科普：固結(jié)試驗(yàn)快速指南
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作者：ALESSANDRO MAGGIONI
職務(wù)：產(chǎn)品經(jīng)理|CONTROLS
固結(jié)實(shí)驗(yàn)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(shuō)法，固結(jié)是“任何涉及飽和土壤含水量降低而沒(méi)有空氣代替水的過(guò)程”。更一般地說(shuō)，固結(jié)是指土壤響應(yīng)壓力變化而改變體積的過(guò)程，包括壓實(shí)和膨脹。
在本文中，我們將概述土壤固結(jié)試驗(yàn)，并且我們將:
定義什么是固結(jié)測(cè)試，
概述為什么要執(zhí)行此測(cè)試，
典型的測(cè)試持續(xù)時(shí)間，
解釋不同類(lèi)型的固結(jié)試驗(yàn)和方法；還有，
詳細(xì)的設(shè)備要求。
土壤的固結(jié)試驗(yàn)——是什么？
固結(jié)試驗(yàn)通常在飽和圓柱形土壤樣品上進(jìn)行，旨在測(cè)量樣品在承受載荷時(shí)高度變化的量和速率。
當(dāng)在低滲透性土壤上施加荷載時(shí)，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(cè)試過(guò)程中會(huì)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(cè)試？
固結(jié)試驗(yàn)通常用于評(píng)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(guò)程)、人為荷載(如在建筑或土體上方筑堤時(shí))甚至地下水位降低時(shí)。
具體而言，固結(jié)測(cè)試可用于回答以下問(wèn)題:
沉降是短期的還是長(zhǎng)期的？
最終會(huì)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(jì)一下固結(jié)的速度嗎？
固結(jié)過(guò)程持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間？
固結(jié)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(lái)說(shuō)，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(guò)程可能持續(xù)多年甚至數(shù)十年。
固結(jié)過(guò)程通常分為3個(gè)階段:
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。
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。
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(shí)，會(huì)影響土壤的結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程通常被稱(chēng)為“蠕變”。
固結(jié)試驗(yàn)的類(lèi)型
土工實(shí)驗(yàn)室可以通過(guò)幾種方式測(cè)量土壤的固結(jié)特性:
一維固結(jié)試驗(yàn)
這是最簡(jiǎn)單和最常見(jiàn)的方法，通常稱(chēng)為固結(jié)試驗(yàn)、固結(jié)儀試驗(yàn)和逐級(jí)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(cè)試過(guò)程相對(duì)容易且所需設(shè)備簡(jiǎn)單，這些通常在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。[如Controls的Front Loading Oedometers（請(qǐng)點(diǎn)擊原文查看）]
恒定應(yīng)變率(CRS)固結(jié)試驗(yàn)
除了最常見(jiàn)的逐級(jí)加荷固結(jié)外，還可以進(jìn)行各種試驗(yàn)，使用連續(xù)受控應(yīng)變軸向壓縮來(lái)測(cè)量飽和粘性土的強(qiáng)度和固結(jié)率，這種壓縮也允許過(guò)量水分消散。使用CRS壓力室的固結(jié)試驗(yàn)比標(biāo)準(zhǔn)增量載荷試驗(yàn)更快。盡管執(zhí)行起來(lái)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(cè)過(guò)量的孔隙壓力，因此測(cè)試可以以最大速度運(yùn)行，進(jìn)一步提高測(cè)試樣品的產(chǎn)量。
液壓固結(jié)試驗(yàn)
逐級(jí)加荷固結(jié)試驗(yàn)也可以用不同的裝置進(jìn)行，hydraulic consolidation cell（請(qǐng)點(diǎn)擊原文查看）利用液壓施加垂直力。這種類(lèi)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)。
如何進(jìn)行固結(jié)測(cè)試？
逐級(jí)加荷–標(biāo)準(zhǔn)
?一維固結(jié)試驗(yàn)的典型固結(jié)系統(tǒng)如下所示。
在一個(gè)standard front loading oedometer system（請(qǐng)點(diǎn)擊原文查看）框架(固結(jié)儀)用于利用加在杠桿臂上的自重向樣品施加垂直應(yīng)力。
您可以將固結(jié)儀系統(tǒng)配置為:
模擬型:這包括使用千分表測(cè)量垂直沉降
電子型:使用這種配置，您需要連接一個(gè)位移傳感器到自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上。
典型配置需要以下組件:
Oedometer（請(qǐng)點(diǎn)擊原文查看）固結(jié)裝置:由堅(jiān)固的鋁合金框架制成的前部加載固結(jié)儀
Bench長(zhǎng)臺(tái)（請(qǐng)點(diǎn)擊原文查看）:足夠長(zhǎng)，可以放三個(gè)固結(jié)儀
Consolidation cell（請(qǐng)點(diǎn)擊原文查看）:固結(jié)壓力室 它包含一個(gè)由鋼制的環(huán)刀，可以垂直裝載樣品，同時(shí)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(dòng)系統(tǒng)一起使用。
Displacement transducer (dial gauge)（請(qǐng)點(diǎn)擊原文查看）位移傳感器:對(duì)于位移傳感器(電子版本)的垂直沉降測(cè)量，必須將其與專(zhuān)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)
Set of weights（請(qǐng)點(diǎn)擊原文查看）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(dòng)加荷固結(jié)
也可以使用自動(dòng)系統(tǒng)在自動(dòng)模式下對(duì)相同的固結(jié)壓力室執(zhí)行逐級(jí)加荷；它的步進(jìn)電機(jī)將樣品向上移動(dòng)到荷重傳感器上，對(duì)樣品施加垂直應(yīng)力。
PID閉環(huán)控制通過(guò)多個(gè)測(cè)試步驟提供快速、平穩(wěn)和準(zhǔn)確的裝載保持。
這是通過(guò)測(cè)量施加在樣品上的垂直載荷的測(cè)壓元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)或幾個(gè)設(shè)備通常通過(guò)電腦軟件控制，允許在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行完全控制和采集。
自動(dòng)固結(jié)儀ACE EmS?
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您可以使用軟件預(yù)先設(shè)置所有測(cè)試條件，然后讓每個(gè)估計(jì)儀裝置獨(dú)立執(zhí)行整個(gè)測(cè)試，自動(dòng)提供所有測(cè)試程序的一致性，并允許您在測(cè)試運(yùn)行時(shí)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(dòng)模式下跳到下一個(gè)步驟，包括:
經(jīng)過(guò)時(shí)間
固結(jié)率
膨脹監(jiān)測(cè)
CRS-恒應(yīng)變速率
您也可以使用能夠同時(shí)提供應(yīng)力和應(yīng)變控制的自動(dòng)固結(jié)儀來(lái)執(zhí)行CRS試驗(yàn)。這里，土壤受到均勻變形；在此固結(jié)過(guò)程中測(cè)量軸向力、軸向變形和基底超孔隙水壓。
從自動(dòng)固結(jié)儀中，您需要添加額外的配置:
CRS 壓力室（請(qǐng)點(diǎn)擊原文查看）:設(shè)計(jì)用于橫向限制和軸向排水的試樣。它還提供了測(cè)量超孔隙水壓力的可能性。
延長(zhǎng)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(cè)量施加垂直應(yīng)力時(shí)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。
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(yàn)的液壓固結(jié)儀；有手動(dòng)和電子兩種測(cè)試配置，可自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中，施加反壓和軸向壓力，并測(cè)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(yàn)的特定液壓固結(jié)儀，在這種情況下，還可施加孔隙氣壓。見(jiàn)下圖:
位移傳感器:用于測(cè)量土壤樣品的垂直沉降
孔隙壓力傳感器:用于測(cè)量施加垂直應(yīng)力時(shí)樣品中的壓力變化。
壓力系統(tǒng):需要兩條壓力管線，一條用于垂直載荷的施加，另一條用于反壓管線。
體積變化裝置:用于測(cè)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
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