土工试验与原理固结

土工试验与原理固结2023/5/261第一页，共一百页，编辑于2023年，星期五七、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2023/5/262第二页，共一百页，编辑于2023年，星期五

（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。

2023/5/263第三页，共一百页，编辑于2023年，星期五有效应力原理

对于饱和土，如果在土中某点截取某一水平截面，截面上由土体的重力、静水压力及外荷载所产生的应力，称为总应力σ。总应力σ一部分是由土颗粒间的接触面承担，称为有效应力σ’；另一部分是由土体孔隙内的水承担，称为孔隙水压力u。

σ=σ’+u这个关系式称为有效

应力公式。

2023/5/264第四页，共一百页，编辑于2023年，星期五压缩变形Δh与孔隙比变化Δe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Δh与孔隙比变化Δe的关系为

2023/5/265第五页，共一百页，编辑于2023年，星期五根据工程需要，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2023/5/266第六页，共一百页，编辑于2023年，星期五应变控制连续加荷固结试验仪2023/5/267第七页，共一百页，编辑于2023年，星期五通过固结试验，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。

2023/5/268第八页，共一百页，编辑于2023年，星期五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。2023/5/269第九页，共一百页，编辑于2023年，星期五1．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。2023/5/2610第十页，共一百页，编辑于2023年，星期五(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。GDG-4S三联高压固结仪WG系列三联固结仪2023/5/2611第十一页，共一百页，编辑于2023年，星期五KTG-BY气压式固结仪KTG-GY气压式高压固结仪2023/5/2612第十二页，共一百页，编辑于2023年，星期五气压式固结仪2023/5/2613第十三页，共一百页，编辑于2023年，星期五(3)变形量测设备采用最大量程10mm、最小分度值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。2023/5/2614第十四页，共一百页，编辑于2023年，星期五(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。2023/5/2615第十五页，共一百页，编辑于2023年，星期五2．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2023/5/2616第十六页，共一百页，编辑于2023年，星期五第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。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。2023/5/2617第十七页，共一百页，编辑于2023年，星期五第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。2023/5/2618第十八页，共一百页，编辑于2023年，星期五2打开固结仪器的压力盒第十九页，共一百页，编辑于2023年，星期五3压力盒中底部放入透水石和潮湿的滤纸第二十页，共一百页，编辑于2023年，星期五4将制备好的环刀土样韧口朝下放入压力盒中第二十一页，共一百页，编辑于2023年，星期五5放平土样第二十二页，共一百页，编辑于2023年，星期五6放上护环第二十三页，共一百页，编辑于2023年，星期五7土样上面放上潮湿的滤纸第二十四页，共一百页，编辑于2023年，星期五8再放上透水石第二十五页，共一百页，编辑于2023年，星期五9放上加压盖板第二十六页，共一百页，编辑于2023年，星期五10土样装好第二十七页，共一百页，编辑于2023年，星期五第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，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。

2023/5/2628第二十八页，共一百页，编辑于2023年，星期五11放压力盒入固结仪加压框第二十九页，共一百页，编辑于2023年，星期五12调杠杆水平第三十页，共一百页，编辑于2023年，星期五13调整百分表内圈小针初读数第三十一页，共一百页，编辑于2023年，星期五14旋转百分表外圈调零第三十二页，共一百页，编辑于2023年，星期五15百分表调整完毕第三十三页，共一百页，编辑于2023年，星期五16加荷载第三十四页，共一百页，编辑于2023年，星期五17稳定后读数第三十五页，共一百页，编辑于2023年，星期五第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50kPa；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100~200kPa，但最大压力不应小于400kPa。2023/5/2636第三十六页，共一百页，编辑于2023年，星期五第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e~logp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。2023/5/2637第三十七页，共一百页，编辑于2023年，星期五第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。2023/5/2638第三十八页，共一百页，编辑于2023年，星期五第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。2023/5/2639第三十九页，共一百页，编辑于2023年，星期五第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。2023/5/2640第四十页，共一百页，编辑于2023年，星期五第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。2023/5/2641第四十一页，共一百页，编辑于2023年，星期五3.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(骨架)净高：计算某级压力下固结稳定后土的孔隙比：2023/5/2642第四十二页，共一百页，编辑于2023年，星期五绘制e~p压缩曲线。绘制半对数直角坐标系统的e~lgp曲线

。2023/5/2643第四十三页，共一百页，编辑于2023年，星期五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=100~200kPa时的压缩系数a1-2

作为评价土层压缩性的标准。

2023/5/2644第四十四页，共一百页，编辑于2023年，星期五根据e～p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。2023/5/2645第四十五页，共一百页，编辑于2023年，星期五当采用半对数的直角坐标来绘制室内压缩试验e～p关系时，就得到了e～lgp曲线，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。2023/5/2646第四十六页，共一百页，编辑于2023年，星期五将e～lgp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。2023/5/2647第四十七页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2648第四十八页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2649第四十九页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2650固结系数的计算

①时间平方根法对于某一级压力，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。第五十页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/26511.根据单向固结理论，在U<60%之前，U与

成直线关系，大致可用来表示，若将这直线延长至U=90%，则可得=0.798；2.若按理论曲线上的U=90%直接从公式可算出3.两者之比0.920/0.798=1.15，这一关系是时间平方根法的主要依据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)第五十一页，共一百页，编辑于2023年，星期五①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按下式计算：2023/5/2652第五十二页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2653②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。第五十三页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2654t50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。第五十四页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2655②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t2＝4t1，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。第五十五页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2656②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。

第五十六页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2657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。

第五十七页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2658第五十八页，共一百页，编辑于2023年，星期五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，这种土称为正常固结土，则OCR=1。

2023/5/2659第五十九页，共一百页，编辑于2023年，星期五(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。2023/5/2660第六十页，共一百页，编辑于2023年，星期五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。2023/5/2661第六十一页，共一百页，编辑于2023年，星期五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2023/5/2662第六十二页，共一百页，编辑于2023年，星期五4.37/4.24=1.0312023/5/2663第六十三页，共一百页，编辑于2023年，星期五次固结增量校正法2023/5/2664第六十四页，共一百页，编辑于2023年，星期五次固结压缩指数压缩指数次固结压缩指数Cα与相应荷重下的压缩指数Cc成线性关系2023/5/2665第六十五页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2666第六十六页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2667第六十七页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2668第六十八页，共一百页，编辑于2023年，星期五最终荷重下2h与24h孔隙比之差各荷重点分别作切线，求出Cα用公式(3)计算Δei2023/5/2669第六十九页，共一百页，编辑于2023年，星期五（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2023/5/2670第七十页，共一百页，编辑于2023年，星期五（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。2023/5/2671第七十一页，共一百页，编辑于2023年，星期五大孔隙比和相对下沉系数计算(JTGE40-2007)ep——p(kPa)压力时浸水前试样的稳定孔隙比；e’p——p(kPa)压力时浸水后试样的稳定孔隙比；e0——试验开始时孔隙比。2023/5/2672第七十二页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2673第七十三页，共一百页，编辑于2023年，星期五湿陷系数计算(GB/T50123-1999)(2008版)h1——pkPa压力时浸水前试样的稳定高度；h2——pkPa压力时浸水后试样的稳定高度；e0——试验开始时试样的高度。2023/5/2674第七十四页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2675第七十五页，共一百页，编辑于2023年，星期五（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2023/5/2676第七十六页，共一百页，编辑于2023年，星期五用于搅拌量筒内悬液用于测量干土自由堆积体积2023/5/2677第七十七页，共一百页，编辑于2023年，星期五搅拌器漏斗量土杯支架自由膨胀率测定装置2023/5/2678第七十八页，共一百页，编辑于2023年，星期五自由膨胀率计算：2023/5/2679第七十九页，共一百页，编辑于2023年，星期五土样在量筒中不同时间的膨胀体积(16.8-10)/10=68%2023/5/2680第八十页，共一百页，编辑于2023年，星期五2.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。2023/5/2681第八十一页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2682第八十二页，共一百页，编辑于2023年，星期五WZ-2型膨胀仪2023/5/2683第八十三页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2684第八十四页，共一百页，编辑于2023年，星期五(2.5-0)/20×100%=12.5%H0=20mm,R0=0R0为百分表初读数2023/5/2685第八十五页，共一百页，编辑于2023年，星期五3.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。2023/5/2686第八十六页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2687第八十七页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2688第八十八页，共一百页，编辑于2023年，星期五(2.5+0-0)/20×100%=12.5%H0=20mm,R0=0,Rp=0Rp为荷载P作用下仪器的压缩变形量2023/5/2689第八十九页，共一百页，编辑于2023年，星期五4.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。2023/5/2690第九十页，共一百页，编辑于2023年，星期五2023/5/2691第九十一页，共一百页，编辑于2023年，星期五4.0×12/30×10=16kPa注：12为加压设备的杠杆比2023/5/2692第九十二页，共一百页，编辑于2023年，星期五（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形条件下，侧向有效