试验四 侧限压缩试验

试验四 侧限压缩试验

一、试验目的

本试验之目的在于测定土的沉降变形，了解土体在侧限条件下的变形与时间～压力的关系，结合其它试验指标配合计算土的压缩系数、压缩模量，确定土压缩性的高低。

试验要求：由实验室提供试样，学生在实验教师指导下制备固结试样、测定土样的压缩性，绘制该土样的压缩曲线（e～p曲线）、求出 v和Es，判断该土样的压缩性，观察并阐述土的变形与时间这一重要特征。 二、试验原理

侧限压缩试验又称固结试验。土体的固结是指土体在外力作用下，土体中的水和气体被逐渐排走，孔隙体积减小，土颗粒之间重新排列的现象。

土的固结试验是通过测定土样在各级垂直荷载作用下产生的变形，计算各级荷载下相应的孔隙比，用以确定土的压缩系数和压缩模量等。 三、标准固结法

1.仪器设备 （1

加压上盖组成，见图5—1； （2）环刀：高20mm，面积30cm2（3GB／T15406的规定。

（4）变形量测设备：量程10mm为0.01mm的百分表或准确度为全量程传感器。 （5）其它：开土刀、过滤纸等。 2.操作步骤

(1)试样制备：按密度试验要求取原状土或制备扰动土土样。并测定试样的含水率和密度，取切下的余土测定土粒比重。试样需要饱和时，应按规定进行抽气饱和；

(2)在压密容器中放置好透水石和滤纸，将带有环刀的试样和环刀一起刃口向下小心放入护环，再在试样上放置滤纸和透水石，最后放上传压活塞，安装加压装置和百分表；

(3)施加lkPa的预压力使试样与仪器上下各部件之间接触，将百分表或传感器调整到零位或测读初读数，通常将百分表测距调到大于8mm； （4）确定需要施加的各级压力，压力等级宜为12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200kPa。第一级压力的大小应视土的软硬程度而定，宜用12.5kPa、25kPa或50kPa。最后一级压力应大于土的自重压力与附加压力之和。只需测定压缩系数时，最大压力不小于400kPa； （5）需要确定原状土的先期固结压力时，初始段的荷重率应小于1，可采用0.5或0.25。 施加的压力应使测得的e～logp曲线下段出现直线段。对超固结土，应进行卸压、再加压来评价其再压缩特性；

（6）对于饱和试样，施加第一级压力后应立即向水槽中注水浸没试样。非饱和试样进行 压缩试验时，须用湿棉纱围住加压板周围；

（7）需要测定沉降速率、固结系数时，施加每一级压力后宜按下列时间顺序测记试样 的高度变化。时间为6s、15s、lmin、2minl5s、4min、6minl5s、9min、12minl5s、16min、

20minl5s、25min、30minl5s、36min、42minl5s、49min、64min、l00min、200min、400min、23h、24h，至稳定为止；

注：测定沉降速率仅适用饱和土。

（8）不需要测定沉降速率时，则施加每级压力后24h测定试样高度变化作为稳定标准， 只需测定压缩系数的试样，施加每级压力后，每小时变形达0.01mm时，作为试样高度变化稳定读数；

(9)记下稳定读数后，加第二级荷载，依照加第一级荷载时的读数时间记下量表读数， 直至稳定。依此逐级加荷，至试验结束，固结试验记录表见表5—1；

（10）需要进行回弹试验时，可在某级压力下固结稳定后退压，直至退到要求的压力， 每次退压至24h后测定试样的回弹量。稳定标准同前；

(11)试验结束后吸去容器中的水，先卸除百分表，然后卸除砝码，升起加压框，拆除 仪器各部件，取出固结容器和整块试样，测定含水率。

四、计算：

1.计算试样的初始孔隙比e0： e0=

GS⋅ρw⋅(1+0.01ω0)

ρ0

-1 （5—1）

式中：ω0 —压缩前试样的含水率；

ρ0 —压缩前试样的密度；

GS—土粒比重；

ρW—水的密度。

2.计算试样颗粒净高hs：

hs=

h0

（5—2） 1+e0

式中：h0—试样初始高度（即环刀高度）（mm）。

3.计算各级压力下试样固结稳定后的单位沉降量Si： Si=

∑∆hi

⨯103 （5—3） h0

式中： Si—某压力下试样固结稳定后的单位沉降量（mm/m）；

（等于环刀高度20mm）； h0—试样初始高度（mm）

（等于该级压力下试样固 ∑∆hi—某压力下试样固结稳定后的总变形量（mm）

结稳定读数减去仪器变形量）；

103—单位换算系数。

4. 计算各级压力下试样固结稳定后的孔隙比ei： ei=e0-

1+e0h

∆hi=-1 （5—4） h0hs

式中：h—在某一压力下固结后试样的高度，h=h0-∆hi 5.计算某一压力范围内的压缩系数αv：

av=式中：

ei-ei+1

（5—5）

pi+1-pi

； αv —某压力范围内的压缩系数（MPa-1）

ei、ei+1—分别为pi、pi+1时的孔隙比；

； pi、pi+1 —试验时某级压力值（MPa）

6.计算压缩模量Es：

Es=

1+e01+ei

(pi+1-pi) （5—6） =

ai~i+1ei-ei+1

式中：Es—某压力范围的压缩模量（MPa）；

7.计算压缩指数和回弹指数： Cc或Cs=式中：Cc—压缩指数

8.以孔隙比为纵坐标，压力为横坐标，绘制孔隙比与压力关系e～p曲线，见图5—2。 9.以孔隙比为纵坐标，压力的对数为横坐标，绘制孔隙比与压力的对数曲线，见图5—3。

原状土试样的先期固结压力确定。在e～logp曲线上找出最小曲率半径Rmin的点O(见图5—3)，过O点做水平线OA，切线OB及∠AOB的平分线OD，OD与曲线下段直线段的延长线交于E点，则对应于E点的压力值即为该原状土试样的先期固结压力pc。

10.固结系数确定： （1）时间平方根法：对某一级压力，以试样的变形为纵坐标，时间平方根为横坐标，绘制变形与时间平方根关系曲线 (图5—4)，延长曲线开始段的直线，交纵坐标于ds为理论零

应按下式计算：

ei-ei+1

（5—7）

logpi+1-logpi

Cs—回弹指数

线交点所对应的时间的平方即为试样固结度达90％所需的时间t90，该级压力下的固结系数

0.2

CV= (5—8)

t90

式中：CV—固结系数(cm2／s)；

—最大排水距离，等于某级压力下试样的初始和终了高度的平均值之半(cm)。 （2）时间对数法：对某一级压力，以试样的变形为纵坐标，时间的对数为横坐标，绘制变形与时间对数关系曲线(图5—5)，在关系曲线的开始段，选任一时间t1，查得相对应的变形值d1，再取时间t2＝t1／4，查得相对应的变形值d2，则2d2一d1即为d01；另取一时间依同法求得等d02、d03、d04，取其平均值为理论零点ds，延长曲线中部的直线段和通过曲线尾部数点切线的交点即为理论终点d100，则d50=（ds+d100）/2，对应于d50的时间为试样固结度达到50%所需的时间t50，该级压力下的固结系数应按下式计算：

0.2

五、说明和注意事项

1.本试验以往在国内的土工试验规程中定名为压缩试验，国际上通用的名称是固结试验(Consolidation Test)，为了与国际通用的名称一致，本标准将该项试验定名为固结试验，同时表明本试验是以泰沙基(Terzaghi)的单向固结理论为基础的，故明确规定适用于饱和土。对非饱和土仅作压缩试验提供一般的压缩性指标，不能用于测定固结系数。

2.垂直变形量测设备一般用百分表，如用仪器自动化(数据自动采集)，应采用准确度为全量程0.2％的位移传感器。

3.固结仪在使用过程中，各部件在每次试验时是装拆的，透水石也易磨损，为此，应定期率定和校验。

4.试样尺寸，实践证明，在相同的试验条件下，高度不同的试样，所反映的各固结阶段 的沉降量以及时间过程均有差异。国内使用的环刀直径均为61.8mm和79.8mm，高度为20mm，为此，试样尺寸采用规定的统一尺寸。

5.荷重率，固结试验中一般规定荷重率等于l。由于荷重率对确定土的先期固结压力有影响，特别是软土，这种影响更为明显，因此，如需测定土的先期固结压力，荷重率宜小于 1，可采用0.5或0.25。

6.稳定标准，目前国内外的土工试验标准(或规程)大多采用每级压力下固结24h的稳定标准，试验中仅测定压缩系数时，施加每级压力后，每小时变形达0.01mm时作为稳定标准， 对于要求次固结压缩量的试样，可延长稳定时间。一小时快速法由于缺乏理论根据，标准中不列。

表5—1 固结试验记录表

班 级： 试验小组： 记录者： 试验日期： 说明事项：

表5—2 固结试验计算表

班 级： 试验小组： 记录者： 计算者： 绘图者： 校核者： 试验日期：

说明事项：