兩種測定固結(jié)系數(shù)試驗方法
——孔隙水壓力消散法與固結(jié)儀法的比較

李雄飛

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

兩種測定固結(jié)系數(shù)試驗方法
——孔隙水壓力消散法與固結(jié)儀法的比較

李雄飛

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，各種類型建筑物的新建，越來越多的建筑類型對沉降的要求也越來越高。如何多方面提供沉降計算參數(shù)成為土工試驗中所要研究的新課題。目前室內(nèi)試驗中廣泛采用固結(jié)儀法來計算固結(jié)系數(shù)，通過繪圖計算結(jié)果，如何從其他試驗途徑尋求計算固結(jié)系數(shù)的方法為人們所探究的方向?，F(xiàn)將以孔隙水壓力消散試驗法計算固結(jié)系數(shù)，通過與固結(jié)儀法的比較，分析兩種試驗方法所得結(jié)果的差異，評價兩種方法的差異性。

固結(jié)系數(shù)；孔隙水壓力；時間因子；消散度

1　固結(jié)儀法

采用土工試驗固結(jié)儀，依據(jù)太沙基單向固結(jié)理論，假設(shè)條件為土體是均勻的、土體完全飽和、土顆粒和水是不可壓縮的、孔隙水只沿一個方向滲流、滲流符合達西定律，同時土顆粒也只沿豎直方向位移，在外荷載一次瞬時施加時，孔隙水從土體中排出，土體開始變形（即開始固結(jié)）。試驗?zāi)Ｐ鸵妶D1所示。

圖1　試驗?zāi)Ｐ?/p>

目前在國家標(biāo)準(zhǔn)中對固結(jié)系數(shù)的計算方法多采用時間平方根法及時間對數(shù)法確定。時間平方根法：對某一級壓力，以試樣的變形為縱坐標(biāo)，時間平方根為橫坐標(biāo)，繪制變形與時間平方根關(guān)系曲線，延長曲線開始段的直線，交縱坐標(biāo)于ds為理論零點，過ds作另一直線，令其橫坐標(biāo)為前一直線的1.15倍，則后一直線與d-曲線交點所對應(yīng)的時間的平方即為試樣固結(jié)度達90%所需要的時間t90（見圖2（a）），則該級壓力下的固結(jié)系數(shù)按下式計算：

通過時間對數(shù)法（操作方法略，見規(guī)范GB/T50123-1999）計算固結(jié)度達到50%所需的時間t50（見圖2（b）），則該壓力下固結(jié)系數(shù)按下式計算：

2　孔隙水壓力消散試驗法

當(dāng)土體在受壓時，將發(fā)生變形，而土體的變形主要是通過土體中孔隙的減少。相對于飽和土體而言，土體中的孔隙減少實質(zhì)是土中孔隙水的排出，土體中孔隙水的排出過程，即為土的固結(jié)過程。該項試驗主要通過孔隙水壓力消散的過程，結(jié)合相關(guān)公式，計算出相應(yīng)土體的固結(jié)系數(shù)。

孔隙水壓力消散試驗采用三軸試驗儀，三軸試驗儀配有孔壓傳感器和排水傳感器（傳感器精度滿足誤差小于、等于0.5%）。試驗中飽和土試樣在周圍壓力作用下（受力條件見圖3所示），產(chǎn)生一定孔隙水壓力，孔隙水壓力相關(guān)系數(shù)（B）大于95%開始排水，在排水過程中，各級壓力下產(chǎn)生的消散系數(shù)C′V，即為土體相應(yīng)壓力下的固結(jié)系數(shù)。相關(guān)的試驗操作方法見水利部土工試驗規(guī)程（SL237-1999）。計算方法見下式：

圖2　固結(jié)度曲線圖

圖3受力條件示意圖

任一時間t后的孔隙壓力消散百分?jǐn)?shù)：

式中：ui、ut——分別為起始及tmin后不排水端的孔隙壓力值，kPa。

各向等壓力下任一消散度的消散系數(shù)：

式中：t——散時間（達任意消散度所需的時間），min；

Tv——任一消散度的時間因數(shù)；

60——秒與分的換算系數(shù)；

式中：

AC——試樣固結(jié)后的斷面面積，cm2；

ΔV——試樣固結(jié)后與固結(jié)前的體積變化，

cm3（排水體積）；

V0、A0——試樣的初始體積，cm3、初始面積，cm2。

孔隙壓力消散百分?jǐn)?shù)（Dc）與時間因數(shù)（Tv）關(guān)系見圖4所示，對任一消散度下的時間因數(shù)可采用內(nèi)差法取值。

圖4　Dc與Tv關(guān)系曲線圖

通過上面公式可以看出，根據(jù)孔隙水壓力消散試驗測得的固結(jié)系數(shù)是由計算而得，人為影響因素較小。

3　兩種試驗方法比較

在固結(jié)儀法和孔隙水壓力消散試驗法中，其實質(zhì)都是孔隙水從土體中排出的過程，所以對土體中飽和度要求較高。試驗過程中土體的均勻程度對試驗數(shù)據(jù)影響很大。由于孔隙水消散試驗的應(yīng)用還處于探索階段，相關(guān)技術(shù)還不是很成熟，為了保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和兩種試驗方法的可比性，此次試驗采用土質(zhì)較為均勻的上海地區(qū)④層飽和軟粘土作為研究對象。通過對20組試樣進行試驗，兩種方法試驗數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計對比見表1所列。

試驗數(shù)據(jù)的比較：通過兩種試驗方法的比較可以看出，在各項物理指標(biāo)都比較接近的情況下，相同壓力下固結(jié)儀法測得的固結(jié)系數(shù)比孔隙水壓力消散試驗法所測得固結(jié)系數(shù)偏小。數(shù)據(jù)差異原因分析如下：

（1）排水條件不同。固結(jié)試驗法排水條件為豎向雙面排水，而孔隙水消散法受儀器的限制為單向排水，排水條件的差異勢必對土體固結(jié)系數(shù)產(chǎn)生影響。

（2）受力條件不同。固結(jié)儀法依據(jù)太沙基單向固結(jié)理論，受力方向為豎直方向，土體只沿豎向變形，側(cè)向不發(fā)生變形；孔隙水壓力消散試驗為各向等壓，土體在受壓過程中產(chǎn)生整體變形。

（3）計算方式不同。固結(jié)試驗法主要通過作圖法求得，而目前廣泛采用的時間平方根法和時間對數(shù)法，只能通過t90和t50計算固結(jié)系數(shù)；而孔隙水消散試驗通過所測數(shù)據(jù)直接使用相關(guān)公式計算，求得任一消散度下的固結(jié)系數(shù)。

表1　兩種方法實驗數(shù)據(jù)結(jié)果對比表

4　結(jié)論

從試驗條件來看，孔隙水壓力消散試驗的受力條件更接近于土體在施工中的實際受力條件，固結(jié)程度相對較好，所得數(shù)據(jù)更精確，在計算方式上采用公式計算人為因素較小。但從試驗操作步驟來看，孔隙水消散試驗法要求試驗人員應(yīng)具有相當(dāng)高技術(shù)操作能力，而固結(jié)試驗法操作起來比較簡單，試驗周期相對也較短。目前工程設(shè)計中大多采用固結(jié)儀法測定的固結(jié)系數(shù)參數(shù)，積累了豐富的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，設(shè)計人員容易接受，而孔隙水消散法還處在理論運用階段，積累經(jīng)驗相對較少?？傮w來講孔隙水壓力消散法在試驗精度上更接近于真實值，適用于更精確的沉降計算；固結(jié)儀法試驗程序相對簡單適合大規(guī)模的常規(guī)計算。在建筑對沉降要求較高時，能滿足工期的情況下，孔隙水消散法測固結(jié)系數(shù)還是可行的。

由于該項試驗尚在探索中，研究過程中為了保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗中所采用土層為均質(zhì)類粘性土，存在一定的局限性，在工程中涉及的其他非均質(zhì)土還有待進一步總結(jié)經(jīng)驗。

U432

A

1009-7716（2015）01-0156-03

2014-08-13

李雄飛（1983-），男，四川廣安人，工程師，從事巖土工程檢測工作。