试验四、固结试验

（一）概述

固结试验的目的在于测定试样在侧限和垂直排水条件下的压力、变形和时间以及孔隙比和压力间的关系。以便绘制压缩曲线，求得土的压缩系数av、压缩模量Es、压缩指数Cc、固结系数Cv以及原状土的先期固结压力pc，用来判断土的压缩性和进行变形计算。

（二）试验原理

试样装在厚壁金属容器内，上下各放一块透水石，然后在试样上分级施加垂直压力p。测记加压后不同时间的垂直变形，由于试样受金属厚壁容器的限制，不可能产生侧向膨胀，因此该试验称为侧限压缩试验，或无侧胀压缩试验。

设加压前土样的高度为H0，面积为A，土样的体积为V0，颗粒体积为Vs0，孔隙体积为Vv0。压缩前后土的体积变化示意图如图 4–1。

根据图 4-1可得

H0H1H0(H0H1)AH0AV0V1 V0

图 4–1 压缩前后土的体积变化示意图

Vs0Vv0(Vs1Vv1)

Vs0Vv0由于土粒的压缩量常可忽略不计，故Vs0Vs1，代入上式得

Vv0H0H1H0HH0Vv0Vv1Vs0Vv0Vs0Vs0Vs0Vv1Vs0Vv0Vs0e0e1 1e0 （ 4–1）

即

e1e0HH0(1e0)

（ 4–2）

若通过试验测得稳定压缩量H，则可由上式求得相应的孔隙比e1；同样，在不同的压力p2、p3、p4作用下都可测得稳定的压缩变形量，并求得相应的孔隙比e2、e3、e4等，则可绘制e—p曲线（或e—lgp曲线）。

（三）仪器设备

目前常用的固结仪有磅秤式、杠杆加压式或其他加压设备形式。本试验用杠杆加压式。

（1）固结仪：固结仪包括固结容器和加压设备两部分，如图 4–2所示。试样面积30cm2或50 cm2，高2cm；加压设备为杠杆及砝码；

（2）天平：感量0.01g及0.1g各一台； （3）量表：最小分度为0.01mm，量程10mm； （4）其他：秒表、烘箱、钢丝锯、削土刀、土盒、凡土林等。

（四）操作步骤

1．试样制备及含水率测定

整平试样两端，用环刀套切试样。切取试样时应注意下

图 4–2 固结仪示意图

1–水槽；2–护环；3–环刀；4–加压上盖； 5–透水石；6–量表导杆；7–量表架；8–试样

列几点：

（1）切取原状试样时，土层受压方向应与天然土层受压方向一致，并描述土样结构、颜色、有无杂质等。

（2）环刀内壁涂一薄层凡士林，以减少试样与环刀壁的摩擦及对试样的扰动。

（3）切取试样时，先将环刀刃口向下压入土样少许，将土样修成略大于环刀直径的土样，边修边压，直至试样突出环刀为止，然后修去上下两端余土，修平试样表面（注意不要来回涂抹）。

在切削过程中，应细心观察土样，进行必要的描述。 用切取试样的余土同时测定土样的初始含水率。 2．测定试样密度

将环刀外壁擦净，称环刀加土质量，准确至0.1g。用以计算土的密度（如试样需要饱和，应按规定法进行饱和，并测定饱和前后试样的密度）。

3．安装试样

将带有环刀的试样，小心装入护环，再装入固结容器内，然后放上透水石和加压盖板。 4．固结容器和量表安装

将装好的固结容器放在加压框架下，对准加压框架正中，装上量表，并调节其可伸长距离不小于8mm，然后检查量表是否灵敏和垂直。

5．施加预压荷载

在砝码盘上加预压荷载50g（试样所受压力约1kPa）使试样与仪器上下各部分之间接触良好，然后转动量表表盘，使指针对准零点。

6．施加第一级荷重并测读量表读数

施加第一级荷重p1=50kPa（注意加砝码要轻，避免发生冲击和摇晃），如系饱水试样，应向固结容器内注水，使试样处于水下。在加荷的同时，开动秒表，记录量表读数。《土工试验规程》SL237-1999规定，加荷后应按下列时间顺序测记量表读数，即6\"、15\"、1´、2´15\"、4´、6´15\"、9´、12´15\"、16´、20´15\"、25´、30´15\"、36´、42´15\"、49´、64´、100´、200´、400´、23h和24h，至稳定为止。教学试验测定压缩系数受时间限制可选择15\"、1´、2´15\"、4´、6´15\"、9´、12´15\"、16´。

7．重复上述步骤加载

根据上述步骤施加p2=100kPa，p3=200kPa，p4=400kPa等各级荷载，并测读量表读数。

进入动画（固结试验）

（五）计算与绘图 1．计算

（1）计算试样的初始孔隙比eo

e0Gs(10.01w0)w01

（ 4–3）

式中

e0——初始孔隙比；

w0——试验前土样的含水率，%；

3

0——试样初始密度，g/cm；

3

w——水的密度，g/cm。

（2）计算各级荷载下压缩稳定后的相对沉降量Si

Sih

i （ 4–4）

h0式中 ∑△hi——某一压力下，试样压缩稳定后的总变形量（等于该荷载下压缩稳定后的量表读数减去仪器

变形量。仪器变形量由实验室给出），mm；

h0——试样的初始高度（等于环刀高度），mm。

（3）计算各级荷载下压缩稳定后的孔隙比ei

eie0(1e0)Si （4）计算压缩系数

av12e2e3 p3p2 （ 4–5）

（ 4–6）

式中 av1–2——p=100～200kPa范围内的压缩系数，MPa-1。 （5）计算压缩模量

Es1e0 av （ 4–7）

Es——压缩模量，MPa。 式中其余符号含义同上。

2．绘图：

（1）土的变形与时间关系曲线。 （2）压缩曲线，即e～p曲线。 （六）记录

本试验记录格式如下：

固结试验记录

试样编号 试样面积 班组 仪器编号 土粒比重Gs 姓名 试验前试样高度h0 mm 试验前孔隙比e0 试验日期 含水率试验 密度试验

试 验 前 试 验 后 加压压力 试样变形量 压缩后试样高度历时 （kPa） （mm） （mm） （h） p 孔隙比 ee01e0h0盒湿土质量号 （g） 干土质量（g） 含水率（%） 平均含

水率（%）

环刀号 湿土质量（g） 环刀容积（cm3） 湿密度（g/cm3） 压缩系数 （MPa–1） i压缩模量 （MPa） Es1e0avh ihh0h ih aeiei1 vpi1pi