等梯度固结试验

我院引进的万用固结仪气压管路中各部件代号说明如下:

1荷载供压阀

2荷载压力调节器

3荷载压力排气阀

4回压供压阀

5回压调节器

6回压排气阀

7试验方法选择阀(手动一自动)

8流量调节器

9荷载选择阀(高~低)

10渗透率选择阀

11应变速率控制阀

12终端阀

13自动反馈阀

14观测管

15补偿器阀

16底部饱和、排气阀

17顶部饱和、排气阀

18高荷载储水器

19低荷载储水器

20压力显示选择阀

21有刻度压力管筒

22孔隙压力传感器

23孔隙压力显示仪(DPI )

24荷载压力传感器

25荷载压力显示仪(DPI )

26表式位移传感器

27轴向应变显示仪(DPl )

28饱和水储水器

29回压表

30荷载压力表

31加载弯顶

32螺线阀

33渗透阀

34渗透滴定管

该仪器在进行等梯度固结试验时，让试样上面排水(单向排水)，底部封闭，底部测土样孔隙压力。

进行等梯度固结试验(即CGC法试验)的步骤是:

1)将梯度1变形选择器开关放在梯度位置，将自动一手动选择开关，放在自动位置;

2)关闭补偿阀(15)、终端阀(12)，打开反馈阀(13):

3)把选择开关(7)旋到自动方式位置，开关(9)旋到高荷载位置;

4)调节荷载压力到一个必需达到的最终荷载的输出量(P);

5)调节需要的超孔隙压力(孔隙压力梯度△u)，即先规定一个底部孔隙压力△u,不同的△u，反映不同的应变速率;

6)打开终端阀(12)。

这时，试验将自动进行，轴向应变指示器开始移动，显示出轴向应变量，孔隙压力的显示仪(DPI)同时显示出超孔隙水压力的确立及数值。这时仪器将连续加荷于试样，待底部孔隙压力梯度值达到预定的△U时，依靠自动装置调整加荷速率，以保持△U始终不变，直到试样上的压力达到所规定的最终荷载(P)为止。在整个试验过程中，任何时刻，均可读取、并记录所加荷载与相应的土体变形值;并记录、打印试验过程中的孔隙水压力值以及轴向应变值等 。

因为等梯度固结试验的土样是有侧限的，所以是以太沙基单向固结理论为基础的。根据固结过程中，饱和土中的渗流流速等于土体体积变化率的条件 。2100433B

研究与测定土的压缩性、土体变形指标的试验叫固结试验。等梯度固结试验是一种新型的连续加荷压缩试验方法之一。它与常规的压缩试验有很大的区别，常规的压缩试验是一种在固定的分级荷重下，通过固定历时的试验方法，完成一个试验往往需要历时几天，也许十几天。由于采用固定历时，不便于了解荷重速率对土体压缩性的影响，而且这样的加荷方式，也与实际土体受荷情况出入很大。由此而求得的各项变形指标与土体在工程施工中原位实际应力状态下的情况有一定的区别。

连续加荷压缩试验可以克服常规压缩试验中所存在的一些问题，这类试验可以大大缩短试验时间，对于一般粘性土，本来需要许多夭才能完成的试验，在几小时内即可结束;而且，也能较方便的通过应用各种公式，求取土体其他各项变形指标。

等梯度固结试验的全称为控制孔隙压力梯度试验法(国际上简称CGC法)，其特点为加荷时保持试样底.部的孔隙压力为常量。

连续加荷压缩试验法在国外应用还不太普遍，在国内，也处于探索阶段。据了解，国内一些科研单位，近几年从国外引进了一批连续加荷压缩试验的仪器设备，但由于可以借鉴参考的资料很有限，这些仪器设备的开发应用速度很慢，现在仅处在探索阶段。

我们上海市隧道工程设计院也在1986年从美国Geotest Instrument CORP.引进了一台万用固结仪，在这台仪器上，不但可以进行控制孔隙压力梯度试验，而且还可以进行连续加荷压缩试验中的恒应变速率试验(国际上简称CRS试验)。对恒应变速率试验，因篇幅有限，这里不加讨论，这里着重谈等梯度固结试验 。

在常规压缩试验中，在某一级荷重所产生的应力增量下，试样中孔隙压力分布的等时线。分析出:

1)在土体压缩固结过程中，沿试样高度各水平面上的有效应力很不均匀，在近排水面处，有效应力最大，在不排水面处，有效应力最小。尤其在刚刚加荷时，这时土体内各处受压不均匀，就引起了压缩性也不均匀。

2)试样不同高度处孔隙压力梯度相差很大，在刚加荷时，在排水面处的孔隙压力梯度极高，比该土样在地基中实际受荷变化所受的孔隙压力梯度要高很多。极高的孔隙压力梯度，常常使土样的结构遭到破坏。

为了克服上述的各种缺点，出现了控制梯度试验法。用这种试验方法，可以进行不同应变速率的试验。

在控制孔隙压力梯度试验中，孔隙压力的分布与常规固结试验中的分布是不相同的。显然在控制孔隙压力梯度试验图形中，不管外加荷载多大，任何时刻的孔隙压力分布图，都是许多形状相似的抛物线。都是在排水面处的孔隙压力为零，这些抛物线所反映的孔隙压力梯度，比常规试验中的孔隙压力梯度小得多。

等梯度试验的另一个特点，是用任何时刻测得的数据，可以用来计算该时刻的固结指标。

土的压缩与固结试验测试压缩系数、压缩指数、固结系数、先期固结压力，是计算地基沉降量和沉降时间不可缺少的参数。随着高层建筑、高速公路等大型土建工程的建造，对这些参数的需要越来越多。按常规加荷的固结试验方法，由于分级加荷，每级荷载要保持24小时，一次试验需要数天甚至十多天。因此，如何改进试验方法，缩短试验时间，有重要的实用意义。根据48个试样用等应变率固结和常规加荷固结试验的结果比较分析，认为等应变率固结试验能大大节省试验时间，而得出相当于常规分级加荷固结试验的压缩系数和压缩指数。由于等应变率固结的应变速率不太大，对试样加荷后的扰动程度比常规分级加荷要小。因此，所测的先期固结压力和固结系数都比常规加荷固结试验的数值大。这种固结试验的仪器和测试方法都与常规加荷固结试验不同，在实用上还不普遍，经验也还不多。但这种方法有广阔的发展前景 。2100433B

土的固结变形指标是土工建筑物基础设计，沉降计算的重要依据之一。自20年代泰沙基(Terzaghi)提出单向固结试验的基本理论以来，分级加荷固结试验广泛用于工程设计，以其理论简明，操作方便等特点而沿用至今。然而这种方法也存在一些缺点，主要是试验周期长，一次试验需在数天甚至十余天时间。常常难以满足生产的需要。

再者试验荷载成倍增加(国际规定每级荷载的增量比为1)，所得试验点数据较少，影响前期固结压力等指标的正确确定。在固结过程中，由于试样排水面处孔隙水压力梯度很大，有可能破坏试样的原状结构。为了提高试验效率和改善试样的变形条件，国内外土工界都在进行固结试验方法的研究。例如我国自中华人民共和国成立以来，普遍采用的快速法固结试验，属分级加荷方法。只是每级荷重下只固结1小时，而用最后一级荷重24小时的稳定变形值，来校正前面几级荷重下试样的变形值。该方法试验历时虽然短，但它是一种经验方法，缺乏充分的理论依据。由快速法测定的固结变形指标，只能用于沉降计算要求不高的某些工程。因此，国标中没有将这种分级加荷的快速法列入。

另一种快速法就是连续加荷的固结试验。这种方法是在试样上连续加荷，随时测定试样的变形量与试样底部孔隙水压力。根据计算求得施加于试样上的有效轴向压力及相应的孔隙比，绘制压缩曲线，最后可求得各项固结变形指标。连续加荷固结试验，一次试验一般仅需3-5小时就可完成，而且可以避免上述分级加荷固结试验的一些缺点。早在1959年Hamilten和Crawford就提出了连续加荷固结试验方法，六十年代Smith和Wahls提出了等应变率固结试验。

1970年Aboshi等人进行了等加荷率固结试验。1983年美国材料与试验协会(简称ASTM)将该项试验列入岩土试验标准。80年代初，国内也开展了连续加荷固结试验的研究。例如，南京水利科学研究院利用三轴仪，通过改造对反馈饲服跟踪，控制梯度固结试验进行了研究。华北水电学院研究生部研制了控制梯度固结试验的装置。中国建筑科学院地基基础研究所，研制了用单板微机控制的连续加荷固结仪。我院于1987年从美国引进了三台NO. 15系列通用固结仪。对多种不同试样的连续加荷固结试验，与常规标准固结试验进行了对比试验，试验方法采用等应变率法。分析研究表明，等应变率连续加荷固结试验不仅大大节省了时间，而且所确定的前期固结压力，压缩指数等压缩性参数比常规固结试验方法测试的结果更为合理 。

连续加荷固结试验按照试验过程控制条件的不同，一般分为四种方法:

(1)等应变率试验法(简称CRS试验)，即试验过程中，单位时间内变形值为常量。

(2)等加荷率试验法(简称CRL试验)，即试验过程中，加荷速率保持常量。

(3)控制梯度试验法(简称CGC试验)，即在试验过程中.使试样不透水底部的孔隙水压力为常量，故又称等梯度试验。

(4)控制孔隙压力比试验法(简称等固结度试验)，即试验过程中控制试样底部的孔隙水压力与相应的总应力之比值为规定数值。