土的固结试验

土在外力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。固结试验(也称压缩试验)是研究土的压缩性的最基本的方法。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,在完全侧限条件下测定土在不同荷载作用下的压缩变形。

固结试验通常只用于黏性土,由于无黏性土的压缩性较小,且压缩过程需时也很短,故一般不在试验室里进行无黏性土的固结试验。

1.试验目的

测定试样在侧限与轴向排水条件下的压缩曲线,并根据压缩曲线计算出压缩系数和压缩模量等土的压缩性指标,以便判断土的压缩性和计算基础的沉降量。

2.试验方法

固结试验的方法有标准固结试验方法、快速固结试验方法、应变控制连续加荷固结试验方法。本试验主要介绍标准固结试验方法。

3.仪器设备

(1)固结容器:由环刀、护环、透水板、水槽、加压上盖等组成。其中,环刀、透水板的技术性能和尺寸参数应符合下列规定:环刀内径为61.8mm或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;透水板由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0.2～0.5mm,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:可采用量程为5～10kN的杠杆式、磅秤式或其他加压设备。

(3)变形量测设备:可采用量程为10mm,最小分度值为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。

(4)其他:刮土刀、钢丝锯、天平、秒表、滤纸等。

4.试验步骤

(1)根据工程需要,切取原状土试样或人工制备扰动土试样。

(2)从固结容器中取出环刀,按密度试验方法切取试样。如原状土样,切土的方向应与天然土层中的上下方向一致。然后称环刀和试样的总质量,扣除环刀质量即得湿试样的质量,并计算出土的密度。

(3)用切取试样时修下的土测定含水率。

(4)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。滤纸和透水板的湿度应接近试样的湿度。

(5)检查加压设备是否灵活。如采用杠杆式固结仪,应调整杠杆平衡(此项工作可由试验室工作人员代做)。

(6)施加1kPa的预压力使试样与仪器上下各部件之间接触,将百分表或传感器调整到零位或测读初读数。

(7)确定需要施加的各级压力,压力等级宜为12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200(kPa)。第一级压力的大小应视土的软硬程度而定,宜用12.5、25或50 (kPa)。最后一级压力应大于土的自重应力与附加应力之和。只需测定压缩系数时,最大压力不小于400kPa。

(8)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－lgp曲线下段出现直线段。对于超固结土,应进行卸压、再加压来评价其压缩特性。

(9)对于饱和试样,施加第一级压力后,应立即向固结容器的水槽中注水浸没试样,而对于非饱和试样进行压缩试验时,须用湿棉纱围住加压盖板周围,避免水分蒸发。

(10)需要测定沉降速率、固结系数时,施加每一级压力后宜按下列时间顺序测定试样的高度变化。时间为6s、15s、1min、2min15s、4min、6min15s、9min、12min15s、16min、20min15s、25min、30min15s、36min、42min15s、49min、64min、100min、200min、400min、23h、24h至稳定为止。不需要测定沉降速率时,则施加每级压力后24h测定试样高度变化作为稳定标准,只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。按此步骤逐级加压至试验结束。(学生做试验时为了能在实验课规定的时间内完成试验,可按教师指定时间读数,读数精确至0.01mm)

注:测定沉降速率仅适用于饱和土。

需要进行回弹试验时,可在某级压力下固结稳定后退压,直至退到要求的压力,每次退压至24h后测定试样的回弹量。

试验结束后,应先吸去容器中的水,然后迅速拆除仪器各部件(拆除时要注意先卸除百分表,然后卸掉砝码,升起加压框),取出整块试样并测定其含水率,最后将仪器擦洗干净。

5.成果整理

(1)按下式计算试样的初始孔隙比e0。

式中 e0——试样初始孔隙比;

　　ds——土粒比重;

　　ρw——水的密度(g/cm3),一般取ρw＝1.0g/cm3;

　　w0——试样初始含水率(%);

　　ρ0——试样的初始密度(g/cm3)。

(2)计算试样在某级压力作用下固结稳定后的试样总变形量。

式中 Si——试样在某级压力作用下固结稳定后的试样总变形量(mm);

　　R0——试验前百分表初读数(mm);

　　Ri——试样在某级压力作用下固结稳定后的百分表读数(mm);

　　Sie——某级压力下仪器变形量(mm)(由试验室提供)。

(3)按下式计算各级压力下试样固结稳定后的孔隙比。

式中 ei——某级压力下的孔隙比;

　　h0——试样的初始高度(mm)。

(4)以孔隙比e为纵坐标,压力p为横坐标,绘制孔隙比与压力的关系曲线,如图4-14所示。

图4-14　e-p关系曲线

(5)按下式计算某一压力范围内的压缩系数。

式中 ai——压缩系数(MPa－1);

　　pi——某级压力值(kPa)。

6.试验记录

标准固结试验记录

续表

知识归纳

土体的压缩变形,主要是由于土体中孔隙体积的减少形成的,土粒和水在常压下的压缩变形量可以忽略,因此,可以说土体的压缩变形的过程就是排水和排气的过程。

测定土体压缩性最常用的方法是室内固结试验。

思考与练习

一、问答题

1.土体压缩体积减小的原因有哪些?

2.为什么说土的压缩变形实际上是土的孔隙体积的减小?

3.什么是土的固结?土固结过程的特征如何?

4.简述土的各压缩性指标的意义和确定方法。

5.什么是土的压缩系数?它是怎样反映土的压缩性?一种土的压缩系数是否为常数?它的大小还与什么因素有关?

6.什么是超固结土、欠固结土和正常固结土?

7.建筑物沉降观测的主要内容有哪些?地基变形特征值分为几类?

二、计算题

1.某钻孔土样的室内侧限压缩试验记录如表4-10所示,试绘制压缩曲线和计算各土层的压缩系数a1－2及相应的压缩模量Es,并评定各土层的压缩特性。

表4-10　表土样的压缩试验记录

2.某土层压缩系数为0.50MPa－1,天然孔隙比为0.8,土层厚为1m,该土层受到的平均附加应力σ－z＝60kPa,求该土层的沉降量。

3.某柱下独立基础,底面尺寸、埋置深度、荷载条件如图4-15所示,地基土为均匀土,天然重度γ＝20kN/m3,压缩模量Es＝5000kPa。计算基础下第二层土的沉降量。

4.矩形基础的底面尺寸为4m×2.5m,基础埋深为1m。地下水位位于基底标高,地基土的物理指标如图4-16所示,室内压缩试验结果如表4-11所示。用分层总和法计算基础中点的沉降。

图4-15

图4-16

表4-11　室内压缩试验记录

5.用规范法计算题4中基础中点下粉质黏土层的压缩量(土层分层同上)。

6.黏土层的厚度均为4m,情况之一是双面排水,情况之二是单面排水。当地面瞬时施加一无限均布荷载,两种情况土性相同,U＝1.128(Tv)1/2,达到同一固结度所需要的时间差是多少?