固結壓縮試驗

1. 固結實驗目的原理和意義

固結實驗目的原理和意義：「固結」描述的是飽和土體。如果是壓縮非飽和土稱壓縮試驗，不知你能明白嗎，壓縮飽和土體稱為固結試驗，兩者使用同樣的儀器-----固結儀，出去土體不同，其餘都一樣通常「壓縮」描述的是非飽和土。

通過固結試驗，可以做出兩種關於壓縮性指標的曲線：

1、e-p曲線，通過該曲線可以得到的壓縮性指標有壓縮系數和壓縮模量。

2、e-lgp曲線，通過該曲線可以得到的壓縮性指標有壓縮指數和回彈指數。

控制梯度固結試驗

控制梯度固結試驗（CG）與等應變速率固結試驗（CRS）的原理類似，本質上是通過調整試樣應變率來設定底部孔隙水壓力不變，進行連續載入試驗 由於在常規固結試驗中沿試樣高度的有效應力分布不均勻，不同高度處孔隙水壓力梯度相差很大，這樣隨著固結的發展，試樣的應變速率變化很大，為了克服上述缺點，提出了控制梯度試驗法。

2. 岩土物理力學性質試驗

4.1.2.1 土樣直接剪切試驗

土的抗剪強度是土在外力作用下其一部分土體對於另外一部分土體滑動時所具有的抵抗剪切的極限強度。測定土的抗剪強度可以提供計算地基強度和地基穩定性用的基本指標，即土的粘聚力和內摩擦角。土的內摩擦角和粘聚力與抗剪強度之間的關系由庫侖公式表示:

τ=σ·tanφ+c (4-1)

式中:τ——抗剪強度，(kPa);

σ——為正應力，(kPa);

φ——內摩擦角，(°);

c——黏聚力，(kPa)。

直接對試樣施加剪力的設備叫直剪儀，常用的直剪儀根據施加剪應力的特點分為應力控制式和應變控制式兩種。應力控制式是分級施加等量水平剪力於土樣使之受剪;應變控制式是等速推動剪切容器使土樣受剪。以應變式最為常用。試樣置於上下盒之間，在試樣上先施加預定的法向壓力，然後以一定速率分級施加水平力對試樣施加剪力，可藉助於與上盒相接觸的量力環的變形或以所加水平力與杠桿力臂比關系確定。為求得的抗剪強度參數(c，φ)，一般至少用四五個試樣，以同樣的方法分別在不同的法向壓力σ₁，σ₂，σ₃……的作用下測出相應的τf₁，τf₂，τf₃……的值，根據這些σ，τ_f值，即可在直角坐標中繪出抗剪強度曲線。

為近似模擬現場土體的剪切條件，按照剪切前的固結過程、剪切時的排水條件以及加荷快慢情況，將直剪試驗分為:快剪、固結快剪和慢剪三種試驗方法。

應變控制式直剪儀見圖4-1，儀器的主要部件剪切容器是由固定的上盒和活動的下盒(應變式)或固定的下盒與活動的上盒(應力式)等部件組成。其中環刀:內徑61.8mm，高20mm。位移量測設備，百分表和感測器，百分表量程應為10mm，分度值0.01mm，感測器的精度應為零級。

圖4-1 應變控制式直剪儀

通過對工程地質勘察鑽孔分析，針對粉土、粉質黏土分別進行直剪試驗。將每一級壓力下的試驗結果繪製成剪應力τ和剪切變形s的關系曲線如圖4 2，一般將曲線的峰值作為該級法向應力下相應的抗剪強度τ_f。

圖4-2 剪應力-剪變形關系曲線

圖4-3 峰值強度和殘余強度曲線

變換幾種法向應力σ的大小，測出相應的抗剪強度τ_f。在σ-τ坐標上，繪制曲線，即為土的抗剪強度曲線，也就是莫爾 庫倫破壞包線，如圖4-3所示。

直線交τ_f軸的截距即為土的粘聚力c，直線傾斜角即為土的內摩擦角φ，相關直線可用圖解法或最小二乘法確定。直接剪切試驗的結果用總應力法按庫侖公式τ=σ·tanφ+c，計算抗剪強度指標。

試驗對於砂土而言，τ_f與σ的關系曲線是通過原點的，而且，它是與橫坐標軸呈φ角的一條直線。該直線方程為:τ_f=σ·tanφ

式中:τ_f——砂土的抗剪強度，(kPa);

σ——砂土試樣所受的法向應力，(kPa);

φ——砂土的內摩擦角，(°)。

對於黏性土和粉土而言，τ_f與σ之間的關系基本上仍呈一條直線，但是，該直線並不通過原點，而是與縱坐標軸形成一截距c，其方程為:τ=σ·tanφ+c

式中:c——黏性土或粉土的粘聚力，(kPa)。

由上式可以看出，砂土的抗剪強度是由法向應力產生的內摩擦力σ·tanφ(tanφ稱為內摩擦系數)形成的;而黏性土和粉土的抗剪強度則是由內摩擦力和粘聚力形成的。在法向應力σ一定的條件下，c和φ值愈大，抗剪強度τ_f愈大，所以，稱c和φ為土的抗剪強度指標，可以通過試驗測定。

計算公式:

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

4.1.2.2 煤岩樣直接剪切試驗

煤岩試塊直接剪切試驗採用岩石直剪儀進行。其法向為與剪切力范圍均應滿足煤岩體賦存情況與煤岩強度上限的要求。

(1)試樣制備

1)岩塊試樣

① 試樣可用立方體(剪切面積為5cm×5cm～20cm×20cm)，或高度等於直徑的圓柱體(直徑＞5cm);

② 試樣應用有足夠剛度的鋼外框包裹。試樣與外框之間應貼實;

③ 測定飽和剪切強度時，應事先將試塊按規定要求進行飽和。

2)具有軟弱結構面的試樣

① 試樣應盡量保持原狀結構，防止結構面被擾動;

② 試樣斷面尺寸按同岩塊試樣尺寸，結構面保持在試樣高度中部;

③ 對天然含水量的試樣，在試樣制備過程中應盡量減少含水量的損失。試樣需進行飽和時，應按《土工試驗方法標准》GB/T50123^[41]規定要求進行飽和。

(2)試樣數量

一組試樣不得少於5個，一般應多制備1、2個樣。

(3)試樣描述

實驗前，應對下列內容進行描述。

① 岩煤名稱、組織結構、膠結物質和風化程度;

② 層理、片理和節理裂隙的發育程度及其與受剪方向的關系;

③ 結構面的填充物質和填充程度以及試樣採取和制備過程中的擾動情況;

④ 測量試樣尺寸，對試樣進行素描或拍照。

(4)儀器設備

制備試樣設備、飽和樣品設備、測量試樣尺寸量具、岩石直剪儀、測量法向和切向位移儀表、測量法向應力和剪切應力儀表，建議採用連續自動記錄儀器。

(5)測試步驟

1)將試樣至於直剪儀上，試樣的受剪方向應與設計方向一致;

2)安裝法向和剪切方向的加荷系統時，應保證法向力和剪切向力的合力通過剪切面的中點;

3)安裝測量法向和切向位移的儀表時，測桿的支點應設置在剪切變形影響范圍之外，測桿和表架應有足夠的剛度;

4)所選擇的法向應力，除充填夾泥的結構面測定外，一般應不小於實際應力。對於充填夾泥的結構面測定，法向應力的選擇，以不擠出夾泥為原則;

5)試樣上的法向應力在設計的正應力區間內分4個等級選擇對應整數值施加;

6)法向荷載分4、5次施加，每5min加荷一次，加荷前後讀取垂直變形，達到預定荷載之後，觀測變形，直到相對穩定時能施加剪切荷載;

垂直變形相對穩定的標准應符合下列要求:

① 對於不夾泥的結構面和岩樣的測定，5min的讀數不超過0.01mm;

② 對於充填低塑性夾泥的結構面和煤樣測定，10min的讀數不超過0.05mm;

③ 對於充填高塑性夾泥的結構面和煤樣測定，15min的讀數不超過0.05mm。

7)剪切荷載的施加應符合下列要求:

① 剪切荷載分級施加，除低塑性和高塑性夾泥結構面試驗分別採用預估最大剪切荷載的5%和10%進行施加外，其餘試驗按預估最大剪切荷載的8%～10%施加;

② 施加的剪切荷載引起的剪切變形超過前一級剪切荷載變形值的1.5倍時，剪切荷載減半施加，即分別按預估的最大剪切荷載的2.5%、5%以及4%～5%施加;

③ 剪切荷載的施加採用時間控制，即每5min加荷一次，並記錄加荷前後的剪切向和法向位移值;

④ 試樣剪斷後，繼續施加剪切荷載使剪應力下降到接近某一常數值，記錄剪應力值;

⑤ 如需進行摩擦試驗，則調整剪切位移儀表，在同級法向應力下，按上述方法進行摩擦試驗;

⑥ 必要時可改變法向應力進行單點摩擦試驗;

⑦ 在剪切過程中，宜用穩壓裝置使法向應力保持恆定，無穩壓裝置又遇到升壓或退壓情況時，要及時手動調整。

8)測定結束後，拆除儀表、翻轉試樣，取樣按《土工試驗方法標准》GB/T50123^[41]規定測定含水率，並對剪切面進行如下描述:

① 岩樣破壞狀態是否沿預定剪切面破壞，當不滿足測定設計方案要求時，測定數據無效;

② 測定剪切面的起伏差，繪制沿剪切方向的斷面高度的變化曲線;

③ 對剪切面進行素描和拍照，記述節理裂隙與剪切面的關系，測量剪斷面積;

④ 對於充填夾泥的結構面，必要時記述夾泥性質、厚度。

(6)煤岩樣測定數據記錄與整理

1)按式(4-3)、(4-4)計算各級荷載下的法向應力和剪應力:

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

式中:σ——作用於剪切面上的法向應力，(MPa);

τ——作用於剪切面上的剪應力，(MPa);

P——作用於剪切面上的總法向荷載，包括施加的荷載、設備質量，(kN);

Q——作用於剪切面上的剪切荷載(應扣除滾軸排摩擦阻力)，(kN);

A——實測剪切面積，(cm²)。

2)繪制剪應力與法向位移、剪應力與剪切位移的關系曲線。其中剪切位移取所有測量儀表的平均值，法向位移的前後端測量儀表應取平均值。

3)根據上述曲線，確定峰值和殘余強度值，以及比例極限、屈服極限等。

4)繪制各剪切階段的剪應力和法向應力關系曲線，按庫倫表達式確定相應的摩擦系數和粘聚力。

4.1.2.3 三軸剪切試驗

三軸壓縮剪切試驗是測定土與軟弱岩土的抗剪強度的一種方法。它通常用3～4個圓柱形試樣，分別在不同的恆定周圍壓力(σ₃)下，施加軸向壓力，即主應力差(σ₁-σ₃)，進行壓縮剪切直到破壞;然後根據 Mohr Coulomb理論，求得抗剪強度參數。^[40]

試驗採用全自動應變控制式三軸儀見圖4-4，有反壓力控制系統、周圍壓力控制系統、壓力室、孔隙壓力測量系統、數據採集系統及試驗機等。

圖4-4 全自動應變控制式三軸儀

本試驗分為不固結不排水剪(UU);固結不排水剪(CU或

)和固結排水剪(CD)等

3種試驗類型。一般試驗採用的是固結排水剪(CD)。

三軸剪切試驗的原理是在圓柱形試樣上施加最大主應力(軸向壓力)σ₁和最小主應力(周圍壓力)σ₃。固定其中之一(一般是σ₃)不變，改變另一個主應力，使試樣中的剪應力逐漸增大，直至達到極限平衡而剪壞，由此求出土的抗剪強度。

試驗時，將圓柱體土樣用乳膠膜包裹，固定在壓力室內的底座上。先向壓力室內注入液體(一般為水)，使試樣受到周圍壓力σ₃，並使σ₃在試驗過程中保持不變。然後在壓力室上端的活塞桿上施加垂直壓力直至土樣受剪破壞。

設土樣破壞時由活塞桿加在土樣上的垂直壓力為Δσ₁，則土樣上的最大主應力為σ₁=σ₃+Δσ₁，而最小主應力為σ₃。由σ₁和σ₃可繪制出一個莫爾圓。

按上述方法進行試驗，對每個土樣施加不同的周圍壓力σ₃，可分別求得剪切破壞時對應的最大主應力σ₁，將這些結果繪成一組莫爾圓。根據土的極限平衡條件可知，通過這些莫爾圓的切點的直線就是土的抗剪強度線，由此可得抗剪強度指標c、φ值。

圖4-5 三軸剪切試驗基本原理

將同一土樣在不同應力條件下所測得的不少於2次的三軸剪切試樣結果，分別繪制應力圓，從這些應力圓的包線即可求出抗剪強度指標。至於煤岩試塊的三軸壓縮試驗，則需採用專門的岩石三軸儀進行壓縮(剪切)試驗以求取煤岩的三軸抗剪強度指標。

4.1.2.4 單軸抗壓強度試驗

煤岩單軸抗壓強度的測定，一般是採用直接壓壞標准試件的方法。應用材料試驗機對標准試樣進行抗壓強度試驗;如圖4-6所示。採用圓柱體標准試樣，直徑為5cm，允許變化范圍為4.8～4.2cm;高度為10cm，允許變化范圍為9.5～10.5cm。當缺乏圓柱體制樣設備時，允許採用5cm×5cm×10cm的方柱體。試樣數量:試樣數量按要求的受力狀態或含水狀態確定，每種情況下式樣的數量一般不小於3塊。

圖4-6 煤岩單軸壓縮試驗原理圖

煤岩單軸受壓至破壞時的最大壓應力值稱單軸抗壓強度，簡稱抗壓強度，以R表示，

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

式中:R——試件單向抗壓強度，(kPa);

P——試件破壞載荷，(kN);

F——試件初始斷面積，(cm²)。

4.1.2.5 抗拉強度試驗

應用材料試驗機，對標准試件採用直接拉伸法或間接法(劈裂法和點荷載)測定煤岩單向抗拉強度;如圖4-7所示。以間接法劈裂法為例測試煤岩單向抗拉強度，試件規格:標准試件採用圓盤形

直徑，厚2.5±0.2cm，也可採用5cm×5cm×10cm(公差±0.2)的長方形試件。

圖4-7 煤岩抗拉強度試驗

(1)試件單向抗拉強度用R_L表示，

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

式中:R_L——試件單向抗拉強度，(kPa);

P——試件破壞載荷，(kN);

D——試件直徑，(cm);

L——試件厚度，(cm)。

注:用方形試件時，D為試件高度。

(2)採用算術平均值計算並確定抗拉強度。計算結果取2位有效數字。

4.1.2.6 固結壓縮試驗

應用固結儀:由環刀、護環、透水板、水槽、加壓上蓋組成(圖4-8)。測定土的壓縮系數a_v，用以計算壓縮模量E_s。本試驗方法適用於飽和黏土。當只進行壓縮時，允許用於非飽和土。

飽和土體受到外力作用後，孔隙中部分水逐漸從土體中排出，土中孔隙水壓力逐漸減小，作用在土骨架上的有效應力逐漸增加，土體積隨之壓縮，直到變形達到穩定為止。土體這一壓縮變形的全過程，稱為固結。固結過程的快慢取決於土中水排出的速率，它是時間的函數。而非飽和土體在外力作用下的變形，通常是由孔隙中氣體排出或壓縮所引起，主要取決於有效應力的改變。

固結試驗就是將天然狀態下的原狀土或人工制備的擾動土，制備成一定規格土樣，然後在側限與軸向排水條件下測定土在不同荷載下的壓縮變形，且試樣在每級壓力下的固結穩定時間為24h。

固結試驗主要用於測定飽和土的壓縮系數、體積壓縮系數、壓縮模量和回彈指數等。

某一壓力范圍內的壓縮系數，應按下式計算:

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

式中:a_v——壓縮系數，(MPa^-1);

p_i——某級壓力值，(MPa)。

圖4-8 固結儀

某一壓力范圍內的壓縮模量，應按下式計算:

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

式中:E_s——某壓力范圍內的壓縮模量，(MPa)。

固結系數可按時間平方根法或時間對數法確定

4.1.2.7 含水率試驗

岩土含水率試驗用於測定岩土在天然狀態下的含水。岩土的含水率可間接地反映岩土中孔隙的多少、岩土的緻密程度等特性。

試驗採用烘乾法。岩土烘乾溫度為105～110℃。

含水量是指岩土樣在105～110℃溫度下烘乾至恆重時所失去的水分質量與烘乾質量的比值，用百分數表示為:

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

式中:w——岩土含水率，(%);

m₀——稱量盒的乾燥質量，(g);

m₁——試樣烘乾前的質量與乾燥稱量盒的質量之和，(g);

m₂——試樣烘乾後的質量與乾燥稱量盒的質量之和，(g)。

土樣在105～110℃溫度下加熱，土中自由水會變成氣體揮發，土恆重後，即可認為是干土質量m₂-m₀，揮發掉的水分質量為水重m₁-m₂。

4.1.2.8 密度試驗

岩石塊體密度是選擇建築材料、研究岩石風化、評價地基基礎工程岩體穩定性及確定圍岩壓力等必須的計算指標。

密度測定採用量積法、水中稱量法或蠟封法。試件尺寸應大於岩石最大顆粒的10倍，試件可採用圓柱體、方柱體或立方體，蠟封法採用邊長40mm～60mm的渾圓狀岩塊。每組試件不少於3～5個。

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

式中:ρ——試件密度，(g/cm²);

M——岩樣質量，(g);

A——試件;

H——試件高度，(cm)。

4.1.2.9 比重試驗

定義比重為土在100～105℃下烘乾至恆值時的質量與同體積4℃純水質量的比值。一般採用比重瓶法。按下式計算:

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

式中:G_s——土粒比重;

m₁——瓶、水總質量，(g);

m₂——瓶、水、土總質量，(g);

G_wt——T℃時純水的比重。

根據以上三項試驗成果，可以計算干密度ρd、孔隙比e、孔隙率n、飽和度S_r、飽和含水量w_max，按下式計算:

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

式中:ρ_w——純水在T℃時的密度，(g/cm³);其他指標同上述，含水量w值以小數代入公式。

4.1.2.10 界限含水量試驗^[41]

界限含水量試驗，可測定液限W_L、塑限W_P，並計算得到液性指數I_L、塑性指數I_P。

採用光電式液塑限聯合測定儀。用76g圓錐儀測定在5s時土在不同含水量時圓錐下沉深度，在雙對數坐標紙繪制圓錐下沉深度和含水量的關系曲線。在直線上查得圓錐下沉深度為17mm處的相應含水量為17mm液限(W_L17)，下沉深度為10mm處的相應含水量為10mm液限(W_L10)，查得下沉深度為2mm所對應得含水量為塑限(W_P)，以百分數表示，准確至0.1%。

塑性指數I_P，液性指數I_L按下式計算:

I_P=W_L-W_P(4-12)

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

式中:W、W_L、W_P分別為天然含水率、液限及塑限。

分別按17mm液限(W_L17)、10mm液限(W_L10)計算塑性指數I_P17、I_P10、I_L17、I_L10。4.1.2.11 軟弱岩土流變試驗

(1)岩土的流變性能

許多滑坡地質災害發生的實例和研究表明:邊坡岩體中的軟弱夾層往往是對邊坡穩定與變形直至發生滑坡起著控製作用的岩土，它的試驗研究包含二個重要方面:一是強度大小，二是變形特徵。除了研究軟弱岩土在瞬時應力作用下岩石的破壞特徵和強度外，還必須研究岩土特別是對邊坡穩定起控製作用的軟弱夾層岩土的流變特性(蠕變)，因此需對邊坡穩定起控製作用的軟弱岩土測定岩土的流變強度—長期強度及有關流變(蠕變)參數。

在岩體上施加某一荷重後，岩體將產生瞬時的彈性變形，在溫度不變的情況下，如果保持這一荷重為定值，其變形將隨時間的延長而增長，這就是岩體的流變現象。對於時間效應明顯的露天煤礦邊坡及順層岩體邊坡軟弱岩體，其長期強度是非常重要的。

岩土的流變性能主要包括四個方面:

① 蠕變特性—在荷重作用下，應變ε隨時間t而逐漸增長的現象;

② 鬆弛特性—當應變ε一定時，應力σ隨時間t而逐漸減小的現象:

③流動特性—當時間一定時，應變速率

與應力σ的關系;

④ 長期強度—在一定時間內，強度τ與時間t的關系。

典型的岩土蠕變分為三階段，見圖4 9所示:^[42]

圖4-9 典型蠕變三階段曲線

1)初始蠕變，開始時蠕變速度較快，然後過渡到一恆定蠕變區。圖中0-A段為初始蠕變階段。

2)穩定蠕變，如圖H-B段，在該區內，蠕變呈恆速增長，此時蠕變速度較小並不發生破壞。

3)加速蠕變，當達到一定的時間後，變形超過恆定蠕變區，則急劇增加，直至破壞，即圖中B-C段。

當應力較小時，無論多長時間都不會發生加速蠕變，這樣的蠕變為穩定蠕變;但當應力達到一定值，蠕變將進入加速蠕變區，這樣的蠕變為不穩定蠕變，由二區進入三區的臨界值，就是我們所要測定的岩土的長期強度-流變強度。

(2)直剪流變試驗

流變試驗設備:對於土或軟弱夾層中的泥化夾層，可以選用直剪流變試驗儀或採用四台等應力直剪儀，直接在恆溫恆濕、防擾動的環境里(如地下室)進行流變試驗。對於硬岩或較硬岩石，則選用岩石剪切流變儀，這是一種中型直剪流變儀，適用於岩石、混凝土快剪及流變試驗。該機水平最大剪力可達1000kN，垂直壓力達400kN，水平和垂向最大行程50mm，試樣尺寸三種規格:100mm×100mm×95mm，150mm×150mm×145mm、200mm×200mm×195mm，穩壓系統由電動泵、蓄能器、充油閥、穩壓閥、壓力指示表等組成，能對水平壓力(穩壓范圍40Pa～320×105Pa)和垂直壓力下(穩壓范圍35Pa～260×105Pa)試件進行長期穩壓，以進行各種要求的流變試驗。

試驗方法主要介紹最常用的軟弱岩土的直剪流變試驗方法。

首先對試驗岩土進行快剪試驗，取得不同法向力級的剪應力破壞值σ_i和τ_i，然後按下式確定流變試驗相對應正壓力和剪切荷載等級梯度:

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

式中:τ_0i為對應不同法向力σ_i的剪切等級剪應力，(kPa);τ_i為對應不同法向力σ_i下的快剪強度，(kPa);K為土岩介質性質系數，一般取K=0.5～0.85;n為流變試驗線性范圍分級數n=4～6。

一般按4級(i=4)正應力進行，正應力大小可根據土岩賦存深度或土岩強度確定，然後按上述得出的流變試驗方案由小到大(τ_0i)分級進行。每一級剪力維持一周，每天測取蠕變變形量，得出每一級σ_i和τ_0i下的剪切蠕變變形γ-時間t關系曲線，n周之後可得4組(i=4)剪切蠕變變形γ—t數據，在試驗過程中要根據試驗結果(主要是變形情況)對τ_0i進行適當調整。一般至最後一級τ_0i時試樣均能發生破壞。一組4個試樣，試驗歷時2個月以上。

根據4組γ-t數據，採用應變疊加原理可以繪制不同正應力σ_i下的4組剪應力τ-剪切應變γ的疊加曲線，見圖4-10～圖4-13;根據疊加曲線繪制各種時間的剪應力τ與剪應變γ等時線簇，見圖4-14～圖4-16。

圖4-10 剪應變疊加曲線σ=50kPa

圖4-11 剪應變疊加曲線σ=100kPa

由以上兩套圖可以看出:如施加的剪應力τ＜τ_∞，γt曲線呈示a型，呈趨穩定性蠕變;而當τ＞τ_∞時，曲線呈b型，即經減速、等速、加速三個階段發展至破壞—即非穩定蠕變:c型屬於過渡型。剪應力等級分得越細，試驗時間愈長，則試驗成果的精度愈高。但一般受時間限制，剪應力分4、5級。時間每一等級試驗(穩壓)七天就基本可以滿足邊坡軟岩流變試驗的要求。

圖4-12 剪應變疊加曲線σ=150kPa

圖4-13 剪應變疊加曲線σ=200kPa

圖4-14 剪應力—剪應變等時線簇σ=50kPa

圖4-15 剪應力—剪應變等時線簇σ=100kPa

圖4-16 剪應力—剪應變等時線簇σ=150kPa

根據疊加曲線及等時線簇，繪制剪切模量G與時間t的關系曲線。剪切模量G=τ/γ，即剪應力與剪應變關系曲線的斜率。不同的剪切歷時有不同的剪切模量。一般來說，它是隨著剪切歷時的增長而降低.它描述了土骨架在剪應力作用下粘滯流動的時間效應，是表徵夾層流變性質的重要參數之一，見圖4-17、圖4-18所示。

據這兩組曲線，還可繪制以剪切速率(γ=dγ/dt)為縱坐標，以剪應力(τ)為橫坐標的流動曲線，它表明了在一定含水量和一定密度狀態下，剪切速度—剪應力的關系，根據此曲線可以計算出軟弱夾層的粘滯系數η和鬆弛周期M。流動曲線見圖4-19所示。

圖4-17 剪應力—剪應變等時線簇σ=200kPa

圖4-18 剪切模量—剪切歷時關系曲線

圖4-19 流動曲線-(剪切變形速率—剪應力)

根據以上流變試驗曲線和流變理論，可以確定軟弱夾層的流變特性參數。

(3)軟弱夾層蠕變模型

根據軟弱岩層的穩定蠕變和非穩定蠕變兩種類型，分別建立蠕變模型。

1)穩定蠕變模型

當剪應力τ小於其長期強度τ_∞時，整個蠕變過程包括以下幾個階段:瞬時應變、初始蠕變、穩定蠕變。瞬時應變後，進入初始蠕變階段，應變速率由大逐漸變小，而後過渡到穩定蠕變階段，當t→∞時，應變數最終趨於一穩定值，穩定蠕變過程不會過渡到加速蠕變過程，因此不會影響邊坡的穩定和安全，其蠕變方程為:

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

式中:G₀——瞬時剪切模量，(kPa);

τ——剪應力，小於τ_∞，(kPa);

G_∞——長期剪切模量，(kPa);

η₁——蠕變初始段的粘滯系數，(kPa·h);

t₁——蠕變初始段時間，(h);

t₂——t₁至某一時間或t₁至無窮大t_∞的時間。67

因為整個蠕變曲線是連續的，所以從初始段向穩定段過渡時，其應變速率應相等，因而對上述方程求導數可求得由初始蠕變向穩定段過渡的時間t1，或者從試驗曲線判斷t₁，平衡方程為下式:

煤礦露天井工聯合開采理論與實踐

這種穩定蠕變模型可採用修正凱爾文模型表徵其應力—應變—時間關系。

2)非穩定蠕變模型

當剪應力τ大於長期強度τ_∞時，整個蠕變過程包括以下幾個階段:瞬時應變γ₀，初始蠕變γ₁，等速蠕變γ₂，加速蠕變γ₃，直至岩體破壞，其蠕變方程如下:

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式中:G′₀——τ大於τ_∞後的瞬時剪切模量，(kPa);

G′_∞——τ大於τ_∞後的長期剪切模量，(kPa);

η′₁——τ大於τ_∞後的初始段粘滯系數，(kPa·h);

η′₂——τ大於τ_∞後的等速段粘滯系數，(kPa·h);

η₃——加速段的粘滯系數，(kPa·h);

t₁——初始蠕變段時間，(h);

t₂——等速蠕變段時間，(h);

t₃——加速蠕變段時間，(h)。

當τ＞τ_∞時，在初始蠕變之後出現等速蠕變，這時應在凱爾文模型後串聯-賓哈姆體。等速段向加速段的轉化，主要決定於應變數的積累，當應變達到一定值γ₂時，進入加速蠕變，粘滯系數η₃隨時間不斷減少，可以用一變η₃牛頓粘筒表示。在蠕變過程中，可使蠕變由速率最小的γ_min逐漸增大，直至破壞。

由於等速蠕變轉化為加速蠕變，主要靠應變控制，故為非穩定蠕變的模型，它與上述的蠕變方程是對應的，這與中科院地質所長春地質學院對泥化夾層蠕變模型的研究成果是一致的。

由蠕變τ-γ曲線可以看出，當τ＞τ_∞之後，曲線斜率有變化，說明G和η有變化，公式中的G₀′、G′_∞，η值均應用超過τ_∞以上的數值。

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蠕變破壞時間根據室內試驗或現場觀測資料，用經驗公式來估算，法恩依據室內試驗資料建議的經驗公式為:

lnt_r=0.75-0.92lnξ_min (4-19)

式中:t_r——從蠕變開始計算的破壞時間;

ξ_min——最小蠕變速率(等速段應變速率)。

如果在邊坡岩體等速蠕變段不採取任何措施，如疏干排水，減重、加固支擋等，那麼等速段的發展，必然導致加速段的出現，這表明岩層結構遭到破壞，邊坡將很快失穩破壞。

加速段的應變增量為:

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η₃是一個變數，與應變速率、蠕變積累量和蠕變時間有關，目前還難以由理論分析確定，只能通過試驗資料分析確定，但這次仍未觀察到由等速段到加速段全過程的試驗資料，因而難以由試驗資料確定。齋騰通過室內試驗的分析，得出加速段的應變用下式表達:

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式中:A——試驗常數;

t_r——等速段開始至蠕變破壞時間;

t₂——加速段開始的時間;

t——加速段蠕變延續時間;

t′_r——加速段開始至蠕變破壞時間。

法恩建議的應變速率開始增加至破壞時間的時間間距經驗公式為:

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式中:tt_r——由t開始到達破壞所需時間;

ξ——應變速率開始增加時的應變速率。

加速段的變形量γ為:

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式中:d——試驗常數，由試驗數據求出，

這樣，當τ＞τ_∞時，整個蠕變方程也可寫為:

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根據蠕變方程，可以用來估算蠕變過程的總變形量，從而進一步推斷破壞時間。

3. 固結實驗總變形量怎麼算

固結實驗總變形量計算：(80X900-5X920)/80X900=93.6% 這個計算的是總的變形量，實際上一般需要的是單道次變形量，尤其是最後一道加工的變形量。

穩定壓縮：每級壓力下持續24h為壓縮穩定標准；測記試樣高度變化後，即可施加下級壓力。這是各類規范的常規標准。對某些滲透系數大於10cm/s的粘性土，以1h內試樣變形量不大於0.005mm作為相對穩定標准，結果能夠滿足工程要求。

試驗目的

固結試驗是測定土體在外力作用下排水、排氣、氣泡壓縮性質的一種測試方法。在一般情況下，土體承受三個主應力的作用，發生三相應變。本試驗用於測定土的壓縮性指標，主要包括土的壓縮系數av、壓縮指數Cc及固結系數Cv等，為估算建築物沉降量及歷經不同時間的固結度提供必備的計算參數。

4. 固結實驗的什麼是固結實驗

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。
一般壓縮固結儀有杠桿式、磅秤式、氣壓式三種。杠桿式壓縮儀是用砝碼通過杠桿加壓，壓力僅為0.4～0.6MPa，基本上能滿足一般工程要求，且數台儀器可裝在一個試驗台架上, 佔地面積小，便於管理，目前被廣泛採用。磅秤式壓縮儀是通過帶有加壓框架的磅秤施加壓力 , 儀器壓力可達5Mpa，適用於較大工程，可以用來測定壓縮指數和前期固結壓力、固結系數等指標。氣壓式壓縮儀是通過空氣壓縮機來施加壓力的，加壓范圍大，適用於各類工程。本試驗採用氣壓式壓縮儀。
壓縮固結試驗中，後一級壓力的施加均是在前一級荷載下壓縮達到穩定後施加的，但所謂穩定是相對的，按照穩定標準的不同，通常將固結試驗分為兩類：
（1）穩定壓縮：每級壓力下持續24h為壓縮穩定標准；測記試樣高度變化後，即可施加下級壓力。這是各類規范的常規標准。對某些滲透系數大於10cm/s的粘性土，以1h內試樣變形量不大於0.005mm作為相對穩定標准，結果能夠滿足工程要求。
（2）快速壓縮：在各級壓力下，壓縮時間規定為1h，僅在最後一級壓力下，除測記1h變形量外，還需測讀達到穩定標准(24h)時的變形量。在整理資料時，根據最後一級變形量，校正前幾級壓力下的變形量。當試驗要求精度不高時，可採用快速壓縮法。

5. 公路工程土工試驗中，土的壓縮試驗 是不是就是現在的固結試驗請高人詳解

通常「壓縮」描述的是非飽和土，「固結」描述的是飽和土體。如果是壓縮非飽和土稱壓縮試驗，壓縮飽和土體稱為固結試驗，兩者使用同樣的儀器-----固結儀，出去土體不同，其餘都一樣，不知你能明白嗎。

6. 通過固結試驗可以得到哪些土的壓縮性指標

通過固結試驗，可以做出兩種關於壓縮性指標的曲線：
1、e-p曲線，通過該曲線可以得到的壓縮性指標有壓縮系數和壓縮模量；
2、e-lgp曲線，通過該曲線可以得到的壓縮性指標有壓縮指數和回彈指數。

7. 野外土的簡易試驗方法有哪些,並對每一種方法加以說明

土的壓縮包括三部分，瞬時壓縮、固結壓縮、和蠕變。其中固結壓縮量是最大的。
此外，壓縮表示的是土體變形的結果，變形量的大小；固結往往用來表示粘土孔壓消散、排水變形的過程。
fle_flo1.按照土工試驗規范，沒有「壓縮試驗」一說，只有「固結試驗」。因為現有土力學理論都是基於飽和土，其壓縮過程本身就是固結過程。
2.實踐中，為了方便，稱不要求讀取s-t或e-t關系的試驗稱為壓縮試驗，反之稱為固結試驗。
3.還有一點細微的差別就是，壓縮試驗時試樣可以不浸水，也就是說不飽和土就讓它不飽和著，這其實是把規范中的固結試驗擴展到不飽和土的一種用法。而固結試驗時試樣要浸水。前期固結壓力又稱天然固結壓力，是土在地質歷史上曾經受過的最大有效豎向壓力。

根據《土力學與地基基礎》，按照前期固結壓力與現有壓力相對比的狀況，可將土（主要為粘性土和粉土）分為正常固結土、超固結土（超壓密土）和欠固結土三類。正常固結土層在歷史上所經受的先期固結壓力等於現有現有覆蓋土重。在研究沉積土層的應力歷史時，通常把土層歷史上所經受過的先期固結壓力pc與現有覆蓋土重p1進行對比，兩者的比值定義為超固結比（OCR）。正常固結土、超固結土和欠固結土的超固結比分別為OCR=1、OCR>1和OCR<1。

當考慮土的應力歷史進行沉降計算時，應進行高壓固結試驗，確定先期固結壓力、壓縮指數等。確定先期固結壓力最常用的方法是

卡薩格蘭德經驗作圖法，步驟如下：

1從e-logp曲線上找出曲率半徑最小的一點A，過A點作水平線A1和切線A2；

2作∠1A2的平分線A3，與e-logp曲線中直線段的延長線相交於B點；

3B點所對應的有效應力就是先期固結壓力。

8. 土的壓縮實驗和荷載試驗的區別與聯系

土的壓縮包括三部分，瞬時壓縮、固結壓縮、和蠕變。其中固結壓縮量是最大的。
此外，壓縮表示的是土體變形的結果，變形量的大小；固結往往用來表示粘土孔壓消散、排水變形的過程。
fle_flo1.按照土工試驗規范，沒有「壓縮試驗」一說，只有「固結試驗」。因為現有土力學理論都是基於飽和土，其壓縮過程本身就是固結過程。
2.實踐中，為了方便，稱不要求讀取s-t或e-t關系的試驗稱為壓縮試驗，反之稱為固結試驗。
3.還有一點細微的差別就是，壓縮試驗時試樣可以不浸水，也就是說不飽和土就讓它不飽和著，這其實是把規范中的固結試驗擴展到不飽和土的一種用法。而固結試驗時試樣要浸水。

9. 土的固結試驗，根據穩定標準的不同有幾種壓縮方法，各有什麼優缺點

按穩定標準的不同通常壓縮試驗分為：穩定壓縮、假穩定壓縮、快速壓縮。

1、穩定壓縮

在每級荷重下24小時內土樣厚度不再變化，百分表讀數不變，即不認為穩定，繼續加一級荷重。這種方法所需時間太長，一般不太採用。

2、假穩定壓縮

一小時內土樣壓縮量不超過0.05mm即認為穩定，或以24小時為標准，然後壓力以下一級荷重，試驗證明，實驗結果符合規程規定的標准。

3、快速壓縮

在各級荷重下，壓縮一小時後，不管變化如何即加一級壓力，但在最後一級荷重下，除測讀一小時的變形量外，還應繼續測試達到假穩定為准。計算時，根據最後一級變形量核正前幾級荷重下的變形量，當精度要求不高時，一般採用此方法可以大大縮短實驗時間。

固結試驗目的和原理

1、目的

試驗之目的在於測定土的沉降變形，了解土體在側限條件下的變形與時間～壓力的關系，結合其它試驗指標配合計算土的壓縮系數、壓縮模量，確定土壓縮性的高低。通過測定土樣在各級垂直荷載作用下產生的變形，計算各級荷載下相應的孔隙比，用以確定土的壓縮系數和壓縮模量等。

2、試驗原理

試樣裝在厚壁金屬容器內，上下各放透水石一塊，然後在試樣上分級施加垂直壓力P。記錄加壓後不同時間的垂直變形量，繪制不同荷載下垂直變形量Δh與時間t的關系曲線；垂直變形Δh與相應荷載P的關系曲線；空隙比e與荷載P的關系曲線。

10. 土的壓縮和土的固結有何區別

土的壓縮包括三部分，瞬時壓縮、固結壓縮、和蠕變。其中固結壓縮量是最大的。
此外，壓縮表示的是土體變形的結果，變形量的大小；固結往往用來表示粘土孔壓消散、排水變形的過程。
fle_flo1.按照土工試驗規范，沒有「壓縮試驗」一說，只有「固結試驗」。因為現有土力學理論都是基於飽和土，其壓縮過程本身就是固結過程。
2.實踐中，為了方便，稱不要求讀取s-t或e-t關系的試驗稱為壓縮試驗，反之稱為固結試驗。
3.還有一點細微的差別就是，壓縮試驗時試樣可以不浸水，也就是說不飽和土就讓它不飽和著，這其實是把規范中的固結試驗擴展到不飽和土的一種用法。而固結試驗時試樣要浸水。