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        兩種測(cè)定固結(jié)系數(shù)試驗(yàn)方法
        ——孔隙水壓力消散法與固結(jié)儀法的比較

        2015-11-04 10:28:41李雄飛
        城市道橋與防洪 2015年1期
        關(guān)鍵詞:儀法受力孔隙

        李雄飛

        (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市200092)

        兩種測(cè)定固結(jié)系數(shù)試驗(yàn)方法
        ——孔隙水壓力消散法與固結(jié)儀法的比較

        李雄飛

        (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市200092)

        隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,各種類型建筑物的新建,越來越多的建筑類型對(duì)沉降的要求也越來越高。如何多方面提供沉降計(jì)算參數(shù)成為土工試驗(yàn)中所要研究的新課題。目前室內(nèi)試驗(yàn)中廣泛采用固結(jié)儀法來計(jì)算固結(jié)系數(shù),通過繪圖計(jì)算結(jié)果,如何從其他試驗(yàn)途徑尋求計(jì)算固結(jié)系數(shù)的方法為人們所探究的方向?,F(xiàn)將以孔隙水壓力消散試驗(yàn)法計(jì)算固結(jié)系數(shù),通過與固結(jié)儀法的比較,分析兩種試驗(yàn)方法所得結(jié)果的差異,評(píng)價(jià)兩種方法的差異性。

        固結(jié)系數(shù);孔隙水壓力;時(shí)間因子;消散度

        1 固結(jié)儀法

        采用土工試驗(yàn)固結(jié)儀,依據(jù)太沙基單向固結(jié)理論,假設(shè)條件為土體是均勻的、土體完全飽和、土顆粒和水是不可壓縮的、孔隙水只沿一個(gè)方向滲流、滲流符合達(dá)西定律,同時(shí)土顆粒也只沿豎直方向位移,在外荷載一次瞬時(shí)施加時(shí),孔隙水從土體中排出,土體開始變形(即開始固結(jié))。試驗(yàn)?zāi)P鸵妶D1所示。

        圖1 試驗(yàn)?zāi)P?/p>

        目前在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)固結(jié)系數(shù)的計(jì)算方法多采用時(shí)間平方根法及時(shí)間對(duì)數(shù)法確定。時(shí)間平方根法:對(duì)某一級(jí)壓力,以試樣的變形為縱坐標(biāo),時(shí)間平方根為橫坐標(biāo),繪制變形與時(shí)間平方根關(guān)系曲線,延長(zhǎng)曲線開始段的直線,交縱坐標(biāo)于ds為理論零點(diǎn),過ds作另一直線,令其橫坐標(biāo)為前一直線的1.15倍,則后一直線與d-曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間的平方即為試樣固結(jié)度達(dá)90%所需要的時(shí)間t90(見圖2(a)),則該級(jí)壓力下的固結(jié)系數(shù)按下式計(jì)算:

        通過時(shí)間對(duì)數(shù)法(操作方法略,見規(guī)范GB/T50123-1999)計(jì)算固結(jié)度達(dá)到50%所需的時(shí)間t50(見圖2(b)),則該壓力下固結(jié)系數(shù)按下式計(jì)算:

        2 孔隙水壓力消散試驗(yàn)法

        當(dāng)土體在受壓時(shí),將發(fā)生變形,而土體的變形主要是通過土體中孔隙的減少。相對(duì)于飽和土體而言,土體中的孔隙減少實(shí)質(zhì)是土中孔隙水的排出,土體中孔隙水的排出過程,即為土的固結(jié)過程。該項(xiàng)試驗(yàn)主要通過孔隙水壓力消散的過程,結(jié)合相關(guān)公式,計(jì)算出相應(yīng)土體的固結(jié)系數(shù)。

        孔隙水壓力消散試驗(yàn)采用三軸試驗(yàn)儀,三軸試驗(yàn)儀配有孔壓傳感器和排水傳感器(傳感器精度滿足誤差小于、等于0.5%)。試驗(yàn)中飽和土試樣在周圍壓力作用下(受力條件見圖3所示),產(chǎn)生一定孔隙水壓力,孔隙水壓力相關(guān)系數(shù)(B)大于95%開始排水,在排水過程中,各級(jí)壓力下產(chǎn)生的消散系數(shù)C′V,即為土體相應(yīng)壓力下的固結(jié)系數(shù)。相關(guān)的試驗(yàn)操作方法見水利部土工試驗(yàn)規(guī)程(SL237-1999)。計(jì)算方法見下式:

        圖2 固結(jié)度曲線圖

        圖3受力條件示意圖

        任一時(shí)間t后的孔隙壓力消散百分?jǐn)?shù):

        式中:ui、ut——分別為起始及tmin后不排水端的孔隙壓力值,kPa。

        各向等壓力下任一消散度的消散系數(shù):

        式中:t——散時(shí)間(達(dá)任意消散度所需的時(shí)間),min;

        Tv——任一消散度的時(shí)間因數(shù);

        60——秒與分的換算系數(shù);

        式中:

        AC——試樣固結(jié)后的斷面面積,cm2;

        ΔV——試樣固結(jié)后與固結(jié)前的體積變化,

        cm3(排水體積);

        V0、A0——試樣的初始體積,cm3、初始面積,cm2。

        孔隙壓力消散百分?jǐn)?shù)(Dc)與時(shí)間因數(shù)(Tv)關(guān)系見圖4所示,對(duì)任一消散度下的時(shí)間因數(shù)可采用內(nèi)差法取值。

        圖4 Dc與Tv關(guān)系曲線圖

        通過上面公式可以看出,根據(jù)孔隙水壓力消散試驗(yàn)測(cè)得的固結(jié)系數(shù)是由計(jì)算而得,人為影響因素較小。

        3 兩種試驗(yàn)方法比較

        在固結(jié)儀法和孔隙水壓力消散試驗(yàn)法中,其實(shí)質(zhì)都是孔隙水從土體中排出的過程,所以對(duì)土體中飽和度要求較高。試驗(yàn)過程中土體的均勻程度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)影響很大。由于孔隙水消散試驗(yàn)的應(yīng)用還處于探索階段,相關(guān)技術(shù)還不是很成熟,為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和兩種試驗(yàn)方法的可比性,此次試驗(yàn)采用土質(zhì)較為均勻的上海地區(qū)④層飽和軟粘土作為研究對(duì)象。通過對(duì)20組試樣進(jìn)行試驗(yàn),兩種方法試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比見表1所列。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較:通過兩種試驗(yàn)方法的比較可以看出,在各項(xiàng)物理指標(biāo)都比較接近的情況下,相同壓力下固結(jié)儀法測(cè)得的固結(jié)系數(shù)比孔隙水壓力消散試驗(yàn)法所測(cè)得固結(jié)系數(shù)偏小。數(shù)據(jù)差異原因分析如下:

        (1)排水條件不同。固結(jié)試驗(yàn)法排水條件為豎向雙面排水,而孔隙水消散法受儀器的限制為單向排水,排水條件的差異勢(shì)必對(duì)土體固結(jié)系數(shù)產(chǎn)生影響。

        (2)受力條件不同。固結(jié)儀法依據(jù)太沙基單向固結(jié)理論,受力方向?yàn)樨Q直方向,土體只沿豎向變形,側(cè)向不發(fā)生變形;孔隙水壓力消散試驗(yàn)為各向等壓,土體在受壓過程中產(chǎn)生整體變形。

        (3)計(jì)算方式不同。固結(jié)試驗(yàn)法主要通過作圖法求得,而目前廣泛采用的時(shí)間平方根法和時(shí)間對(duì)數(shù)法,只能通過t90和t50計(jì)算固結(jié)系數(shù);而孔隙水消散試驗(yàn)通過所測(cè)數(shù)據(jù)直接使用相關(guān)公式計(jì)算,求得任一消散度下的固結(jié)系數(shù)。

        表1 兩種方法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比表

        4 結(jié)論

        從試驗(yàn)條件來看,孔隙水壓力消散試驗(yàn)的受力條件更接近于土體在施工中的實(shí)際受力條件,固結(jié)程度相對(duì)較好,所得數(shù)據(jù)更精確,在計(jì)算方式上采用公式計(jì)算人為因素較小。但從試驗(yàn)操作步驟來看,孔隙水消散試驗(yàn)法要求試驗(yàn)人員應(yīng)具有相當(dāng)高技術(shù)操作能力,而固結(jié)試驗(yàn)法操作起來比較簡(jiǎn)單,試驗(yàn)周期相對(duì)也較短。目前工程設(shè)計(jì)中大多采用固結(jié)儀法測(cè)定的固結(jié)系數(shù)參數(shù),積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)人員容易接受,而孔隙水消散法還處在理論運(yùn)用階段,積累經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少??傮w來講孔隙水壓力消散法在試驗(yàn)精度上更接近于真實(shí)值,適用于更精確的沉降計(jì)算;固結(jié)儀法試驗(yàn)程序相對(duì)簡(jiǎn)單適合大規(guī)模的常規(guī)計(jì)算。在建筑對(duì)沉降要求較高時(shí),能滿足工期的情況下,孔隙水消散法測(cè)固結(jié)系數(shù)還是可行的。

        由于該項(xiàng)試驗(yàn)尚在探索中,研究過程中為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,試驗(yàn)中所采用土層為均質(zhì)類粘性土,存在一定的局限性,在工程中涉及的其他非均質(zhì)土還有待進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

        U432

        A

        1009-7716(2015)01-0156-03

        2014-08-13

        李雄飛(1983-),男,四川廣安人,工程師,從事巖土工程檢測(cè)工作。

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