快速固結試驗

簡介

沉降計算是建築物設計中的重要環節, 沉降量的大小直接影響到建築物的安全和正常使用。而壓縮性指標是沉降計算中必需的指標。室內測定沉降性指標的方法主要有標準固結試驗法和快速固結試驗法。標準固結實驗是普遍認可的比較可靠的方法, 國家標準《土工試驗方法標準》(GB/T 50123- 1999) 和水利部行業標準《土工試驗規程》( SL 237- 1999) 都推薦使用該方法; 由於快速固結試驗法缺乏理論根據, 《土工試驗方法標準》(GB/T 50123- 1999) 中沒有列出; 《土工試驗規程》( SL 237- 1999) 中也對該方法的使用做了限制。因此試驗室測定壓縮性指標時應儘量採用標準固結試驗法。但是, 由於標準固結試驗需數天甚至十多天才能完成, 試驗週期太長所以很多實際生產單位還是採用快速固結試驗法測定土的壓縮性。因此, 研究按快速固結試驗法測出的壓縮性指標的可靠性對沉降計算的準確性有一定的使用意義。以內蒙古某地區採取粉質粘土的快速固結試驗結果與標準固結試驗結果進行了對比分析 ^[1]  。

兩種試驗方法的區別在於固結時間標準不同。標準固結試驗採用各級壓力下固結24h 作為穩定標準。而快速固結試驗規定試樣在各級壓力下的固結時間為1h, 在最後一級壓力下除測記1h 的量表讀數外, 還應測記達壓縮穩定時的量表讀數, 穩定標準為量表讀數每小時變化不大於0.005mm,然後對前面各級壓力下固結時間為1h 測記的變形量按下式修正。

測出壓縮變形量後計算各級壓力下的孔隙比和各壓力段的壓縮係數及壓縮模量時, 兩種試驗方法是一致的。

規範中規定標準固結試驗法採用各級壓力下固結24h 作為穩定標準, 一方面考慮大多數土的變形在24h 能達到穩定, 另一方面是方便每天在同一時間加荷和測記變形讀數。其主導思想還是儘量保證每級壓力下土樣變形達到穩定。對飽和土來説, 由於認為土粒和孔隙水不可壓縮, 所以只有孔隙水排出才能引起土體的沉降變形, 並且土體孔隙體積的減小與孔隙水的排出量相等。而孔隙水的排出速率又與土的滲透性有關, 因此土完成固結的時間與土的滲透性有關, 不同的土類達到變形穩定的時間相應的會有所區別, 即快速固結試驗的可靠性隨土類的變化而改變。本次試驗採用粉質粘土, 塑性指數為10.8 ^[2]  。

為保證土樣的質量, 用環刀直接在基坑中採集原狀土樣5 組。5組土樣的含水量變化很小, 取其平均值為23.306, 相對密度取2.72, 塑性指數為10.8, 濕重度稍有差別。 每組土樣的濕重度、天然空隙比、飽和度三種指標的相對誤差分別小於0.4%,1%,1%。誤差較小, 具有一定的可比性 ^[3]  。

對於該粉質粘土,快速固結試驗最後一級壓力下達到穩定標準大約需要4～6h,修正係數K 變化範圍為1.020～1.036,平均為1.0276。標準固結試驗1h 的固結度約為90%( 取24h 固結度為100%) ^[3]  。

快速固結試驗方法所測得的各級壓力下的孔隙比普遍大於標準固結試驗方法所測得對應壓力下的孔隙比,説明儘管快速固結試驗經過修正,結果並不等同, 但兩者相對誤差較小( 一般小於3%) , 且逐漸趨於穩定, 這和文件中快速固結試驗的壓縮性較小的觀點基本一致。壓縮係數a1- 2 和壓縮模量E1- 2 在初始階段的相對誤差較大, 隨壓力的增加明顯減小趨於穩定。壓縮係數的相對誤差為正, 壓縮模量的相對誤差為負, 即快速固結試驗的壓縮係數小於標準固結試驗的壓縮係數, 快速固結試驗的壓縮模量大於標準固結試驗的壓縮模量。

快速固結試驗方法採用修正係數增大各級壓力下的變形量, 但所測的變形量普遍小於標準固結試驗方法測得的變形量。説明對該層粉質粘土按常規快速固結試驗方法所得的指標進行沉降計算將使計算結果偏小 ^[3]  。

通過對試驗結果的分析, 可以得出以下結論:

(1) 對於粉質粘土試樣, 快速固結試驗法最後一級達到穩定需要4～6h。

(2) 對2cm 厚的粉質粘土試樣, 在荷重作用下1h 的固結度一般可達90%( 以24h 的固結度為100%) 。

(3) 快速固結試驗方法所測得的變形量和壓縮係數小於標準固結試驗方法測得的變形量和壓縮係數; 快速固結試驗的壓縮模量大於標準固結試驗的壓縮模量。因此, 按快速固結試驗方法所得指標進行沉降計算將使計算結果偏小。

(4) 在固結試驗初始階段, 按快速固結試驗測出的壓縮係數、壓縮模量誤差較大, 這是的快速試驗指標應慎重使用。但隨着壓力差的增大, 這種誤差會逐漸減小並趨於穩定。因此, 試驗是應儘量採用標準固結試驗方法, 在壓力增量較大的情況下, 按快速固結試驗方法進行試驗, 通過對試驗結果的e-q 曲線進行校正, 可得到與標準固結試驗近似的壓縮係數和壓縮模量, 且可以大大節省試驗時間 ^[3]  。