等梯度固結試驗等梯度固結試驗的方法

我院引進的萬用固結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。

進行等梯度固結試驗(即CGC法試驗)的步驟是:

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

2)關閉補償閥(15)、終端閥(12)，打開反饋閥(13):

3)把選擇開關(7)旋到自動方式位置，開關(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，反映不同的應變速率;

6)打開終端閥(12)。

這時，試驗將自動進行，軸向應變指示器開始移動，顯示出軸向應變量，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變值等 。

研究與測定土的壓縮性、土體變形指標的試驗叫固結試驗。等梯度固結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與土體在工程施工中原位實際應力狀態(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)即可結束;而且，也能較方便的通過應用各種公式，求取土體其他各項變形指標。

等梯度固結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備，但由于可以借鑒參考的資料很有限，這些儀器設備的開發(fā)應用速度很慢，現(xiàn)在僅處在探索階段。

我們上海市隧道工程設計院也在1986年從美國Geotest Instrument CORP.引進了一臺萬用固結儀，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變速率試驗(國際上簡稱CRS試驗)。對恒應變速率試驗，因篇幅有限，這里不加討論，這里著重談等梯度固結試驗 。

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

1)在土體壓縮固結過程中，沿試樣高度各水平面上的有效應力很不均勻，在近排水面處，有效應力最大，在不排水面處，有效應力最小。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，常常使土樣的結構遭到破壞。

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指標。

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

土的壓縮與固結試驗測試壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、固結系數(shù)、先期固結壓力，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個試樣用等應變率固結和常規(guī)加荷固結試驗的結果比較分析，認為等應變率固結試驗能大大節(jié)省試驗時間，而得出相當于常規(guī)分級加荷固結試驗的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)。由于等應變率固結的應變速率不太大，對試樣加荷后的擾動程度比常規(guī)分級加荷要小。因此，所測的先期固結壓力和固結系數(shù)都比常規(guī)加荷固結試驗的數(shù)值大。這種固結試驗的儀器和測試方法都與常規(guī)加荷固結試驗不同，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

土的固結變形指標是土工建筑物基礎設計，沉降計算的重要依據(jù)之一。自20年代泰沙基(Terzaghi)提出單向固結試驗的基本理論以來，分級加荷固結試驗廣泛用于工程設計，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，影響前期固結壓力等指標的正確確定。在固結過程中，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構。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試驗，屬分級加荷方法。只是每級荷重下只固結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變形指標，只能用于沉降計算要求不高的某些工程。因此，國標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的孔隙比，繪制壓縮曲線，最后可求得各項固結變形指標。連續(xù)加荷固結試驗，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)加荷固結試驗方法，六十年代Smith和Wahls提出了等應變率固結試驗。

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

連續(xù)加荷固結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(簡稱等固結度試驗)，即試驗過程中控制試樣底部的孔隙水壓力與相應的總應力之比值為規(guī)定數(shù)值。