陳素俠，王 楠，孟令福，胡相波（.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300； .中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300）

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快速固結(jié)法測定固結(jié)系數(shù)的試驗(yàn)研究

陳素俠1，王 楠1，孟令福1，胡相波2
（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222； 2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

摘要：本文以鲅魚圈地區(qū)粘性土為研究對象，進(jìn)行了2 h快速固結(jié)試驗(yàn)和24 h標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，對兩種試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，經(jīng)過數(shù)據(jù)的歸納分析，發(fā)現(xiàn)兩者間具有良好的相關(guān)性，對2 h快速固結(jié)試驗(yàn)所得固結(jié)數(shù)據(jù)修正可以得到24 h標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)的固結(jié)系數(shù)。提出在工程實(shí)踐中可以用2 h快速固結(jié)試驗(yàn)法代替24 h標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)法，以提高固結(jié)試驗(yàn)的效率。

關(guān)鍵詞：固結(jié)試驗(yàn)；固結(jié)系數(shù)；2 h快速法；相關(guān)性

引 言

固結(jié)系數(shù)是固結(jié)理論的一項(xiàng)重要的指標(biāo)，也是土力學(xué)中重要的計算參數(shù)。目前，固結(jié)系數(shù)主要通過室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)獲取，這種方法被普遍認(rèn)為是比較可靠的方法，國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123- 1999）和水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237—1999）都推薦使用該方法。標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)采用各級荷載下固結(jié)24 h作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，因而試驗(yàn)持續(xù)時間較長。為了解決這一問題，近年來，許多學(xué)者都在進(jìn)行快速固結(jié)試驗(yàn)方法的研究，但多數(shù)僅針對少數(shù)地區(qū)，其研究結(jié)果也有差異。1990年錢炳生、莫群華［1］研究了快速固結(jié)測定固結(jié)系數(shù)的理論，對快、慢速法試驗(yàn)成果進(jìn)行對比，認(rèn)為2 h快速試驗(yàn)測定土的固結(jié)系數(shù)是可取的；1997年田岳峰［2］通過大量對比試驗(yàn)，研究了固結(jié)試驗(yàn)快速法的誤差，提出了快速法的適用范圍；2001年馮蓓蕾、趙玉花［3］在大量統(tǒng)計對比和相應(yīng)理論分析基礎(chǔ)上提出了上海地區(qū)快速法固結(jié)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)K值；2004年羅來芬［4］結(jié)合工程實(shí)際對土的固結(jié)試驗(yàn)快速法壓縮系數(shù)與常規(guī)法壓縮系數(shù)進(jìn)行了對比分析，并得到土的固結(jié)試驗(yàn)快速法可得到與常規(guī)試驗(yàn)近似的結(jié)果；2007年馬莉［5］通過工程實(shí)際對標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)與快速固結(jié)試驗(yàn)兩種方法分別測到的壓縮系數(shù)進(jìn)行分析，指出土的壓縮系數(shù)與試驗(yàn)方法和土的性質(zhì)有很大關(guān)系等。上述學(xué)者們主要從壓縮系數(shù)和壓縮模量方面對快速固結(jié)法和標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)法進(jìn)行了研究，而對固結(jié)系數(shù)方面的研究卻很少，所以，通過對快速固結(jié)法和標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)法試驗(yàn)得到的固結(jié)系數(shù)進(jìn)行深入研究是有重要意義的。

本次試驗(yàn)以營口鲅魚圈地區(qū)粘性土為研究對象，共選取 72個代表性土樣進(jìn)行對比試驗(yàn)，主要為粘土和粉質(zhì)粘土，粘土的顏色主要為灰褐色、灰黃色、黃褐色等，處于可塑～硬塑狀態(tài)，部分土樣或夾少量砂斑或夾少量鐵銹斑或含有少量有機(jī)質(zhì)；粉質(zhì)粘土的顏色主要為灰褐色、灰黃色、黃褐色等，處于可塑～硬塑狀態(tài)，部分土樣或夾少量砂斑或夾少量鐵銹斑。其主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

1 土樣的選取

表1 土的主要物理力學(xué)指標(biāo)

2 試驗(yàn)儀器及方法

本次試驗(yàn)采用的儀器為北京華勘科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的KTG-98全自動固結(jié)儀，試驗(yàn)過程由電腦自動控制、直接采集信息，避免人為讀數(shù)時可能造成的誤差。所有傳感器、采集器等儀器儀表都在檢定期內(nèi)。

標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)法是采用每級壓力下固結(jié) 24 h的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；2 h快速固結(jié)試驗(yàn)法（以下簡稱2 h快速法）是采用每級壓力下固結(jié)時間為 2 h，僅在最后一級壓力下，除測記 2 h的變形量外，還測記24 h達(dá)到變形穩(wěn)定的讀數(shù)。其成立的理由是，對于2 cm厚的試樣，在壓力作用下2 h的固結(jié)度一般可以達(dá)到90 %以上，可以有效縮短試驗(yàn)時間。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)共選取 72個代表性土樣，在壓力級別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa下分別進(jìn)行2 h快速固結(jié)試驗(yàn)和24 h標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，并分別對各壓力級別下兩種試驗(yàn)得到的固結(jié)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，詳見表2。表2中：Cv1為24 h標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)系數(shù)；Cv2為2 h快速法固結(jié)系數(shù)。

表2 兩種試驗(yàn)方法所得各級壓力下的固結(jié)系數(shù)的統(tǒng)計

圖1 50 kPa壓力下固結(jié)系數(shù)關(guān)系曲線

圖2 100 kPa壓力下固結(jié)系數(shù)關(guān)系曲線

圖3 200 kPa壓力下固結(jié)系數(shù)關(guān)系曲線

圖4 400 kPa壓力下固結(jié)系數(shù)關(guān)系曲線

同時，通過分別對各壓力級別下兩種試驗(yàn)得到的固結(jié)系數(shù)進(jìn)行分析，得到了圖1～4中兩種固結(jié)系數(shù)的線性關(guān)系。

從圖1～圖4中可以看出：

1）在相同的固結(jié)荷載下，2 h快速法得到的固結(jié)系數(shù)與 24 h標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)法得到的固結(jié)系數(shù)線性相關(guān)性很好；

2）在不同荷載下，土的兩種試驗(yàn)方法下的固結(jié)系數(shù)的相關(guān)性并不相同，在50 kPa壓力下時，固結(jié)系數(shù)的相關(guān)性相比其他壓力下較小，在100 kPa壓力下時，相關(guān)性比50 kPa壓力下時的要好，相關(guān)系數(shù)也提高了，但并不是隨著壓力的增加，兩種方法的得到的固結(jié)系數(shù)的相關(guān)性也相應(yīng)增高，在200 kPa 和400 kPa壓力下兩者的相關(guān)性卻降低了。其主要原因是：在50 kPa壓力下時，由于在試樣的安裝過程中，受到不同程度的人為因素影響造成的，而不同壓力下固結(jié)系數(shù)的相關(guān)性并不相同或呈現(xiàn)增長趨勢，這主要由于地基土在外荷載作用下，水和空氣逐漸被擠出，土骨架顆粒之間相互擠密，土的孔隙減小，從而引起土的壓縮變形，而土體是不均勻的，因此土的壓縮并不是線性的，從而導(dǎo)致土的壓縮變形是不均勻的。

4 檢驗(yàn)分析

1）方差分析

考察公式中2個變量的各種方差（見表3），從表中我們可以看到 50 kPa、100 kPa、200 kPa及400 kPa壓力下其對應(yīng)的F值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于置信度1-α =0.95和1-α=0.99時的臨界值，說明公式本身的線性相關(guān)性是非常顯著的，即2 h快速試驗(yàn)法得到的各級壓力下的固結(jié)系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn) 24 h試驗(yàn)法得到各級壓力下的固結(jié)系數(shù)的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性是非常高的。

表3 公式方差分析

2）相關(guān)系數(shù)分析

經(jīng)計算， 50 kPa壓力下，公式相關(guān)系數(shù)：

r2= 0.833 8 ，|r| = 0.913 1；

100 kPa壓力下，公式相關(guān)系數(shù)：

r2= 0.919 5，|r| =0.958 9；

200 kPa壓力下，公式相關(guān)系數(shù)：

r2= 0.910 2 ，|r| = 0.954 0；

400 kPa壓力下，公式相關(guān)系數(shù)：

r2= 0.895 5 ，|r| = 0.946 3；

而置信度1-α =0.95和1-α=0.99時的相關(guān)系數(shù)臨界值 r0.01（70）≈0.30＞ r0.05（70）≈0.23，|r ＞＞ | r0.01。

所以從相關(guān)系數(shù)角度分析，各級壓力下，兩種試驗(yàn)方法所得的固結(jié)系數(shù)之間的相關(guān)性是非常高。

綜上所述，我們通過2 h快速試驗(yàn)法得到的固結(jié)系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn) 24 h試驗(yàn)法得到的固結(jié)系數(shù)存在良好的線性相關(guān)關(guān)系，其各級壓力下的線性回歸方程如下：

50 kPa壓力下的修正公式：

Cv1= 0.945 3Cv2 + 0.132 6

100 kPa壓力下的修正公式：

Cv1 = 1.067 7Cv2- 0.622 5

200 kPa壓力下的修正公式：

Cv1 = 0.961 1Cv2- 0.242 1

400 kPa壓力下的修正公式：

Cv1= 0.948Cv2 + 0.04

5 結(jié) 論

本試驗(yàn)主要通過對營口港鲅魚圈地區(qū)的一組粘性土樣（其塑性指數(shù)在10～26之間的粉質(zhì)粘土和粘土）進(jìn)行研究，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究可以得到以下結(jié)論：

1）2 h快速固結(jié)試驗(yàn)法和24 h標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)法得到的各級壓力下的固結(jié)系數(shù)有良好的線性相關(guān)性，在工程實(shí)踐中，用 2 h快速固結(jié)試驗(yàn)法代替24 h標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)法用于生產(chǎn)是可行的，可以起到縮短試驗(yàn)周期，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力的目的，在實(shí)際生產(chǎn)中具有實(shí)用價值。

2）由于土是非均質(zhì)的，土的沉降不是隨荷載的增加呈線性增長的，所以兩種試驗(yàn)方法得到的固結(jié)系數(shù)的相關(guān)性在不同壓力下并不相同也不呈線性增長趨勢。

3）本文僅對鲅魚圈地區(qū)的粘性土的固結(jié)系數(shù)進(jìn)行的歸納研究，由于土具有區(qū)域性。故對其它地區(qū)的土，在使用2 h快速固結(jié)試驗(yàn)法代替24 h標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)時，需先進(jìn)行可行性驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

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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

中圖分類號：TU472

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）02-0095-04

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160225

收稿日期：2015-10-26

作者簡介：陳素俠（1984-），女，工程師，主要從事港口及航道工程地質(zhì)勘察和土工試驗(yàn)相關(guān)工作。