[科普中国]-固结速率

简介

固结速率是指土层在荷载作用下固结速度的快慢，一般来说加载速率越大，土样固结速率就越快；相同的时刻，加载速率越大土体固结产生的压缩变形值越大，固结历时相同， 加载速率越大的试样承受的固结应力相应也越大。瞬时加载土样最先固结完成，在等加载速率固结试验中，加载速率越大，土样变形达到最终变形量所需的固结时间越短。

影响因素排水距离排水是指在一个区域中将地表水（地表迳流）或地下水任其自然或以人为方式排除，人为排水为施作排水系统，如排水沟、涵管、下水道等排水设施，目的是拦截迳流。在地基处理中，排水距离是指水从土层中排出的路径长度，例如在软土地基中设置一系列砂井，并在砂井之上铺设砂垫层或砂沟，从而增加土层固结 排水通道，缩短排水距离，以加速软土的固结。不同的砂井成孔方法所需的施工设备亦有所不同1。砂井成孔方法主要有套管法、水冲 法和钻孔法。套管法所使用的设备有锤击沉管机和振动沉管机; 水冲法施工所需设备较为 简单，主要是通过高压水管和专用喷头射出高压水冲击成孔；钻孔法是采用钻机钻孔，提 钻后在孔内灌砂成形。

固结系数固结系数(Coefficient of consolidation, CV) ，是反应受侧限土体在荷载作用下固结速度的一个标量。其大小反映软土固结快慢的程度，即固结系数为反映土层固结特性的参数。理论上它是变量，它取决于土的渗透系数、天然孔隙比、水的重力密度、土的压缩系数，在不同的排水方向时，其值也不同，但实用上常取作常数。固结系数既是一项重要的土的试验指标，也是软土地基处理设计中的关键参数，特别在软基处理采用排水固结法时，固结系数更是一项必不可少的指标。固结系数有效、准确的获取对基础沉降的正确预测有着决定性的意义。根据前人的研究，发现确定固结系数的方法很多，各有特点。把确定固结系数的方法分为四大类：第一类是室内固结试验法；第二类是现场试验法；第三类是间接推算法；第四类是反演分析计算法。

室内试验方法

室内试验确定固结系数的方法以时间对数法、时间平方根法 、Scott法、反弯点法、三点法、Asaoka 法、速率法、Rectangular hyperbola 法、Parnian 法 、两点法、标准曲线比拟法、t60法、张仪萍法等为代表。这些方法均基于太沙基的一维固结理论。由于固结度与时间之间没有简单的数学关系,只能根据理论变形时间曲线的某些特征点,或不同线段的相似关系来建立这些方法;可以说这些方法都是图解法、经验配合法。为了在施工设计前得到土层的固结系数,室内试验确定固结系数的方法还是最普遍的方法,但其缺点是试验试件小、工作量大、试验时间长、费用高及土样扰动大。由于试件无法准确的反映现场实际条件,室内试验结果与现场土体的真实值有较大的差异。

现场试验方法

固结系数现场试验法的主要测试设备是孔压静力触探(CPTU) 、BAT测试系统、DTM 测试系统及SPLT测试系统，其中以CPTU与BAT为主。

间接推算方法

间接推算方法以王秀艳法、神经网络计算法 、剩余沉降对数法、最小二乘法、等比级数推算法、遗传算法、固结速率半对数法、试算法等为代表。实质上神经网络计算法、最小二乘法、遗传算法并不能归于确定固结系数的方法之列，它们只是确定固结系数的过程中用到了神经网络计算法、最小二乘法、遗传算法的数学处理方法。以上间接推算法最基本的方程还是太沙基一维固结方程。间接推算法最大的优点是可以有效的消除人为因素在固结系数计算过程中的影响，提高了数据处理的速度和数据的计算精度。

反演分析方法

反演分析计算法以修正Asaoka法、实测沉降推算法、实测孔压推算法等为代表 。主要是以施工现场实测的孔压或者沉降量为依据,反演计算出固结系数。反演分析方法中的计算公式仍然是由太沙基一维固结理论公式推导而来。由于反演法能够利用已有的沉降或孔压观测数据，分析计算软土的固结系数及其它各种参数,从而能更好的预测后期沉降发展情况。因此，反演分析方法具有较高的工程实用价值。在软基处理过程中，往往根据实际监测的各种数据，反演软土的固结系数，以便更为准确的掌握软土的固结特性，修正设计误差，正确判断工程效果。

固结定义固结是土体在外部荷载作用下，超静孔隙水压力减少，有效应力增加，土体压缩的过程；或是指松软土壤在外力作用下发生压缩、去水而逐渐密实的过程。当有压力施加在土体时，土粒会更加紧密的压在一起，使土体孔隙中水分逐渐排出、体积变小、密度增大。土壤的固结现象在基础工程中意义重大，是地基沉降的主要因素。土壤的固结度是研究地基沉降量与时间关系的主要依据。固结与很多因素有关，荷载作用、孔隙水压力与压缩变形是固结试验研究的重点。常规固结试验是研究土体固结特性最常用的方法，但存在耗时长、不能监测固结过程中孔隙水压力的变化、对土样扰动较大并且加载方式与实际施工情况差别较大等不足。

固结度固结度(degree of consolidation)，指在某一固结应力作用下，经过时间t后，土体发生固结或孔隙水压力消散的程度2。对于地基土层中的任一深度z处经时间t，其有效应力与总应力之比定义为该点土的固结度。土在压力作用下体积减小的性质叫做土的压缩性。土体压缩的原因可能有三种：①土粒本身的压缩；②孔隙中水和气体的压缩；③水、空气所占据的孔隙体积的减小。水是不可压缩的，土粒的压缩性极小，可忽略。因此，土的压缩，即其体积的减小主要是由水、空气所占据的孔隙体积的减小。孔隙体积的减小，必须借土粒的移动和重新排列，水和空气部分地从空隙中被挤出，封闭气体被压缩，才能实现。此外，土粒的移动、靠拢及孔隙水的挤出，需要经历一定的时间才能完成，因而土的压缩变形也需要持续一定时间才能趋于稳定。对于饱和土，孔隙全被水充满，是由土颗粒和孔隙水组成的两相体，只有挤出孔隙水，孔隙体积才会减小。所以饱和土的压缩量等于孔隙中水被挤出的体积，由于水被挤出，使土变得紧密，这种过程叫做土的渗透固结。所谓“固结”是指土体随着土中孔隙水的消散而逐渐压缩的过程。也就是土体在外加压力作用下，孔隙内的水徐徐排出而使土体受压缩的过程。

地基处理又称地基加固。人为改善地基土的工程性质或 地基组成，使之适应工程需要而采取的措施。需处理的一般为软弱地基和不良地基，目的在于提高土的 抗剪强度、降低土的压缩性或改善土的透水性和动 力特性等，视工程要求及场地土质而定。所用方法很多，主要有排水固结、振密和挤密、置换和拌入、灌 浆、加筋及基础托换等。可用于新建工程，也可作为事后补救措施用于已经建成的工程。地基所面临的问题主要有以下几个方面：1）承载力及稳定性问题；2）压缩及不均匀沉降问题；3）渗漏问题；4)液化问题；5）特殊土的特殊问题。当天然地基存在上述五类问题之一或其中几个时，需采用地基处理措施以保证上部结构的安全与正常使用。通过地基处理，达到以下一种或几种目的。