科普：固结试验快速指南-欧美大地仪器

根据“土力学之父”卡尔·冯·太沙基（Karl von Terzaghi）的说法，固结是“任何涉及饱和土壤含水量降低而没有空气代替水的过程”。更一般地说，固结是指土壤响应压力变化而改变体积的过程，包括压实和膨胀。

在本文中，我们将概述土壤固结试验，并且我们将：

• 定义什么是固结测试，

• 概述为什么要执行此测试，

• 典型的测试持续时间，

• 解释不同类型的固结试验和方法；还有，

• 详细的设备要求。

土壤的固结试验——是什么？

固结试验通常在饱和圆柱形土壤样品上进行，旨在测量样品在承受载荷时高度变化的量和速率。

当在低渗透性土壤上施加荷载时，它可以被移除，最初由土壤样品孔隙中的水支撑，随着荷载的增加，样品内部的孔隙水压力迅速增加。随着水从土壤空隙中排出，多余的孔隙水压力消散，压力转移到逐渐压缩的土壤骨架上，导致沉降。

为了进行土壤固结，样品必须受到径向约束(通常使用不锈钢切割环)并承受垂直载荷(应力)。垂直高度在测试过程中会发生变化，但是样品的直径需要始终保持不变。

为什么要进行固结测试？

固结试验通常用于评估土壤压缩性。引起固结的增量施加应力可能是由于自然荷载(如沉降过程)、人为荷载(如在建筑或土体上方筑堤时)甚至地下水位降低时。

具体而言，固结测试可用于回答以下问题:

• 沉降是短期的还是长期的？

• 最终会达成多少什么沉降量？

• 在施工阶段，是否存在任何可能导致不均匀沉降的不均匀土壤条件？

• 可压缩材料的深层地层如何影响沉降特性？

• 我们能估计一下固结的速度吗？

固结过程持续多长时间？

固结过程的持续时间是一个关键问题，主要取决于承受荷载的土壤的渗透性和排水路径。一般来说，砂土中的固结速度很快(可能在施工期间立即发生)，而粘土中的固结过程可能持续多年甚至数十年。

固结过程通常分为3个阶段：

1. 初始固结:施加外部荷载压缩土壤空隙中的空气后，土壤质量体积的快速损失。

2. 初次固结:土壤沉降期间，多余的孔隙水压力转移到土壤的骨架。

3. 二次固结:一次固结后出现的进一步的土壤沉降，当土壤受到近乎恒定的载荷时，会影响土壤的结构。这个过程通常被称为“蠕变”。

固结试验的类型

土工实验室可以通过几种方式测量土壤的固结特性:

一维固结试验

这是较简单和较常见的方法，通常称为固结试验、固结仪试验和逐级加荷固结仪。在这种情况下，土体的侧向应变被忽略；施加不同的垂直载荷。由于测试过程相对容易且所需设备简单，这些通常在实验室进行。[如Controls的Front Loading Oedometers]

恒定应变率(CRS)固结试验

除了最常见的逐级加荷固结外，还可以进行各种试验，使用连续受控应变轴向压缩来测量饱和粘性土的强度和固结率，这种压缩也允许过量水分消散。使用CRS压力室的固结试验比标准增量载荷试验更快。尽管执行起来很快，但结果和其他方法一样准确。使用CRS压力室，可以连续监测过量的孔隙压力，因此测试可以以最大速度运行，进一步提高测试样品的产量。

液压固结试验

逐级加荷固结试验也可以用不同的装置进行，hydraulic consolidation cell利用液压施加垂直力。这种类型的压力室可以让你从土壤试样中获得更多的信息。(例如，液压导致的低渗透性)。

如何进行固结测试？

逐级加荷–标准

一维固结试验的典型固结系统如下所示。

在一个standard front loading oedometer system框架(固结仪)用于利用加在杠杆臂上的自重向样品施加垂直应力。

您可以将固结仪系统配置为：

• 模拟型:这包括使用千分表测量垂直沉降

• 电子型:使用这种配置，您需要连接一个位移传感器到自动数据采集系统上。

典型配置需要以下组件：

• Oedometer固结装置:由坚固的铝合金框架制成的前部加载固结仪

• Bench长台:足够长，可以放三个固结仪

• Consolidation cell:固结压力室 它包含一个由钢制的环刀，可以垂直装载样品，同时防止样品径向变形。还有允许水分从样品中消散的多孔透水石和施加垂直应力的加载帽。标准固结室的直径从50.47毫米到112.80毫米不等，通常与前置加载固结装置一起使用，尽管它们也可以与自动系统一起使用。

• Displacement transducer (dial gauge)位移传感器:对于位移传感器(电子版本)的垂直沉降测量，必须将其与专用数据采集系统相关联

• Set of weights配重:这些用于向土壤样品施加不同的荷载。

以下图片分别为模拟型三连的固结仪和电子型三连的固结仪图片。

全自动加荷固结

也可以使用自动系统在自动模式下对相同的固结压力室执行逐级加荷；它的步进电机将样品向上移动到荷重传感器上，对样品施加垂直应力。

PID闭环控制通过多个测试步骤提供快速、平稳和准确的装载保持。

这是通过测量施加在样品上的垂直载荷的测压元件来实现的。一个或几个设备通常通过电脑软件控制，允许在整个测试过程中进行完全控制和采集。

为了提高样品通量，软件允许您设置预设标准，以便在自动模式下跳到下一个步骤，包括：

• 经过时间
  

• 固结率

• 膨胀监测

CRS-恒应变速率

您也可以使用能够同时提供应力和应变控制的自动固结仪来执行CRS试验。这里，土壤受到均匀变形；在此固结过程中测量轴向力、轴向变形和基底超孔隙水压。

从自动固结仪中，您需要添加额外的配置：

• CRS 压力室:设计用于横向限制和轴向排水的试样。它还提供了测量超孔隙水压力的可能性。
  

• 延长杆:为了获得适合CRS压力室的正确垂直净空

• 压力传感器:孔隙压力传感器用于测量施加垂直应力时样品中的压力变化。

• 一条水路:压力控制器提供反压。这使得样品在垂直应力施加到样品之前饱和。

还需要额外的设备，如除气水系统、将压力室和压力系统连接在一起的管路以及试样制备设备。

液压固结–水力型Hydrocon

以下是典型的Hydrocon配置：

• Hydrocon:用于饱和土试验的液压固结仪；有手动和电子两种测试配置，可自动采集数据。试验过程中，施加反压和轴向压力，并测量垂直沉降、孔隙压力和体积变化。还提供了用于非饱和土壤试验的特定液压固结仪，在这种情况下，还应用了空气压力。见下图:
  

• 位移传感器:用于测量土壤样品的垂直沉降
  

• 孔隙压力传感器:用于测量施加垂直应力时样品中的压力变化。

• 压力系统:需要两条压力管线，一条用于垂直载荷应用，另一条用于反压管线。

• 体积变化装置:用于测量渗入样品的水量。

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