等梯度固結(jié)試驗

我院引進的萬用固結(jié)儀氣壓管路中各部件代號說明如下:

1荷載供壓閥

2荷載壓力調(diào)節(jié)器

3荷載壓力排氣閥

4回壓供壓閥

5回壓調(diào)節(jié)器

6回壓排氣閥

7試驗方法選擇閥(手動一自動)

8流量調(diào)節(jié)器

9荷載選擇閥(高~低)

10滲透率選擇閥

11應(yīng)變速率控制閥

12終端閥

13自動反饋閥

14觀測管

15補償器閥

16底部飽和、排氣閥

17頂部飽和、排氣閥

18高荷載儲水器

19低荷載儲水器

20壓力顯示選擇閥

21有刻度壓力管筒

22孔隙壓力傳感器

23孔隙壓力顯示儀(DPI )

24荷載壓力傳感器

25荷載壓力顯示儀(DPI )

26表式位移傳感器

27軸向應(yīng)變顯示儀(DPl )

28飽和水儲水器

29回壓表

30荷載壓力表

31加載彎頂

32螺線閥

33滲透閥

34滲透滴定管

該儀器在進行等梯度固結(jié)試驗時，讓試樣上面排水(單向排水)，底部封閉，底部測土樣孔隙壓力。

進行等梯度固結(jié)試驗(即CGC法試驗)的步驟是:

1)將梯度1變形選擇器開關(guān)放在梯度位置，將自動一手動選擇開關(guān)，放在自動位置;

2)關(guān)閉補償閥(15)、終端閥(12)，打開反饋閥(13):

3)把選擇開關(guān)(7)旋到自動方式位置，開關(guān)(9)旋到高荷載位置;

4)調(diào)節(jié)荷載壓力到一個必需達到的最終荷載的輸出量(P);

5)調(diào)節(jié)需要的超孔隙壓力(孔隙壓力梯度△u)，即先規(guī)定一個底部孔隙壓力△u,不同的△u，反映不同的應(yīng)變速率;

6)打開終端閥(12)。

這時，試驗將自動進行，軸向應(yīng)變指示器開始移動，顯示出軸向應(yīng)變量，孔隙壓力的顯示儀(DPI)同時顯示出超孔隙水壓力的確立及數(shù)值。這時儀器將連續(xù)加荷于試樣，待底部孔隙壓力梯度值達到預(yù)定的△U時，依靠自動裝置調(diào)整加荷速率，以保持△U始終不變，直到試樣上的壓力達到所規(guī)定的最終荷載(P)為止。在整個試驗過程中，任何時刻，均可讀取、并記錄所加荷載與相應(yīng)的土體變形值;并記錄、打印試驗過程中的孔隙水壓力值以及軸向應(yīng)變值等 。

因為等梯度固結(jié)試驗的土樣是有側(cè)限的，所以是以太沙基單向固結(jié)理論為基礎(chǔ)的。根據(jù)固結(jié)過程中，飽和土中的滲流流速等于土體體積變化率的條件 。2100433B

研究與測定土的壓縮性、土體變形指標(biāo)的試驗叫固結(jié)試驗。等梯度固結(jié)試驗是一種新型的連續(xù)加荷壓縮試驗方法之一。它與常規(guī)的壓縮試驗有很大的區(qū)別，常規(guī)的壓縮試驗是一種在固定的分級荷重下，通過固定歷時的試驗方法，完成一個試驗往往需要歷時幾天，也許十幾天。由于采用固定歷時，不便于了解荷重速率對土體壓縮性的影響，而且這樣的加荷方式，也與實際土體受荷情況出入很大。由此而求得的各項變形指標(biāo)與土體在工程施工中原位實際應(yīng)力狀態(tài)下的情況有一定的區(qū)別。

連續(xù)加荷壓縮試驗可以克服常規(guī)壓縮試驗中所存在的一些問題，這類試驗可以大大縮短試驗時間，對于一般粘性土，本來需要許多夭才能完成的試驗，在幾小時內(nèi)即可結(jié)束;而且，也能較方便的通過應(yīng)用各種公式，求取土體其他各項變形指標(biāo)。

等梯度固結(jié)試驗的全稱為控制孔隙壓力梯度試驗法(國際上簡稱CGC法)，其特點為加荷時保持試樣底.部的孔隙壓力為常量。

連續(xù)加荷壓縮試驗法在國外應(yīng)用還不太普遍，在國內(nèi)，也處于探索階段。據(jù)了解，國內(nèi)一些科研單位，近幾年從國外引進了一批連續(xù)加荷壓縮試驗的儀器設(shè)備，但由于可以借鑒參考的資料很有限，這些儀器設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用速度很慢，現(xiàn)在僅處在探索階段。

我們上海市隧道工程設(shè)計院也在1986年從美國Geotest Instrument CORP.引進了一臺萬用固結(jié)儀，在這臺儀器上，不但可以進行控制孔隙壓力梯度試驗，而且還可以進行連續(xù)加荷壓縮試驗中的恒應(yīng)變速率試驗(國際上簡稱CRS試驗)。對恒應(yīng)變速率試驗，因篇幅有限，這里不加討論，這里著重談等梯度固結(jié)試驗 。

在常規(guī)壓縮試驗中，在某一級荷重所產(chǎn)生的應(yīng)力增量下，試樣中孔隙壓力分布的等時線。分析出:

1)在土體壓縮固結(jié)過程中，沿試樣高度各水平面上的有效應(yīng)力很不均勻，在近排水面處，有效應(yīng)力最大，在不排水面處，有效應(yīng)力最小。尤其在剛剛加荷時，這時土體內(nèi)各處受壓不均勻，就引起了壓縮性也不均勻。

2)試樣不同高度處孔隙壓力梯度相差很大，在剛加荷時，在排水面處的孔隙壓力梯度極高，比該土樣在地基中實際受荷變化所受的孔隙壓力梯度要高很多。極高的孔隙壓力梯度，常常使土樣的結(jié)構(gòu)遭到破壞。

為了克服上述的各種缺點，出現(xiàn)了控制梯度試驗法。用這種試驗方法，可以進行不同應(yīng)變速率的試驗。

在控制孔隙壓力梯度試驗中，孔隙壓力的分布與常規(guī)固結(jié)試驗中的分布是不相同的。顯然在控制孔隙壓力梯度試驗圖形中，不管外加荷載多大，任何時刻的孔隙壓力分布圖，都是許多形狀相似的拋物線。都是在排水面處的孔隙壓力為零，這些拋物線所反映的孔隙壓力梯度，比常規(guī)試驗中的孔隙壓力梯度小得多。

等梯度試驗的另一個特點，是用任何時刻測得的數(shù)據(jù)，可以用來計算該時刻的固結(jié)指標(biāo)。

土的壓縮與固結(jié)試驗測試壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、固結(jié)系數(shù)、先期固結(jié)壓力，是計算地基沉降量和沉降時間不可缺少的參數(shù)。隨著高層建筑、高速公路等大型土建工程的建造，對這些參數(shù)的需要越來越多。按常規(guī)加荷的固結(jié)試驗方法，由于分級加荷，每級荷載要保持24小時，一次試驗需要數(shù)天甚至十多天。因此，如何改進試驗方法，縮短試驗時間，有重要的實用意義。根據(jù)48個試樣用等應(yīng)變率固結(jié)和常規(guī)加荷固結(jié)試驗的結(jié)果比較分析，認(rèn)為等應(yīng)變率固結(jié)試驗?zāi)艽蟠蠊?jié)省試驗時間，而得出相當(dāng)于常規(guī)分級加荷固結(jié)試驗的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)。由于等應(yīng)變率固結(jié)的應(yīng)變速率不太大，對試樣加荷后的擾動程度比常規(guī)分級加荷要小。因此，所測的先期固結(jié)壓力和固結(jié)系數(shù)都比常規(guī)加荷固結(jié)試驗的數(shù)值大。這種固結(jié)試驗的儀器和測試方法都與常規(guī)加荷固結(jié)試驗不同，在實用上還不普遍，經(jīng)驗也還不多。但這種方法有廣闊的發(fā)展前景 。2100433B

土的固結(jié)變形指標(biāo)是土工建筑物基礎(chǔ)設(shè)計，沉降計算的重要依據(jù)之一。自20年代泰沙基(Terzaghi)提出單向固結(jié)試驗的基本理論以來，分級加荷固結(jié)試驗廣泛用于工程設(shè)計，以其理論簡明，操作方便等特點而沿用至今。然而這種方法也存在一些缺點，主要是試驗周期長，一次試驗需在數(shù)天甚至十余天時間。常常難以滿足生產(chǎn)的需要。

再者試驗荷載成倍增加(國際規(guī)定每級荷載的增量比為1)，所得試驗點數(shù)據(jù)較少，影響前期固結(jié)壓力等指標(biāo)的正確確定。在固結(jié)過程中，由于試樣排水面處孔隙水壓力梯度很大，有可能破壞試樣的原狀結(jié)構(gòu)。為了提高試驗效率和改善試樣的變形條件，國內(nèi)外土工界都在進行固結(jié)試驗方法的研究。例如我國自中華人民共和國成立以來，普遍采用的快速法固結(jié)試驗，屬分級加荷方法。只是每級荷重下只固結(jié)1小時，而用最后一級荷重24小時的穩(wěn)定變形值，來校正前面幾級荷重下試樣的變形值。該方法試驗歷時雖然短，但它是一種經(jīng)驗方法，缺乏充分的理論依據(jù)。由快速法測定的固結(jié)變形指標(biāo)，只能用于沉降計算要求不高的某些工程。因此，國標(biāo)中沒有將這種分級加荷的快速法列入。

另一種快速法就是連續(xù)加荷的固結(jié)試驗。這種方法是在試樣上連續(xù)加荷，隨時測定試樣的變形量與試樣底部孔隙水壓力。根據(jù)計算求得施加于試樣上的有效軸向壓力及相應(yīng)的孔隙比，繪制壓縮曲線，最后可求得各項固結(jié)變形指標(biāo)。連續(xù)加荷固結(jié)試驗，一次試驗一般僅需3-5小時就可完成，而且可以避免上述分級加荷固結(jié)試驗的一些缺點。早在1959年Hamilten和Crawford就提出了連續(xù)加荷固結(jié)試驗方法，六十年代Smith和Wahls提出了等應(yīng)變率固結(jié)試驗。

1970年Aboshi等人進行了等加荷率固結(jié)試驗。1983年美國材料與試驗協(xié)會(簡稱ASTM)將該項試驗列入巖土試驗標(biāo)準(zhǔn)。80年代初，國內(nèi)也開展了連續(xù)加荷固結(jié)試驗的研究。例如，南京水利科學(xué)研究院利用三軸儀，通過改造對反饋飼服跟蹤，控制梯度固結(jié)試驗進行了研究。華北水電學(xué)院研究生部研制了控制梯度固結(jié)試驗的裝置。中國建筑科學(xué)院地基基礎(chǔ)研究所，研制了用單板微機控制的連續(xù)加荷固結(jié)儀。我院于1987年從美國引進了三臺NO. 15系列通用固結(jié)儀。對多種不同試樣的連續(xù)加荷固結(jié)試驗，與常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗進行了對比試驗，試驗方法采用等應(yīng)變率法。分析研究表明，等應(yīng)變率連續(xù)加荷固結(jié)試驗不僅大大節(jié)省了時間，而且所確定的前期固結(jié)壓力，壓縮指數(shù)等壓縮性參數(shù)比常規(guī)固結(jié)試驗方法測試的結(jié)果更為合理 。

連續(xù)加荷固結(jié)試驗按照試驗過程控制條件的不同，一般分為四種方法:

(1)等應(yīng)變率試驗法(簡稱CRS試驗)，即試驗過程中，單位時間內(nèi)變形值為常量。

(2)等加荷率試驗法(簡稱CRL試驗)，即試驗過程中，加荷速率保持常量。

(3)控制梯度試驗法(簡稱CGC試驗)，即在試驗過程中.使試樣不透水底部的孔隙水壓力為常量，故又稱等梯度試驗。

(4)控制孔隙壓力比試驗法(簡稱等固結(jié)度試驗)，即試驗過程中控制試樣底部的孔隙水壓力與相應(yīng)的總應(yīng)力之比值為規(guī)定數(shù)值。