不同固结系数计算方法之间的比较_骆凉平

第３６卷　第１期２０１４年２月三峡大学学报（自然科学版）

（）ＪｏｆＣｈｉｎａＴｈｒｅｅＧｏｒｅｓＵｎｉｖ．ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ　　　　　　ｇ

Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．１

Ｆｅｂ．２０１４

不同固结系数计算方法之间的比较

２３

骆凉平１，　丁建文

（１．河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京　２１００９８；２．河海大学岩土工程研究所，南京　）２１００９８；３．东南大学交通学院岩土工程研究所，南京　２１００９６

摘要：运用底部可测孔压的固结仪对连云港重塑黏土进行一维固结压缩试验，探讨基于孔压得出、、、、针对１的土体固结系数与基于压缩计算的固结系数之间的关系．００ｋＰａ２００ｋＰａ４００ｋＰａ８００ｋＰａ发现基于孔压数据得出的固结系数Ｃ１６００ｋＰａ５个加载等级的固结过程进行分析，　ｖ和时间对数法

的计算结果较为一致，但是小于时间平方根法的计算结果．另外，连云港重塑３种计算方法均显示，其固结系数Ｃ在固结过程中并非常数．土固结过程中，ｖ随着荷载等级的增大而增大，关键词：重塑黏土；　孔隙水压力；　固结系数；　固结仪

）中图分类号：ＴＵ４１１　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７２９４８Ｘ（２０１４０１００４２０４－－－

ＣｏｍａｒｉｓｏｎｓｏｆＣｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓＯｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍＤｉｆｆｅｒｅｎｔＭｅｔｈｏｄｓ　　　　　　　ｐ

１２３

ＬｕｏＬｉａｎｉｎｉｎＪｉａｎｗｅｎ　ｇｐｇ　Ｄｇ　

，

（，Ｈ，１．ＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＭｉｎｉｓｔｒｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎｆｏｒＧｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ＆ＥｍｂａｎｋｍｅｎｔＥｎｉｎｅｅｒｉｎｏｈａｉＵｎｉｖ．　　　　　　　ｙｙｙｇｇ　　　

；，Ｈ，；Ｎａｎｉｎ２１００９８，Ｃｈｉｎａ２．ＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｈａｉＵｎｉｖ．Ｎａｎｉｎ２１００９８，Ｃｈｉｎａ３．Ｉｎｓｔｉｔｕ　　　－ｊｇｊｇ　　，，，Ｎ）ｔｅｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｃｈｏｏｌｏｆＴｒａｎｓｏｒｔａｔｉｏｎＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖ．ａｎｉｎ２１００９６，Ｃｈｉｎａ　　　　　　ｇｇｐｊｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔｅｄｏｍｅｔｅｒｔｅｓｔｓｗｉｔｈｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｅｘｃｅｓｓｗａｔｅｒａｔｔｈｅｂａｓｅｏｆｓｅｃｉｍｅｎｓｗｅｒｅｏｒｅｒｅｓｓｕｒｅ　Ｏ　　　　　　　　　　　　　　ｐｐｐｏｎｒｅｍｏｌｄｅｄＬｉａｎｕｎａｎｃｌａｔｏｃｏｍａｒｅｔｈｅｖａｌｕｅｓｏｆｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＣｖｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｅｒｆｏｒｍｅｄ　　　　　　　　　　　ｇｙｇｇｙｐｙｐ　　

，，ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅａｎａｌｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎａｔｆｉｖｅｌｏａｄｉｎｓｔｒｅｓｓｌｅｖｅｌｓｏｆ１００ｋＰａ２００ｋＰａｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｃｅｓｓ　　　　　　　　　　　　ｙｇｐ　，，４００ｋＰａ８００ｋＰａ１６００ｋＰａｓｈｏｗｓｔｈａｔＣｖｖａｌｕｅｓｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｗａｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓａｒｅｃｌｏｓｅｏｒｅｒｅｓｓｕｒｅ　　　　　　　　　　　ｐｐ，ｔｏｔｈｏｓｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｌｏａｒｉｔｈｍｉｃｍｅｔｈｏｄｂｕｔｌｅｓｓｔｈａｎｔｈｏｓｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｈｅｖａｌｕｅｓ　　　　　　　　　　　　　　ｇｏｆＣｖｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂａｌｌｔｈｅｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｎｏｔａｃｏｎｓｔａｎｔｄｕｒｉｎｔｈｅｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｍｏｌｄｅｄＬｉａｎｕｎ　　　　　　　　　　　　　　　－ｙｇｙ　　ｃｌａ．ＴｈｅｖａｌｕｅｓｏｆＣｖｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｓｔｒｅｓｓ．ａｎ　　　　　　　ｙｇｇｇ　　

；；；Ｋｅｗｏｒｄｓｒｅｍｏｌｄｅｄｃｌａｓｗａｔｅｒｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｅｄｏｍｅｔｅｒｏｒｅｒｅｓｓｕｒｅ　　　ｐ　　　ｃ　　ｏｙｐｙ为了　　固结系数是反映土体固结快慢的重要指标，

计算固结度的变化或是超静孔压消散过程，都需要给出固结系数．传统的计算固结系数的方法是通过对太根据沙基一维固结理论的固结度计算公式进行简化，推一维固结压缩试验所确定的时间－变形关系曲线，导出固结系数的近似计算公式，从而获得土体固结系例如时间对数法、平方根法等．这些方法都是图解数，

法和经验配合法，根据压缩曲线判断主固结起始点在绘图过程中易受人为因素干ｄｄ０及固结点ｄ９０、１００，

收稿日期：２０１３０９２９－－

）基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３７８１１８；５１１７８１０７

，：通信作者：骆凉平（男，硕士研究生，研究方向为土性与软土地基处理．１９９０－）Ｅ－ｍａｉｌｌｕｏｌｉａｎｉｎ００７＠１２６．ｃｏｍｇｐｇ

扰，因此具有一定的误差．

除了依据时间－变形关系曲线计算固结系数，也有一些学者应用孔压测量装置对土体固结过程进行分析．孔压法的优势在于可最直接地判断主固结的结

［］

束，与其他间接判断方法相比更具可靠性．Ｔａｌｏｒ１ｙ很早就对固结过程中的孔压消散情况进行研究，Ｏｌ－

仅仅依据孔压消散数据而不考虑变ｓｏｎ２研究发现，

形曲线计算得出的固结系数与基于时间－变形曲线计算所得的固结系数在某些情况下会出现较大偏差．

［］

此外，尽管孔压法在判断主固结沉降时具有直接、准确的优点，但在实际试验过程中，孔压装置所测的底部孔压数据与太沙基一维固结理论并不吻合，不能直接应用于计算固结系数．首先，试验中测得的最其次，施加大孔压数值小于所施加的竖向有效荷载；

底部孔隙水压力不会立即上升至最大竖向荷载后，

［］［］值，而是具有一个滞后过程．Ｇｉｂｓｏｎ３、Ｗｈｉｔｍａｎ４等

很多学者都曾在试验中发现这一现象并对此进行研究，认为造成这一现象的原因主要是由于孔压计的测

［］压机理和土颗粒的压缩变形．Ｐｅｒｌｏｆ５研究认为这一

图１　固结度与沉降关系示意图

由此，结合一维固结压缩试验的时间－变形曲线可求得土样在任意固结度下所对应的固结时间，再根据太沙基一维固结理论固结度计算公式：

２

２（－－４Ｔ４ｖ（）Ｕ＝１－２ｅｖ＋２＋…）９π

即可求得试样　　计算该固结度下的时间因素Ｔｖ，

现象只在固结初期对孔压数据产生影响，当试样达到一定固结度之后，对于孔压数据的影响则可以忽略不所测孔压仍可应用于固结过程分析中，随后，计，

［］

据此，本文Ｒｏｂｉｎｓｏｎ６也通过试验验证了这一观点．

以连云港粘性土作为研究对象进行一维固结压缩试验，在固结过程中随时测量其超静孔隙水压力，针对孔压消散阶段的数据进行分析，并结合孔压数据和时间－变形关系曲线计算各级荷载下的固结系数，并与时间对数法和时间平方根法的计算结果进行对比．

在某一级荷载下的固结系数．本文将选取固结度为固结Ｕ＝５０％时所对应的固结时间ｔ５０计算固结系数，

系数计算公式为

２Ｃｖ＝

ｔ５０

（）３

１　理论依据

土体压缩通常分为３个阶段：瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降．太沙基一维固结理论就是描述土本文假设在主固结阶段，体主固结阶段的压缩特性，

土体变形仅仅是由于土中孔隙水被排出，超静孔压消散而引起的，并不发生次固结变形．基于这个假设，则在室内一维固结试验中，试样底部超静孔隙水压力与

［］［］

压缩变形呈线性关系（Ｒｏｂｉｎｓｏｎ６－７）．Ｃｒａｗｆｏｒｄ８针

式中，由于本文试验Ｈ为固结试验中最大排水距离，将在试样底部测量超静孔隙水压力，故仅从试样顶部排水，最大排水距离即为土样厚度；ｔ５０为固结度达到５０％是所对应的固结时间．

２　试样物理特性及试验仪器

试验用土取自江苏连云港地区，基本物理参数见表１．其中液限采用蝶式液限仪测定，塑限采用搓条法测定，粒径分布采用密度计法测定．该土在塑性图上的位置如图２所示，略微高于Ａ线，属于高液限黏性土

．

对渥太华海相沉积粘性土进行研究时也发现了超静孔压与沉降的线性关系．

当采用超静孔压进行固结度计算时，其公式为（ｂ）（）１

σ

式中，ｕσ为施加于土样的竖向荷载增量，ｂ为试样底

Ｕ＝

部孔隙水压力．

由于前述超静孔压与沉降呈线性关系，则根据上式，土样的固结度与沉降也呈线性关系，如图１所示．由图１可见，该直线与纵轴的交点ｄｄ０、１００分别是固结度等于零和固结度等于１００％时的沉降量

．

表１　连云港土的的基本物理参数

土样连云港粘土

比重２．７０　

液限／％５５．６　

塑限／％２８．８　

粘粒含量ｄ＜０．００５ｍｍ粉粒含量０．００５～０．０７４ｍｍ

／％６６．０　

／％３３．８　

砂粒含量０．０７４～２ｍｍ

／％０．２

图２　塑性图

ｅｎ　　本文试验采用Ｚｇ等设计改进的能够测量试样底部孔压的渗透固结容器，如图３所示，代替常规固

结容器进行固结压缩试验．孔压测量装置由孔压计和，与之相连的数字显示器组成，测量精度为１在固ｋＰａ结过程中可随时显示试样底部孔隙水压力．为保证试样底部透水石和测压管道完全饱和不含气泡，固结容试验制备土样为完全重塑器底部还配备有渗透装置．

初始含水率为１．试样直径为６饱和土，６倍液限，１．８高度为４ｍｍ，０ｍ

ｍ．

图４　连云港重塑黏土时间－变形压缩曲线

　　图５是与各级荷载下压缩曲线相对应的试样底

由图５可知，部超静孔隙水压力随时间的变化曲线．

孔压随时间变化呈现先增大后减小的规律，约在３０并且峰值孔压低于竖向荷载增量，约ｍｉｎ达到峰值，

［］

这一试验结果与Ｗｈ等于荷载增量的５０％．ｉｔｍａｎ４、

［］

造成这一现象Ｒｏｂｉｎｓｏｎ６等人的试验研究是一致的．

的原因是试样底部超静孔隙水压力的产生需要一定

水头管；水头标尺；孔压计；三通阀；透水石；轴向加１．２．３．４．５．６．载；轻质盖板；密封螺帽；密封圈；环刀；两通阀７．８．９．１０．１１．

的时间，在这一过程中试样顶部同时在排水，所以导致了峰值孔压的延迟并使其小于竖向荷载增量

．

图３　可进行底部孔压测量的固结容器（Ｚｅｎｇ等

［９］

）

３　试验结果与分析

３．１　压缩曲线和孔压变化规律

通过上述底部可测孔压的固结仪进行固结试验，所得的连云港重塑黏土的ｄｌｏｔ压缩曲线如图４所－ｇ、、、示，加载等级分别为５０ｋＰａ１００ｋＰａ２００ｋＰａ４００、，压缩曲线呈倒Ｓ形，具有两８００ｋＰａ和１６００ｋＰａｋＰａ个反弯点．运用孔压法计算固结系数时需根据压缩曲进而根据公式（线确定ｄ３）５０时对应的固结时间ｔ５０，计算固结系数

．

图５　连云港重塑黏土底部孔压与固结时间关系曲线

根据所测试样底部超静孔压以及固结度计算公可计算试样固结度，据此，在固结过程中，根据式（１）孔压消散情况计算所得固结度与试样变形的关系如图６所示

．

图６　连云港重塑黏土固结度与沉降量关系曲线

由于试样底部超静孔隙水压力的延　　由图６可知，

、连云港重塑黏土在５迟作用，０～１００ｋＰａ１００～２００、、、ｋＰａ２００～４００ｋＰａ４００～８００ｋＰａ８００～１６００ｋＰａ

固结度均随着沉降量的增加先减小５个荷载增量下，

后增大，当固结度大于一定程度时，固结度随沉降量在上述５个荷载增量下，固结度分的增加线性增大．

别超过４固结度与沉６％、３５％、４７％、５１％、５８％后，通过拟合方法可获得这些直线降量呈线性变化规律，

的方程，其与纵轴的交点就对应于固结度为０和固结度为１进而可计算出ｔ００％时的沉降量ｄｄ０、１００，５０和Ｃｖ．

时间平方根法的比较３．２　与时间对数法、

运用时间对数法和时间平方根法计算连云港重

第３等　不同固结系数计算方法之间的比较６卷　第１期　　　　　　　　　　　　　骆凉平，４５

塑黏土在不同竖向荷载下的固结系数，并与前述方法进行对比．其中，根据时间对数法确定的固结度为１００％时对应的沉降量ｄ１００与基于底部超静孔压所确定的ｄ由图可知，数据点均位于１００对比如图７所示，线附近，由时间对数法确定的主固结沉降量略低４５°

但二者差异较小．于基于孔压测定的主固结沉降量，

可见时间对数法确定主固结沉降量具有良好的精度

．

４　结　论

针对连云港重塑黏土，采用Ｚｅｎｇ等设计改进的能够测量试样底部孔压的渗透固结容器，进行一维固结压缩试验，探讨运用孔压计算土体固结系数的方并与传统计算方法进行比较：针对连云港重塑法，１）土进行一维固结试验，发现固结过程中试样底部孔压具有先增大后减小的规律，其峰值孔压滞后３０ｍｉｎ左右，约为荷载增量的一半．运用孔压法计算的固２）小于时间结系数Ｃｖ与时间对数法的计算结果接近，证明了孔压法计算结果的可靠平方根法的计算结果，

）性．试验发现针对连云港重塑土，无论是基于孔压、３时间对数法或者时间平方根法计算得出的固结系数表明在固结过程Ｃｖ均随着固结应力的增大而增大，

中固结系数并不是常数，而是随着固结应力的改变而发生变化．参考文献：

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［］，Ｈ，Ｃ，９ｅｎＬｉｎｌｉｎｏｎＺｈｅｎｓｈｕｎａｉＹｕａｎｉａｎｅｔａｌ．　Ｚ　　ｇｇｇｇｑｇ　　

ＣｈａｎｅｏｆＨｄｒａｕｌｉｃＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔＤｕｒｉｎＣｏｍｒｅｓｓｉｏｎ　　　ｇｙｙｇｐ　　］ｏｆＵｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄａｎｄＲｅｍｏｌｄｅｄＣｌａｓ［Ｊ．ＡｌｉｅｄＣｌａ　　　　　ｙｐｐｙ，Ｓｃｉｅｎｃｅ２０１１，５１：８６９３．－

图７　孔压法测定ｄ１００与时间对数法估测值的比较

将时间平方根法、时间对数法及基于孔压计算的固结系数进行比较，如图８所示，图中空心点位于实心点的上方，并且实心点相对更靠近４线．可见时间５°平方根法计算的固结系数Ｃｖ大于时间对数法的计算结果，这与很多学者的研究是一致的．而时间对数法确定的固结系数Ｃ二者ｖ更接近本文采用的孔压法，线．因此，在缺乏孔压数据的的计算结果非常接近４５°情况下，本文建议使用时间对数法计算固结系数

．

图８　孔压法测定Ｃｏｔ法ｇｖ与ｌ此外，研究连云港重塑土固结系数与竖向固结应力的关系还可发现，如图９所示，无论是基于孔压、时间对数法或时间平方根法计算得出的固结系数均随着固结应力的增大而增大，这表明在固结过程中固结固结系数随着固结应力的改变而变化．系数并非常量

，

图９　连云港重塑黏土固结系数随固结应力变化关系曲线

［责任编辑　周文凯］