固结实验

固结试验是将土样置于金属压缩容器内，在有侧限的条件下施加压力，观察土在不同压力下的压缩变形量。

定义地基土在外荷载作用下，水和空气逐渐被挤出，土骨架颗粒之间相互挤密，土的孔隙减小，从而引起土的压缩变形。

一般压缩固结仪有杠杆式、磅秤式、气压式三种。杠杆式压缩仪是用砝码通过杠杆加压，压力仅为0.4～0.6MPa，基本上能满足一般工程要求，且数台仪器可装在一个试验台架上, 占地面积小，便于管理，目前被广泛采用。磅秤式压缩仪是通过带有加压框架的磅秤施加压力 , 仪器压力可达5Mpa，适用于较大工程，可以用来测定压缩指数和前期固结压力、固结系数等指标。气压式压缩仪是通过空气压缩机来施加压力的，加压范围大，适用于各类工程。本试验采用气压式压缩仪。

压缩固结试验中，后一级压力的施加均是在前一级荷载下压缩达到稳定后施加的，但所谓稳定是相对的，按照稳定标准的不同，通常将固结试验分为两类：

（1）稳定压缩：每级压力下持续24h为压缩稳定标准；测记试样高度变化后，即可施加下级压力。这是各类规范的常规标准。对某些渗透系数大于10cm/s的粘性土，以1h内试样变形量不大于0.005mm作为相对稳定标准，结果能够满足工程要求。

（2）快速压缩：在各级压力下，压缩时间规定为1h，仅在最后一级压力下，除测记1h变形量外，还需测读达到稳定标准(24h)时的变形量。在整理资料时，根据最后一级变形量，校正前几级压力下的变形量。当试验要求精度不高时，可采用快速压缩法。

类别常规固结试验常规固结试验比较可靠，是被普遍认可的，为我国 《土工试验方法标准》（GB/ T50123） 推荐使用的方法。但该方法有一些显著的缺点，主要表现：（1）试验所需的时间较长。按照 《土工试验方法标准》（GB/ T50123）要求，分级加载的每级荷载要作用 24h，这样完成一个固结试验所需的最终时间大概9d 左右，若需进行回弹试验，则时间更长。（2）试验获得数据少而且比较分散，致使试验得到的曲线不连续，影响测定参数的准确性。（3）固结试验过程中沿试样高度的有效应力分布不均匀，根据有效应力原理，靠近排水面的有效应力最大，靠近不排水面处的有效应力最小，水力梯度沿高度方向变化相当大，致使有效应力沿试样高度分布不均匀， 造成了试样的压缩性分布不均匀。

快速固结试验《土工试验方法标准》（GB/ T50123）推荐的时间平方根法计算固结系数时，要求土体固结度达到90%，大量的试验表明高度为2cm 的试样在荷载作用下1h 的固结度一般可达到90% 以上（24h 稳定标准）。因此，快速法固结试验把每级荷载的加载时间缩短到 1~2h，最后对试验结果进行校正， 可得到与常规固结试验近似的结果。此法大大缩短了试验时间，得到了相当广泛的应用。张海霞指出对于高度为 2cm 的试样，在每级压力作用下，常见土体完成主固结（固结度达到 99%） 需要的时间不超过4h， 粉土和粉质粘土则少于 1h。并建议对不同的土质应采用不同的加载时间进行试验研究。

连续加载固结试验根据试验中的控制条件不同，连续加载试验可分为以下几种主要试验方法：（1）等应变速率固结试验（简称 CRS 固结试验），加载过程中控制单位时间内试样的应变增量为一常数。（2） 控制梯度固结试验（简CG固结试验），保证试样底部不排水的情况下，使连续加载产生的底部孔隙水压力为一常数。（3）等加载速率固结试验（简称 CRL 固结试验），加载过程中控制试样的应力增长（加载速率）为一常数。

控制梯度固结试验控制梯度固结试验（CG）与等应变速率固结试验（CRS）的原理类似，本质上是通过调整试样应变率来设定底部孔隙水压力不变，进行连续加载试验 由于在常规固结试验中沿试样高度的有效应力分布不均匀，不同高度处孔隙水压力梯度相差很大，这样随着固结的发展，试样的应变速率变化很大，为了克服上述缺点，提出了控制梯度试验法。Lowe等首先提出了该试验方法，并建立了线性固结理论来测定固结系数。Gorm an 等将控制梯度固结试验、 等应变速率固结试验与常规固结试验的结果进行了比较，并证实了CG、CRS 固结试验的可行性。考虑到CRS、CG固结试验会受到应变率的影响而导致测定结果出现偏差，Sheahan等提出了设定底部孔隙水压力为零的CG固结试验，用以模拟土体的主固结状态。该试验的优点在于：固结过程中试样的应变率较低，可以更好的模拟现场状态；试样的应变率与有效应力沿深度方向分布更均匀，不易受到次固结的影响。1

固结实验的方法仪器设备

1.用KTG全自动气压式固结仪或其它仪器，固结仪由固结容器(图4-2)、空气压缩机、自动加荷控制器、数据采集器和微机组成。

2.测含水率和密度所需的设备；

3.其它：滤纸、钟表等。

操作步骤

1.试样制备：按工程要求取原状土或制备所需状态的扰动土样，按测定土的密度的方法用环刀切取土样，测定土的密度，并同时测定土的含水率和土粒密度。

2.安装试样：在固结容器内装上带有试样的切土环刀(刀口向下)，在土样两端应贴上洁净而湿润的滤纸，再用提环螺丝将护环置于固结容器内，然后放上透水石和传压活塞及定向钢球，再装好带有传感器的百分表，并调整百分表读数在8.0mm左右，以便压缩过程中有足够的量程。 3.开启空气压缩机，使其压力源输出气压保持在850～1000kPa之间，并打开空气过滤器进气开关。

4.接通自动加荷控制器电源，然后再接通数据采集器电源，使加荷系统处于工作状态。

5、结束试验

（1）卸去荷载后，排除仪器中水分，按与安装相反的顺序拆除各部件，取出带环刀的试样。必要时，测定试样试验后的含水率。将仪器擦净，涂油放好。

（2）为防止采集数据丢失，先关采集器电源，后关控制器电源，再断开空气压缩机电源，并关空气过滤器开关。

6、成果整理，由于全自动压缩固结仪自带数据采集和处理软件，故不再需要人工记录和处理各种试验数据，就能很快地得出土的压缩性参数，其数据处理过程详见附录A。但作为初学者还是需要很好的理解这些数据整理的过程。

本词条内容贡献者为:

杨晓红 - 副教授 - 西南大学