粉土的快速固结试验精度研究

摘要：通过对普通粉性土的1h快速固结试验与标准固结试验的结果进行对比分析，讲述了1小时快速固结与标准固结两种试验方法所得结果的相关性及差异性，得出什么条件下1小时快速固结试验方法测得的压缩性指标可以满足工程的需要，既不影响工程需要又提高了工作效率。

关键词：压缩系数;压缩模量;1小时快速固结试验;标准固结试验;垂直荷重

1、土的固结试验原理

饱和土体受到压力后，孔隙中的部分水逐渐从土体中排出，土中孔隙水压力逐渐减少，作用在土骨架上的有效应力逐渐增加，土体积随之压缩，直到变形达到稳定为止。土体这一变形的过程称为土的固结。非饱和土在外力作用下的变形通常是由孔隙中气体排出或压缩所引起，主要取决于有效应力的改变，土体的这种变形称之为压缩。室内固结试验的在有侧限和能排水的条件下进行的。通过各级垂直荷重下土的变形量来测定土的压缩性指标：压缩系数（a_1-2）^①、压缩模量（Es）、固结系数（Cv）、压缩指数（Cc）等参数。在进行地基承载力的计算时就要用到土的压缩模量（Es）。因此如何快速测定土的压缩系数（a_1-2）和压缩模量（Es），提高工作效率，是各个土工室首要解决的问题。笔者认为只要了解试验原理，根据工程精度要求选取适当的固结方法不但可以做好固结试验而且还能为工程设计提供可靠的依据。

2、土的固结试验方法比较

土的固结试验方法有多种：下面我就工作中常用的两种试验方法标准固结试验和1h快速固结试验作一下简析与比较。两种固结试验所用的仪器相同都用固结仪，试验时土样的制备相同。标准固结试验规定在测定沉降速率和固结系数时加压后应按下列时间序测记百分表^②读数：6s、15s、1min、2 min15s、4 min、6 min15、9 min、12 min15s、16 min、20 min15s、25 min、30 min15s、36 min、42 min15s、49 min、64 min、100 min、200 min、400 min、及23、24h直至稳定为止。稳定标准为每级压力下固结24h。只测定压缩系数时，每级压力下稳定标准为每小时试样的变形量不大于0.005mm。若是饱和试样，则在施加第一级荷载后，立即向容器中注入水至满。若是非饱和试样，须用湿棉布围住上下透水面四周，避免水分蒸发。按标准固结试验法做一批样至少需四天乃至十几天，虽然提供的数据准确，但是试验所用时间太长，不能满足实际工作的需要，所以为了保证经济利益绝大多数土工室都采用1h快速固结试验法来求得压缩系数（a_1-2）及压缩模量（Es）。与标准固始不同的是在施加第一级压力后1h测记一次百分表读数，立即施加下一级压力，逐级加压至所需压力。加最后一级压力时除测记1h时百分表的读数外，还需测记试样达到压缩稳定时的百分表读数。稳定标准和标准固结试验的稳定标准相同。1h快速固结试验结果应按下列公式计算修正：

∑△h_i=（h_i）_t（h_n）_T（h_n）_t "=K（h_i）_t

式中∑△h_i——某一压力下校正后的试样总变形量（mm），计算至0.01mm;

（h_i）_t——某一压力下固结1h的变形量减去该压力下的仪器变形量（mm）

（h_n）_t——最后一级压力固结1h的变形量减去该压力下的仪器变形量（mm）;

（h_n）_T——最后一级压力下固结稳定后的总变形量减去该压力下的仪器变形量（mm）;

K——校正系数。

根据上面的计算公式可以算出各级压力下试样变形校正后的总变形量△h_i，利用计算公式：

S_i=∑△h_i/h₀

e_i=h_i（1+e₀）h₀-1

a_v= e_i- e_i+1" p_i+1-p_i

Es=1+ e_i" a_v

S_i——单位沉降量（mm/m）

h_o——试样的初始高度;

a_v——某一压力范围内的压缩系数（MP^-1）;

E_i——第i级压力下固结稳定后的孔隙比

P_i——第i级压力（kP_a）.

根据以上公式求出所需压力下的压缩系数（a_1-2）和压缩模量（Es）。

笔者通过多年工作经验对1h快速固结试验法和标准固结试验法做了大量的试验数据对比，下表是河南省信阳地区的粉土用两种固结试验方法对同一组土样所做的试验数据对比表：

1h快速固结试验法压缩系数（a_1-2）和标准固结试验法压缩系数（a_1-2）¹及其它几项物理指标的对比表

土样编 号

含水率

W（﹪）

孔隙比

e

塑性指数

I_P

液性指数

I_L

（a_1-2）

（a_1-2）¹

A工地6个样品

15.2-22.7

0.589-0.721

5.8-9.6

-0.15-0.32

0.12-0.21

0.12-0.22

B工地4个样品

17.7-21.8

0.547-0.699

6.7-8.2

0.04-0.28

0.08-0.18

0.09-0.20

C工地22个样品

16.9-23.3

0.611-0.701

5.2-9.7

0.08-0.22

0.09-0.24

0.09-0.23

D工地16个样品

22.1-28.2

0.791-0.868

6.1-8.9

0.39-1.06

0.10-0.44

0.11-0.51

E地8样品

21.8-26.7

0.758-0.842

5.0-9.4

0.20-0.92

0.07-0.34

0.06-0.38

F地16个样品

15.4-23.1

0.625-0.731

6.1-9.1

-0.11-0.48

0.09-0.24

0.1-0.25

从表中数据对比分析可以看出，孔隙比小于0.75的密实的粉土1h快速固结试验法所得压缩系数（a_1-2）和标准固结试验法所得出的压缩系数（a_1-2）¹数据相差甚微，孔隙比大于0.75的松散的粉土1h 快速固结试验法所得压缩系数（a_1-2）和标准固结试验法所得出的压缩系数（a_1-2）¹数据相差较大，所以对于孔隙比小于0.75的密实的粉土我们可以采用1h 快速固结试验方法来取得相关数据，而1h快速固结试验与标准固结实验相比却大大缩短了工作时间，从而提高了工作效率。

3、结论

由以上叙述和数据的对比结果得知，密实的粉土固结稳定比黏性土快，相应的固结稳定所需的时间较短。试验用1h快速固结试验法和标准固结试验法所测得的压缩系数（a_1-2）结果接近，但是用1h快速固结试验法大大缩短了工作时间，同时也能及时为勘察设计提供依据，缩短了整个勘察的工期，提高工作效率，在工程的要求精度不是太高的情况下密实的粉土1h快速固结试验法可以广泛的应用和推广。如果工程要求提供固结系数（Cv）和沉降速率时就不能用1h快速固结试验法必需用标准固结试验法才能提供。

参考文献：

[1]《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）;

[2]《铁路工程土工试验规程》（TB10102-2004/J338-2004）。