，然后用钢丝锯(软土)或用修土刀(较硬的土或硬土)将环刀两侧余土 修平，擦净环刀外壁。
形，称之为残余变形，但也恢复了一部分压缩变形，称之为弹性变形。 若对土样重新逐级加压， 则可测得土样在各级荷载作用下再压缩稳定后的孔 隙比，相应地可绘制出再压缩曲线，如图 7-5a 中 cdf 曲线所示。可以发现其中 df 段象是 ab 段的延续，犹如期间没有经过卸载和再压缩的过程一样。
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图 7-5 土的回弹-再压缩曲线
的计算压力 100～200 kpa，但最大压力不应小于 400 kpa。
(8) 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，而对于非饱和土样，须用湿棉纱或湿海绵覆盖于加压盖板四周，避 免水分蒸发。 ⑼ 当试验结束时，应先排队固结容器内水分，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 度和含水量。 3. 成果整理
压前后试样中土粒所占的高度不变，因此，根据荷载作用下土样压缩稳定后的总 压缩量ΔH，即可得到相应的孔隙比e的计算公式： 于是有：
e = e0 − 式中
ΔH (1 + e 0 ) H0
(7 − 2)
e0 =
G s (1 + w)
ρ
ρ − 1 ，其中，Gs 为土粒比重，ω0为土样的初始含水
w
0
量，ρ0 为土样的初始密度(g/cm3)，ρw为水的密度(g/cm3) 。 如此，根据式(7-2)即可得到各级荷载 p 下对应的孔隙比 e ，从而可绘制出 土的 e-p 1. 曲线及 e-lgp 曲线等。
力)状态的比较，可将天然土层划分为下沉固结土、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：
4
(1)如果土层的自重应力p0
等于前期固结压力pc ，也就是说土自重应力就
是该土层历史上受过的最大有效应力，这种土称为正常固结土，则OCR=1。
(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
6
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；如采用气压式压缩仪，可按规定调节气压力，使之平衡，同时使各部件 之间密合。
(6) 调整百分表或位移传感器至“0”读数，并按工程需要确定加压等级、测定
项目以及试验方法。
(7) 加压等级可采用 12.5kpa，25 kpa，50 kpa，200 kpa，400 kpa，800 kpa， 1600 kpa，3200 kpa。第一 大小视土的软硬程度，分别采用 12.5 kpa，25 kpa 或 50 kpa；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Hale Waihona Puke Baidu
e-p 曲线及有关指标
图 7-2 土的压缩曲线 通常将由固结试验得到的 e-p 关系，采用普通直角坐标系绘制成如图(7-2) 所示的 e-p 曲线。
(1) 压缩系数 a 从图(7-2)可以看出，由于软粘土的压缩性大，当发生压力变化 Δp 时，则相 应的孔隙比的变化 Δe 也大， 因而曲线就比较陡； 反之， 像密实砂土的压缩性小， 当发生相同压力变化 Δp 时， 相应的孔隙比的变化 Δe 就小， 因而曲线比较平缓， 因此，土的压缩性的大小可用 e-p 曲线的斜量来反映。 如图(7-2)所示，设压力由p1 增至 p2 ，相应的孔隙比由e1 减小到e2 ，当
Cc =
e1 − e 2 lg p 2 − lg p 1
=
e1 − e 2 p lg 2 p1
(7 − 8)
下式所示： 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，Cc值越大，土的压缩性则越高。 卸载段和再压缩段的平均斜量(如图 7-5b)称为回弹指数或再压缩指数 Cc 。 4. 先期固结压力 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， 也就是土体在 固结过程中所受的最大有效应力，用pc 来表示，先期固结压力是一个非常有用 的量和概念，是了解土层应力历史的指标。 通过先期回结压力pc与土层自重应力p0 (即自重作用下固结稳定的有效应
Es 为压缩模量 (mPa)
图 7-4 侧限条件下土样高度变化与孔隙比变化的关系
2
在无侧向变形，即横截面积不变的情况下，同样根据土粒所占高度不变的条 件，土样高度的变化ΔH 可用相应的孔隙比的变化Δe= e1 -e2 来表示：
H1 1 + e1
=
H2 1+ e2
=
H 1 − ΔH 1+ e2
(7 − 5)
压力变化范围不大时，可将该压力范围的曲线用割线来代替，并用割线的斜量来 表示土在这一段压力
1
范围的压缩性，即：
a = tan α = − e −e Δe = 1 2 Δp p 2 − p 1 (7 − 3)
式中， a 为土的压缩系数(MPa-1)
，压缩系数愈大，土的压缩性愈高。
图 7-3 由压缩曲线确定压缩指标
试验七 固结综合试验
一、基本原理 (一) 土的压缩性 土在外荷载作用下，其孔隙间的水和空气逐渐被挤出，土的骨架颗粒之间相 互挤紧，封闭气泡的体积也将缩小，从而引起土层的压缩变形，土在外力作用下 体积缩小的这种特性称为土的压缩性。 土的压缩性主要有两个特点：①土的压缩主要是由于孔隙体积减少而引进 的。对于饱和土，土是由颗粒和水组成的，在工程上一般的压力作用下，固体颗 粒和水本身的体积压缩量都非常微小，可不予考虑，但由于土中水具有流动性， 在外力作用下会沿着土中孔隙排出，从而引起土体积减少而发生压缩；②由于孔 隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘性土来说是需要时间的， 土的压缩随时间增 长的过程称为土的固结。 (二) 土的压缩曲线及有关指标 固结试验(亦称压缩试验)是研究土的压缩性的基本的方法。固结试验就是将 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，然后置于固 结仪内，在不同荷载和在完全侧限条件下测定土的压缩变形。 由固结试验可得到土的压缩变形 ΔH 与荷载 p 之间的关系，并可进一步得 到相应的孔隙比 e 与荷载 p 之间的关系 ：e--p 曲线或 e--lgp 曲线。
图 7-1 固结试样中土样孔隙比的变化 如图 7-1 所示，设土样的初始高度为H0，初始孔隙比为e0 ，在荷载p 作用 下，土样稳定后的总压缩量为ΔH ，假设土粒体积Vs=1（不变） ，根据土的孔 隙比的定义e=Vv/ Vs ，则受压前后土粒体积不变，且土样横截面积不变，所以受
H0 1 + e0 = H − ΔH H = 0 1+ e 1+ e (7 − 1)