高压固结试验试验背景

随着工程复杂程度越来越高，基坑开挖越来越深，高压固结试验及其应用日益受到重视。土的先期固结压力同土的天然结构密切相关，它是土的压缩性能陡变的界限，不仅是受荷历史所致，其它如风化中结构变化、粒间化学胶结、地下水的溶滤、干湿等因素，都可使土呈现一种似超固结性状。而先期固结压力的测定方法及影响因素很多，要十分精确的测定是不容易的，只有合理运用试验方法，兼顾各种影响因素，认真分析试验结果，才能为设计提供准确的试验数据。

高压固结试验的主要任务是测定土的先期固结压力Pc，所谓Pc 是指土层在历史上曾经受到过的最大有效应力，它是判断天然土层所处固结状态的重要指标，是土体压缩性分界压力，也是土体在荷载作用下变形及强度发生明显变化的临界指标。同时，高压固结试验还可测出土的压缩指数Cc，回弹指数Cs，利用e—p 曲线计算出的压缩模量，回弹模量等，都是设计计算沉降和回弹的重要指标。

对于天然沉积土层，在漫长的地质历史年代中，实际上是经受了反复的加荷、卸荷的压密作用，即经过沉积、冲刷侵蚀，又重新沉积等自然地质作用而得到压密。而且粘性土从沉积到成岩过程中，经过一系列的物理、化学等作用，胶结、风化形成目前天然土层的不同固结状态，如果将土层在历史上曾受到的最大有效应力Pc 和和目前上覆土层的有效自重压力Po 进行比较（超固结比OCR=Pc/Po），可以把土层分成三种不同的固结状态：正常固结土、超固结土和欠固结土。

侧限压缩试验又称固结试验。土体的固结是指土体在外力作用下，土体中的水和气体被逐渐排走，孔隙体积减小，土颗粒之间重新排列的现象。

土的固结试验是通过测定土样在各级垂直荷载作用下产生的变形，计算各级荷载下相应的孔隙比，用以确定土的压缩系数和压缩模量等。

1.固结容器：由环刀、护环、透水石、水槽、加压上盖组成；

2.环刀：高20mm，面积30cm²或50cm²；

3.加压设备：应能垂直地在瞬间施加各级规定的压力，且没有冲击力，压力准确度应符合现行国家标准《土工仪器的基本参数及通用技术条件》GB/T15406的规定；

4.变形量测设备：量程10mm，最小分度值为0.01mm的百分表或准确度为全量程0.2%的位移传感器。 5.其它：开土刀、过滤纸等。

1、试样制备：按密度试验要求取原状土或制备扰动土土样。并测定试样的含水率和密度，取切下的余土测定土粒比重。试样需要饱和时，应按规定进行抽气饱和；

2、安装：在压密容器中放置好透水石和滤纸，将带有环刀的试样和环刀一起刃口向下小心放入护环，再在试样上放置滤纸和透水石，最后放上传压活塞，安装加压装置和百分表；

3、调零：施加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，通常将百分表测距调到大于8mm；

4、加载：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、3200kPa。第一级压力的大小应视土的软硬程度而定，宜用12.5kPa、25kPa或50kPa。最后一级压力应大于土的自重压力与附加压力之和。只需测定压缩系数时，最大压力不小于400kPa；

5、沉降记录（建议，实际操作没有按照这个执行）：施加每级压力后24h测定试样高度变化作为稳定标准，每间隔1小时变形小于0.01mm时，作为稳定读数；测定沉降速率时，施加每一级压力后宜按下列时间顺序测记试样的高度变化。时间为6s、15s、lmin、2minl5s、4min、6minl5s、9min、12minl5s、16min、20minl5s、25min、30minl5s、36min、42minl5s、49min、64min、l00min、200min、400min、23h、24h，至稳定为止；

6、加第二级荷载：记下稳定读数后，施加第二级荷载。依此逐级加荷，至试验结束；

7、试验结束：最后一级荷载稳定后，先卸除百分表，然后卸除砝码，升起加压框，拆除仪器各部件，取出试样，测定含水率。

1、曲线特征

通过大量的试验证明，室内压缩曲线（如图1）具有以下几个特征：

a) 开始平缓，随着压力的增大，明显向下弯曲，继而近乎直线向下延伸。

b) 无论试样扰动与否，当压力较大时，其曲线都近乎直线，且大致交于0.42e0点（e0 为初始孔隙比）。

c) 扰动越大，压缩曲线越低，曲率越不明显。

d) 卸荷点在再压缩曲线曲率最大点的右下侧。

2、几点说明：

a) 由于土样取出后应力释放不可避免，而且取样难免有所扰动，因此，严格的说室内压缩曲线相对现场压缩曲线而言已是再压缩曲线，和天然状态有偏离。

b) 当考虑原位应力场和应力进行沉降计算时，应按e--logP 曲线整理资料，且最大压力应满足绘制e—logP 曲线的要求。

c) 在按Pc 区分出不同固结状态后，分别计算两部分沉降量，可得到比较准确的总下沉量，以便更合理、经济、安全的设计地基。

d) 需要时，将室内的高压固结曲线加以修正，推出原位压缩曲线。

e) 回弹指数、回弹模量可在工程中估算基坑开挖的回弹程度。

通过高压试验来确定Pc 的方法很多，最常用的是卡氏法：先绘制e—logP曲线，在曲线上定出曲率半径最小点，在该点分别作水平线及切线，并作两线夹角的角平分线，该角平分线与压缩曲线直线段延长线的交点对应的压力即为Pc。

1、土样扰动的影响

这是影响Pc 值的重要因素，土样一旦受到扰动，则e—logp 曲线上无法显示明显的转折段，使得Pc 确定困难，并导致Pc 值偏小。因此在野外要用较大口径的薄壁取样器，回转钻进，用匀速连续压入法取样，运输中注意防震，试验室开土要小心细致。正常且理想的e—logP 曲线应有明显的水平段、弯曲段、直线段。

图2为一有所扰动的土样做出的曲线，可见其无明显拐点。

2、加荷等级的影响及最大荷重的确定

测定Pc 时加荷等级十分重要，资料表明，荷重率大，引起试样的触变破坏, 导致土的压缩性偏大（如图3）。因此，应尽可能的采用较小的荷重率，特别是自重压力P0以前。

选择最大一级荷重要保证直线段的出现，通常采用（P0 △P ）的两倍，△P 为附加应力。有资料建议最后一级荷重下的稳定孔隙比要达到0.42e0 ，这需要很大的压力，困难较大，对超固结土和需要分段计算沉降量时，应进行卸荷再加荷来评价其再压缩性。

3、历时与稳定标准

试样变形的稳定时间，取决于它的透水性和流变性，土的粘性越大，达到稳定所需的时间越长，某些软粘土要几天甚至几周时间才能完成稳定。采用不同稳定时间作为技术标准，就会得出不同的压缩曲线，得到不同的参数。资料表明，荷重历时越长，次固结量越大，得到的Pc 却越小（Cc 变化很小）。国标规定24小时稳定，主要考虑每级荷重下，固结时间能明确定出变形与时间对数曲线后段直线的坡度为原则。一些单位为了节省时间采用12h，8h，6h 还有2h 快速法，比较试验说明，快速法比24 小时稳定求得的Pc 偏大，因此，缩短时间和采用快速法或采用每小时0.01mm 稳定标准，要依据土的具体情况而定，如砂性土可缩短时间或采用快速法，比较硬的粘性土可采用每小时0.01mm 稳定标准，而软粘土则必须严格24 小时稳定，这样才能保证试验数据的准确性。

4、作图方法的影响

e—logP 曲线纵横坐标比例要选用恰当，不同比例影响曲线的形状，而曲率半径最小的准确确定，会影响Pc 值。曲线高宽比太大，曲线拉长，Rmin 点左移，Pc 偏小；高宽比太小，曲线压扁，Rmin 点右移，Pc 偏大。进行回弹试验时，回弹压力应大于上覆压力，并在估算的Pc 值之后，退至第一级压力。对于深基坑开挖，回弹问题不可忽视，测定回弹模量、回弹指数时压力施加应模拟实际的加卸荷状态，首先分级加荷到大于开挖前的自重压力，然后逐级卸荷到开挖后的上覆土压力，接着进行再压缩试验，如果要求Pc 值，最大荷重加至大于两倍的（P0 △P ）或0.42e0 点。

试验室做压缩试验所用的原状土，实际上已经过了一个卸荷阶段。即卸除了土样在土层中所承受上覆土层的有效自重压力，因而室内试验所得的压缩曲线实际是卸荷后的首次再压缩曲线。加之在取样和制备试样过程中，难免有不同程度的扰动。因此，室内测得的压缩曲线与实际土层的现场压缩曲线不相吻合，为使沉降计算更符合实际，需要对室内压缩曲线进行修正。

1、正常固结土： 依据室内高压固结试验，绘制e—logP 曲线；确定前期固结压力Pc 的位置，图4中a点；由e0 坐标点作一水平线，与前期固结压力Pc交于A 点；在室内压缩曲线上找出相当于0.42 e0的C 点，连接AC，即得正常固结土的现场压缩曲线。

2、超固结土；做室内试验，绘出回弹、再压缩的e—logP 曲线；确定前期固结压力Pc 的位置；求该土层现有上覆土层的有效自重压力Po 及相应的天然孔隙比e0，在图4中得B点，该点为现场再压缩曲线的起点；过B 点作一与室内滞回圈割线平行的线，并与Pc 交于A 点，则AB 为超固结土的现场再压缩曲线；在室内曲线上找出相当于0.42 e0的C 点，连接AC，即得超固结土的现场压缩曲线；

3、欠固结土，其现场压缩曲线的推求可近似与正常固结土相同，但欠固结土的有效自重压力P0>Pc ,故其位置在Pc 的右边。

1、在高压压缩试验中，仪器变形量不能忽略；

2、滤纸浸湿后的变形量较大，因此，压缩试验要求使用薄滤纸或用孔径较细的透水石而不使用滤纸，但这时易使透水石淤堵；

3、固结试验仅进行需要固结系数的那几级荷载，其它仅测读稳定沉降量；

4、压缩试验中，使用卡萨格兰德(Casagrande)方法确定前期固结应力时，前面几级加载比应小于1；

5、压缩试验过程中，使加载杠杆始终保持水平。 2100433B

前言

试验一 颗粒分析试验

第一节 筛析法

第二节 密度计法(比重计法)

试验二 土粒相对密度试验(相对密度瓶法)

试验三 含水率试验

试验四 测定土的液限和塑限

第一节 锥式液限仪测液限

第二节 搓条法测塑限

第三节 液限、塑限联合测定法

试验五 测定土的密度

第一节 环刀法

第二节 蜡封法

试验六 固结试验

第一节 压缩试验(杠杆式压缩仪法)

第二节 高压固结试验

试验七 直接剪切试验

试验八 三轴压缩试验

试验九 击实试验

试验十 回弹模量试验(杠杆压缩仪法)

试验十一 渗透试验

附录 试验记录表

参考文献

结束语

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又称压缩试验、压密试验。用以测定土在完全侧限(指侧向不发生变形)条件下承受垂直压力后的压缩特性的试验。可分为常规固结试验、快速固结试验、高压固结试验和连续加荷固结试验。试验仪器称固结仪，有多种型号。试验时先用内径61.8mm、高20mm的环刀在土样上切取试样，两端用钢丝锯整平后连同环刀一起装入试验容器中，后在完全侧限和容许竖向排水的条件下分级加压，记录压力、试样发生的压缩变形量及其相应的时间，用以计算土的压缩模量和压缩指数等表示土的压缩特性的参数。如在分级加荷后分级卸荷，即为加荷与卸荷回弹试验，可用以测定土的回弹指数。2100433B

项目以深部地下工程建设中的深部土力学响应为背景，以高压下饱和黏土的固结剪切特性为研究目标，以孔隙水-黏土颗粒骨架相互作用为研究基点，对重塑饱和黏土展开了高压试验、微观测试、数值模拟以及理论分析。首先设计研制了适用于黏土高压力学试验的高压固结试验系统和三轴试验系统，弥补了目前高压固结仪精度不够以及三轴试验时间过长的不足；然后进行了不同固结压力下的一维固结和三轴剪切试验，获得了高压固结过程中静止侧压力系数、孔隙水压力系数、渗透系数、压缩性等不同于常压下的特性，以及高压剪切过程中孔隙水压、应力路径以及抗剪强度的演变特性；针对试验揭示的高压特性，进行了基于宏观土力学理论的理论分析和数值模拟，提出可以获得非线性静止侧压力系数的临界土力学分析方法，发展出可以考虑高压长时固结导致的胶结作用的新的临界土力学模型，并对三轴试验进行了有限元模拟，建立了考虑材料几何非线性的有限元分析模型，对高压三轴剪切试验中剪切速率、端部摩擦以及非线性渗透系数的影响进行了分析；然后分别从孔隙水-黏土颗粒间的微观相互作用出发，对饱和黏土高压压缩特性和剪切过程中孔隙水压变化及强度特性进行了机理分析，并由试样的环境扫描电镜图像予以支持；采用分子动力学模拟和耗散粒子动力模拟技术，分别对孔隙水-黏土颗粒之间的微观与介观压缩和剪切进行了计算分析，得到了孔隙水-黏土颗粒相互作用在高压下饱和黏土固结和剪切过程中发挥的机理；为进一步认识孔隙水-黏土颗粒响应机制，利用有限元方法对黏土颗粒之间的电势分布、斥力计算进行了研究，修正了现有计算公式的错误之处，定量揭示了不同尺寸孔隙在压缩过程中具有不同变形顺序的机理；最后构建了基于Linux系统的二维黏土离散元模拟平台，该模拟程序不同于现有商用离散元程序模拟颗粒为圆盘形或球形，可以模拟平板形状的黏土颗粒之间的相互作用。 2100433B