作者：ALESSANDRO MAGGIONI
職務(wù)：產(chǎn)品經(jīng)理|CONTROLS
固結(jié)實驗快速指南
翻譯：陳棟
根據(jù)“土力學(xué)之父”卡爾·馮·太沙基（Karl?von?Terzaghi）的說法，固結(jié)是“任何涉及飽和土壤含水量降低而沒有空氣代替水的過程”。更一般地說，固結(jié)是指土壤響應(yīng)壓力變化而改變體積的過程，包括壓實和膨脹。
在本文中，我們將概述土壤固結(jié)試驗，并且我們將:
? 定義什么是固結(jié)測試，
? 概述為什么要執(zhí)行此測試，
? 典型的測試持續(xù)時間，
? 解釋不同類型的固結(jié)試驗和方法；還有，
? 詳細(xì)的設(shè)備要求。
土壤的固結(jié)試驗——是什么？
固結(jié)試驗通常在飽和圓柱形土壤樣品上進(jìn)行，旨在測量樣品在承受載荷時高度變化的量和速率。
當(dāng)在低滲透性土壤上施加荷載時，它可以被移除，最初由土壤樣品孔隙中的水支撐，隨著荷載的增加，樣品內(nèi)部的孔隙水壓力迅速增加。隨著水從土壤空隙中排出，多余的孔隙水壓力消散，壓力轉(zhuǎn)移到逐漸壓縮的土壤骨架上，導(dǎo)致沉降。
為了進(jìn)行土壤固結(jié)，樣品必須受到徑向約束(通常使用不銹鋼切割環(huán))并承受垂直載荷(應(yīng)力)。垂直高度在測試過程中會發(fā)生變化，但是樣品的直徑需要始終保持不變。
為什么要進(jìn)行固結(jié)測試？
固結(jié)試驗通常用于評估土壤壓縮性。引起固結(jié)的增量施加應(yīng)力可能是由于自然荷載(如沉降過程)、人為荷載(如在建筑或土體上方筑堤時)甚至地下水位降低時。
具體而言，固結(jié)測試可用于回答以下問題:
? 沉降是短期的還是長期的？
? 最終會達(dá)成多少什么沉降量？
? 在施工階段，是否存在任何可能導(dǎo)致不均勻沉降的不均勻土壤條件？
? 可壓縮材料的深層地層如何影響沉降特性？
? 我們能估計一下固結(jié)的速度嗎？
固結(jié)過程持續(xù)多長時間？
固結(jié)過程的持續(xù)時間是一個關(guān)鍵問題，主要取決于承受荷載的土壤的滲透性和排水路徑。一般來說，砂土中的固結(jié)速度很快(可能在施工期間立即發(fā)生)，而粘土中的固結(jié)過程可能持續(xù)多年甚至數(shù)十年。
固結(jié)過程通常分為3個階段:
1. 初始固結(jié):施加外部荷載壓縮土壤空隙中的空氣后，土壤質(zhì)量體積的快速損失。
2. 初次固結(jié):土壤沉降期間，多余的孔隙水壓力轉(zhuǎn)移到土壤的骨架。
3. 二次固結(jié):一次固結(jié)后出現(xiàn)的進(jìn)一步的土壤沉降，當(dāng)土壤受到近乎恒定的載荷時，會影響土壤的結(jié)構(gòu)。這個過程通常被稱為“蠕變”。
固結(jié)試驗的類型
土工實驗室可以通過幾種方式測量土壤的固結(jié)特性:
一維固結(jié)試驗
這是較簡單和較常見的方法，通常稱為固結(jié)試驗、固結(jié)儀試驗和逐級加荷固結(jié)儀。在這種情況下，土體的側(cè)向應(yīng)變被忽略；施加不同的垂直載荷。由于測試過程相對容易且所需設(shè)備簡單，這些通常在實驗室進(jìn)行。[如Controls的Front Loading Oedometers]
恒定應(yīng)變率(CRS)固結(jié)試驗
除了最常見的逐級加荷固結(jié)外，還可以進(jìn)行各種試驗，使用連續(xù)受控應(yīng)變軸向壓縮來測量飽和粘性土的強度和固結(jié)率，這種壓縮也允許過量水分消散。使用CRS壓力室的固結(jié)試驗比標(biāo)準(zhǔn)增量載荷試驗更快。盡管執(zhí)行起來很快，但結(jié)果和其他方法一樣準(zhǔn)確。使用CRS壓力室，可以連續(xù)監(jiān)測過量的孔隙壓力，因此測試可以以最大速度運行，進(jìn)一步提高測試樣品的產(chǎn)量。
液壓固結(jié)試驗
逐級加荷固結(jié)試驗也可以用不同的裝置進(jìn)行，hydraulic consolidation cell利用液壓施加垂直力。這種類型的壓力室可以讓你從土壤試樣中獲得更多的信息。(例如，液壓導(dǎo)致的低滲透性)。
典型配置需要以下組件:
? Oedometer固結(jié)裝置:由堅固的鋁合金框架制成的前部加載固結(jié)儀
? Bench長臺:足夠長，可以放三個固結(jié)儀
? Consolidation cell:固結(jié)壓力室 它包含一個由鋼制的環(huán)刀，可以垂直裝載樣品，同時防止樣品徑向變形。還有允許水分從樣品中消散的多孔透水石和施加垂直應(yīng)力的加載帽。標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)室的直徑從50.47毫米到112.80毫米不等，通常與前置加載固結(jié)裝置一起使用，盡管它們也可以與自動系統(tǒng)一起使用。
? Displacement transducer (dial gauge)位移傳感器:對于位移傳感器(電子版本)的垂直沉降測量，必須將其與專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)
? Set of weights配重:這些用于向土壤樣品施加不同的荷載。
以下圖片分別為模擬型三連的固結(jié)儀和電子型三連的固結(jié)儀圖片。
全自動加荷固結(jié)
也可以使用自動系統(tǒng)在自動模式下對相同的固結(jié)壓力室執(zhí)行逐級加荷；它的步進(jìn)電機將樣品向上移動到荷重傳感器上，對樣品施加垂直應(yīng)力。
PID閉環(huán)控制通過多個測試步驟提供快速、平穩(wěn)和準(zhǔn)確的裝載保持。
這是通過測量施加在樣品上的垂直載荷的測壓元件來實現(xiàn)的。一個或幾個設(shè)備通常通過電腦軟件控制，允許在整個測試過程中進(jìn)行完全控制和采集。
您可以使用軟件預(yù)先設(shè)置所有測試條件，然后讓每個估計儀r裝置獨立執(zhí)行整個測試，自動提供所有測試程序的一致性，并允許您在測試運行時執(zhí)行其他任務(wù)。
為了提高樣品通量，軟件允許您設(shè)置預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，以便在自動模式下跳到下一個步驟，包括:
? 經(jīng)過時間
? 固結(jié)率
? 膨脹監(jiān)測
CRS-恒應(yīng)變速率
您也可以使用能夠同時提供應(yīng)力和應(yīng)變控制的自動固結(jié)儀來執(zhí)行CRS試驗。這里，土壤受到均勻變形；在此固結(jié)過程中測量軸向力、軸向變形和基底超孔隙水壓。
從自動固結(jié)儀中，您需要添加額外的配置:
? CRS 壓力室:設(shè)計用于橫向限制和軸向排水的試樣。它還提供了測量超孔隙水壓力的可能性。
? 延長桿:為了獲得適合CRS壓力室的正確垂直凈空
? 壓力傳感器:孔隙壓力傳感器用于測量施加垂直應(yīng)力時樣品中的壓力變化。
? 一條水路:壓力控制器提供反壓。這使得樣品在垂直應(yīng)力施加到樣品之前飽和。[鏈接到液壓獨立系統(tǒng)]
還需要額外的設(shè)備，如除氣水系統(tǒng)、將壓力室和壓力系統(tǒng)連接在一起的管路以及試樣制備設(shè)備。
液壓固結(jié)–水力型Hydrocon
以下是典型的Hydrocon配置:
? Hydrocon:用于飽和土試驗的液壓固結(jié)儀；有手動和電子兩種測試配置，可自動采集數(shù)據(jù)。試驗過程中，施加反壓和軸向壓力，并測量垂直沉降、孔隙壓力和體積變化。還提供了用于非飽和土壤試驗的特定液壓固結(jié)儀，在這種情況下，還應(yīng)用了空氣壓力。見下圖:
? 位移傳感器:用于測量土壤樣品的垂直沉降
? 孔隙壓力傳感器:用于測量施加垂直應(yīng)力時樣品中的壓力變化。
? 壓力系統(tǒng):需要兩條壓力管線，一條用于垂直載荷應(yīng)用，另一條用于反壓管線。
? 體積變化裝置:用于測量滲入樣品的水量。
還需要額外的設(shè)備，如除氣水系統(tǒng)、將壓力室和壓力系統(tǒng)連接在一起的管路以及試樣制備設(shè)備
