快速固结法测定固结系数的试验研究

陈素侠，王 楠，孟令福，胡相波（.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300； .中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300）



快速固结法测定固结系数的试验研究

陈素侠1，王 楠1，孟令福1，胡相波2
（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222； 2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

摘要：本文以鲅鱼圈地区粘性土为研究对象，进行了2 h快速固结试验和24 h标准固结试验，对两种试验所得的数据进行对比，经过数据的归纳分析，发现两者间具有良好的相关性，对2 h快速固结试验所得固结数据修正可以得到24 h标准固结试验的固结系数。提出在工程实践中可以用2 h快速固结试验法代替24 h标准固结试验法，以提高固结试验的效率。

关键词：固结试验；固结系数；2 h快速法；相关性

引 言

固结系数是固结理论的一项重要的指标，也是土力学中重要的计算参数。目前，固结系数主要通过室内标准固结试验获取，这种方法被普遍认为是比较可靠的方法，国家标准《土工试验方法标准》（GB/T 50123- 1999）和水利部行业标准《土工试验规程》（SL237—1999）都推荐使用该方法。标准固结试验采用各级荷载下固结24 h作为稳定标准，因而试验持续时间较长。为了解决这一问题，近年来，许多学者都在进行快速固结试验方法的研究，但多数仅针对少数地区，其研究结果也有差异。1990年钱炳生、莫群华［1］研究了快速固结测定固结系数的理论，对快、慢速法试验成果进行对比，认为2 h快速试验测定土的固结系数是可取的；1997年田岳峰［2］通过大量对比试验，研究了固结试验快速法的误差，提出了快速法的适用范围；2001年冯蓓蕾、赵玉花［3］在大量统计对比和相应理论分析基础上提出了上海地区快速法固结试验经验修正系数K值；2004年罗来芬［4］结合工程实际对土的固结试验快速法压缩系数与常规法压缩系数进行了对比分析，并得到土的固结试验快速法可得到与常规试验近似的结果；2007年马莉［5］通过工程实际对标准固结试验与快速固结试验两种方法分别测到的压缩系数进行分析，指出土的压缩系数与试验方法和土的性质有很大关系等。上述学者们主要从压缩系数和压缩模量方面对快速固结法和标准固结法进行了研究，而对固结系数方面的研究却很少，所以，通过对快速固结法和标准固结法试验得到的固结系数进行深入研究是有重要意义的。

本次试验以营口鲅鱼圈地区粘性土为研究对象，共选取 72个代表性土样进行对比试验，主要为粘土和粉质粘土，粘土的颜色主要为灰褐色、灰黄色、黄褐色等，处于可塑～硬塑状态，部分土样或夹少量砂斑或夹少量铁锈斑或含有少量有机质；粉质粘土的颜色主要为灰褐色、灰黄色、黄褐色等，处于可塑～硬塑状态，部分土样或夹少量砂斑或夹少量铁锈斑。其主要物理力学指标如表1所示。

1 土样的选取

表1 土的主要物理力学指标

2 试验仪器及方法

本次试验采用的仪器为北京华勘科技有限责任公司生产的KTG-98全自动固结仪，试验过程由电脑自动控制、直接采集信息，避免人为读数时可能造成的误差。所有传感器、采集器等仪器仪表都在检定期内。

标准固结试验法是采用每级压力下固结 24 h的稳定标准；2 h快速固结试验法（以下简称2 h快速法）是采用每级压力下固结时间为 2 h，仅在最后一级压力下，除测记 2 h的变形量外，还测记24 h达到变形稳定的读数。其成立的理由是，对于2 cm厚的试样，在压力作用下2 h的固结度一般可以达到90 %以上，可以有效缩短试验时间。

3 试验数据分析

试验共选取 72个代表性土样，在压力级别为50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa下分别进行2 h快速固结试验和24 h标准固结试验，并分别对各压力级别下两种试验得到的固结系数进行统计，详见表2。表2中：Cv1为24 h标准固结系数；Cv2为2 h快速法固结系数。

表2 两种试验方法所得各级压力下的固结系数的统计

图1 50 kPa压力下固结系数关系曲线

图2 100 kPa压力下固结系数关系曲线

图3 200 kPa压力下固结系数关系曲线

图4 400 kPa压力下固结系数关系曲线

同时，通过分别对各压力级别下两种试验得到的固结系数进行分析，得到了图1～4中两种固结系数的线性关系。

从图1～图4中可以看出：

1）在相同的固结荷载下，2 h快速法得到的固结系数与 24 h标准固结试验法得到的固结系数线性相关性很好；

2）在不同荷载下，土的两种试验方法下的固结系数的相关性并不相同，在50 kPa压力下时，固结系数的相关性相比其他压力下较小，在100 kPa压力下时，相关性比50 kPa压力下时的要好，相关系数也提高了，但并不是随着压力的增加，两种方法的得到的固结系数的相关性也相应增高，在200 kPa 和400 kPa压力下两者的相关性却降低了。其主要原因是：在50 kPa压力下时，由于在试样的安装过程中，受到不同程度的人为因素影响造成的，而不同压力下固结系数的相关性并不相同或呈现增长趋势，这主要由于地基土在外荷载作用下，水和空气逐渐被挤出，土骨架颗粒之间相互挤密，土的孔隙减小，从而引起土的压缩变形，而土体是不均匀的，因此土的压缩并不是线性的，从而导致土的压缩变形是不均匀的。

4 检验分析

1）方差分析

考察公式中2个变量的各种方差（见表3），从表中我们可以看到 50 kPa、100 kPa、200 kPa及400 kPa压力下其对应的F值远远大于置信度1-α =0.95和1-α=0.99时的临界值，说明公式本身的线性相关性是非常显著的，即2 h快速试验法得到的各级压力下的固结系数与标准 24 h试验法得到各级压力下的固结系数的数据之间的相关性是非常高的。

表3 公式方差分析

2）相关系数分析

经计算， 50 kPa压力下，公式相关系数：

r2= 0.833 8 ，|r| = 0.913 1；

100 kPa压力下，公式相关系数：

r2= 0.919 5，|r| =0.958 9；

200 kPa压力下，公式相关系数：

r2= 0.910 2 ，|r| = 0.954 0；

400 kPa压力下，公式相关系数：

r2= 0.895 5 ，|r| = 0.946 3；

而置信度1-α =0.95和1-α=0.99时的相关系数临界值 r0.01（70）≈0.30＞ r0.05（70）≈0.23，|r ＞＞ | r0.01。

所以从相关系数角度分析，各级压力下，两种试验方法所得的固结系数之间的相关性是非常高。

综上所述，我们通过2 h快速试验法得到的固结系数与标准 24 h试验法得到的固结系数存在良好的线性相关关系，其各级压力下的线性回归方程如下：

50 kPa压力下的修正公式：

Cv1= 0.945 3Cv2 + 0.132 6

100 kPa压力下的修正公式：

Cv1 = 1.067 7Cv2- 0.622 5

200 kPa压力下的修正公式：

Cv1 = 0.961 1Cv2- 0.242 1

400 kPa压力下的修正公式：

Cv1= 0.948Cv2 + 0.04

5 结 论

本试验主要通过对营口港鲅鱼圈地区的一组粘性土样（其塑性指数在10～26之间的粉质粘土和粘土）进行研究，通过对试验数据分析研究可以得到以下结论：

1）2 h快速固结试验法和24 h标准固结试验法得到的各级压力下的固结系数有良好的线性相关性，在工程实践中，用 2 h快速固结试验法代替24 h标准固结试验法用于生产是可行的，可以起到缩短试验周期，提高生产效率和生产能力的目的，在实际生产中具有实用价值。

2）由于土是非均质的，土的沉降不是随荷载的增加呈线性增长的，所以两种试验方法得到的固结系数的相关性在不同压力下并不相同也不呈线性增长趋势。

3）本文仅对鲅鱼圈地区的粘性土的固结系数进行的归纳研究，由于土具有区域性。故对其它地区的土，在使用2 h快速固结试验法代替24 h标准固结试验时，需先进行可行性验证。

参考文献：

［1］ 钱炳生，莫群欢.快速固结试验测定土的固结系数的研究［J］.大坝观测土与土工测试，1991.

［2］ 田岳峰.固结试验快速法可靠性研究［J］.岩土工程技术， 1997， 3： 21-22.

［3］ 冯蓓蕾， 赵玉花.快速法固结试验经验修正系数的探讨［J］.上海地质， 2001， 78（2）.

［4］ 罗来芬.土的固结试验快速法与常规法试验结果的对比分析［J］.探矿工程（岩土钻掘工程） ， 2004， 10：201-23.

［5］ 马莉.标准固结试验与快速固结试验方法的对比分析［J］.山西建筑， 2007， 33（20）： 116-117.

［6］ JTS133-2013水运工程岩土勘察规范［S］.北京：人民交通出版社，2013

［7］ 南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册［M］.北京：人民交通出版社，2003

［8］ SL237-1999土工试验规程［S］.北京：中国水利水电出版社，1999.

The Experimental Research on Rapid Consolidation Method of Scale Coefficient Consolidation

Chen Suxia1，Wang Nan1，Meng Lingfu1，Hu Xiangbo2
（1.CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China； 2.China Water Resources Beifang Investigation Design and Research Co.， Ltd.， Tianjin 300222，China）

Abstract：In this paper， clay soil from Bayuquan area was chosen for the study.2-hour rapid consolidation test and 24-hour standard consolidation test were conducted.The results of the two types of test shows that they has a good relevance.The data of 24-hour standard consolidation test can be calculated from data of 2-hour rapid consolidation test with data correction.It means in engineering practice 2-hour apid consolidation test method can be used to replace the 24-hour standard consolidation test method to improve the efficiency of consolidation tests.

Key words：standard consolidation test；coefficient of consolidation； 2-hour rapid method；correlation

中图分类号：TU472

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）02-0095-04

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160225

收稿日期：2015-10-26

作者简介：陈素侠（1984-），女，工程师，主要从事港口及航道工程地质勘察和土工试验相关工作。