[科普中国]-等应变速率固结试验

简介

土的固结变形指标是土工建筑物基础设计，沉降计算的重要依据之一。自20年代泰沙基(Terzaghi)提出单向固结试验的基本理论以来，分级加荷固结试验广泛用于工程设计，以其理论简明，操作方便等特点而沿用至今。然而这种方法也存在一些缺点，主要是试验周期长，一次试验需在数天甚至十余天时间。常常难以满足生产的需要。

再者试验荷载成倍增加(国际规定每级荷载的增量比为1)，所得试验点数据较少，影响前期固结压力等指标的正确确定。在固结过程中，由于试样排水面处孔隙水压力梯度很大，有可能破坏试样的原状结构。为了提高试验效率和改善试样的变形条件，国内外土工界都在进行固结试验方法的研究。例如我国自中华人民共和国成立以来，普遍采用的快速法固结试验，属分级加荷方法。只是每级荷重下只固结1小时，而用最后一级荷重24小时的稳定变形值，来校正前面几级荷重下试样的变形值。该方法试验历时虽然短，但它是一种经验方法，缺乏充分的理论依据。由快速法测定的固结变形指标，只能用于沉降计算要求不高的某些工程。因此，国标中没有将这种分级加荷的快速法列入。

另一种快速法就是连续加荷的固结试验。这种方法是在试样上连续加荷，随时测定试样的变形量与试样底部孔隙水压力。根据计算求得施加于试样上的有效轴向压力及相应的孔隙比，绘制压缩曲线，最后可求得各项固结变形指标。连续加荷固结试验，一次试验一般仅需3-5小时就可完成，而且可以避免上述分级加荷固结试验的一些缺点。早在1959年Hamilten和Crawford就提出了连续加荷固结试验方法，六十年代Smith和Wahls提出了等应变率固结试验。

1970年Aboshi等人进行了等加荷率固结试验。1983年美国材料与试验协会(简称ASTM)将该项试验列入岩土试验标准。80年代初，国内也开展了连续加荷固结试验的研究。例如，南京水利科学研究院利用三轴仪，通过改造对反馈饲服跟踪，控制梯度固结试验进行了研究。华北水电学院研究生部研制了控制梯度固结试验的装置。中国建筑科学院地基基础研究所，研制了用单板微机控制的连续加荷固结仪。我院于1987年从美国引进了三台NO. 15系列通用固结仪。对多种不同试样的连续加荷固结试验，与常规标准固结试验进行了对比试验，试验方法采用等应变率法。分析研究表明，等应变率连续加荷固结试验不仅大大节省了时间，而且所确定的前期固结压力，压缩指数等压缩性参数比常规固结试验方法测试的结果更为合理1。

连续加荷固结试验的理论依据连续加荷固结试验按照试验过程控制条件的不同，一般分为四种方法:

(1)等应变率试验法(简称CRS试验)，即试验过程中，单位时间内变形值为常量。

(2)等加荷率试验法(简称CRL试验)，即试验过程中，加荷速率保持常量。

(3)控制梯度试验法(简称CGC试验)，即在试验过程中.使试样不透水底部的孔隙水压力为常量，故又称等梯度试验。

(4)控制孔隙压力比试验法(简称等固结度试验)，即试验过程中控制试样底部的孔隙水压力与相应的总应力之比值为规定数值。

对比试验结合生产任务，共做了48组试样的对比试验，包括粘土、粉质粘土和粉土，每组试样都进行了标准方法的固结试验及连续加荷固结试验的对比。每筒原状土样切取两块固结试验试样，一块用作常规标准固结试验，仪器为南京电力自动化设备厂制造的YS-1型固结仪。另一块用NO-15系列通用固结仪。常规固结试验的试样直径为61. 8 mm，高度为20 mm，面积为30 cm², NO-15系列通用固结仪的试样直径为63. 5 mm，高度为25. 5 mm，面积为31. 67 cm².常规试验的稳定标准为24小时，连续加荷固结试验采用等应变率试验法，且对不同土类选用几种不同的应变速率进行试验2。

总结土的压缩与固结试验测试压缩系数、压缩指数、固结系数、先期固结压力，是计算地基沉降量和沉降时间不可缺少的参数。随着高层建筑、高速公路等大型土建工程的建造，对这些参数的需要越来越多。按常规加荷的固结试验方法，由于分级加荷，每级荷载要保持24小时，一次试验需要数天甚至十多天。因此，如何改进试验方法，缩短试验时间，有重要的实用意义。根据48个试样用等应变率固结和常规加荷固结试验的结果比较分析，认为等应变率固结试验能大大节省试验时间，而得出相当于常规分级加荷固结试验的压缩系数和压缩指数。由于等应变率固结的应变速率不太大，对试样加荷后的扰动程度比常规分级加荷要小。因此，所测的先期固结压力和固结系数都比常规加荷固结试验的数值大。这种固结试验的仪器和测试方法都与常规加荷固结试验不同，在实用上还不普遍，经验也还不多。但这种方法有广阔的发展前景3。