什么是土的固结？

什么是土的固结？一般理解，固结就是土体中孔隙内的水被排出，进而引起孔隙体积减小，造成土体宏观体变得现象与过程。孔隙水的排出从机理上可分为两部分：

其一为需要经历孔压变化，引起有效应力不断提高而实现的主固结过程；

其二为孔压无明显变化，即在有效应力不变条件下孔隙水亦可缓慢排出的次固结过程。

对于一般土质（如砂土、粉土、压缩性和含水率较低的黏土），我们更多关心的是主固结问题。不过，即使仅从主固结角度分析，对土体固结度的评价也会涉及两种评价标准：位移固结度和孔压固结度。

从前者考虑，如果地基的沉降变形稳定了，土体的固结就算完成了；而从后者来看，如果地基中超静孔隙水压力消散了，土体的固结也就完成了。如此看来，从沉降（位移）和孔压两个角度分析固结度所得结论应该是等价的，然而实际情况果真如此吗？

由于固结度在工程中的应用涉及从某一点土体的固结度到整个土层平均固结度的延拓，从孔压和位移方面进行固结度评价的标准，需要层层深入。那么，我们就从基本的揭示一点固结度的室内一维固结试验谈起。

我国土工试验规程中采用的一维固结稳定判别标准基本都是位移评价体系，例如每小时的压缩变形量不超过0.01mm（《土工试验方法标准》GB/T50123-1999，《公路土工试验规程》JTJ051-93，《土工实验规程》SL237-1999），亦或更小的位移控制标准——压缩变形量不超过0.005mm/小时（《铁路工程土工试验规程》TB10102-2004）。采用位移控制标准，一方面基于众多实际工程问题是通过控制沉降量来确保工程保护的现实，另一方面受制于常规一维固结试验装置难以测定孔隙水压力的局限。

但学过土力学的读者稍加思考就会发现，作为工程界固结设计理论依据的太沙基一维固结方程，却是基于孔隙水压力随时间消散程度来对固结度进行求解的。通过对孔压消散的分析，可以得到各点实际的即时有效应力状态，也有助于对地基强度和稳定性做出判别。因此，如能在土体固结过程中对孔压和位移两种固结度进行实时测定，分析和比较两种固结度评价标准的异同，对于指导和解决工程实际问题很有意义。

图1 50%含水率黏土样e-t关系曲线（围压200kPa）

图1是采用可实时监测超静孔压消散的一维固结装置进行固结试验得到的一个黏土样的e-t关系曲线。试样用土均为温州滨海表层饱和重塑黏土，孔隙比为1.37，密度为1.73g/cm3，液、塑限分别为35%、19%，试样初始含水率50%。如图所示，选取压缩始末两个孔隙比，即图中的e0和ep。又在中间找到一个黑色点，孔隙比为e50，满足e50-e0=0.5（ep-e0）。这就意味着，按照变形的评价标准，黑色点即固结度为50%的点。但是如果从超孔压消散方面考虑呢？我们发现50%超静孔隙水压力消散对应图中灰色点，也就是说孔压和位移50%固结度明显不重合。

图2 50%含水率试样位移和孔压固结度曲线

为了更详细地展示固结度评价差异，笔者将以四个不同竖向固结应力水平进行固结试样的孔压和位移固结度开展曲线绘制在图2中。由图可见，在固结度开展较大时（如接近90%固结度状态下），两者的历时差异较小。而在中间过程，位移和孔压的评价标准有显著不同，相同时间下，位移固结度普遍要比孔压固结度快很多。比如，在固结应力分别为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa下，位移固结度达到50%相比于孔压固结度达到50%所需时间提前约4400s、2600s、1650s、1450s。如果计划得到沉降历时，但采用了孔压消散的评价标准，显然会造成时间上的浪费。

那么究竟是什么原因造成这种差异的呢？我们列出一个计算竖向应变基本公式，如式（1）所示：

（式1）

孔压μ在p不变的条件下实际随时间变化，亦造成有效应力随时间的同步变化。而变形和有效应力间的联系纽带，在一维条件下就是压缩模量Es，若压缩模量是常数（不随时间和深度改变），那么任意点竖向应变与孔压随时间的变化率应相似，由此求得的位移和孔压固结度也等价。因此，造成位移和孔压固结度不统一的核心原因是压缩指标随有效应力水平的变化而变化。

从e-t，e-p曲线均可得到E、非常数的结论，它随着有效应力的增强、时间的增加而变大，且在固结过程中始终不稳定。如果把Es的稳定程度也看成是一个“拟固结度”，则该“拟固结度”在固结过程中始终小于1，直到固结结束才达到1。而从式（1）的数学关系可知，孔压处于应变与模量乘积的地位，因此同一时刻孔压固结度始终要比应变固结度来得小也就不难理解了。

太沙基一维固结方程，其推导到式（2）这一步时，尚未隐藏掉模量参数随应力水平的变化：

（式2）

但为了便利计算，将此后方程求解时的压缩模量假设为常数，故所求得孔压μ的变化规律自然也就与应变的变化规律相一致了。以上指出了位移和孔压固结度差别的根本来源模量随有效应力不断变化。由是若将固结度概念由一点推广到整个土层的综合视角，位移和孔压的平均固结度也是不等价的。

以某一均质土层为例（即土体的压缩模量等参数沿着深度不发生变化），经某一段时间t后，土体平均孔压固结度和平均位移固结度分别用式（3）、（4）表示：

（式3/4）

若外加附加应力较大，而压缩土层较薄，假设压缩模量Es（t）仅与外界附加的有效应力增量有关，而和土层深度无关，则可将式（6-4）中的Es（t）提出积分式外，有：

（式5）

结合式（1）和（5）可知，此时，整个地层中孔压和位移固结度的差异比值，与地基中某一点处的孔压与位移固结度的差异比值应是一样的。

本文从土层中某一点的孔压固结度与位移固结度对比分析到整个土层的平均孔压固结度和位移固结度对比，逐步说明了“人造固结度”与现实存在的固结度之间出现差异的根源来自时刻变化的压缩模量，它的存在给人们对孔压固结度与位移固结度的认识带来了不少困惑。

相关试验设备

设备名称：全自动温控固结试验系统
制  造  商：德国APS-WILLE Geotechnik

德国wille全自动温控固结（THM）测试系统，可加热、制冷、反压控制！与其他固结仪一样，THM-CRS固结盒将试样制约在刚性不锈钢环中，并阻止任何横向位移，加上通过使用温度控制组件，可以在不同的温度范围内控制试样的温度。 带键盘和液晶显示器的控制器可以直接对设备进行操作和校准。西门子公司制造的控制器是一种先进的控制器，用户可以轻松输入数值并通过一系列功能键控制系统。

通过加载架，用户可以在试样上施加不同的加载模式，如果选择大型通用加载架，还可用于许多固结或三轴试验。加载架兼容不同类型的固结室，可以根据不同的国际标准进行许多试验，例如固定和浮动固结室、K0 固结室、膨胀压力固结室等。也可以升级为静态三轴试验。该温控固结仪配备了GEOsys软件，用户可以全自动运行所有试验阶段，在试验过程中无需操作人员参与。这种全自动的电机系统能够在带反压控制、不同温度范围内的试样上以恒定应变速率加载。

德国wille温控固结仪包括一个加载架（台式或落地式）、CRS固结盒、荷载传感器、外部位移传感器、自动反压控制器（压力系统）、孔隙水压力传感器、冷却和加热程序包以及可自动运行的专用软件。软件中已预先编程所需试验。

在试验过程中，通过使用高等级型号的体积压力控制器（VPC），把反压自动施加到试样上。这款自动压力控制器是一种无波动稳压注射器泵，可准确地产生和调节压力，并且可以在从1 MPa到32Mpa的各种压力范围内提供准确的流量控制。

产品特点

▍ 台式或落地式加载架

▍CRS传感器包括用于测量轴向载荷的外部传感器

▍ 先进的体积压力控制器（VPC）施加压力

▍ 温度控制范围可以从-25℃至+ 200℃

▍ 带有显示器和薄膜按键的高质量工业控制器，用于监视测量值和试验程序

▍ 根据选定的停止条件全自动调整加载阶段

▍ 用于低至-25℃的冻土试验

▍ 高温试验高达+ 200℃

▍ 不同的压力范围，从1 MPa到20 MPa

▍ 通过前面板小键盘或装有控制软件的计算机直接操作设备（可使用通讯协议）

▍ 使用位移传感器进行沉降控制

▍ 全自动试验软件，并通过计算机控制进行监控，可同时单独运行12台设备

▍ 兼容LABVIEW©

▍ 以太网端口，可将数据快速传输到计算机

▍ 实时数据和图形显示

主要配置

① 加载架，荷载高达100kN
② 有机玻璃保护罩
③ 隔离式THM固结盒
④ 温度控制系统
⑤ 反压注射泵（VPC）

温控固结盒

这种先进的循环机械不锈钢温度控制固结盒是CRS单元，用户可以同时控制温度、应力、应变和膨胀压力等试验。可以控制反压并且测量孔隙水压，还可以运行应力和应变控制的固结试验（例如CRS，CL，IL或膨胀压力试验）。固结盒周围有温控盘管，冷却、加热流体在其中循环，从而控制试样的温度。

固结盒配合温度传感器，用于在试验过程中以更小的温度梯度对温度进行闭环控制，以达到所需温度。也可以选择高版本固结盒，可沿试样高度施加梯度温度。

我们的CRS固结盒的独特之处在于，经特殊设计还可用作Rowe-Barden固结盒，使用水压或气压控制轴向应力。

主要特点
▍ 不锈钢固结盒
▍ 可控反压的CRS试验
▍ 使用加载架
▍ 高温或低温特殊密封
▍ 固结盒有隔热盖
▍ 可用于低至-25℃的冻土试验
▍ 高温试验高达+200℃
▍ 高精度温度闭环控制
▍ 含温度传感器，用于试样的闭环控制
▍ 隔热组件
▍ 试样顶部和底部的不锈钢透水石
▍ 压力范围从1 MPa到20 MPa
▍ 适用于各种渗透性试验
▍ 适用于所有膨胀和膨胀压力试验

自动压力体积控制器 (VPC)

自动机电体积压力控制器是一种无波动注射器泵，可产生和调节压力，并在各种范围内为不同的应用提供准确的流量控制，例如： 围压压力、反压或空气压力进行非饱和试验。 压力控制的不同模式，恒定压力、压力斜坡、恒定流量等。

紧凑设计，节省空间（可壁挂式安装或桌面摆放），并具有不同的压力控制模式，例如，恒定压力、压力斜率、恒定流量等。该系列VPC能够产生从1到32MPa的液压压力。

孔隙水压力传感器

经过校准的孔隙水压力传感器，集成放大器和冲刷部件，可避免压力管路或传感器中夹杂气泡。量程大，测量范围0~2 Mpa。
▍ 透明冲刷部件
▍ 包括针阀，可实现更佳冲刷控制
▍ 可以直接连接到加载架、数据记录仪或电子显示器
▍ 测量范围：0~2 MPa
▍ 精度：量程的0.2％
▍ 可选特殊型号，高可达20MPa

GEOSYS 软件

GEOsys是一款适用于WINDOWS、LINUX或MAC OSX的多功能模块化全自动控制和数据采集软件，是我们产品的通用软件。
所有试验系统均通过 GEOsys 软件控制，该软件根据客户订购的参数为每个试验模块编程。软件对整个系统进项操控，监控试验过程，并且存储所有数据。

主要特点

▍执行所有试验

▍用户定义的多个增量加载和卸载

▍能够自动加载到下一个压力水平

▍软件可针对多个增量加载阶段进行编程

▍可选溶胀压力试验

▍完整记录并实时显示试验结果

▍屏幕上实时显示试验曲线

▍后台自动计算

▍全自动试验程序和电脑监控，可12台设备同时单独控制

▍可以将试验结果导出为Microsoft Excel格式

▍软件中集成保护功能

▍显示屏/软件上的状态和错误消息都带有编号，便于追溯

▍限值设置

SIEMENS工业控制器

系统的操作除了需要使用功能键外，还需要直接输入数值。西门子公司生产的控制器是一种先进的控制面板，用户可以通过其他功能键轻松输入数值和操控系统。您只需输入数值并按下运行键即可开始操控。
操作面板让用户可以访问操作和服务菜单中的所有功能。用户可以启动和运行设备以及在需要时进行校准。这些控件直观且易于使用。所有功能，例如实际状态、流速和压力斜率信息都可以在设备正面的 LCD 显示屏上显示出来。

主要特点

▍  图形显示，包括 10 个薄膜键
▍ 手动设置力或位移
▍ CE 标志
▍ 以太网接口
▍ 22 种不同语言
▍ 多语言菜单导航
▍ 校准功能
▍ 4 个带有 A/D 转换器的模拟端口（+/- 10 VDC)

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